KR102350987B1

KR102350987B1 - Manufacturing method of customized scaffold

Info

Publication number: KR102350987B1
Application number: KR1020190114952A
Authority: KR
Inventors: 김종영; 사민우; 이창희; 최승혁
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2022-01-13
Also published as: KR20210033598A

Abstract

맞춤형 인공지지체 제조방법가 개시된다. 본 발명에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계; 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계; 제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및 입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작될 수 있음은 물론이고, 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖는 3D 인공지지체의 제조가 가능해지는 효과가 있다.A method for manufacturing a customized artificial scaffold is disclosed. The method for manufacturing a customized artificial scaffold according to the present invention comprises: a modeling step of generating G-Codes for each layer image obtained by slicing a 3D modeled customized artificial scaffold to a predetermined thickness and inputting the G-Codes to a manufacturing apparatus; A feeding step of providing a powder-type material with a predetermined thickness to a stacking space including a target point at which a sintering action by laser occurs; a sintering step of controlling a laser so that the provided powdery material is sintered in response to the layer-by-layer image and relatively moving the stacking space in the x-axis and y-axis; and repeating the feeding step and the sintering step successively so that sintering corresponding to the layer-by-layer images from the bottom to the top is cumulatively performed according to the order of the input G-Code. According to the present invention, a 3D scaffold having a precise and complex porous structure can be customized to various shapes and micro sizes, as well as the effect of making it possible to manufacture a 3D scaffold having biocompatibility and necessary mechanical strength. have.

Description

맞춤형 인공지지체 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CUSTOMIZED SCAFFOLD}Manufacturing method of customized artificial scaffold {MANUFACTURING METHOD OF CUSTOMIZED SCAFFOLD}

본 발명은 맞춤형 인공지지체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 3D로 모델링된 인공지지체를 소정의 공정조건하에서 분말형 세라믹의 층별 공급과 이에 대한 선택적 레이저 소결의 반복으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a customized artificial scaffold, and more particularly, to a method for manufacturing a 3D modeled scaffold by supplying powdered ceramic layer-by-layer under predetermined process conditions and repeating selective laser sintering for the same. .

사고나 질병으로 인한 골손상 또는 운동량 부족이나 고령화에 따른 골기능 저하 등의 문제를 해결하기 위해, 근래에 들어 골조직 재생용 생체재료에 대한 관심이 집중되고 있다.In order to solve problems such as bone damage due to accidents or diseases, lack of exercise, or deterioration of bone function due to aging, interest in biomaterials for bone tissue regeneration has been focused in recent years.

특히, 생체재료 관련 연구개발 중 인공지지체(Scaffold)는, 조직공학(tissue engineering 즉, 체외에서 손상부위와 동일한 세포를 배양한 후 손상 부위에 이식하여 해당 기능을 발휘케 하는 조직재생의 목적을 위한 학문)의 주요한 이슈 중 하나로서, 세포의 증착, 증식 및 분화를 도울 수 있는 생체적합성 소재와 제조방법에 대한 다양한 연구개발이 활발히 진행되고 있다.In particular, during research and development related to biomaterials, scaffolds are used for tissue engineering (i.e., tissue regeneration) for the purpose of tissue engineering, that is, culturing the same cells as the injured site in vitro and then transplanting them to the damaged area to exert the corresponding function. As one of the major issues of the study), various R&D on biocompatible materials and manufacturing methods that can help the deposition, proliferation, and differentiation of cells are being actively conducted.

이러한 인공지지체는, 이식 후 시간의 경과에 따라 체내에서 세포의 번식을 지원하면서 서서히 분해되어 체내에 흡수되어야 하는 요구에 따라 자가생성의 유도시간과 생체 내 거부반응을 최소화할 수 있고, 체내 생분해활동 대사가 활발한 생체고분자, 합성고분자, 생체세라믹 또는 금속 등과 같은 다양한 재료를 활용하여 다공성 구조로 제작되고 있다. Such an artificial scaffold can minimize the induction time of autogenation and rejection in the body according to the requirement that it be slowly decomposed and absorbed into the body while supporting the proliferation of cells in the body over time after transplantation, and biodegradation activity in the body A porous structure is being manufactured using various materials such as biopolymers, synthetic polymers, bioceramics, or metals with active metabolism.

이때, 다공성의 3차원 인공지지체의 제조는, 구체적으로 광조형법(Stereolithography, SLA), 열용해적층법(Fused deposition modeling, FDM) 등과 같은 3차원 제조기술로 이루어지고 있다. In this case, the production of the porous three-dimensional artificial scaffold is specifically made by three-dimensional manufacturing techniques such as stereolithography (SLA), fused deposition modeling (FDM), and the like.

그러나 3차원 제조기술에 사용되는 설비나 장치 자체는, 대규모의 고가 시스템으로 구성되는 것이어서 소량의 인공지지체를 맞춤형으로 제작하거나 소규모의 연구실 단위에서 사용하기에는 비용상의 어려움이 컸고, 고정밀도를 갖는 소형의 인공지지체를 신속하게 제작함에 있어서도 아직까지 분명한 한계가 존재하는 문제가 있다.However, the facilities and devices used in 3D manufacturing technology themselves consist of large-scale and expensive systems, so it is difficult to manufacture a small amount of artificial scaffolds or use them in a small laboratory unit. There is a problem in that there is still a clear limitation in rapidly manufacturing the artificial scaffold.

이를 개선하기 위한 인공지지체 제조장치와 관련된 선행기술 중 대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)는, 정밀 다축 적층 장치 및 이를 이용한 3차원 인공 지지체제조 시스템에 관한 기술을 개시하고 있다.Among the prior art related to the artificial support manufacturing apparatus for improving this, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2009-0054208 (published on May 29, 2009) discloses a precision multiaxial lamination apparatus and a three-dimensional artificial support manufacturing system using the same. technology is disclosed.

상술한 선행기술은, 최소 100㎛ 이하의 선폭을 가지면서도 ±10㎛ 오차 범위 내에서 제어되고, 필요한 강성을 갖는 복잡한 3차원 인공지지체의 제조가 가능함을 기술하고 있다.The above-described prior art describes that it is possible to manufacture a complex three-dimensional artificial scaffold having a minimum line width of 100 μm or less, while being controlled within a ±10 μm error range, and having the required rigidity.

그러나 본 선행기술이 채택한 제조방식은, 고체 재료를 녹여 액화시킨 후 이를 소정 굵기로 분사하는 열용해적층법을 이용한 것이어서 사용 가능한 소재가 저온 용융성 합성고분자 등에만 적용이 용이할 뿐이고, 분말형태로 제공되는 고온 용융성 생체세라믹이나 금속에는 사실상 적용하기가 어렵다는 점, 연속적으로 3축 구동하는 적층헤드에서 분사된 용융수지로 형상을 구현함으로 인해 노즐 등의 유지관리가 일상적으로 필요하고, 고결(냉각)과정이 필수적이어서 인공지지체 완성에 소요되는 리드타임의 단축에 한계가 있으며, 분사속도나 용융수지 점도 등의 많은 제어요소로 인해 완제품 정밀도에서도 일정한 한계가 예상된다는 점에서, 여전히 이에 대한 지속적인 연구개발이 요구되고 있는 실정이다.However, the manufacturing method adopted by this prior art uses a thermal melt lamination method in which a solid material is melted and liquefied and then sprayed to a predetermined thickness. Due to the fact that it is practically difficult to apply to the provided high-temperature meltable bioceramics or metals, and the shape is realized with the molten resin sprayed from the lamination head that continuously drives three axes, it is necessary to routinely maintain the nozzle, etc., and ) process is essential, so there is a limit to shortening the lead time required to complete the artificial scaffold, and in that a certain limit is expected in the precision of the finished product due to many control factors such as injection speed and melt viscosity, there is still continuous research and development for this. This is being requested.

대한민국공개특허 제10-2009-0054208호(공개일: 2009년 05월29일)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0054208 (published on May 29, 2009)

본 발명의 목적은, 다양한 맞춤 형상으로 3D 모델링된 인공지지체를 체내 이식시 생체적합성이 있는 분말형 소재를 이용하여 적층식 레이저 소결법을 통해 필요한 기계적 강도로 제작할 수 있고, 종래 용융수지를 노즐로 분사하는 제조방식에 비해 장비의 유지관리가 용이하고, 상대적으로 적은 제어요소의 가변을 통해 필요한 완제품 정밀도를 다양하게 충족시킬 수 있는 맞춤형 인공지지체 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to fabricate a 3D modeled artificial scaffold with various custom shapes with the required mechanical strength through a laminated laser sintering method using a biocompatible powder-type material when implanted in the body, and spraying a conventional molten resin with a nozzle The goal is to provide a customized artificial scaffold manufacturing method that is easier to maintain compared to the manufacturing method and can variously satisfy the required precision of finished products through relatively small variations in control elements.

상기 목적은, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계; 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계; 제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및 입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법에 의해 달성된다.The above object is a modeling step of generating each G-Code for each layer image obtained by slicing a 3D-modeled custom artificial scaffold to a predetermined thickness and inputting it into a manufacturing apparatus; A feeding step of providing a powder-type material with a predetermined thickness to a stacking space including a target point at which a sintering action by laser occurs; a sintering step of controlling a laser so that the provided powdery material is sintered in response to the layer-by-layer image and relatively moving the stacking space in the x-axis and y-axis; and a repeating step of continuously performing the feeding step and the sintering step so that sintering corresponding to the layer-by-layer image from the bottom to the top is cumulatively performed according to the order of the input G-Code. It is achieved by a method for preparing a support.

상기 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 상기 반복단계를 통해 완성된 상기 인공지지체를 소결로에 장입하여 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시키고, 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 사후소결단계를 더 포함할 수 있다.The customized artificial support manufacturing method is a post-sintering step of charging the artificial support completed through the repeating step into a sintering furnace, gradually raising the temperature to 1050 ° C. to 1150 ° C. for 4 hours, and cooling after maintaining the temperature for 2 hours. may include more.

상기 분말형 소재는, 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말일 수 있다.The powder material may be a powder including at least one of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP).

상기 소결단계는, 레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하고, 포커싱렌즈의 초점을 기준으로 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리만큼 이격된 위치에 타겟점 및 상기 적층공간이 위치하도록 설정될 수 있다.In the sintering step, the laser power is set to 5W to 6W, and the target point and the stacking space are positioned at positions spaced apart by a distance corresponding to 5% to 10% of the focal length based on the focus of the focusing lens. can be

상기 소결단계는, 레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하여 이루어질 수 있다.The sintering step may be performed by setting the laser power to 5W to 6W.

상기 소결단계는, xy 평면에 대한 상기 적층공간의 이동속도를 100mm/min 내지 250mm/min로 설정하여 이루어질 수 있다.The sintering step may be performed by setting the moving speed of the stacking space with respect to the xy plane to 100 mm/min to 250 mm/min.

상기 분말형 소재는, 기계적 강도가 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지고, 원활한 세포증식이 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어질 수 있다.The powdery material is made of a powder obtained by mixing 0% by weight of hydroxyapatite (HA) and 100% by weight of calcium phosphate (TCP) with respect to the total weight of the powder, for the production of the artificial scaffold requiring mechanical strength, , for the production of the artificial scaffold requiring smooth cell proliferation, 25% by weight of hydroxyapatite (HA) and 75% by weight of calcium phosphate (TCP) based on the total weight of the powder may be made of a mixed powder.

본 발명에 의하면, 3D 모델링된 맞춤형 인공지지체의 층별이미지에 대응한 수치제어명령인 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계와, 적층공간에 소정의 분말형 소재를 층별이미지에 대응한 두께로 제공하는 피딩단계와, 층별이미지에 대응하여 분말형 소재가 소결되도록 레이저를 제어하며 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계와, 이러한 피딩단계 및 소결단계의 반복을 통해 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작될 수 있음은 물론이고, 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖는 3D 인공지지체의 제조가 가능해지는 효과가 있다.According to the present invention, the modeling step of generating G-Code, which is a numerical control command corresponding to the layer-by-layer image of the 3D modeled custom artificial scaffold, and inputting it to the manufacturing device, respectively, and the layer-by-layer image of a predetermined powdery material in the stacking space Through the feeding step of providing one thickness, the sintering step of controlling the laser so that the powder material is sintered in response to the layer-by-layer image and moving the stacking space relative to the x-axis and the y-axis, and repeating these feeding steps and sintering steps A 3D scaffold having a precise and complex porous structure can be custom-made in various shapes and microscopic sizes, and it has the effect of making it possible to manufacture a 3D scaffold having biocompatibility and required mechanical strength.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법의 시계열적 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 도 1의 피딩단계와 소결단계에 따른 제조 과정을 개념적으로 도식화한 공정도이다.
도 3은 도 1에 따른 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이다.
도 4는 도 3의 6축 작동을 방향을 간략히 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이다.
도 6은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 레이저 출력에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 7은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 타겟점 결정에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 8은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 분말형 소재의 xy 평면상 이동속도에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 9는 도 1의 사후소결단계의 온도처리 과정과 처리 온도별 압축강도 평가를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 1의 분말형 소재의 함량분포에 따른 기계적 강도와 세포증식률의 정도를 보여주는 그래프이다.
도 11은 도 1에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.1 is a flowchart schematically illustrating time-series steps of a method for manufacturing a customized artificial scaffold according to an embodiment of the present invention.
2 is a process diagram conceptually schematically illustrating the manufacturing process according to the feeding step and the sintering step of FIG. 1 .
3 is a perspective view of a six-axis driven three-dimensional artificial scaffold manufacturing apparatus used in the manufacturing method according to FIG. 1 .
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the direction of the six-axis operation of FIG. 3 .
5 is a process diagram illustrating the 3-axis driving of the feeding unit of FIG. 3 step by step.
6 is a photograph and graph showing the sintering test results according to the laser output, which is a major factor among the process conditions of the sintering step of FIG. 1 .
7 is a photograph and graph showing the sintering test results according to the determination of the target point, which is a major factor among the process conditions of the sintering step of FIG. 1 .
8 is a photograph and graph showing the sintering test results according to the movement speed in the xy plane of the powder material, which is a major factor among the process conditions of the sintering step of FIG. 1 .
9 is a graph showing the temperature treatment process of the post-sintering step of FIG. 1 and the evaluation of compressive strength for each treatment temperature.
10 is a graph showing the degree of mechanical strength and cell proliferation rate according to the content distribution of the powder material of FIG. 1 .
11 is a photograph showing the actual size of the artificial scaffold completed according to FIG. 1 and the ratio of constituent elements, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present invention, descriptions of already known functions or configurations will be omitted in order to clarify the gist of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법의 시계열적 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 도 1의 피딩단계와 소결단계에 따른 제조 과정을 개념적으로 도식화한 공정도이고, 도 3은 도 1에 따른 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치의 사시도이고, 도 4는 도 3의 6축 작동을 방향을 간략히 도시한 도면이고, 도 5는 도 3의 피딩부의 3축 구동을 단계별로 도시한 공정도이고, 도 6은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 레이저 출력에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 7은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 타겟점 결정에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 8은 도 1의 소결단계의 공정조건 중 주요 인자인 분말형 소재의 xy 평면상 이동속도에 따른 소결시험 결과를 나타낸 사진 및 그래프이고, 도 9는 도 1의 사후소결단계의 온도처리 과정과 처리 온도별 압축강도 평가를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 1의 분말형 소재의 함량분포에 따른 기계적 강도와 세포증식률의 정도를 보여주는 그래프이고, 도 11은 도 1에 따라 완성된 인공지지체의 실물크기와 조성 원소의 비율을 각각 보여주는 사진이다.1 is a flowchart schematically showing the time series steps of a method for manufacturing a customized artificial scaffold according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a process diagram conceptually schematically illustrating the manufacturing process according to the feeding step and the sintering step of FIG. 3 is a perspective view of a 6-axis driven three-dimensional artificial support manufacturing apparatus used in the manufacturing method according to FIG. 1 , FIG. 4 is a diagram schematically illustrating the direction of the 6-axis operation of FIG. 3 , and FIG. 5 is the feeding of FIG. It is a process diagram showing step-by-step operation of the negative three-axis, and FIG. 6 is a photograph and graph showing the sintering test results according to the laser output, which is a major factor among the process conditions of the sintering step of FIG. 1, and FIG. 7 is the sintering step of FIG. It is a photograph and graph showing the sintering test result according to the target point determination, which is a major factor among the process conditions, and FIG. 8 is a sintering test result according to the xy plane movement speed of the powder-type material, which is a main factor among the process conditions of the sintering step of FIG. 1 are photographs and graphs, and FIG. 9 is a graph showing the temperature treatment process of the post-sintering step of FIG. 1 and the evaluation of compressive strength for each treatment temperature, and FIG. 10 is the mechanical strength and cells according to the content distribution of the powdery material of FIG. It is a graph showing the degree of growth rate, and FIG. 11 is a photograph showing the actual size of the artificial scaffold completed according to FIG. 1 and the ratio of constituent elements, respectively.

도면에 나타난 X, Y, Z 축은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 임의로 정한 것으로, X축이 전(앞, 화살표 쪽), 후(뒤)방향을 지시하고, Y축은 좌(화살표 쪽), 우방향을 지시하며, Z축은 상(위, 화살표 쪽), 하(아래)방향을 지시하는 것으로 정의한다. 이하에서 설명되는 각 방향은 이와 다르게 특별히 한정하는 경우를 제외하고, 이에 기초한 것이다.The X, Y, and Z axes shown in the drawings are arbitrarily determined for convenience of explanation, not for the purpose of limiting rights. direction) and right, and the Z axis is defined as indicating up (up, arrow) and down (down) directions. Each direction described below is based thereon, except when otherwise specifically limited.

본 발명에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 고품질의 3D 인공지지체를 다양한 형상과 미소한 크기로 맞춤 제작하면서도 생체적합성과 필요한 기계적 강도를 갖춘 3D 인공지지체를 양산 내지 제조하기 위해 안출된 발명이다.According to the method for manufacturing a customized artificial scaffold according to the present invention, a high-quality 3D scaffold having a precise and complex porous structure can be customized to various shapes and micro sizes while mass-producing or manufacturing a 3D scaffold having biocompatibility and necessary mechanical strength. It is an invention devised for

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법은, 전체적으로 도 1에 도시된 바와 같이 모델링단계(S100), 피딩단계(S200), 소결단계(S300), 반복단계(S400) 및 사후소결단계(S500) 등을 포함하는 일련의 시계열적 단계 등으로 구성될 수 있다.In order to implement the above-described functions or actions in detail, the method for manufacturing a customized artificial scaffold according to an embodiment of the present invention includes a modeling step (S100), a feeding step (S200), and a sintering step as shown in FIG. 1 as a whole. (S300), it may be composed of a series of time-series steps including a repeating step (S400) and a post-sintering step (S500) and the like.

여기서 피딩단계(S200) 및 소결단계(S300)는, 본 발명의 실시예에서 가장 중점이 되는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같이 개념적으로 도식화된 제조 과정 내지 공정을 통해 이루어질 수 있고, 구체적으로는 도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)에 의해 구체적으로 이루어질 수 있다.Here, the feeding step (S200) and the sintering step (S300) are the most important steps in the embodiment of the present invention, and can be made through a conceptually schematic manufacturing process or process as shown in FIG. 2 , specifically can be specifically made by the 6-axis driving type 3D artificial scaffold manufacturing apparatus 100 used in the practice of the present invention shown in FIGS. 2 to 5 .

이하에서는 위에 언급한 각각의 단계들에 대하여 도 1 및 도 2 등을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, each of the above-mentioned steps will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2 .

먼저, 모델링단계(S100)는, 3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치(100)에 입력하는 준비적 단계이다.First, the modeling step ( S100 ) is a preparatory step in which the G-Code for each layer image obtained by slicing the 3D modeled custom artificial scaffold to a predetermined thickness is generated and input to the manufacturing apparatus 100 .

이러한 모델링단계(S100)는, 맞춤형 즉, 커스터마이징된 다양한 형상의 인공지지체를 3D 모델링 데이터로 변환하는 단계(S110)와, 이러한 3D 모델링 데이터를 소정두께로 슬라이싱하여 복수의 층별이미지를 추출하는 단계(S120)와, 추출된 층별이미지 각각에 대한 G-Code를 생성하여 후술할 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)에 입력하는 단계(S130) 등으로 구성될 수 있다.The modeling step (S100) includes the steps of converting the custom-made, that is, customized artificial scaffolds of various shapes into 3D modeling data (S110), and slicing the 3D modeling data to a predetermined thickness to extract a plurality of layer-by-layer images ( S120) and generating a G-Code for each of the extracted layer-by-layer images and inputting the G-Code to the artificial support manufacturing apparatus 100 according to the present invention to be described later (S130) and the like.

여기서 맞춤형 인공지지체에 대한 3D 모델링 데이터 변환(S110)은, 상용화된 3D스캐너나 컴퓨터상에 설치되어 운용되는 다양한 3D제작 프로그램 등을 통해 이루어질 수 있지만, 본 과정은 후술하는 바와 같이 추출된 층별이미지의 적층에 의해 생략될 수도 있다.(도 2의 확대부분 참조)Here, the 3D modeling data conversion (S110) for the customized artificial scaffold can be made through a commercially available 3D scanner or various 3D production programs installed and operated on a computer, but this process is performed using the extracted layer-by-layer image as described below. It may be omitted by lamination. (See enlarged portion of FIG. 2 )

복수의 층별이미지의 추출(S120)은, 모델링된 인공지지체의 전체 높이를 소정두께로 분할하여 얻어질 수 있다.The extraction of a plurality of layered images ( S120 ) may be obtained by dividing the entire height of the modeled artificial scaffold by a predetermined thickness.

이때, 소정두께는, 일례로서 도 2에 도시된 최하단의 1층 이미지와 그 상부에 형성되는 2층의 이미지처럼 레이저에 의해 서로 다르게 연속적으로 소결되는 적층구조를 기준으로 결정될 수 있고, 필요에 따라서 층별로 균일한 두께 또는 서로 다른 두께가 교대로 배치되는 것을 의미할 수도 있다.At this time, as an example, the predetermined thickness may be determined based on a laminate structure that is continuously sintered differently by a laser, such as the image of the first layer at the bottom and the image of the second layer formed thereon as shown in FIG. 2 , and if necessary It may mean that a uniform thickness or different thicknesses are alternately arranged for each layer.

층별이미지 각각에 대한 G-Code 생성 후 인공지지체 제조장치(100)(구체적으로 후술할 제어부(140))로의 입력(S130)은, 본 발명에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)에 의한 일련의 다양한 작동과 순서 등을 실질적으로 제어하기 위한 단계로서, 이를 통해 층별이미지에 대응한 소결작동이 층층이 이루어지는 결과, 최종적으로 인공지지체가 맞춤 제조될 수 있게 된다.After generating the G-Code for each layered image, the input (S130) to the artificial support manufacturing apparatus 100 (the control unit 140 to be described later in detail) is a series of by the artificial support manufacturing apparatus 100 used in the present invention. As a step for substantially controlling various operations and sequences, through this, the sintering operation corresponding to the layer-by-layer image is performed layer by layer. As a result, the artificial support can finally be custom-manufactured.

여기서 G-code는, 본 발명에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)와 같은 자동화된 공작기계를 수치 제어하는 컴퓨터 기반의 제조산업에 주로 사용되며 다양하게 변형되는 프로그래밍 언어를 말한다.Here, G-code refers to a programming language that is mainly used in the computer-based manufacturing industry to numerically control an automated machine tool such as the artificial support manufacturing apparatus 100 used in the present invention and is variously modified.

위와 같이 컴퓨터 기반하에서 다양하게 작동하는 다수의 장치를 종합적으로 제어하는 일련의 코딩 과정 등은, 후술할 피딩단계(S200), 소결단계(S300) 및 이들의 반복단계(S400)에 의한 인공지지체의 맞춤 제조가 완료될 때까지 각 장치들이 작동하는 일련의 과정이 컴퓨터에 의해 인식되도록 한 것에 불과한 것이고, 이는 당업자에 의해 쉽게 이루어질 수 있는 것이므로 코딩 등에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.As described above, a series of coding processes for comprehensively controlling a number of devices operating in various ways under a computer basis, which will be described later, include the feeding step (S200), the sintering step (S300), and the repeating step (S400) of the artificial support. Until the custom manufacturing is completed, a series of processes in which each device operates is merely recognized by a computer, which can be easily performed by those skilled in the art, so a detailed description of coding and the like will be omitted.

본 발명에서 G-code는, 후술하는 바와 같이 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 채우는 작동, 이후 xy 평면상에서 적층공간(S1)을 이동시키는 속도, 레이저의 작동과 출력의 크기, 포커싱렌즈(118)의 위치조절을 통한 초점(F) 위치변경 등에 관한 코딩된 제어명령일 수 있다.In the present invention, the G-code is the operation of filling the stacking space S1 with the powdered material (CP) to a predetermined thickness, as will be described later, the speed of moving the stacking space S1 on the xy plane, and the operation and output of the laser It may be a coded control command related to the size of , a change in the position of the focus F through adjustment of the position of the focusing lens 118, and the like.

다음으로, 피딩단계(S200)는, 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점(T)을 포함하는 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 제공하는 단계로서, 도 2에 도시된 바와 같은 일련의 과정을 통해 이루어질 수 있다.Next, the feeding step (S200) is a step of providing the powdered material (CP) with a predetermined thickness to the stacking space (S1) including the target point (T) at which the sintering action by the laser occurs. This can be done through a series of processes as shown in Fig.

즉, 피딩단계(S200)는, 도 2에서처럼 분말형 소재(CP)를 수용공간(S2)으로부터 상승 토출시키는 과정과, 소정두께만큼의 하강을 통해 적층공간(S1)을 형성하는 과정과, 토출된 분말형 소재(CP)를 긁어 적층공간(S1)에 소정두께로 채워지도록 선형이동시키는 일련의 작동 내지 과정 등으로 구성될 수 있다.That is, the feeding step (S200) is a process of upwardly discharging the powdery material (CP) from the receiving space (S2) as shown in FIG. 2, and forming the stacking space (S1) by descending by a predetermined thickness, and discharging. It may be composed of a series of operations or processes of scraping the powdered material CP and linearly moving it to fill the stacking space S1 with a predetermined thickness.

이러한 피딩단계(S200)는, 상술한 바와 같이 적층공간(S1)에 분말형 소재(CP)를 소정두께로 자동 제공하는 과정 등을 수행할 수 있는 다양한 구동방식의 장치에 의해 이루어질 수 있다.This feeding step (S200), as described above, can be made by a device of various driving methods that can perform the process of automatically providing the powdered material (CP) to the stacking space (S1) with a predetermined thickness, and the like.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 피딩단계(S200)는, 일례로서 도 2 내지 도 4에 도시된 6축 구동형 3차원 인공지지체제조장치(100)에 의해서 도 5와 같은 일련의 과정으로 진행될 수 있다.However, the feeding step (S200) according to the embodiment of the present invention is to be performed as a series of processes as shown in FIG. 5 by the 6-axis driven three-dimensional artificial support manufacturing apparatus 100 shown in FIGS. can

여기서 본 발명의 실시예에 따른 맞춤형 인공지지체 제조방법에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 복잡한 다공구조를 갖는 다양한 맞춤형 3D 인공지지체를 미소단위로 신속하고 정밀하게 제조하는 한편, 전체 장치의 소형화를 통해 소규모의 연구실 또는 병원 단위에서도 자유롭게 사용할 수 있도록 하기 위해 안출된 발명으로서, 종래 용융수지의 노즐 분사방식과 달리 분말형으로 제조되어 적층식으로 순차 공급되는 분말형 소재(CP)를 선택적 레이저 소결법을 통해 층별로 고형화시키는 방식으로 3D 인공지지체를 제작하게 된다.Here, the 6-axis driven 3D artificial scaffold manufacturing apparatus 100 used in the method for manufacturing a customized artificial scaffold according to an embodiment of the present invention rapidly and precisely manufactures various customized 3D scaffolds having a complex porous structure in minute units. On the other hand, this invention was devised so that it can be used freely even in a small laboratory or hospital unit through miniaturization of the entire device. Unlike the conventional nozzle injection method of molten resin, it is manufactured in a powder form and sequentially supplied in a stacked form. (CP) is solidified layer by layer through selective laser sintering to produce a 3D scaffold.

여기서 선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering, SLS)이란, 레이저를 이용한 재료가공의 한 가지 방법으로 레이저의 선택적 에너지 전달 기능을 이용해 분말 등의 재료를 선택적으로 고형화시키는 기술을 말하는데, 재료의 표면처리를 목적으로 하는 레이저 클래딩(Laser cladding)에서 발전하여 특수한 목적의 형상을 소결 접착의 형식으로 만드는 것을 지칭한다.Here, Selective Laser Sintering (SLS) refers to a technology that selectively solidifies materials such as powders using the selective energy transfer function of a laser as a method of material processing using a laser. It refers to making a special purpose shape in the form of sintering bonding, which has developed from laser cladding.

선택적 레이저 소결은 부품 및 시작품 제작이 복잡하거나 비싼 장비를 사용하지 않고도 신속하고 경제적인 방법으로 해결하려는 경향의 증가에 따라 쾌속조형기술(Rapid-prototyping)로 연구 발전되어 왔다.Selective laser sintering has been researched and developed as a rapid-prototyping technology in response to the increasing tendency to solve parts and prototypes in a quick and economical way without using complicated or expensive equipment.

위와 같은 선택적 레이저 소결법에 사용될 수 있는 분말형 소재(CP)는, 합성 고분자, 금속, 분말형 소재(CP) 또는 복합재료 등으로 분류될 수 있는데 각각의 특성을 간략히 살펴보면 다음과 같다.The powder-type material (CP) that can be used in the selective laser sintering method as described above may be classified into a synthetic polymer, a metal, a powder-type material (CP), or a composite material. A brief look at each characteristic is as follows.

먼저, 합성 고분자 재료의 경우 굽힘성, 탄성, 성형성, 제작성, 경량성 등이 우수하나 기계적 강도, 내마모성, 생체적합성 미흡한 특성이 있고, 금속 재료의 경우 강도, 인성, 내마모성이 우수하나 고중량이고 생체적합성, 내부식성이 미흡한 특성이 있다.First, in the case of a synthetic polymer material, it has excellent bendability, elasticity, moldability, manufacturability, lightness, etc., but has insufficient properties such as mechanical strength, abrasion resistance, and biocompatibility. It has poor biocompatibility and corrosion resistance.

그리고 분말형 소재(CP)의 경우 생체적합성, 불활성, 내부식성, 압축강도가 우수하나 취성이 강해 깨지기가 쉽고, 성형성, 제작성, 복원성이 미흡한 특성이 있고, 복합재료는 생체적합성, 고강도, 불활성, 내부식성이 우수하나, 성형성이나 제작성이 역시 미흡하다는 특징이 있다.And in the case of powder material (CP), it has excellent biocompatibility, inertness, corrosion resistance, and compressive strength, but it is brittle and easy to break, and has insufficient formability, manufacturability, and restoration properties. Although it has excellent inertness and corrosion resistance, it has a characteristic that formability and manufacturability are also insufficient.

이에 본 발명에서는, 인공지지지체의 형상, 구조, 적용부위에 따라 요구되는 물성을 만족시키도록, 위의 소재별 특성 등을 고려하여 분말이나 알갱이 형태로 제공되는 고분자, 금속, 세라믹 및 복합재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 소재를 선택적으로 사용할 수 있다.Accordingly, in the present invention, among polymers, metals, ceramics, and composite materials provided in powder or granular form, in consideration of the above properties for each material, in order to satisfy the physical properties required according to the shape, structure, and application site of the artificial support. A material including at least one may be selectively used.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 분말형 소재(CP)는, 생체적합성과 생분해성의 향상을 위해, 종래 저온 용융성 고체 재료를 녹여 소정 굵기로 압출 분사하는 열용해적층법의 가열온도보다 높은 온도에서 용융됨으로 인해 적용하기 어려웠던 분말형태의 고온 용융성 인산칼슘계 세라믹(CaP based ceramics)일 수 있다.However, the powdery material (CP) according to an embodiment of the present invention has a higher temperature than the heating temperature of the thermal melt lamination method in which a conventional low-temperature meltable solid material is melted and extruded to a predetermined thickness in order to improve biocompatibility and biodegradability. It may be high-temperature meltable calcium phosphate-based ceramics in powder form (CaP-based ceramics), which were difficult to apply due to melting in .

인산칼슘계 세라믹은, 구체적으로 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말로 구성되며, 각각이 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%에서 100 중량%로 서로 비율을 달리하는 다양한 혼합비로 구성될 수 있다.The calcium phosphate-based ceramic is specifically composed of a powder containing at least one of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP), each of which has a different ratio from 0 wt% to 100 wt% based on the total weight of the powder. It can be composed of various mixing ratios.

상술한 바와 같은 기능 및 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 사용되는 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치(100)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저부(110), 작업부(120), 피딩부(130) 및 이들에 대한 전원분급과 개별적인 작동제어를 위한 제어부(140) 등을 포함하여 구성된다.In order to specifically implement the functions and actions as described above, the 6-axis driven three-dimensional scaffold manufacturing apparatus 100 used in the embodiment of the present invention is, as shown in FIGS. 2 to 4, a laser unit 110 , the work unit 120 , the feeding unit 130 , and a control unit 140 for power distribution and individual operation control for them, and the like.

여기서 피딩단계(S200)와 관련된 피딩부(130)는, 가동판(122)의 타영역에 형성된 수용공간(S2)에서 z축을 따라 상방으로 토출된 분말형 소재(CP)가 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공되도록 하는 3축 구동의 구성요소로서, 후술할 작업부(120)의 3축 구동과 연계됨으로써 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)는 총 6축으로 구동될 수 있게 된다.Here, in the feeding unit 130 related to the feeding step (S200), the powdered material (CP) discharged upward along the z-axis in the receiving space (S2) formed in the other region of the movable plate 122 is the movable plate (122). As a three-axis drive component to be provided layer by layer in the stacking space S1 of the can be driven.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 피딩부(130)는, 제2 수직구동부(136), 피드구동부(134), 피드롤러(132) 및 회전구동부(138) 등을 포함하여 구성될 수 있다.2 to 5 , the feeding unit 130 may be configured to include a second vertical driving unit 136 , a feed driving unit 134 , a feed roller 132 and a rotation driving unit 138 , etc. have.

제2 수직구동부(136)는, 수용공간(S2) 내의 분말형 소재(CP)를 지지하도록 삽입설치된 토출판(133)을 z축을 따라 승강(도 4의 Z)시키는 구동력을 제공하기 위해 제1 수직구동부(126)와 나란히 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 적어도 슬라이싱된 층별이미지에 대응하는 깊이로 각각 하방 이동하는 적층판(123)에 의해 형성되는 적층공간(S1)을 채울 수 있는 양으로 분말형 소재(CP)가 토출되도록 제어될 수 있다.The second vertical driving unit 136 is the first to provide a driving force for lifting and lowering the discharge plate 133 inserted and installed to support the powdered material CP in the receiving space S2 along the z-axis (Z in FIG. 4 ). As a component provided under the movable plate 122 side by side with the vertical driving unit 126, at least to fill the lamination space S1 formed by the lamination plate 123 that moves downward to a depth corresponding to at least the sliced layer-by-layer image. It can be controlled so that the powder material (CP) is discharged in an amount that can be.

이러한 제2 수직구동부(136)는, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 수단으로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 토출판(133)과 결합된다.The second vertical drive unit 136 is implemented as a power conversion means for converting rotational motion into linear motion, such as a step motor having a ball screw as a rotation axis and a ball nut screwed thereto, and a discharge plate 133 operating like a piston. is combined with

물론, 이러한 제2 수직구동부(136) 또한, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.Of course, the second vertical driving unit 136 may also be implemented as a power conversion assembly composed of a pinion gear provided on the rotation shaft of the step motor and a rack gear interlocking therewith, unlike the diagram shown.

이때, 토출판(133) 일측에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 수용공간(S2) 내에 수용된 분말형 소재(CP)의 무게를 실시간 측정할 수 있는 중량센서(139)가 더 구비될 수 있는데, 이로 인해 인공지지체 제조과정 중에 연속적으로 사용되는 분말형 소재(CP)는 사용자나 별도의 자동화된 리필장치를 통해 적절한 시기에 보충 내지 리필될 수 있다.At this time, on one side of the discharge plate 133, as shown in FIG. 5, a weight sensor 139 that can measure the weight of the powdered material CP accommodated in the receiving space S2 in real time may be further provided. , for this reason, the powdered material (CP) continuously used during the manufacturing process of the artificial scaffold may be replenished or refilled at an appropriate time through the user or a separate automated refilling device.

피드구동부(134)는, 후술할 피드롤러(132)가 가동판(122)의 수용공간(S2)과 적층공간(S1) 사이를 왕복하며 선형작동(도 4의 B)을 하도록 수평구동부(124)와 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되어 선형작동하며 피드롤러(132)에 고정되는 볼너트와 같은 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.The feed driving unit 134 is a horizontal driving unit 124 such that a feed roller 132 to be described later reciprocates between the receiving space S2 and the stacking space S1 of the movable plate 122 and performs a linear operation (B in FIG. 4). ) as a component installed between the movable plate 122 and a step motor having a ball screw as a rotation axis and a power conversion assembly such as a ball nut screwed thereto to operate linearly and fixed to the feed roller 132. have.

이러한 피드구동부(134)의 작동으로 인해 피드롤러(132)는, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재(CP)를 가동판(122)의 적층공간(S1)에 층별로 제공할 수 있게 된다.(도 2 및 도 5 참조)Due to the operation of the feed driving unit 134 , the feed roller 132 provides the powdered material CP discharged from the receiving space S2 to the stacking space S1 of the movable plate 122 layer by layer. (refer to FIGS. 2 and 5)

피드롤러(132)는, 가동판(122)의 상면과 접한 상태로 피드구동부(134)에 결합되어 그 선형작동에 따라 수용공간(S2)에서 토출된 인산칼슘계 세라믹과 같은 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)으로 이동시켜 채우는 원통형의 구성요소로서, 금속은 물론, 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작될 수 있다.The feed roller 132 is coupled to the feed driving unit 134 in a state of being in contact with the upper surface of the movable plate 122 and is a powder material such as calcium phosphate ceramic discharged from the receiving space S2 according to its linear operation (CP). ) as a cylindrical component filled by moving it into the stacking space S1, and may be made of metal as well as elastic rubber or synthetic polymer.

이러한 피드롤러(132)의 왕복 선형작동으로 인해 적층공간(S1)에는 층별로 분말형 소재(CP)가 일정한 두께로 채워질 수 있게 된다.Due to the reciprocating linear operation of the feed roller 132, the layer-by-layer powdery material CP can be filled to a constant thickness in the stacking space S1.

피드롤러(132)의 왕복 선형작동(도 4의 B)은, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)가 미소하게 이격된 상태로 이루어지고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀 시에는 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)가 밀착된 상태로 이루어질 수 있다.The reciprocating linear operation of the feed roller 132 (B in Fig. 4) is made in a state in which the feed roller 132 is slightly spaced from the upper surface of the movable plate 122 when the first sliding movement toward the stacking space S1 is performed, Thereafter, when returning by sliding toward the receiving space S2, the upper surface of the movable plate 122 and the feed roller 132 may be in close contact with each other.

이는, 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 충분한 양으로 공급되게 한 후, 슬라이딩 복귀 시에 피드롤러(132)에 의해 여유 있게 채워진 분말형 소재(CP)가 가압되면서 적층공간(S1)에 촘촘히 다져지며 채워지도록 하기 위한 것이다.This allows the powder-type material (CP) to be supplied in a sufficient amount to the stacking space (S1) when sliding toward the stacking space (S1) for the first time, and then the powder-type material ( CP) is densely compacted and filled in the stacking space S1 while being pressed.

이러한 방식으로 피드롤러(132)가 작동제어되는 경우, 피드롤러(132)는 탄성을 갖은 고무나 합성고분자 등으로 제작하는 것이 피드롤러(132)의 원활하고 자연스러운 작동을 위해 바람직하다.When the operation of the feed roller 132 is controlled in this way, the feed roller 132 is preferably made of elastic rubber or synthetic polymer for smooth and natural operation of the feed roller 132 .

이렇게 촘촘하게 다져진 분말형 소재(CP)에 대하여 레이저 소결이 이루어지게 되면, 다져지지 않은 경우보다 전체적으로 소결의 품질, 결합 강도 및 소결의 균일성 등이 유의할 수준으로 향상될 수 있다.When laser sintering is performed on the densely compacted powdery material (CP), the overall quality of sintering, bonding strength, and uniformity of sintering may be significantly improved compared to the case in which it is not compacted.

나아가 상술한 바와 같이 적층공간(S1)에 채워진 인산칼슘계 세라믹에 대한 다짐작용의 구현 내지 강화를 위해 피딩부(130)는, 도 5에 도시된 바와 같이 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시키며 가압하는 가압부(150)를 더 포함할 수 있다.Furthermore, as described above, in order to implement or strengthen the compaction action for the calcium phosphate-based ceramic filled in the stacking space S1 as described above, the feeding unit 130 uses the feed roller 132 to move the movable plate 122 as shown in FIG. 5 . ) and may further include a pressing unit 150 for pressing and adhering to the side.

구체적으로 가압부(150)는, 도시된 것처럼 피드롤러(132) 주변에 설치되어 피드롤러(132)가 가동판(122) 쪽으로 밀착되도록 탄성지지하는 코일스프링(150a)으로 구현될 수 있고, 도시된 바와 달리 전원공급장치(190)로부터 제어전원의 인가에 따라 신장되며 피드롤러(132)를 가동판(122) 쪽으로 밀착시켜 가압하거나 수축되며 피드롤러(132)를 가동판(122)으로부터 이격시키는 전기적 압전소자로 구현될 수도 있다.Specifically, the pressing unit 150 may be implemented as a coil spring 150a installed around the feed roller 132 and elastically supported so that the feed roller 132 is in close contact with the movable plate 122 as shown. In contrast to the above, it expands according to the application of control power from the power supply device 190, presses or contracts by pressing the feed roller 132 in close contact with the movable plate 122, and separates the feed roller 132 from the movable plate 122. It may be implemented as an electrical piezoelectric element.

회전구동부(138)는, 피드구동부(134)의 선형작동에 대하여 직각인 방향을 축으로 피드롤러(132)를 회전(도 4의 C)시키는 구성요소로서, 회전운동을 발생시키는 모터 등의 회전축을 피드롤러(132)에 직결하거나 소정의 감속기어의 조합을 매개로 피드롤러(132)에 연결함으로써 이루어지게 된다.The rotation driving unit 138 is a component that rotates the feed roller 132 (C in FIG. 4) about a direction perpendicular to the linear operation of the feed driving unit 134. A rotation shaft such as a motor that generates rotational motion is directly connected to the feed roller 132 or connected to the feed roller 132 through a combination of a predetermined reduction gear.

이때, 회전구동부(138)의 회전방향은, 분말형 소재(CP)의 특성이나 피드구동부(134)의 선형작동방향 등에 따라 다양하게 변경제어될 수 있다. In this case, the rotational direction of the rotational driving unit 138 may be changed and controlled in various ways according to the characteristics of the powder material CP or the linear operation direction of the feed driving unit 134 .

다만, 수용공간(S2)에서 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 보다 원활하고 깔끔하게 이송되고 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 적층공간(S1) 쪽으로 피드롤러(132)가 슬라이딩하는 경우, 해당 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 피드롤러(132)의 회전방향이 서로 일치하도록 회전 제어될 수 있다. However, in order to allow the powder-type material CP discharged from the receiving space S2 to be transported and filled more smoothly and neatly in the stacking space S1, the rotational driving unit 138 is fed to the stacking space S1 toward the feed roller ( When the 132 slides, the rotation may be controlled so that the corresponding sliding direction and the rotation direction of the feed roller 132 in contact with the movable plate 122 coincide with each other.

또한, 피드롤러(132)가 가동판(122)에 대한 저항 없이 신속히 이동하며 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 채워질 수 있도록 하기 위해, 회전구동부(138)는 피드롤러(132)의 슬라이딩 방향과 가동판(122)과 접하는 쪽 피드롤러(132)의 회전방향이 각각 서로 반대방향을 이루도록 회전 제어될 수 있다.In addition, in order for the feed roller 132 to move quickly without resistance to the movable plate 122 and to allow the discharged powdery material CP to be filled in the stacking space S1, the rotary driving unit 138 is a feed roller ( The sliding direction of the 132 and the rotational direction of the feed roller 132 in contact with the movable plate 122 may be rotationally controlled to form opposite directions, respectively.

제어부(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이 레이저부(110), 작업부(120) 및 피딩부(130) 등과 각각 전기적으로 연결된 상태에서 사용자에 의해 코딩된 제어명령인 G-Code에 기초하여 전원공급장치(190)를 통해 각 구성에 제어전원을 인가하고, 레이저발생기(112)를 온/오프하며, 수평구동부(124), 제1,2 수직구동부(126,136), 피드구동부(134)의 위치변위와 이동속도, 회전구동부(138)의 회전속도와 방향 등을 각각 제어하게 된다.As shown in FIG. 2 , the control unit 140 is electrically connected to the laser unit 110 , the work unit 120 , and the feeding unit 130 , and is based on the G-Code, which is a control command coded by the user. to apply control power to each component through the power supply device 190, turn on/off the laser generator 112, horizontal drive unit 124, first and second vertical drive units 126 and 136, feed drive unit 134 The position displacement and movement speed of the , and the rotation speed and direction of the rotation driving unit 138 are controlled, respectively.

또한, 제어부(140)는 상술한 중량센서(139)와 연결된 상태에서 수용공간(S2)에 저장된 분말형 소재(CP)의 무게정보를 실시간으로 전송받아 사용자에게 분말형 소재(CP)의 보충 내지 리필시기를 시각 또는 청각적으로 제공하는 작동을 수행할 수 있다.In addition, the control unit 140 receives the weight information of the powdered material (CP) stored in the receiving space (S2) in real time in a state connected to the above-described weight sensor 139, and provides the user with the supplement of the powdered material (CP). An operation of providing a refill time visually or audibly may be performed.

그리고 제어부(140)는, 상술한 압전소자와 연결된 상태에서 피드롤러(132)가 처음 적층공간(S1) 쪽으로 슬라이딩 이동시에는 압전소자가 수축되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면으로부터 피드롤러(132)를 미소하게 이격시킬 수 있고, 이후 수용공간(S2) 쪽으로 슬라이딩 복귀 시에는 압전소자가 신장되도록 제어전원을 인가하여 가동판(122)의 상면과 피드롤러(132)를 밀착시키는 작동제어를 할 수 있다.And when the feed roller 132 first slides toward the stacking space S1 in a state connected to the above-described piezoelectric element, the control unit 140 applies control power so that the piezoelectric element is contracted to feed from the upper surface of the movable plate 122 . The roller 132 can be slightly spaced apart, and then, when returning by sliding toward the receiving space S2, control power is applied so that the piezoelectric element is extended so that the upper surface of the movable plate 122 and the feed roller 132 are brought into close contact. can take control

이러한 제어부(140)는 MCU(micro controller unit), 마이컴(microcomputer), 아두이노(Arduino) 등과 같은 모듈화된 유닛으로 구현되며, 내부에는 메모리가 구비될 수 있다.The control unit 140 is implemented as a modular unit such as a micro controller unit (MCU), a microcomputer, and an Arduino, and a memory may be provided therein.

상술한 바와 같은 구성들로 이루어진 피딩부(130)는, 제어부(140)에 의해 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 적층공간(S1)에 제공될 분말형 소재(CP)가 수용공간(S2) 내에 저장되도록 토출판(133)을 하방으로 이동시키는 저장준비단계를 수행하게 된다.(S210)As shown in FIG. 5 ( a ) by the control unit 140 , the feeding unit 130 configured as described above contains the powdered material CP to be provided in the stacking space S1 , the receiving space. A storage preparation step of moving the discharge plate 133 downward to be stored in (S2) is performed. (S210)

그리고 피딩부(130)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 슬라이싱된 층별이미지에 대응하는 깊이로 적층판(123)이 하방으로 이동하는 한편, 토출판(133)이 상방으로 이동하도록 후술할 제1,2 수직구동부(126,136)를 각각 작동시키는 채움준비단계(S220)를 수행하게 된다.(S220)And as shown in FIG. 5(b) according to the sequence of the coded control commands, the feeding unit 130 moves the laminated plate 123 downward to a depth corresponding to the sliced layer-by-layer image, while the discharge plate A filling preparation step (S220) of operating the first and second vertical driving units 126 and 136, which will be described later, respectively, is performed so that the 133 moves upward. (S220)

그리고 피딩부(130)는, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 수직구동부(136)의 작동으로 가동판(122)의 위로 토출된 분말형 소재(CP)가 적층공간(S1)에 깔끔하게 이동되어 촘촘하게 다져지며 채워지도록, 피드구동부(134)를 선형운동시킴과 동시에 회전구동부(138)를 회전시키는 분말제공단계(S230)를 수행하게 된다.(S230)And the feeding unit 130, as shown in Fig. 5 (c) according to the sequence of the coded control command, the powder material discharged above the movable plate 122 by the operation of the second vertical driving unit 136 (CP) is moved neatly to the stacking space (S1) so that it is compactly compacted and filled, the feed driving unit 134 is linearly moved and the powder providing step (S230) of rotating the rotary driving unit 138 at the same time is performed. ( S230)

위와 같은 피딩부(130)의 일련의 연계된 작동을 통해 피딩단계 전체가 완료될 수 있게 된다.(S200)The entire feeding step can be completed through a series of linked operations of the feeding unit 130 as described above. (S200)

다음으로, 소결단계(S300)는, 제공된 분말형 소재(CP)가 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 적층공간(S1)을 x축과 y축으로 상대이동시키는 단계로서, 이를 통해 도 2의 확대부분에 도시된 바와 같은 지그재그 형태의 소결 라인이 형성될 수 있다.Next, the sintering step (S300) is a step of controlling the laser so that the provided powdery material (CP) is sintered in response to the layer-by-layer image and moving the stacking space (S1) relative to the x-axis and the y-axis. A sintering line in a zigzag shape as shown in the enlarged part of 2 may be formed.

즉, 소결단계(S300)는, 도 2에서처럼 레이저를 온/오프하며 그 출력을 조절하는 과정과, 레이저가 수렴하는 포커싱렌즈(118)의 초점(F) 위치를 가변시키는 과정과, 적층공간(S1)을 다양한 속도로 xy 평면에 대하여 자유자재로 움직이는 일련의 과정 내지 작동 등으로 구성될 수 있다.That is, in the sintering step (S300), the process of turning on/off the laser and adjusting its output as shown in FIG. 2, the process of changing the position of the focus (F) of the focusing lens 118 where the laser converges, and the stacking space ( It may be composed of a series of processes or operations that freely move S1) with respect to the xy plane at various speeds.

이러한 소결단계(S300)는 위와 같이 레이저를 제어하며 적층공간(S1)을 xy 평면에 대하여 자유자재로 움직이는 과정 등을 수행할 수 있는 다양한 구동방식의 장치에 의해 이루어질 수 있다.The sintering step (S300) may be performed by a device of various driving methods that can control the laser and freely move the stacking space (S1) with respect to the xy plane as described above.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 소결단계(S300)는, 일례로서 도 2 내지 도 4에 도시된 6축 구동형 3차원 인공지지체제조장치(100)에 의해서 진행될 수 있는데, 구체적으로는 레이저부(110)와 작업부(120)의 연계된 작동에 의해 이루어질 수 있다.However, the sintering step (S300) according to the embodiment of the present invention may be performed by the 6-axis driving type 3D artificial support manufacturing apparatus 100 shown in FIGS. 2 to 4 as an example, specifically, the laser unit It may be achieved by the linked operation of the 110 and the work unit 120 .

이때, 레이저부(110)는, 일측에서 생성되어 방사된 레이저 에너지가 사용자에 의해 임의로 설정된 xy 평면상의 고정된 타겟점(T)에 위치하도록 하기 위해 마련된 구성요소로서, 이로 인해 해당 타겟점(T)에 위치한 인산칼슘계 세라믹 등과 같은 분말형 소재(CP)는 전달된 레이저 에너지에 의해 소결작용이 이루어지게 된다.At this time, the laser unit 110 is a component provided so that the laser energy generated and emitted from one side is located at a fixed target point (T) on the xy plane arbitrarily set by the user, whereby the corresponding target point (T) ), the powdered material (CP) such as calcium phosphate-based ceramics is sintered by the transmitted laser energy.

여기서 타겟점(T)이란, 후술할 포커싱렌즈(118)를 투과하며 수렴된 레이저에 의해 분말형 소재(CP)가 소결되는 지점을 지칭하는 것으로, 분말형 소재(CP)의 함량비나 종류 기타 공정조건 등을 고려하여 사용자의 설정에 따라 결정될 수 있으므로, 후술할 적층공간(S1)에 얇게 채워진 분말형 소재(CP)의 상부면, 그 중앙부 또는 적층판(123)과 접하는 분말형 소재(CP)의 하부면 등 다양한 위치에 형성될 수 있다.Here, the target point (T) refers to a point at which the powdery material (CP) is sintered by the converged laser passing through the focusing lens 118 to be described later, and the content ratio or type of the powdery material (CP) or other processes Since it can be determined according to the user's setting in consideration of the conditions, etc., the upper surface of the powder-type material (CP) thinly filled in the stacking space (S1) to be described later, the central part thereof, or the powder-type material (CP) in contact with the laminated plate 123 It may be formed in various positions such as the lower surface.

이러한 타겟점(T)은, 포커싱렌즈(118) 자체의 초점거리와 구별되는 개념으로, 그 위치는 레이저 경로를 따라 포커싱렌즈(118)로부터의 이격거리 또는 포커싱렌즈(118)의 초점(F)으로부터의 이격거리로 표현될 수 있다.This target point T is a concept distinct from the focal length of the focusing lens 118 itself, and its position is a distance from the focusing lens 118 along the laser path or the focal length F of the focusing lens 118. It can be expressed as the separation distance from

타겟점(T)의 조절은, 후술할 포커싱렌즈(118)의 상하 위치이동에 따라 변경되는 초점(F)에 의해 이루어지게 되는데, 타겟점(T)이 초점(F)으로부터 멀리 떨어지게 되면 레이저 에너지의 감소에 의해 약한 소결작용이 발생하고, 초점(F)에 가까울수록 강한 소결작용이 발생하게 된다.The control of the target point T is made by the focus F that is changed according to the vertical position movement of the focusing lens 118 to be described later. When the target point T moves away from the focus F, laser energy A weak sintering action occurs due to a decrease in

구체적으로 레이저부(110)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112), 빔확장기(114), 반사경(116) 및 포커싱렌즈(118) 등을 포함하여 구성된다.Specifically, the laser unit 110 includes a laser generator 112 , a beam expander 114 , a reflector 116 , and a focusing lens 118 , as shown in FIGS. 2 and 3 .

이때, 레이저발생기(112)는 이산화탄소(CO2)를 매질로 레이저빔을 생성하여 방사하는 구성요소로서, 열용해적층법의 가열온도 대비 높은 온도에서 용융됨에 따라 열용해적층법에 적용되기 어려운 인산칼슘계 분말형 소재(CP)를 원활하게 소결시킬 수 있는 30W의 최대 출력을 갖는 레이저 장비일 수 있다.At this time, the laser generator 112 is a component that generates and emits a laser beam using carbon dioxide (CO2) as a medium, and as it melts at a higher temperature than the heating temperature of the thermal fusion lamination method, calcium phosphate, which is difficult to be applied to the thermal fusion lamination method, is difficult to apply. It may be a laser device having a maximum output of 30 W that can smoothly sinter the powder-based material (CP).

이러한 출력의 레이저 장비는 기존의 선택적 레이저 소결법에 일반적으로 적용되는 고출력(100W 이상)의 레이저 장비와 비교시 그 크기나 전력사용량 등에 있어 분명한 차이를 보이게 된다.The laser equipment of this output shows a clear difference in size and power consumption, etc. compared to the laser equipment of high power (100W or more) generally applied to the existing selective laser sintering method.

빔확장기(114)는 레이저발생기(112) 일측에 구비된 레이저빔의 방출구에서 빔 사이즈를 조절하는 구성요소이고, 반사경(116)은 빔확장기(114)를 통과한 레이저빔이 타겟점(T)을 향하도록 방향 전환시키는 구성요소로서, 본 발명에 따른 인공지지체 제조장치(100)의 전체 구조나 배치에 따라 다수 개가 적절한 위치에 설치되어 레이저빔의 방향 전환에 사용될 수 있다.The beam expander 114 is a component for adjusting the beam size at the emission port of the laser beam provided on one side of the laser generator 112 , and the reflector 116 is the laser beam passing through the beam expander 114 at the target point T ) as a component for changing the direction to face, a plurality of them may be installed at an appropriate location depending on the overall structure or arrangement of the artificial support manufacturing apparatus 100 according to the present invention and used to change the direction of the laser beam.

빔확장기(114)와 반사경(116) 사이에는, 방사되는 레이저의 출력(W)을 측정하는 레이저 파워미터(LPM)가 구비되어 레이저의 강약을 실시간 확인할 수 있다.A laser power meter (LPM) for measuring the output (W) of the emitted laser is provided between the beam expander 114 and the reflector 116 to check the strength and weakness of the laser in real time.

포커싱렌즈(118)는, 방향 전환된 레이저빔의 경로를 따라 위치조절이 가능하도록 구비되어 레이저빔을 초점(F) 상에 수렴(레이저빔의 폭이 최소화됨)시킴으로써 레이저 에너지의 크기를 증폭시키는 구성요소로서, 이때의 초점(F)은 포커싱렌즈(118)에 따라 고유하게 정해지는 것으로, 상술한 타겟점(T)과 구별된다.The focusing lens 118 is provided to enable position adjustment along the path of the converted laser beam to converge the laser beam on the focus F (the width of the laser beam is minimized) to amplify the size of laser energy. As a component, the focus F at this time is uniquely determined according to the focusing lens 118, and is distinguished from the above-described target point T.

이러한 포커싱렌즈(118)의 초점(F)과 사용자에 의해 설정된 타겟점(T) 간의 거리가 위치조절수단(수직가이드봉 및 클램프)을 통하여 변경되는 경우, 타겟점(T)에 대한 레이저빔의 폭은 포커싱렌즈(118)의 초점(F)에서 멀어질수록 증가하게 되고 레이저 에너지는 감소하게 된다.(도 2 참조)When the distance between the focus F of the focusing lens 118 and the target point T set by the user is changed through the positioning means (vertical guide rod and clamp), the laser beam for the target point T The width increases as the distance from the focal point F of the focusing lens 118 increases, and the laser energy decreases (refer to FIG. 2).

즉, 포커싱렌즈(118)의 위치조절과 함께 레이저발생기(112)의 출력을 조절하게 되면, 타겟점(T)에 위치한 분말형 소재(CP)에 대한 레이저 소결작용의 강약과 굵기 등이 다양하게 변경될 수 있다. 이로 인해 사용자의 요구에 따라 다양하게 변경된 소결 재료나 다양한 혼합비의 분말형 소재(CP)에 대한 맞춤식의 인공지지체가 제조될 수 있게 된다.That is, when the output of the laser generator 112 is adjusted together with the position adjustment of the focusing lens 118, the strength and thickness of the laser sintering action on the powder-type material CP located at the target point T is varied. can be changed. Due to this, it is possible to manufacture a customized artificial support for the sintered material that is variously changed according to the user's needs or the powdered material (CP) of various mixing ratios.

상술한 바와 같은 구성들이 결합된 레이저부(110)를 통해 다양한 분말형 소재(CP)에 대응한 소결의 최적화, 레이저빔 경로 및 타겟점(T)의 가변적 설계가 자유롭게 가능해짐에 따라 종래 선택적 레이저 소결이 이루어지던 밀폐형 챔버 내부가 아닌 공기 중에서도 분말형 소재(CP)에 대한 레이저 소결이 가능해지고, 소형의 레이저발생기(112)의 적용으로 전체 제조장치(100)의 규모가 더욱 소형화되며, 맞춤형 인공지지체의 제조가 용이하게 이루어질 수 있게 된다.As the optimization of sintering corresponding to various powdery materials (CP), and the variable design of the laser beam path and the target point (T) are freely possible through the laser unit 110 in which the above-described configurations are combined, the conventional selective laser Laser sintering of the powdery material (CP) is possible in the air instead of inside the closed chamber where sintering was performed, and the size of the entire manufacturing apparatus 100 is further reduced by the application of the small laser generator 112, and the customized artificial The production of the support can be easily made.

작업부(120)는, 레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 기준으로 xy 평면을 따라 2축(x축 및 y축) 방향으로 거동하는 한편, 분말형 소재(CP)가 층별로 채워지도록 일영역이 z축을 따라 하강 작동하도록 이루어진 3축 구동의 구성요소이다.The work unit 120 moves in the two-axis (x-axis and y-axis) directions along the xy plane based on the target point T, which is the point at which the sintering action by the laser occurs, while the powdery material CP ) is a component of a 3-axis drive configured to move a region downward along the z-axis so that it is filled layer by layer.

위와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 작업부(120)는, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 수평구동부(124), 가동판(122), 제1 수직구동부(126) 등을 포함하여 구성될 수 있다.In order to implement the above functions or actions in detail, the working unit 120 according to an embodiment of the present invention includes a horizontal driving unit 124, a movable plate 122, and a first as shown in FIGS. 2 to 5 . It may be configured to include a vertical driving unit 126 and the like.

수평구동부(124)는, 후술할 가동판(122)이 x축 및 y축 방향으로 연동된 선형작동을 하도록 바닥프레임(102)과 가동판(122) 사이에 설치되는 구성요소로서, 이로 인해 가동판(122)은 xy 평면을 따라 자유롭게 거동하며 분말형 소재(CP)를 소정의 프로그램된 2차원 형상(지그재그형 소결라인)으로 소결시킬 수 있게 된다.The horizontal driving unit 124 is a component installed between the bottom frame 102 and the movable plate 122 so that the movable plate 122 to be described later performs a linear operation interlocked in the x-axis and y-axis directions. The plate 122 can freely move along the xy plane and sinter the powdered material CP into a predetermined programmed two-dimensional shape (zigzag sintering line).

이러한 수평구동부(124)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, x축 방향을 따라 가동판(122)을 슬라이딩(도 4의 X)시키는 x축 구동부(124a)와, x축 방향을 따라 슬라이딩된 가동판(122)을 다시 y축 방향을 따라 슬라이딩(도 4의 Y)시키는 y축 구동부(124b)로 구성될 수 있다.As shown in FIGS. 2 to 4, the horizontal driving unit 124 includes an x-axis driving unit 124a that slides the movable plate 122 along the x-axis direction (X in FIG. 4), and the x-axis direction. It may be composed of a y-axis driving unit 124b for sliding the movable plate 122 slid along the y-axis again (Y in FIG. 4 ).

x축 구동부(124a)와 연동하는 y축 구동부(124b)의 구현은, x축 방향으로 길게 형성된 제1 레일과, y축 방향으로 길게 형성되어 제1 레일을 따라 슬라이딩하는 제2 레일과, 제2 레일을 따라 슬라이딩하며 후술할 가동판(122)과 결합되는 연결블럭 등으로 구성될 수 있다. The implementation of the y-axis driving unit 124b interlocking with the x-axis driving unit 124a includes a first rail elongated in the x-axis direction, a second rail elongated in the y-axis direction and sliding along the first rail, 2 It may be composed of a connection block that slides along the rail and is coupled to a movable plate 122 to be described later.

이때, 제2 레일과 연결블럭을 슬라이딩시키는 구동력은 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현될 수 있다.At this time, the driving force for sliding the second rail and the connection block may be implemented as a power conversion assembly that converts rotational motion into linear motion, such as a step motor having a ball screw as a rotation axis and a ball nut screwed thereto.

이러한 수평구동부(124)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.The horizontal driving unit 124 may be implemented as a power conversion assembly composed of a pinion gear provided on the rotating shaft of the stepper motor and a rack gear interlocking therewith, unlike shown in the drawings.

가동판(122)은, 상술한 수평구동부(124)의 작동에 따라 xy 평면상을 거동하도록 수평구동부(124)에 결합되어 후술할 피딩부(130)로부터 층별로 분말형 소재(CP)를 제공받게 되는 판상의 구성요소로서, 수용공간(S2)과 z축을 따라 하강 및 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)이 각각 나란하게 상하방향(z축)으로 관통형성된다.The movable plate 122 is coupled to the horizontal driving unit 124 to behave on an xy plane according to the operation of the above-described horizontal driving unit 124 to provide a powdery material (CP) for each layer from the feeding unit 130 to be described later. As a plate-shaped component to be received, the receiving space S2 and the lamination space S1 in which the lamination plate 123 that descends and ascends along the z-axis are fitted are penetrating in the vertical direction (z-axis) in parallel, respectively.

이때, 승강작동하는 적층판(123)이 끼워지는 적층공간(S1)은, 방향 전환된 레이저빔이 도달하여 제공된 분말형 소재(CP)의 소결작용이 발생하게 되는 지점인 타겟점(T)을 포함하는 가동판(122)의 일영역에 형성되고, 인공지지체용 분말형 소재(CP)를 저장하는 수용공간(S2)은, 상술한 바와 같이, 적층공간(S1)과 나란하게 인접한 가동판(122)의 타영역에 형성된다.At this time, the lamination space S1 in which the lamination plate 123 for lifting and lowering is inserted includes a target point T, which is a point at which the sintering action of the provided powder-type material CP occurs when the direction-switched laser beam arrives. The accommodating space S2 formed in one area of the movable plate 122 to store the powder-type material (CP) for artificial support is, as described above, the movable plate 122 adjacent to the stacking space S1 in parallel with the stacking space S1. ) is formed in other regions.

한편, 가동판(122)의 양측 단부에는, 적층공간(S1)에 채워지고 남은 여분의 분말형 소재(CP)를 수납하거나 소결 완료되어 적층공간(S1)으로부터 반출된 3차원 인공지지체를 수용하기 위한 수거함(128)이 각각 구비될 수 있다.On the other hand, at both ends of the movable plate 122, to accommodate the extra powdery material (CP) filled in the stacking space (S1) or to receive the three-dimensional artificial support carried out from the stacking space (S1) after sintering is completed. A collection box 128 for each may be provided.

제1 수직구동부(126)는, 적층공간(S1)에 삽입설치된 적층판(123)을 z축을 따라 승강(도 4의 A)시키는 구동력을 제공하기 위해 가동판(122)의 하부에 구비되는 구성요소로서, 볼스크류를 회전축으로 하는 스텝모터와 이에 나사결합되는 볼너트와 같이 회전운동을 선형운동으로 전환시키는 동력변환 조립체로 구현되어 피스톤처럼 작동하는 적층판(123)과 결합된다.The first vertical driving unit 126 is a component provided under the movable plate 122 to provide a driving force for lifting and lowering the laminated plate 123 inserted and installed in the lamination space S1 along the z-axis (FIG. 4A). As such, it is implemented as a power conversion assembly that converts rotational motion into linear motion, such as a step motor using a ball screw as a rotating shaft and a ball nut screwed thereto, and is coupled to the laminated plate 123 operating like a piston.

이러한 제1 수직구동부(126)는, 도시된 바와 달리 스텝모터의 회전축에 구비된 피니언기어와 이와 연동하는 랙기어로 구성되는 동력변환 조립체로 구현될 수도 있다.Unlike the figure, the first vertical driving unit 126 may be implemented as a power conversion assembly including a pinion gear provided on the rotation shaft of the step motor and a rack gear interlocking therewith.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 작업부(120)의 3축 구동으로 인해, 피딩부(130)로부터 가동판(122)(구체적으로 적층공간(S1))에 층별로 순차 제공되는 분말형 소재(CP)는, 소정의 프로그램된 2차원 형상으로 각각 소결되는 한편, 후술할 반복단계(S400)를 통해 위쪽으로 연속해서 적층됨으로써 3차원의 인공지지체를 형성하게 된다.Due to the 3-axis driving of the working unit 120 configured as described above, the powdered material (CP) sequentially provided layer by layer from the feeding unit 130 to the movable plate 122 (specifically, the stacking space S1) ) is sintered into a predetermined programmed two-dimensional shape, and is sequentially stacked upward through a repeating step (S400) to be described later to form a three-dimensional artificial support.

위와 같은 구성들로 이루어진 레이저부(110)와 작업부(120)는, 제어부(140)의 코딩된 제어명령의 순서에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 레이저발생기(112)를 작동시키는 한편, 분말형 소재(CP,세라믹분말)가 평평하게 채워진 적층공간(S1)을 xy 평면에 대하여 움직이도록 수평구동부(124)를 작동시키게 된다.The laser unit 110 and the work unit 120 having the above configurations operate the laser generator 112 as shown in FIG. 2 according to the sequence of the coded control command of the control unit 140, while the powder The horizontal driving unit 124 is operated to move the stacking space S1 filled with the mold material (CP, ceramic powder) flat with respect to the xy plane.

이로 인해 적층공간(S1)에 평평하게 채워진 분말형 소재(CP,세라믹분말)에 대한 소결작용은, 코딩된 제어명령에 따라 고정된 타겟점(T)에 대하여 연속적으로 이루어지는 결과, 도 2에 도시된 일례와 같은 지그재그 형상을 이루게 된다.Due to this, the sintering action on the powder-type material (CP, ceramic powder) flatly filled in the stacking space S1 is continuously performed with respect to the fixed target point T according to the coded control command, as shown in FIG. It will form a zigzag shape like the one in the above example.

이때, 레이저발생기(112)를 작동시키는 과정은, 레이저를 온/오프하며 그 출력을 조절하는 레이저 제어단계(S310)와, 레이저가 수렴하는 포커싱렌즈(118)의 초점(F) 위치를 가변시키는 타겟점결정단계(S320) 등으로 구성될 수 있다.At this time, the process of operating the laser generator 112 includes a laser control step (S310) of turning the laser on/off and adjusting its output, and changing the focal point (F) position of the focusing lens 118 where the laser converges. It may be composed of a target point determination step (S320) and the like.

그리고 적층공간(S1)이 xy 평면에 대하여 움직이도록 수평구동부(124)를 작동시키는 과정은, 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)가 xy 평면상을 소정의 속도로 상대이동하도록 수평구동부(124)를 작동시키는 수평이동단계(S330) 등으로 구성될 수 있다.And in the process of operating the horizontal driving unit 124 so that the stacking space S1 moves with respect to the xy plane, the powdered material CP of the stacking space S1 is based on the fixed target point T of the laser beam. It may consist of a horizontal movement step (S330) of operating the horizontal driving unit 124 to relatively move on the xy plane at a predetermined speed.

위의 단계들 모두는 소결의 품질과 직접 연관된 것으로, 예를 들어 레이저의 출력이 커지거나 또는 포커싱렌즈(118)의 초점(F)과 타겟점(T)이 가까워지면, 레이저 에너지는 커져 분말형 소재(CP)에 대한 소결작용이 강해지고, 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)가 xy 평면상을 이동하는 속도가 빨라지면, 레이저와의 접촉시간이 감소되어 분말형 소재(CP)에 대한 소결작용이 약해짐을 쉽게 이해할 수 있다.All of the above steps are directly related to the quality of sintering. For example, when the output of the laser increases or the focus F of the focusing lens 118 and the target point T become close, the laser energy increases to form a powder. When the sintering action on the material (CP) is strengthened and the speed at which the powder material (CP) in the stacking space (S1) moves on the xy plane increases, the contact time with the laser is reduced and the powder material (CP) It can be easily understood that the sintering action for

이러한 상관관계를 갖는 상술한 바와 같은 3가지 공정조건에 대한 최적화를 위해 다음과 같은 제조시험을 각각 수행하였다.For the optimization of the three process conditions as described above having such a correlation, the following manufacturing tests were performed, respectively.

첫째, 레이저 제어단계(S310)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비한다.First, in order to derive the optimal process conditions related to the laser control step (S310), first, 100% by weight of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP) with respect to the total powder weight: 0% by weight (hereinafter referred to as HA100) ) to prepare a powder-type material (CP) mixed with a thickness of about 1 mm to 2 mm in the stacking space (S1).

그리고 타겟점(T) 및 적층공간(S1)이, 포커싱렌즈(118)의 초점거리(렌즈 중앙으로부터 초점(F)까지의 거리, 일례로 125mm) 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리(대략 10mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 위치(대략 포커싱렌즈(118)의 중앙으로부터 135mm 이격된 거리)에 놓이도록 포커싱렌즈(118)의 위치를 조절한다.(도 2 참조)And the target point (T) and the stacking space (S1), the focal length of the focusing lens 118 (the distance from the center of the lens to the focal point (F), for example, 125mm) 5% to 10% of the distance (approximately) The position of the focusing lens 118 is adjusted to be placed at a position spaced apart from the focal point F by 10 mm) (approximately 135 mm from the center of the focusing lens 118). (See FIG. 2 )

그리고 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 대략 200mm/min 내지 250mm/min으로 설정한다. And, based on the fixed target point (T) of the laser beam, the movement speed on the xy plane of the powder-like material (CP) is set to approximately 200 mm/min to 250 mm/min.

그리고 레이저 파워 미터(LPM)에서 측정된 값을 기준으로 레이저의 출력을 3.5W, 5.0W, 6.0W, 7.5W로 가변조절하며 각각에 대한 소결작용을 시험하게 된다.And based on the value measured by the laser power meter (LPM), the output of the laser is variably adjusted to 3.5W, 5.0W, 6.0W, and 7.5W, and the sintering action of each is tested.

위와 같이 레이저의 출력만을 가변시킨 소결 시험 결과는, 도 6에 도시된 사진 및 그래프와 같다.The results of the sintering test in which only the output of the laser is varied as described above are the same as the photos and graphs shown in FIG. 6 .

도 6에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 모두 전체적으로 U자 형태를 이루게 되지만, 소결된 부분의 선폭(좌우방향 전체 길이, 좌측 그림 참조), 선두께(상하방향의 전체 높이, 우측 그림 참조) 및 소결선두께(U자 형태를 이루는 소결선 자체 두께)는 각각 레이저의 출력에 따라 상이해 짐을 알 수 있는데, 이는 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.According to FIG. 6, the vertical cross section of the sintered part is all U-shaped as a whole, but the line width of the sintered part (the total length in the left and right directions, see the left figure), the head thickness (the total height in the up and down direction, see the right figure) And it can be seen that the thickness of the sintering line (the thickness of the sintering line forming the U-shape itself) is different depending on the output of the laser, which causes a difference in the sintering quality.

즉, 레이저의 출력이 3.5W 이하인 경우 낮은 에너지 출력으로 인해 층별이미지에 대응한 수준의 선두께를 형성하지 못하게 된 결과, 위쪽으로 연속해서 적층되는 층별이미지와의 결합이 견고하게 이루어지지 못하는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.That is, when the laser output is less than 3.5W, the low energy output makes it impossible to form the top thickness corresponding to the layer-by-layer image. As a result, the combination with the layer-by-layer image continuously stacked upward is not firmly achieved. can be seen to occur.

그리고 레이저의 출력이 7.5W인 경우 과도하게 높은 에너지 출력으로 인해 소결작용이 타겟점(T)에서의 레이저빔 두께보다 넓게 주변으로 확대된 결과, 코딩된 제어명령대로 정밀하고 정확한 소결이 이루어지지 못하는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.And when the laser output is 7.5W, the sintering action is wider than the laser beam thickness at the target point (T) due to excessively high energy output. It can be seen that problems arise.

반면에 레이저의 출력이 5.0W 내지 6.0W로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 일정하게 유지되는 한편, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔한 U자 형태를 이루게 됨을 알 수 있다.On the other hand, when the laser output is limited to 5.0W to 6.0W, the line width, lead thickness, and sintered wire thickness are kept constant compared to other powers, while the sintering action is not unnecessarily expanded to the periphery and a clean U-shape overall. It can be seen that the form

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 레이저의 출력은, 상술한 기타 공정조건하에서 5.0W 내지 6.0W 범위 내로 한정하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.Therefore, for high-quality and precise sintering, it is most preferable to limit the output of the laser within the range of 5.0W to 6.0W under the other process conditions described above.

둘째, 상술한 타겟점결정단계(S320)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비하게 된다.Second, in order to derive the optimal process conditions related to the above-mentioned target point determination step (S320), first, 100 wt% of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP) with respect to the total powder weight: 0 wt% (hereinafter, A powdery material (CP) mixed with HA100) is prepared to a thickness of approximately 1 mm to 2 mm in the stacking space S1.

그리고 레이저 파워 미터(LPM)에서 측정된 값을 기준으로 레이저의 출력을 5.0W 내지 6.0W로 설정한다.And set the output of the laser to 5.0W to 6.0W based on the value measured by the laser power meter (LPM).

그리고 레이저빔의 타겟점(T)에 대한 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 대략 200mm/min 내지 250mm/min으로 설정한다.And the movement speed on the xy plane of the powder material (CP) with respect to the target point (T) of the laser beam is set to approximately 200 mm / min to 250 mm / min.

그리고 타겟점(T) 및 적층공간(S1)이, 포커싱렌즈(118)로부터 포커싱렌즈(118)의 초점거리인 125mm 이격된 위치, 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응하는 거리(대략 10mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 135mm(또는 115mm, 초점(F) 기준 반대쪽), 16%에 대응하는 거리(대략 20mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 145mm(또는 105mm), 24%에 대응하는 거리(대략 30mm)만큼 초점(F)으로부터 이격된 155mm(또는 95mm)에 각각 놓이도록 가변하며 소결작용을 시험하게 된다.And the target point (T) and the stacking space (S1), the focal length of the focusing lens (118) from the focusing lens (118) 125mm spaced apart, a distance corresponding to 5% to 10% of the focal length (approximately 10mm) 135 mm (or 115 mm, opposite from the focal point F) by 135 mm (or 115 mm, opposite from the focal point F) by 145 mm (or 105 mm) separated from focal F by a distance (approximately 20 mm) corresponding to 16%, corresponding to 24% The sintering action is tested by varying them to each lie at 155 mm (or 95 mm) separated from the focal point F by a distance (approximately 30 mm).

위와 같이 초점(F)으로부터 타겟점(T)(또는 적층공간(S1))이 이격된 거리를 가변시킨 소결 시험 결과는, 도 7에 도시된 사진 및 그래프와 같다.(다만, 그래프 상의 레이저 초점거리란 포커싱렌즈(118)로부터 타겟점(T)까지 거리를 의미함.)The sintering test result in which the distance between the target point T (or the stacking space S1) is varied from the focus F as above is the same as the photo and graph shown in FIG. 7. (However, the laser focus on the graph The distance means the distance from the focusing lens 118 to the target point T.)

도 7에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 초점거리인 125mm로부터 타겟점(T)이 점점 멀어질수록 레이저 에너지가 감소되는 결과, 소결 형태가 평평한 형태로 바뀌게 되는데, 이는 상술한 레이저의 출력과 마찬가지로 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.According to FIG. 7 , the vertical cross section of the sintered portion is as the target point (T) is progressively farther away from the focal length of 125 mm. Likewise, there will be differences in the sintering quality.

즉, 타겟점(T)이 포커싱렌즈(118)로부터 145mm 이격된 위치 또는 155mm 이상 이격된 위치에 설정된 경우, 낮은 레이저 에너지와 레이저빔의 직경이 커짐으로 인해 소결작용이 약하게 발생하고, 넓은 선폭으로 인해 정밀한 소형의 인공지지체 제작이 어려워지게 되며, 연속해서 층별로 형성되는 소결 부분 간의 결합이 견고하게 형성되지 못 할 뿐만 아니라 층별 적층시 평평한 형상으로 인해 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.That is, when the target point T is set at a position spaced apart from the focusing lens 118 by 145 mm or more than 155 mm, the sintering action is weakly generated due to low laser energy and a large diameter of the laser beam, and a wide line width Due to this, it becomes difficult to manufacture a small and precise artificial scaffold, and the bond between the sintered parts that are continuously formed in layers is not firmly formed. Able to know.

그리고 타겟점(T)이 포커싱렌즈(118)로부터 125mm(또는 0mm) 즉, 초점거리로 설정된 경우, 최대 레이저 에너지로 인해 강한 소결작용이 발생하게 되는 결과, 적층공간(S1)의 분말형 소재(CP)에 대한 부분적 연소나 소결 부분 주변의 열변형(U자 형태의 소결 단면 주변의 검은 얼룩부분)이 발생하게 되는 한편, 얇게 형성된 선폭과 소결선두께로 인해 충분한 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.And when the target point T is set to 125 mm (or 0 mm) from the focusing lens 118, that is, the focal length, a strong sintering action occurs due to the maximum laser energy, and as a result, the powdery material of the stacking space S1 ( CP) or thermal deformation around the sintered part (black spot around the U-shaped sintered cross section) occurs, while the formation of a sufficient porous structure becomes difficult due to the thin line width and thickness of the sintered line can be seen to occur.

반면에 타겟점(T)이 초점거리 125mm 대비 5% 내지 10%에 대응하는 대략 10mm만큼 초점(F)으로부터 이격된 135mm의 위치로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 균일한 수준으로 일정하게 유지되고, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔한 U자 형태를 이루며 일정하고 충분한 다공구조를 형성하게 됨을 알 수 있다.On the other hand, when the target point (T) is limited to a position of 135mm separated from the focus (F) by approximately 10mm corresponding to 5% to 10% of the focal length of 125mm, the line width, lead thickness, and sintered line thickness, etc. are different from the output. It can be seen that it is kept constant at a uniform level compared to that, and the sintering action is not unnecessarily expanded to the surroundings, but forms a neat U-shape as a whole, forming a uniform and sufficient porous structure.

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 타겟점(T)의 설정은, 상술한 기타 공정조건하에서 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응하는 거리만큼 초점(F)으로부터 이격된 위치에 설정하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.Therefore, for high-quality and precise sintering, the setting of the target point T is most preferably set at a position spaced apart from the focal point F by a distance corresponding to 5% to 10% of the focal length under the other process conditions described above. something to do.

셋째, 상술한 수평이동단계(S330)와 관련된 최적 공정조건의 도출을 위해, 우선, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 100 중량% : 0 중량%(이하, HA100라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 대략 1mm 내지 2mm 두께로 준비하게 된다.Third, in order to derive the optimal process conditions related to the above-described horizontal movement step (S330), first, 100% by weight of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP) with respect to the total powder weight: 0% by weight (hereinafter, HA100) The powdered material (CP) mixed with ) is prepared to a thickness of approximately 1 mm to 2 mm in the stacking space S1.

그리고 레이저빔의 고정된 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 100mm/min, 200mm/min, 250mm/min, 300mm/min, 350mm/min으로 각각 가변하며 소결작용을 시험하게 된다.And based on the fixed target point (T) of the laser beam, the movement speed on the xy plane of the powder material (CP) is varied to 100mm/min, 200mm/min, 250mm/min, 300mm/min, 350mm/min, respectively. The sintering action will be tested.

위와 같이 타겟점(T)을 기준으로 한 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도를 상술한 바와 같이 가변시킨 소결 시험 결과는 도 8에 도시된 사진 및 그래프와 같다.As described above, the results of the sintering test in which the movement speed on the xy plane of the powder-type material CP based on the target point T is varied as described above is the same as the photo and graph shown in FIG. 8 .

도 8에 의하면, 소결된 부분의 수직 단면은 모두 전체적으로 U자 형태를 이루게 되지만, 소결된 부분의 선폭, 선두께 및 소결선두께는 각각 적층공간(S1)의 이동속도에 따라 상이해 짐을 알 수 있는데, 이는 소결 품질에 있어 차이를 발생시키게 된다.According to Figure 8, the vertical cross section of the sintered portion all form a U-shape as a whole, but it can be seen that the line width, the head thickness and the sintered line thickness of the sintered portion are different depending on the moving speed of the stacking space S1, respectively. , which causes a difference in the sintering quality.

즉, 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 350mm/min 이상의 속도로 움직이는 경우, 레이저와 분말형 소재(CP) 간의 접촉시간의 감소로 인해 소결작용이 약화되는 결과, 코딩된 제어명령대로 정밀하고 정확한 소결이 이루어지지 못하고, 연속해서 층별로 형성되는 소결 부분 간의 결합이 견고하게 형성되지 못하며, 층별 적층시 평평한 형상으로 인해 다공구조의 형성이 어려워지는 문제가 발생하게 됨을 알 수 있다.That is, when the moving speed of the powder-type material (CP) on the xy plane moves at a speed of 350 mm/min or more based on the target point (T), the sintering action is reduced due to the reduction of the contact time between the laser and the powder-type material (CP). As a result of the weakening, precise and accurate sintering cannot be performed according to the coded control command, the bond between the sintered parts continuously formed for each layer cannot be firmly formed, and the formation of a porous structure becomes difficult due to the flat shape when stacked layer by layer can be seen to occur.

그리고 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 100mm/min 이하의 속도로 움직이는 경우, 레이저와 분말형 소재(CP) 간의 접촉시간의 과다로 인해 강하게 이루어지는 결과, 소결작용이 타겟점(T)에서의 레이저빔 두께보다 넓은 주변영역으로 확대되고, 분말형 소재(CP)에 대한 부분적 연소나 열변형의 문제가 레이저와의 접촉부에서 발생하게 됨을 알 수 있다.And when the moving speed on the xy plane of the powder-type material (CP) moves at a speed of 100 mm/min or less based on the target point (T), the result is strong due to excessive contact time between the laser and the powder-type material (CP) , it can be seen that the sintering action is expanded to a wider peripheral area than the laser beam thickness at the target point T, and the problem of partial combustion or thermal deformation of the powdery material (CP) occurs in the contact portion with the laser.

반면에 타겟점(T)을 기준으로 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도가 200mm/min 내지 200mm/min로 제한된 경우, 선폭, 선두께 및 소결선두께 등이 다른 출력에 비해 일정하게 유지되는 한편, 소결작용이 주변으로 불필요하게 확대되지 않으면서도 전체적으로 깔끔하고 명확한 U자 형태를 이루게 됨을 알 수 있다.On the other hand, when the movement speed on the xy plane of the powder material (CP) based on the target point (T) is limited to 200mm/min to 200mm/min, the line width, lead thickness, and sintered wire thickness are constant compared to other outputs. On the other hand, it can be seen that the sintering action is not unnecessarily expanded to the periphery and forms a clean and clear U-shape as a whole.

따라서 고품질의 정밀한 소결을 위해 분말형 소재(CP)의 xy 평면상 이동속도는, 상술한 기타 공정조건하에서 200mm/min 내지 200mm/min로 제한하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.Therefore, for high-quality and precise sintering, it is most preferable to limit the movement speed on the xy plane of the powdery material (CP) to 200 mm/min to 200 mm/min under the other process conditions described above.

이상에서 살펴본 바와 같은 최적화된 공정조건하에서, 분말형 소재(CP)가, 코딩된 제어명령의 순서에 따른 레이저 제어단계(S310), 타겟점결정단계(S320) 및 수평이동단계(S330) 등을 거치면서 1개의 층별이미지(최하단)에 대응한 형태로 소결되면, 소결단계(S300)는 최종적으로 레이저발생기(112)를 정지시키는 작동을 수행하게 된다.(S300)Under the optimized process conditions as described above, the powdery material (CP) performs a laser control step (S310), a target point determination step (S320) and a horizontal movement step (S330) according to the sequence of the coded control commands. When it is sintered in a form corresponding to one layer-by-layer image (lowest end) while passing through, the sintering step (S300) is performed to finally stop the laser generator 112. (S300)

한편, 상술한 바와 같은 3가지 최적화 공정조건은, 전체 분말 중량에 대하여 수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP)이 0 중량% : 100 중량%(이하, HA0이라 표기함), 25 중량% : 75 중량%(이하, HA25라 표기함), 50 중량% : 50 중량%(이하, HA50이라 표기함), 75 중량% : 25 중량%(이하, HA75라 표기함)로 혼합된 분말형 소재(CP)에 대하여도 각각 동일하게 도출되는 조건임을 복수의 시험을 통해 확인하였다.On the other hand, the three optimization process conditions as described above are 0 wt%: 100 wt% (hereinafter referred to as HA0), 25 wt% of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP) with respect to the total powder weight: 75% by weight (hereinafter referred to as HA25), 50% by weight: 50% by weight (hereinafter referred to as HA50), 75% by weight: 25% by weight (hereinafter referred to as HA75) CP), it was confirmed through a plurality of tests that the conditions were derived in the same way.

다음으로, 반복단계(S400)는, 입력된 G-Code 즉, 코딩된 제어명령의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 층별이미지에 각각 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록 하기 위해 피딩단계(S200) 및 소결단계(S300)를 연속해서 수행하는 단계로서, 도 2의 확대도 및 도 5에 도시된 바와 같은 일련의 과정이 반복됨으로써 하나의 인공지지체가 완성되게 된다.Next, the repeating step (S400) is a feeding step (S200) so that the sintering corresponding to each layer image from the bottom to the top is cumulatively performed according to the order of the input G-Code, that is, the coded control command. And as a step of continuously performing the sintering step (S300), one artificial support is completed by repeating a series of processes as shown in the enlarged view of FIG. 2 and FIG. 5 .

본 발명의 실시예에 따른 반복단계(S400)는, 이전 소결단계(S300)에 의해 레이저발생기(112)가 정지되면, 다음 층별이미지에 대응하는 두께로 분말형 소재(CP)를 적층공간(S1)에 누적해서 채우는 피딩단계(S200)를 수행하게 된다.In the repeating step (S400) according to the embodiment of the present invention, when the laser generator 112 is stopped by the previous sintering step (S300), the powdered material (CP) is applied to the stacking space (S1) to a thickness corresponding to the next layer-by-layer image ) to accumulate and fill the feeding step (S200) is performed.

즉, 이전 층별이미지에 대응한 형상으로 소결된 분말층 위로 새로운 분말형 소재(CP)가 적층되는 것이다.That is, a new powder-type material (CP) is laminated on the powder layer sintered in a shape corresponding to the previous layer-by-layer image.

그리고 피딩단계(S200)를 통해 새롭게 적층된 분말형 소재(CP)에 대하여 다음 층별이미지에 대응한 2차원 평면형상이 연속해서 소결되도록 다음 소결단계(S300)를 수행하게 된다.And the next sintering step (S300) is performed so that the two-dimensional planar shape corresponding to the next layer-by-layer image is continuously sintered with respect to the newly stacked powdery material (CP) through the feeding step (S200).

이때, 먼저 소결된 아래쪽의 분말층과, 새롭게 적층되어 소결된 위쪽 분말형 소재(CP)는 소결과정에서 상호 결합되며 U자형의 내측공간을 다공구조로 하는 결합체를 형성하게 된다. At this time, the first sintered lower powder layer and the newly laminated and sintered upper powder-type material (CP) are mutually coupled in the sintering process to form a combined body having a U-shaped inner space as a porous structure.

위와 같은 반복단계(S400)는 맞춤형 3차원 인공지지체의 층별이미지 중 최상단에 해당하는 층별이미지에 대응하는 소결이 완료될 때까지 반복적으로 수행되고, 이러한 반복은 코딩된 제어명령의 순서에 의해 결정될 수 있다.(S400)The above repetition step (S400) is repeatedly performed until the sintering corresponding to the layer-by-layer image corresponding to the top of the layer-by-layer images of the customized 3D artificial scaffold is completed, and this repetition can be determined by the sequence of the coded control commands. There is (S400)

한편, 반복단계(S400)가 완료된 이후 완성된 인공지지체의 반출을 위한 소정의 반출단계가 추가될 수 있다.On the other hand, after the repeating step (S400) is completed, a predetermined carrying out step for carrying out the completed artificial support may be added.

위와 같은 반출단계는, 제1 수직구동부(126)를 통해 적층판(123)을 가동판(122)의 상면까지 상승시킨 다음, 적층공간(S1)으로부터 완성된 인공지지체가 이탈되도록 피드롤러(132)를 가동판(122)의 단부까지 선형이동시키는 작동을 통해 이루어질 수 있다.In the above unloading step, the laminated plate 123 is raised to the upper surface of the movable plate 122 through the first vertical driving unit 126, and then the feed roller 132 so that the completed artificial support is separated from the laminated space S1. It can be made through an operation of linearly moving to the end of the movable plate (122).

이러한 반출단계로 인해, 본 발명의 실시예에 사용되는 인공지지체 제조장치(100)는 사용자에 의한 수작업 없이 인공지지체의 완성에서 가동판(122)의 양측 단부에 위치한 수거함(128)으로의 반출까지 일체로 자동화된 작동을 수행할 수 있게 된다.Due to this unloading step, the artificial support manufacturing apparatus 100 used in the embodiment of the present invention is carried out from the completion of the artificial support to the collection box 128 located at both ends of the movable plate 122 without manual operation by the user. Automated operations can be performed integrally.

마지막으로, 사후소결단계(S500)는, 상술한 바와 같은 반복단계(S400)를 통해 1차적으로 소결 완성된 인공지지체의 기계적 구조를 안정화시켜 자체 강성을 보다 증대하는 후처리 단계이다.Finally, the post-sintering step (S500) is a post-processing step of further increasing its own rigidity by stabilizing the mechanical structure of the artificial support that has been primarily sintered through the repeating step (S400) as described above.

이러한 사후소결단계(S500)는, 개략적으로 완성된 인공지지체를 별도의 소결로에 장입한 후, 내부온도를 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시킨 다음, 대략 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 방식으로 이루어질 수 있다.In this post-sintering step (S500), after the schematically completed artificial support is charged into a separate sintering furnace, the internal temperature is gradually increased to 1050° C. to 1150° C. for 4 hours, and then after maintaining the temperature for about 2 hours This can be done by cooling.

보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 사후소결단계(S500)는, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 완성된 인공지지체가 장입된 소결로의 내부를 처음 2시간 동안에는 대략 5℃/min의 온도상승률로 승온시킨 후, 1시간 동안 내부온도를 유지하는 처리를 수행하게 된다.More specifically, in the post-sintering step (S500) according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. After raising the temperature at a temperature increase rate of /min, a treatment for maintaining the internal temperature for 1 hour is performed.

그리고 1시간 동안 1050℃ 내지 1150℃에 도달할 때까지 소결로 내부를 승온시킨 후, 대략 2시간 동안 내부온도를 유지한 다음, 인공지지체를 소결로 내에서 서서히 자연냉각시키는 과정으로 완료된다.And after raising the temperature inside the sintering furnace until it reaches 1050° C. to 1150° C. for 1 hour, the internal temperature is maintained for about 2 hours, and then the artificial support is gradually cooled naturally in the sintering furnace.

이때, 2번에 걸쳐 소결로 내부온도를 일정하게 유지하는 이유는, 연속적인 온도 상승으로 인해 장입된 인공지지체의 기계적 구조가 임계치 이상으로 변형되는 것을 방지하면서 인공지지체에 대한 안정화를 도모하기 위함이다.At this time, the reason for maintaining the internal temperature of the sintering furnace constant over two times is to prevent the mechanical structure of the loaded artificial support from being deformed beyond the critical value due to the continuous temperature rise and to promote stabilization of the artificial support. .

이러한 일련의 사후 과정을 통해 1차 레이저 소결된 인공지지체(LSDS)는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 최종 도달온도에 따라 서로 다른 압축강도를 갖게 됨을 시험적으로 확인하였다.Through this series of post-process, it was confirmed experimentally that the primary laser-sintered artificial scaffold (LSDS) had different compressive strengths depending on the final temperature reached, as shown in FIG. 9(b).

즉, 도 9의 (b)에 의하면, 소결로에서 단계적 사후 과정을 거친 2차 소결 인공지지체는, 단지 1차적 레이저 소결만이 이루어진 인공지지체(LSDS)에 비해 압축강도가 적어도 2배 이상 증대되었음을 쉽게 확인할 수 있고, 특히 최종 도달온도가 1050℃ 내지 1150℃인 경우에는, 적어도 3배 내지 4배까지 압축강도가 증대됨을 알 수 있다.That is, according to (b) of FIG. 9, the secondary sintered scaffold, which has undergone a step-by-step post-process in the sintering furnace, has at least doubled the compressive strength compared to the artificial scaffold (LSDS) in which only primary laser sintering is performed. It can be easily confirmed, and in particular, when the final reached temperature is 1050 ° C. to 1150 ° C., it can be seen that the compressive strength is increased by at least 3 to 4 times.

한편, 도 10에 도시된 내용은, 상술한 3가지 최적화 공정조건하에서 함량이 HA0, HA25, HA50, HA75 및 HA100인 분말형 소재(CP)를 각각 1차 레이저 소결한 다음, 2차 사후소결하여 얻어진 인공지지체들에 대한 물성 등을 나타낸 것이다.On the other hand, the contents shown in FIG. 10 are obtained by primary laser sintering of powdered materials (CP) having HA0, HA25, HA50, HA75 and HA100 contents under the above three optimization process conditions, respectively, and then secondary post-sintering. The physical properties of the obtained artificial scaffolds are shown.

이러한 도 10의 (a)에 의하면, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말형 소재(CP,HA0)를 1,2차 소결하여 제조된 인공지지체가 다른 함량의 분말형 소재(CP)에 비해 압축변형률 대비 압축응력의 정도가 가장 우수한 것을 알 수 있다.According to FIG. 10 (a), powdered materials (CP, HA0) obtained by mixing 0% by weight of hydroxyapatite (HA) and 100% by weight of calcium phosphate (TCP) with respect to the total weight of the powder are first and second It can be seen that the artificial scaffold manufactured by sintering has the best degree of compressive stress compared to the compressive strain compared to the powdered material (CP) having a different content.

따라서 본 발명의 실시예에 따라 제조된 인공지지체에 대하여 기계적 강도가 용도상 요구되는 경우에는 함량이 HA0인 분말형 소재(CP)를 사용하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.Therefore, when mechanical strength is required for the artificial scaffold manufactured according to the embodiment of the present invention, it is most preferable to use a powdery material (CP) having an HA0 content.

또한, 도 10의 (b)에 의하면, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말형 소재(CP,HA25)를 1,2차 소결하여 제조된 인공지지체가 다른 함량의 분말형 소재(CP)에 비해 세포 증식률(광학밀도)이 가장 우수한 것을 알 수 있다.In addition, according to (b) of FIG. 10, powdered materials (CP, HA25) in which 25 wt% of hydroxyapatite (HA) and 75 wt% of calcium phosphate (TCP) are mixed with respect to the total weight of the powder (CP, HA25) were 1,2 It can be seen that the artificial scaffold prepared by tea sintering has the best cell proliferation rate (optical density) compared to the powdered material (CP) of different contents.

따라서 본 발명의 실시예에 따라 제조된 인공지지체에 대하여 원활한 세포증식이 용도상 요구되는 경우에는 함량이 HA25인 분말형 소재(CP)를 사용하는 것이 가장 바람직하다 할 것이다.Therefore, when smooth cell proliferation is required for the artificial scaffold manufactured according to the embodiment of the present invention, it is most preferable to use a powdery material (CP) having an HA25 content.

아울러, 도 10의 (c)에 의하면, 함량이 HA0, HA25, HA50, HA75 및 HA100인 분말형 소재(CP)를 각각 1,2차 소결하여 얻어진 인공지지체들은, 거의 비슷한 비율의 P(인)과 Ca(칼슘)으로 구성됨을 알 수 있다. In addition, according to (c) of FIG. 10, the artificial scaffolds obtained by primary and secondary sintering of powdered materials (CP) having HA0, HA25, HA50, HA75 and HA100 contents, respectively, have almost the same ratio of P (phosphorus) and Ca (calcium).

위와 같이 인체의 뼈 성분인 조성 원소로 구성되는 인공지지체를 신체 내부에 이식하게 되면, 종래 인공지지체용 합성고분자, 금속 등과 비교시 세포의 생체 활성이나 세포 증식이 촉진됨은 물론이고, 빠른 생분해성으로 치유효과의 향상이 기대될 수 있다.As above, when the artificial scaffold composed of the constituent elements, which is a component of the human body, is implanted inside the body, compared to conventional synthetic polymers and metals for artificial scaffolds, the biological activity or cell proliferation of cells is promoted, as well as rapid biodegradability. An improvement in the healing effect can be expected.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 인공지지체 제조방법으로 인해, 도 11에 도시된 정밀하고 복잡한 다공구조를 갖는 맞춤형 3D 인공지지체가 다양한 형상과 미소한 크기로 제조될 수 있고, 우수한 생체적합성 및 기계적 강도를 갖는 인공지지체가 양산될 수 있게 된다.Due to the method of manufacturing the artificial scaffold according to the embodiment of the present invention as described above, the customized 3D scaffold shown in FIG. 11 having a precise and complex porous structure can be manufactured in various shapes and microscopic sizes, and has excellent biological quality. It is possible to mass-produce artificial scaffolds with compatibility and mechanical strength.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.In the foregoing, specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, but it is common knowledge in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Accordingly, such modifications or variations should not be individually understood from the spirit or point of view of the present invention, and modified embodiments should be said to belong to the claims of the present invention.

S100: 모델링단계
S200: 피딩단계
S300: 소결단계
S400: 반복단계
S500: 사후소결단계
T: 타겟점 F: 렌즈 초점
CP: 분말형 소재 S1: 적층공간
S2: 수용공간
100: 6축 구동형 3차원 인공지지체 제조장치
102: 바닥프레임 110: 레이저부
112: 레이저발생기 114: 빔확장기
116: 반사경 118: 포커싱렌즈
120: 작업부 122: 가동판
123: 적층판 124: 수평구동부
124a: x축 구동부 124b: y축 구동부
126: 제1 수직구동부 128: 수거함
130: 피딩부 132: 피드롤러
133: 토출판 134: 피드구동부
136: 제2 수직구동부 138: 회전구동부
139: 중량센서 140: 제어부
150: 가압부 150a: 코일스프링S100: modeling stage
S200: Feeding step
S300: sintering step
S400: repeat step
S500: post-sintering step
T: target point F: lens focus
CP: Powdered material S1: Lamination space
S2: accommodation space
100: 6-axis driven 3D artificial support manufacturing device
102: bottom frame 110: laser unit
112: laser generator 114: beam expander
116: reflector 118: focusing lens
120: work unit 122: movable plate
123: laminated plate 124: horizontal driving unit
124a: x-axis driving unit 124b: y-axis driving unit
126: first vertical drive unit 128: collection box
130: feeding unit 132: feed roller
133: discharge plate 134: feed driving unit
136: second vertical driving unit 138: rotary driving unit
139: weight sensor 140: control unit
150: pressing part 150a: coil spring

Claims

3D로 모델링된 맞춤형 인공지지체를 소정두께로 슬라이싱하여 얻어진 층별이미지에 대한 G-Code를 각각 생성하고 제조장치에 입력하는 모델링단계;
레이저에 의한 소결작용이 발생하게 되는 타겟점을 포함하는 적층공간에 분말형 소재를 소정두께로 제공하는 피딩단계;
제공된 상기 분말형 소재가 상기 층별이미지에 대응하여 소결되도록 레이저를 제어하며 상기 적층공간을 x축과 y축으로 상대이동시키는 소결단계; 및
입력된 G-Code의 순서에 따라 최하단에서 최상단까지의 상기 층별이미지에 대응한 소결이 누적적으로 이루어지도록, 상기 피딩단계 및 소결단계를 연속 수행하는 반복단계를 포함하고,
상기 반복단계를 통해 완성된 상기 인공지지체를 소결로에 장입하여 4시간 동안 점진적으로 1050℃ 내지 1150℃까지 승온시키고, 2시간의 온도유지 후 냉각시키는 사후소결단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.A modeling step of generating G-Codes for each layer image obtained by slicing the customized artificial scaffold modeled in 3D to a predetermined thickness and inputting the G-Code to the manufacturing apparatus;
A feeding step of providing a powder-type material with a predetermined thickness to a stacking space including a target point at which a sintering action by laser occurs;
a sintering step of controlling a laser so that the provided powdery material is sintered in response to the layer-by-layer image and relatively moving the stacking space in the x-axis and y-axis; and
A repeating step of continuously performing the feeding step and the sintering step so that sintering corresponding to the layer-by-layer image from the bottom to the top is cumulatively performed according to the order of the input G-Code,
The artificial support completed through the repeating step is charged into the sintering furnace, the temperature is gradually raised to 1050° C. to 1150° C. for 4 hours, and the post-sintering step of cooling after maintaining the temperature for 2 hours. A method for manufacturing an artificial scaffold.

제1항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
원활한 세포증식이 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 25 중량%의 수산화인회석(HA)과 75 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.According to claim 1,
The powdery material is
For the production of the artificial scaffold requiring smooth cell proliferation, a customized artificial comprising a powder mixed with 25 wt% of hydroxyapatite (HA) and 75 wt% of calcium phosphate (TCP) based on the total weight of the powder A method for manufacturing a support.

제1항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
수산화인회석(HA) 및 인산칼슘(TCP) 중 적어도 어느 하나를 포함한 분말인 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.According to claim 1,
The powdery material is
A method for manufacturing a customized artificial scaffold, characterized in that it is a powder containing at least one of hydroxyapatite (HA) and calcium phosphate (TCP).

제1항에 있어서,
상기 소결단계는,
레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하고,
포커싱렌즈의 초점을 기준으로 초점거리 대비 5% 내지 10%에 대응한 거리만큼 이격된 위치에 타겟점 및 상기 적층공간이 위치하도록 설정된 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.According to claim 1,
The sintering step is
Set the laser power to 5W to 6W,
A method for manufacturing a customized artificial scaffold, characterized in that the target point and the stacking space are set to be positioned at positions spaced apart by a distance corresponding to 5% to 10% of the focal length based on the focus of the focusing lens.

제1항에 있어서,
상기 소결단계는,
레이저의 파워를 5W 내지 6W로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.According to claim 1,
The sintering step is
Customized artificial scaffold manufacturing method, characterized in that the laser power is set to 5W to 6W.

제5항에 있어서,
상기 소결단계는,
xy 평면에 대한 상기 적층공간의 이동속도를 100mm/min 내지 250mm/min로 설정하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법.6. The method of claim 5,
The sintering step is
A customized artificial scaffold manufacturing method, characterized in that the movement speed of the stacking space with respect to the xy plane is set to 100 mm/min to 250 mm/min.

제1항에 있어서,
상기 분말형 소재는,
기계적 강도가 요구되는 상기 인공지지체의 제조를 위해, 전체 분말 중량에 대하여 0 중량%의 수산화인회석(HA)과 100 중량%의 인산칼슘(TCP)을 혼합한 분말로 이루어지는 것을 특징으로 하는 맞춤형 인공지지체 제조방법
According to claim 1,
The powdery material is
For the production of the artificial scaffold requiring mechanical strength, a customized artificial scaffold comprising 0% by weight of hydroxyapatite (HA) and 100% by weight of calcium phosphate (TCP) mixed with respect to the total weight of the powder. Manufacturing method