[논문]치과용 시술기구(Micro Handpiece)재료의 특성평가 및 표면품질에 대한 연구

손재환; 한창우; 최상일; 김용중; 최창진

문제 정의

본 연구에서는 치과용 마이크로 핸드피스 개발 공정에 사용하기 위한 스테인레스강 (SUS 420) 금속소재에 대한 기계적 특성 시험 평가 및 표면품질에 대한 연구이다. 마이크로 핸드피스 제작 공정에 요구되는 금속재료에 대한 KS 및 ASTM 규격을 만족하기 위해 규격에 의거한 시험평가를 시도하였고, 그 결과에 대해 통계적 분석 및 고찰을 통하여 신뢰성 및 정확성을 확보하고자 노력하였다.
8과 같이 연삭면, 연마면, 래핑면과 같은 특성을 가진 표면의 표면거칠기는 주로 R_a, R_q로서 표현을 하며 선삭면과 같은 주기성을 가진 표면의 표면거칠기는 주로 R_max로서 표현을 한다. 본 논문에서는 중심선 평균 거칠기(R_a)를 통하여 치과용 마이크로 핸드피스 부품(CHUCK)의 표면품질의 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 치과 마이크로 핸드피스 개발용 SUS420 금속소재에 대한 기계적 특성과 표면품질의 시험평가를 수행하였고, 주요 부품 (CHUCK)에 대한 특성평가 및 표면품질에 대한 연구내용의 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 치과용 마이크로 핸드피스 개발 공정에 사용하기 위한 스테인레스강 (SUS 420) 금속소재에 대한 기계적 특성 시험 평가 및 표면품질에 대한 연구이다. 마이크로 핸드피스 제작 공정에 요구되는 금속재료에 대한 KS 및 ASTM 규격을 만족하기 위해 규격에 의거한 시험평가를 시도하였고, 그 결과에 대해 통계적 분석 및 고찰을 통하여 신뢰성 및 정확성을 확보하고자 노력하였다.

제안 방법

본 연구에서는 마이크로 핸드피스 부품 (CHUCK)의 표면거칠기 정밀도 평가를 하였으며, 임의의 측정부위 3곳을 각각 5회씩 측정하였다. 표면거칠기 측정은 거칠기 곡선에서 기준길이 전체에 걸쳐 평균선으로부터 벗어나는 모든 봉우리와 골짜기의 편차 평균값을 표면거칠기로 사용한 중심선 평균 거칠기(Ra, arithmetical average roughness)를 이용하여 실험하였다.
5와 같이 기계적 특성시험을 하였다. 소재의 인장강도 시험은 Universal Testing Machine(INSTRON 5569)를 사용하여 KS B 0802 : 2003 규정에 의하여 시험을 수행하였으며, 인장강도(UTS) 680 MPa, 항복강도 450 MPa 및 연신률 30 %로 일반적인 스테인레스강(SUS420)의 특성치인 인장강도(UTS) 670 MPa, 항복강도 350 MPa 및 연신률(EL) 25 %을 상회하는 표 3 및 Fig.6과 같은 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 마이크로 핸드피스 부품 (CHUCK)의 표면거칠기 정밀도 평가를 하였으며, 임의의 측정부위 3곳을 각각 5회씩 측정하였다. 표면거칠기 측정은 거칠기 곡선에서 기준길이 전체에 걸쳐 평균선으로부터 벗어나는 모든 봉우리와 골짜기의 편차 평균값을 표면거칠기로 사용한 중심선 평균 거칠기(Ra, arithmetical average roughness)를 이용하여 실험하였다.

대상 데이터

1은 치과용 시술기구의 Micro Handpiece 외관도 3D 모델링이다. KS B 0801(금속재료인장시험편)의 4호 규정에 따라 지름 14 ㎜, 표점 거리(gauge length)는 50 ㎜ 원형봉상으로 정형 시험편을 Fig.2와 같이 설계ㆍ제작하였다. Fig.
필터링된 신호는 R_a값 등을 디지털지시계로 나타낸다. 본 실험에 사용된 표면거칠기 측정 실험장치(Surface Roughness Measuring Machine)는 Fig.10의 영국 Taylor Hobson Ltd사의 모델 Taylsurf PGI 120을 이용하였다. 실험장치의 주요사양은 측정길이 10㎜, 이송길이 120 ㎜, 정밀도 2 % ± 0.
실험에 사용한 치과용 시술기구인 마이크로 핸드피스 components materials의 SUS420에 대한 화학 성분과 기계적 성질은 표 1 및 2와 같다.
치과용 핸드피스에 사용되는 금속재료인 SUS420의 금속소재를 이용하여 Fig.5와 같이 기계적 특성시험을 하였다. 소재의 인장강도 시험은 Universal Testing Machine(INSTRON 5569)를 사용하여 KS B 0802 : 2003 규정에 의하여 시험을 수행하였으며, 인장강도(UTS) 680 MPa, 항복강도 450 MPa 및 연신률 30 %로 일반적인 스테인레스강(SUS420)의 특성치인 인장강도(UTS) 670 MPa, 항복강도 350 MPa 및 연신률(EL) 25 %을 상회하는 표 3 및 Fig.

데이터처리

분산분석은 두 표본 이상의 평균치에 대한 차이를 검정하는 통계기법으로, 표본들이 동일한 평균을 가진 모집단에서 추출된 것인지의 여부를 추론할 수 있다. 따라서 두 집단 이상의 한 변수에 대한 평균의 차이를 검정하고자 할 때의 통계기법을 이용하였다.
표면거칠기시험(CHUCK))에 대한 시험결과 평균거칠기(R_a, 1개 항목) 비교시험 결과에 대하여 등분산성을 검정하기 위하여 Cochran방법을 이용하였고, 이상 값의 유무를 검정하기 위하여 Grubbs 방법을 사용하였다. 또한, 좀 더 정밀하게 시험결과 비교시험을 분석하기 위하여 일원배치 분산 분석(One-way ANOVA)으로 평가하였다.
본 연구에서 정밀도 검증을 위해서는 마이크로 핸드피스 부품(CHUCK)의 표면거칠기 품질 평가를 KS B 0161 : 1999 한국산업규격을 적용하였으며, 시험결과치의 비교를 위해 일원배치법에 의한 분산분석(ANOVA)을 이용하였다. 그리고 해당 부품(CHUCK))의 정밀도 평가를 표 6과 같이 중심선 표면 거칠기(Ra) 측정값으로 비교ㆍ분석하여, 신뢰성 및 시험결과의 공정성과 정확성을 확보할 수 있었다.

이론/모형

2차원(시험자 수, 데이터 열) 변수로 된 Data 간의 정밀도 차이가 없는지를 검정(test)하는 데 효과적인 Cochran 검정법⁽⁶⁾을 사용하였다. 위험률 α(0.
3. 표면거칠기시험(CHUCK))에 대한 시험결과 평균거칠기(R_a, 1개 항목) 비교시험 결과에 대하여 등분산성을 검정하기 위하여 Cochran방법을 이용하였고, 이상 값의 유무를 검정하기 위하여 Grubbs 방법을 사용하였다. 또한, 좀 더 정밀하게 시험결과 비교시험을 분석하기 위하여 일원배치 분산 분석(One-way ANOVA)으로 평가하였다.
성분분석 시험은 탄소유황 성분분석기를 사용하여 KS D 1804 : 2003 및 KS D1803 : 2003의 시험방법을 적용하였고, XRF 성분분석기로는 KS D 1655 : 2003의 시험방법 규정에 의하여 시험을 수행하였으며, 표 4와 같은 결과를 얻었다. 탄소유황성분분석 시험에서는 C와 S의 성분을 3개의 시료에 대하여 분석한 결과 C는 평균 0.
시험 결과의 이상(異狀) 데이터 경향을 파악하는 데 효과적인 Grubbs 검출법⁽⁷⁾을 사용하였다. 위험률 0.

성능/효과

1. 재료특성시험은 SUS420 소재를 KS B 0801의 4호 인장시험편으로 제작하여 금속 재료인장시험방법(KS B 0802 : 2003)으로 실시하였으며, KS규격대비 재료물성치가 양호하게 나타났다.
2. 소재분석시험은 SUS420 시험편을 제작하여 CS DETERMINATOR(CS200, LECO)로 C, S를 KS D 1804 : 2003과 KS D 1803 : 2003 시험방법(시험규격)으로 실시하였고, XRF(MAGIXPRO, PHILLIPS)로 Si, P, Cr, Mn을 KS D 1655 : 2003 시험방법(시험규격)으로 실시한 결과 JIS 규격 대비 원소별로 양호하고 균질한 성분함량을 알 수 있었다.
4. 일원배치 분산분석 결과에서 F비는 시험결과의 잔 차에 대한 평균제곱을 나머지 잔 차의 평균제곱으로 나눈 값이고, F-기각 값은 유의수준 5%에서 F-분포표로부터 얻어진 F-기각 값이다. 금속소재의 표면거칠기의 1개 항목(R_a) 비교시험 data에 대해 분산분석 결과 모두 계산된 F비가 F-기각 값 보다 작은 것으로 나타났다.
5. 등분산성(Cochran)분석, Grubbs 방법에 의한 이상치 검정 및 일원배치법에 의한 분산분석(One-way ANOVA)을 통해 유의수준 5%(신뢰수준 95%)로 시험결과 값의 data 차이가 없으며 기계가공 공정에서도 품질이 우수하다고 판단된다.
본 연구에서 정밀도 검증을 위해서는 마이크로 핸드피스 부품(CHUCK)의 표면거칠기 품질 평가를 KS B 0161 : 1999 한국산업규격을 적용하였으며, 시험결과치의 비교를 위해 일원배치법에 의한 분산분석(ANOVA)을 이용하였다. 그리고 해당 부품(CHUCK))의 정밀도 평가를 표 6과 같이 중심선 표면 거칠기(Ra) 측정값으로 비교ㆍ분석하여, 신뢰성 및 시험결과의 공정성과 정확성을 확보할 수 있었다.
일원배치 분산분석 결과에서 F비는 시험결과의 잔 차에 대한 평균제곱을 나머지 잔 차의 평균제곱으로 나눈 값이고, F-기각 값은 유의수준 5%에서 F-분포표로부터 얻어진 F-기각 값이다. 금속소재의 표면거칠기의 1개 항목(R_a) 비교시험 data에 대해 분산분석 결과 모두 계산된 F비가 F-기각 값 보다 작은 것으로 나타났다.
따라서 본 연구에서 스테인레스강(SUS420) 재질은 균질한 성분을 함유하고 있음을 알 수 있다.
따라서, Grubbs의 통계량이 1.121 <1.155(1.153 ; 신뢰수준 95%) 기각한계 값 이므로 각 시험데이터 평균값은 99% 및 95% 신뢰수준에서 이상 치라고 판단되는 평균값은 없다.
028 %롤 나타났다. 또 XRF성분분석 시험에서는 Si, P, Cr, Mn의 성분을 3개의 시료에 대하여 분석 결과를 산술 평균한 결과 Si 0.319 %, P 0.024 %, Cr 13.756 %, Mn 0.655 %가 나타나, 표 1의 일반적인 스테인레스강(SUS 420)의 조성규격을 대체로 만족함을 알 수 있다.
일원배치법에 의한 분산분석(ANOVA) 결과 F비 < F기각치 이므로 시험품 3개의 분산의 비가 F기각치 보다 적어 유의수준 5%로 시험자 간 시험결과 간 사이의 차이가 없는 것으로 나타났다.
성분분석 시험은 탄소유황 성분분석기를 사용하여 KS D 1804 : 2003 및 KS D1803 : 2003의 시험방법을 적용하였고, XRF 성분분석기로는 KS D 1655 : 2003의 시험방법 규정에 의하여 시험을 수행하였으며, 표 4와 같은 결과를 얻었다. 탄소유황성분분석 시험에서는 C와 S의 성분을 3개의 시료에 대하여 분석한 결과 C는 평균 0.287 %가 나타났고, S는 0.028 %롤 나타났다. 또 XRF성분분석 시험에서는 Si, P, Cr, Mn의 성분을 3개의 시료에 대하여 분석 결과를 산술 평균한 결과 Si 0.

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