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인서 도
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 9 pp , ISSN / eissn ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 성열훈 1* 1 청주대학교방사선학과 A Study of 3D Printing of Self-Customization Cast by Using Fused Deposition Modeling Technique of ABS Resin Youl-Hun Seoung 1* 1 Department of Radiological Science, Cheongju University 요약본연구에서는소량생산및개인맞춤형제작으로매우유용한 3D 프린팅기술을이용하여자가맞춤형부목을제작하고자하였다. 방법으로는 3D 프린터를이용하여용융적층조형방식 (fused deposition modeling) 으로부목을제작하였으며, 재료는열가소성플라스틱계열인 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지를이용하였다. 부목의모델링은실제인체의손부위 3차원전산화단층영상을이용하였으며통풍이가능하도록설계하였다. 그결과실제인체손모양과일치하는자기맞춤형부목이성공적으로출력되었다. 또한기존부목보다도우수한방사선영상을획득할수있었다. 결론적으로본연구에서제시한 3D 프린팅사례는 ABS 수지를이용한용융적층조형방식의유사한구조물을출력할때기초자료로사용할것으로판단된다. Abstract In this study, we have tried to use 3D-printing technology, which is very useful for small amount production and individual personalization manufacturing to produce a cast customized by individual. To do this, we have made casts by the 3D printer in the method of fused deposition modeling technique using ABS(acrylonitrile butadiene styrene) resin which is thermoplastic plastics. The computed tomography of human hand part was used as the modeling of the cast and it was designed to circulate air well. As a result, an individual personalized cast that fitted well with the model part was produced. In addition, we could get more excellent radiography from the cast than the existing cast. In conclusion, this study of 3D-printing could be used as basic data when a similar designed structure in fused deposition modeling technique by ABS resin is printed out. Keywords : Acrylonitrile Butadiene Styrene, Cast, Fused Deposition Modeling, Self-Customization, Three-Dimensional Printing 1. 서론 과거에는조형물을생산할때입체의재료를기계또는레이저등을이용하여자르거나깎는절삭가공 (Subtractive Manufacturing, SM) 방식으로제작하였다. 하지만 1984 년미국의 Charles (Chuck) W. Hull 이삼차 원 (three-dimensional, 3D) 프린터기술을최초로개발하면서 SM방식과반대되는개념의생산방식인적층가공 (additive manufacturing, AM) 방식이등장하였다 [1]. AM방식은조형물의단층면을아주얇게잘라분석한설계도면을기반으로액체, 파우더형태의폴리머 ( 수지 ), 금속, 목재, 식재료등을적층형태 (layer-by-layer) 이논문은 학년도에청주대학교보건의료과학연구소가지원한학술연구조성비 ( 특별연구과제 ) 에의해연구되었음 * Corresponding Author : Youl-Hun Seoung(Cheongju University) Tel: radimage@cju.ac.kr Received June 1, 2015 Revised (1st June 15, 2015, 2nd June 17, 2015) Accepted September 11, 2015 Published September 30,

Hull은액체기반으로빛에반응하는액체형태의광경화성플라스틱이들어있는수조에레이저나강한자외선을이용하여재료를순간적으로경화시켜한층씩굳히면서형상을제작하는기술을제안하였다. 이와관련된기술은광경화수지조형술 (stereolithography apparatus, SLA) 과디지털광학기술 (digital light processing, DLP) 이있다 [4,5].

2 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 로완성하는방식으로신속하게제작할수있어쾌속조형 (rapid prototyping, RP) 방식이라고도불린다 [2]. 이러한적층방식은압출 (extrusion), 잉크젯방식의분사 (jetting), 광경화 (light polymerised), 파우더소결 (sintering), 인발 (wire), 시트적합 (sheet lamination) 등으로구분할수있다 [3]. 또한재료의형태로분류를하면액체기반, 파우더기반, 고체기반으로나눌수있다. 첫째, Charles W. Hull은액체기반으로빛에반응하는액체형태의광경화성플라스틱이들어있는수조에레이저나강한자외선을이용하여재료를순간적으로경화시켜한층씩굳히면서형상을제작하는기술을제안하였다. 이와관련된기술은광경화수지조형술 (stereolithography apparatus, SLA) 과디지털광학기술 (digital light processing, DLP) 이있다 [4,5]. 이기술은정밀도와표면조도가우수한반면내구및내열성이약한단점이있다. 둘째, 1987년 Carl Deckard는파우더기반으로플라스틱, 모래, 세라믹, 금속분말등을이용하여 SLA 방식과유사한과정을거치는데분말형태의재료를가열, 결합하여조형, 재료형태에따라접착제또는레이저를사용하는방식을제안하였으며선택적레이저소결조형술 (selective laser sintering, SLS) 이라고한다 [6]. 이기술은생산성, 내구성, 내열성이우수하지만장비가고가인단점이있다. 마지막으로고체기반은열에잘녹는고체플라스틱과같은재료를가는실 ( 필라멘트 ) 형태의열가소성물질을노즐안에서녹여얇은필름형태로출력하여적층하는방식으로용융적층조형술 (fused deposition modeling, FDM) 이라고한다 [7]. 이기술은조형물의강도가견고하고습도에강하며소재비용이상대적으로저렴하지만표면은거칠고속도가느린단점을가지고있다. 주로사용하는소재는열가소성수지인 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 와 PLA(polylactic acid), Nylon(polyamide) 등이있다. 이중 FDM방식은 1988년미국의 Scott Crump에의해개발되었으며특허를획득한후 20년이지난 2008년에 FDM방식의특허가종료되었다. 이후영국의배스대학의 Adrian Bowyer 교수가렙랩 (replication rapid prototyper, RepRap) 이라는다국적프로젝트를만들어 FDM의종료된특허기술을바탕으로 3D 프린터개발이세상에공개되었다 [8]. 국내에서도 2011년인터넷으로공유되는렙랩프로젝트가전파되어현재수많은제품들 이판매되고있으며대부분의 open source로설명되는공통된자료구조와소프트웨어를사용하고있다. 이러한기술공개는산업용프린터중심에서개인용프린터시장으로확대되어가는추세이다 [9]. 특히, 미국은 2013 년 2 월오바마대통령의국정연설에서 3D 프린팅 (printing) 기술육성으로새로운제조업혁명을이룰것 이라고밝히면서 3D 프린팅시장에가장적극으로공략하여전세계 3D 프린터시장점유율 70% 이상을차지하고있으며영국, 중국, 독일, 일본등이주도국가로참여하고있다. 우리나라도 2014년 4월미래창조과학부와산업통상자원부가 3D 프린팅산업발전전략을공동으로수립발표하면서대응하고있다. 그러나 3D 프린팅기술을적용하거나응용하는국내사례는해외사례에비하여상대적으로미흡한실정이다. 3D 프린터는다품종소량생산및개인맞춤형제작으로매우유용한장비이다. 이러한특성을가지고있는분야가의료용부목이다. 기존의부목은석고붕대또는경화성폴리우레탄수지를이용하지만방사선투과성이떨어져골격구조관찰에제한점이있으며장시간착용으로피부오염을시키는단점이있다. 최근선행연구에서는 PLA 소재를이용한사례가있었으나가장널리사용되는 ABS 소재연구는미미하다 [10]. 따라서본연구에서는일반적으로사용되는개인용 FDM방식의 3D 프린터와 ABS 소재를이용하여자가맞춤형부목을제작하고그사례를보고하고자한다. 2.1 재료 2. 재료및방법 본실험에서는인체정보를획득하기위한스캐너장비로 4-channel multi-detector computed tomography (MDCT, MX-8000, Philips, USA) 를이용하여단층영상을획득하였다 [Fig. 1](a). (a) (b) Fig. 1. (a) multi-detector computed tomography (MDCT) (b) 3D Printer 6020

ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 획득된영상정보는 Rapidia 3D(Rapidia ver 2.8, INFINITT, Seoul, Korea) 프로그램을사용하여 3D 렌더링을하였다. 부목의모델링을위한모델러는 CAD (CADian 3D ver 2.

3D 모델러에서그려진입체모델링은아주얇게단층면으로잘라분석하여 2차원의평면화작업을하는슬라이싱 (slicing) 작업과 3D 프린터에서출력할 3D 모델에위치값을주어 3D 프린터에서제어기능을준비하고출력할수있도록경로화명령기능을갖는 G-code 변환프로그램으로 WEG3D를사용하였다. 3D 프린터기기는 Fig. 1.

3 ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 획득된영상정보는 Rapidia 3D(Rapidia ver 2.8, INFINITT, Seoul, Korea) 프로그램을사용하여 3D 렌더링을하였다. 부목의모델링을위한모델러는 CAD (CADian 3D ver 2.5, IntelliKorea, Korea) 프로그램을사용하여기본부목의프레임을설계하고자기맞춤에맞도록 3D 모델링하였다. 모델러에서디자인된 3D 모델링의데이터는 3D 프린터가읽을수있는 STL(stereolithogaraphy) 파일로변환시켜야한다. 이때변환시생성할수있는오류를수정하기위해 netfabb Basic 프로그램을이용하였다. 3D 모델러에서그려진입체모델링은아주얇게단층면으로잘라분석하여 2차원의평면화작업을하는슬라이싱 (slicing) 작업과 3D 프린터에서출력할 3D 모델에위치값을주어 3D 프린터에서제어기능을준비하고출력할수있도록경로화명령기능을갖는 G-code 변환프로그램으로 WEG3D를사용하였다. 3D 프린터기기는 Fig. 1.(b) 과같이 FDM방식의개인용프린터 (WEG3D X1, Hephzibah, Korea) 를사용하였다. 프린터의사양은 Table 1과같다. 로실시하였다 [Fig. 2]. Fig. 2. 3D printing process 첫번째, 스캔닝단계는 MDCT를이용하여피검자손목의영상해부학적정보를획득하는단계이다. X-선스캔범위는손가락뼈의중간부위에서부터손목뼈바로아래부위까지의손을 X-선조사하였다. X-선조사조건은 90 kvp, 50 mas이었으며, 3.2 mm 단면두께로연속회전 (helical) 스캔하였다. 획득한영상은디지털표준의료영상 (digital imaging and communications in medicine, DICOM) 파일로획득한후의료영상전용 3D 프로그램에서볼륨렌더링기법으로 3D 영상을만들었다. 두번째, 모델링단계는 CAD 프로그램에서재구성된 3D 렌더링을기반으로기본프레임을구성하고본연구목적에맞게부목을디자인하는단계이다 [Fig. 3]. Table 1. Specifications of 3D Printer Items Specifications Layer height 0.15 mm (Max) Material ABS/PLA Build size 135 mm 170 mm 130 mm(h) Print speed mm/s Tolerance ±0.2 mm/100 mm System Window 7/ XP / 8 Soft ware Open Source Power supply V. AC/500W Power Consumption 5W/Heating : W Weight 10 kg Printer size 320(W) 350(L) 550(H) 원료로는열을가하면용융이일어나고온도가떨어지 면다시굳는열가소성플라스틱계열인 ABS 수지를이 용하였다. 외형은노즐에삽입이용이하도록낚싯줄형 태로릴에감겨필라멘트의형태로구성되어있으며직 경은약 1.75 mm이다. 2.2 출력방법자가맞춤형부목의 3D 프린팅출력과정은총 4 단계 Fig. 3. Virtual modeling of cast based on the basic frame of 3D volume rendering 이를위해서스캔닝단계에서재구성된 3D 영상을이용하여기본프레임을디자인할수있도록정면상, 측면상, 단면상을 JPEG 파일로변환한후 Fig. 3과같이 CAD 프로그램에서실제손바닥모양과일치하도록굴곡의변위가있는부위에맞추어기본프레임을만들었다. 그다음곡면의기본프레임에두께를생성하기위해모델러의오프셋도구를이용하여 5 mm 간격의외곽틀을만들었다. 각각의프레임의간격에 sweep 도구를이용하여내부가채워진 solid 형태로변형하였고 union 도구를이용하여하나의 solid로만들었다. Solid 형태로만드는이유는 3D 출력을하기위해덩어리 (mass) 정보를생성하기위함이다. 이때외형은 Fig. 4와같이통풍이원활하고위생적이며방사선투과성이용이하도록그물망형태로모델링하 6021

한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 였다. 그리고부목의손쉬운착용과해체를위해손목바닥면과손등면을분할하였다. Fig. 4.

STL 파일은 3D 모형의표면을무수히많은삼각형들의집합으로쪼개어각꼭짓점들의위치데이터를저장하고있는파일형식이다.

3D printing after generating G-Code using the slicer program 네번째, 후가공단계는 Fig.

Modifications to a set of triangles using the defective netfabb Basic program 그다음은 Fig.

4 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 였다. 그리고부목의손쉬운착용과해체를위해손목바닥면과손등면을분할하였다. Fig. 4. The final shape of the cast model modeling 3D 출력단계에서는 3D 모델링된정보를출력할수있는 STL 파일로저장한다. STL 파일은 3D 모형의표면을무수히많은삼각형들의집합으로쪼개어각꼭짓점들의위치데이터를저장하고있는파일형식이다. 이때삼각형들의구성이불완전하거나결함이있다면 3D 프린터에의한출력시오류가발생하기때문에 netfabb Basic 프로그램을이용하여수정해주는과정을 Fig. 5와같이출력전에시행하였다. Fig. 6. 3D printing after generating G-Code using the slicer program 네번째, 후가공단계는 Fig. 7과같이하도처리, 중도처리그리고상도마감순으로 3 단계로진행하였다. Fig. 5. Modifications to a set of triangles using the defective netfabb Basic program 그다음은 Fig. 6과같이슬라이서프로그램을이용하여 G-code를생성하는한후출력하는단계이다. G-code는프린팅의시작과끝을제어하고노즐움직임의방향과순서, 속도, 적층높이, 벽의두께, 노즐과출력판의온도등프린터와출력물에관련된모든정보를포함하고있다. Fig. 7. Post-processing performed on the 3D printing FDM방식에의하여출력된조형물은적층으로인하여표면이거친단점이있다. 따라서하도처리에서는부드러운표면조성을위해사포 (No ) 를이용하여연마처리하였다. 또한에폭시퍼티를사용하여홈이생기는부위를메꾸고표면을다시재연마하였다. 중도처리에서는표면의미세한홈또는스크레치를메꾸어주고도료의접착성을향상시키는서페이서 (surfacer) 를도 6022

ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 포하고사포 (No. 400 800) 로연마처리하였다. 마지막으로에어브러쉬를이용하여인체의살색과유사한안료로도색하여마무리하였다. 2.

방사선영상은컴퓨터방사선 (computed radiography, CR) 시스템의 8 1 0 영상판 (image plate, IP) 을이용하여획득하였다. 3. 결과 된시간은약 7시간 10분이소요되었다. 이러한자가맞춤형부목은상의를착의하여도불편함이없었으며통풍이원활하여기존부목에서문제가되었던피부의가려움증이나악취등이감소될것이라고판단된다. 3.2 방사선영상결과부목은근골격계의질환부위를장시간외고정하기때문에고정기간동안질환부위의변화가방사선영상으로관찰이용이해야한다 [10].

5 ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 포하고사포 (No ) 로연마처리하였다. 마지막으로에어브러쉬를이용하여인체의살색과유사한안료로도색하여마무리하였다. 2.3 방사선영상의비교방사선영상비교는 ABS 소재로 3D 프린팅된부목과수분경화성폴리우레탄수지재질의기존부목과함께동일한 X-선을조사하여획득된방사선영상에서첫번째손허리뼈에서다섯번째손허리뼈에대한 plot profile 을획득하여비교하였다. 이때 X-선조사조건은 45 kvp, 0.9 mas, 초점과검출기까지의거리는 100 cm로두종류의부목에동일하게조사하였다. 방사선영상은컴퓨터방사선 (computed radiography, CR) 시스템의 영상판 (image plate, IP) 을이용하여획득하였다. 3. 결과 된시간은약 7시간 10분이소요되었다. 이러한자가맞춤형부목은상의를착의하여도불편함이없었으며통풍이원활하여기존부목에서문제가되었던피부의가려움증이나악취등이감소될것이라고판단된다. 3.2 방사선영상결과부목은근골격계의질환부위를장시간외고정하기때문에고정기간동안질환부위의변화가방사선영상으로관찰이용이해야한다 [10]. 따라서본연구에서제안한자가맞춤형부목과기본부목의방사선영상을비교한결과, Fig. 9와같다. 육안적으로평가하여도 3D 프린팅된부목이기존의부목보다도방사선투과성이우수하여골격계가손쉽게관찰이되었다. 또한 plot profile에서도손허리뼈와주변연부조직간의신호강도가 3D 프린팅된부목방사선영상에서크게차이가나는것을확인할수있었다. 3.1 최종 3D 프린팅출력물 Fig. 8은최종 3D 출력물의앞모습과옆모습이다. 모델링단계에서설계된것같이손바닥의단층면과같이곡면이일치되게출력되었다. (a) (b) Fig. 9. The radiography and plot profile (a) the cast of 3D Printing (b) the conventional cast Fig. 8. The final completed self-customization cast 최종출력물인부목은착용시발생할수있는피부오염이나냄새등을방지하기위해디자인된디지털형상의구멍도동일하게생성되었다. 또한탈부착이용이하게위하여손등면과손바닥면을분리하여출력하였으며손바닥에장착할때는케이블타이를이용하여고정할수있도록부목위부분과아랫부분에케이블타이전용홈을만들었으며이를이용하여부목이고정됨을확인할수있었다. 후가공단계에서인체의살색에유사하게도색하여부목착용이눈에잘안띄도록하였다. 3D 프린터로출력 4. 고찰본연구에서는제조공정중 SM방식과반대되는 AM 방식으로생산하는 3D 프린터를이용하여자가맞춤형부목을출력하는사례를소개하였다. 3D 프린터는소량의맞춤형생산이가능한장점이있어개별성이강하고고도의정밀성을요구되는의료분야에서의활용이기대되고있다 [11]. 그러나산업용 3D 프린터기기와소재의가격은매우고가이며운용하는데전문지식이필요한단점이있다. 따라서 2014년미래창조과학부에서 3D 프린팅창의 Makers 1,000만교육계획 안을발표하고일 6023

6 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 반국민들이가까운곳에서손쉽게 3D 프린터를체험할수있는인프라를구축하고콘텐츠확보와유통체계를구축하고자하였다. 그결과최근에는산업용뿐만아니라문화상품으로피규어를출력하여새로운콘텐츠시장을개척하고있다 [12]. 그러나다양한 3D 프린팅저변이확보되기위해서는고가의 3D 프린터보다는저가이면서개인용으로활용할수있는프린팅방식을사용해야한다. 그래서본연구에서는가장널리사용되고있는 ABS수지의 FDM방식의프린터를선택하여 3D 프린터의장점을살릴수있는부목제작을시도하고사례를보고하였다. 3D 프린팅과정은스캔닝단계, 모델링단계, 3D 출력단계, 후처리단계로진행이된다. 스캔닝단계에서는모델러프로그램으로상상을모델링하거나 3D 스캐너를사용하는실물기반모델링작업을수행한다. 특히본연구처럼인체와유사한모델링을하기위해서는일반적으로 3D 스캐너를이용하지만정밀도를요구하는스캔닝의 3D 스캐너는고가인문제점이있다. 하지만본연구에서는임상에서널리사용되는 CT를이용하여획득한데이터를기반으로모델링한특징이있다. 모델링단계에서는전문모델러 S/W를이용하여작업하였다. 본연구에서는국내에서개발한모델러를이용하여모델링을구현하였다. 이는향후 3D 프린팅산업이우리나라에서독자적으로발전하는데기반이될수있는모델러의기술은매우중요하며이를활용한사례라는데의미가있다. 모델링단계에서는 2D 평면에서보여주는렌더링기술보다는실제로현실세계에서구현이될수있도록모델링하는것이매우중요하다. 따라서공간정보를갖게하는솔리드형태로모델링해야한다. 왜냐하면모델링이완성된파일을 3D 프린터가인식할수있도록 STL파일로변환할때완전한솔리드형태의데이터가아니면출력시오류가발생할수있다. 그이유는 STL 파일은면구조를기반으로한메쉬 (mesh) 데이터로수많은삼각형들의면집합으로이루어져있기때문에이러한면들이연결되어있지않다면현실세계에서존재할수없는출력물이되기때문이다. 따라서이를방지하기위해본연구에서는 netfabb Basic 프로그램을이용하여검증및수정을실시하였다. 본연구에서모델링중솔리드형태를실패한주요원인은곡선의각도가커서두께값을가질때곡선위의제어점들이교차하여솔리드형태 로인식이되지못할때이다. 이러한경우에는곡선의각도를출력물목적범위안에서최소화하여제어점들이교차가되지않도록수정하여야한다. 이때제어점을관찰하기위해서는모델링을최대한확대해야결함을찾기쉽다. 3D 출력단계에서는 3D 모델링된정보를 STL 파일로저장하고슬라이서프로그램을이용하여 G-code를생성한다. 이때슬라이서프로그램은 open source 기반으로개발된한계점으로한글을인식하지못하는제한점이있으므로반드시영문으로파일명을지정한후저장해야한다. 또한출력단계에서는 3D 프린터기의사양에따라서출력물이제한되는단점이있다. 본연구에서도조형크기의한계로손부위만출력한단점이있다. 이는향후출력물의목적에맞는 3D 프린터개발의필요성을시사한다. 또한본연구에서시도한적층방식은 FDM방식으로소재따라용융점설정이다르다. ABS 수지는 , PLA 수지는 의용융점을가지고있다. 또한적층된소재가온도에따라수축되는것을방지하기위해서출력판자체가가열되는기능이있어야한다. 특히, ABS 수지는 PLA 수지보다수축이잘일어나기때문에출력판의온도조절이주의를해야하며약 이내로설정한다. 그리고출력물이초기에출력판에잘붙고넘어지지않도록바닥지지서포트를깔아주는 Raft 기능을사용한다. 특히 ABS 수지는출력판에잘달라붙지않는성질이있어출력판의바닥을거칠게만들수있는테이프를붙이거나문구용풀 ( 딱풀 ), 헤어스프레이, 헤어젤, 아세톤등을이용하여출력판에잘붙을수있도록하는것이좋다. 그리고적층시출력판의수평이맞아야한다. 실험적으로 3D 프린터에서출력이완료되면출력판을분리하여출력물을획득하는데이때출력판의수평이어긋나는경우가발생하기때문에출력전노즐과출력판사이에 A4 용지를놓고중앙, 12시, 3시, 6시, 9시방향에서수평이맞는지출력판밑에있는레벨조절나사를이용하여교정해야한다. 출력시제품의밀도를좌우하는것은소재를채우는정도 (infill solidity) 이다. 일반적으로 0.3 비율을권고하고있으나비율이높아지면출력시간은길어지므로출력물의사용목적에따라비율을재설정할있으며이에대한추가연구는필요하다. 출력시간은이밖에노즐에압출되어출력되는속도 (infill speed) 와압출없이노즐만이동하는속도 (travel speed) 가영향을준다. 6024

7 ABS 수지의용융적층조형방식에의한자가맞춤형부목의 3 차원출력사례연구 일반적으로두속도는 mm/s 이내에서일대일대응하도록실험적으로권고한다. 그밖에각층레이어의가장자리벽부분을출력하는쉘 (shells) 은 1 2 mm로설정하기때문에출력물의벽두께설정시쉘의값을고려하여야한다. 이때노즐의직경도같이고려해야하는데노즐직경이 0.4 mm 일때쉘을 1 mm, infill solidity를 0.3으로설정하고벽두께가 5 mm의출력물을출력한다면내 외부벽에각각 0.4 mm 노즐이두번출력하고내부 3.4 mm가 30% 정도로채워진다고할수있다. 마지막단계로후가공단계에서는지지체제거와 FDM방식으로적층시발생하는거친표면을연마하고도색한다. 지지체는적층시출력물이허공에출력되는것을방지하기역할을하는데후가공단계에서본출력물에손상없이제거를해야하며 G-code 생성시슬라이서프로그램에서출력물의배열위치를지지체가최소화할수있도록고려해야한다. FDM방식의 3D 프린터에서는주로 ABS 수지와 PLA 수지를소재로사용한다. 가격면에서는 ABS 수지가 PLA 수지보다저렴한반면 PLA는옥수수전분의천연원료로만들어져용융시냄새가없지만 ABS 수지는용융시유해한가스가발생할수있기때문에출력할때환기를시켜야한다. 용융적층후소재의온도차이로수축이발생하는데 ABS 수지가 PLA 수지보다수축현상이많이일어나는단점이있다. 따라서본실험에서는출력물을가로배열보다는세로배열로출력하여수축현상을최소화하였다. PLA 수지는옥수수전분을이용한소재이기때문에 ABS 수지보다수분에약한단점이있어공기중에오래동안방치하면출력시기포가생기는현상이발생한다. 따라서포장에서개봉된후 3 4 개월이내에사용하기를권장하고있다. 후가공측면에서는 ABS 수지는아세톤에잘녹기때문에사포연마와같이하면표면조성이손쉬운반면 PLA 수지는사포연마를위주로해야하는제한점이있다. 강도면에서는 ABS 수지가더강하고구부러질수있는성질이있는반면 PLA 수지는상대적으로다소약하며거의휘지않고끊어지는성질을가지고있어본연구에서도높은강도를요구하는부목제작에 ABS 수지를사용하였다. 오왕균 [13] 의연구에서도 ABS 수지를이용하여골반골절환자의골을제작하여수술계획에사용하기도하였다. 이밖에도최근에는 3D 프린팅의소재로생체소재를활용하여뼈, 생체조직, 혈관등을재 생하는세포프린팅기술이연구가진행되고있다 [14,15]. 따라서 3D 프린팅기술의활성화는출력물의목적에따라다양한소재개발이앞으로필요하며이에대한관련연구가요구될것으로판단된다. 본연구의한계점은기존부목과 3D 프린팅된부목간의정량적인비교방법이방사선영상분석으로만이루어진점이다. 향후임상적으로부목으로서의유용성평가는추가적으로이루어져야할것이다. 5. 결론본연구에서는 3D 프린팅기술을이용하여 ABS 수지를이용하여자가맞춤형부목을제작하였으며다음과같은결론을도출하였다. 1. ABS 수지가기존의부목소재보다도방사선투과성이우수하여인체내부관찰이용이하였다. 2. ABS 수지가 PLA 수지보다도후가공이용이하고강도면에서우수하다. 3. 본연구결과는 ABS 수지를이용한 FDM 방식의유사한구조물을출력할때기초자료로사용할수있으며개선해야할 FDM방식의문제점들을선행적으로제시하였다. References [1] J. P. Kruth, M.C. Leu, T. Nakagawa, Progress in Additive Manufacturing and Rapid Prototyping, Annals of the CIRP, Vol. 47, No. 2, pp , DOI: [2] P. Kulkarni, A. Marsan, D. Dutta, A review of process planning techniques in layered manufacturing, Rapid Prototyping Journal, Vol. 6, No. 1, pp , DOI: [3] D. Y. Yang, H. K. Shon, Recent State of Rapid Prototyping Technique for Rapid Product Manufacturing, Journal of the Korean Society of Precision Engineering Vol. 17, No. 10, pp. 5-10, [4] P. Yayue, Z. Xuejin, Z. Chi, C. Yong, Smooth surface fabrication in mark projection based stereolithography, Journal of Manufacturing Processes, Vol. 14, No. 4, pp. 6025

한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, 2015 460-470, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jmapro.2012.09.003 [5] G. Katal, N. Tyagi, A. Joshi, Digital Light Processing and its Future Applications, Int. J. of Scientific and Research Publication, Vol.

8 한국산학기술학회논문지제 16 권제 9 호, , DOI: [5] G. Katal, N. Tyagi, A. Joshi, Digital Light Processing and its Future Applications, Int. J. of Scientific and Research Publication, Vol. 3, No. 4, pp.1-8, [6] W. Ruban, J. Gideon George, H. Chockalingam, process parameters optimization in selective laser sintering, ISR National Journal, Vol. 1, No. 1, pp , [7] S. H. Ahn, M. Montero, D. Odell, S. Roundy, P. K. Wright, Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS, Rapid Prototyping Journal, Vol. 8 Iss: 4, pp DOI: [8] [9] E. J. Choi, S. A. Kim, J. Y. Bae, et al., A Study on the State-of-the-Art of 3D Printers, Journal of The Korea Society of Computer and Information, Vol. 21, No. 2, pp , [10] Y. H. Seoung, 3-Dimensional Printing for Mesh Types of Short Arm Cast by Using Computed Tomography, The Journal of the Korea Contents Association, Vol. 15, No. 1, pp , DOI: [11] H. M. Sohn, J. Y. Lee, S. H. Ha, et al., Rapid Prototyping Assisted Orthopaedic Fracture Surgery - A Case Report, Journal of the Korean Orthopaedic Association Vol. 39, No. 7, pp , [12] C. J. Lee, J. N. Sohn, Plans for 3D printers Diffusion -Focusing on production figures-, Journal of digital convergence, Vol.12 No. 9, pp , [13] W. K. Oh, Customized Model Manufacturing for Patients with Pelvic Fracture using FDM 3D Printer, The Journal of the Korea Contents Association, Vol. 14, No. 11, pp , DOI: [14] S. H. Park, J. H. Park, H. J. Lee, N. K. Lee, Current Status of Biomedical Applications using 3D Printing Technology, Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol. 31, No. 12, pp , DOI: [15] J. S. Miller, K. R. Stevens, M. T. Yang, et al., Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues, Nat Mater. Vol. 11, No. 9, pp , DOI: 성열훈 (Youl-Hun Seoung) [ 정회원 ] 2002 년 2 월 : 가톨릭대학교정보통신공학 ( 공학사 ) 2005 년 8 월 : 가톨릭대학교일반대학원컴퓨터공학 ( 공학석사 ) 2010 년 8 월 : 가톨릭대학교일반대학원의물리공학 ( 이학박사 ) 2011 년 3 월 ~ 현재 : 청주대학교방사선학과조교수 < 관심분야 > 디지털방사선영상학, 의학물리공학, 3D 바이오프린팅 6026

30=( )성열훈.hwp

30=( )성열훈.hwp http://dx.doi.org/10.5392/jkca.2015.15.01.308 전산화단층영상을이용한그물형손목부목의 3D 프린팅 3-Dimensional Printing for Mesh Types of Short Arm Cast by Using Computed Tomography 성열훈청주대학교방사선학과 Youl-Hun Seoung(radimage@cju.ac.kr)