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문제 정의
- 이를 위하여 CFD(compntational fluid dynamics) 프로그램 중의 하나인 Finee/Turbo 를 이용하여 다양한 공급 관로 위치에 대해 핸드피스 헤드(head) 내부의 유동해석을 수행한다. 또한 기존의 선진제품인 일본 NSK 사의 Mark II 모델의 복제설계 과정을 통하여 핸드피스를 실제 제작하고, 중요 성능평가 항목에 대한성능평가를 수행함으로써 고성능 핸드피스의 설계 및 제작을 위한 기술적 토대를 마련하고자 한다.
- 본 논문에서는 공급관로와 최대 회전수와의 상관관계 파악 및 역설계를 통한 핸드피스 제작 과정을 통하여 핸드피스 설겨'및 제작에 관한 기술적 기반을 확보하였으며, 성능평가 결과로부터 핸드피스 개발에 대한 가능성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 치과용 고속 에어터빈 핸드피스개발을 위하여 핸드피스 몸체부 내의 공급관로 위치 변화에 따른 터빈의 운동특성을 해석하고 이를 토대로 터빈의 최대 회전속도를 구현하기 위한 최적의 공급관로 위치를 파악하고자 한다. 이를 위하여 CFD(compntational fluid dynamics) 프로그램 중의 하나인 Finee/Turbo 를 이용하여 다양한 공급 관로 위치에 대해 핸드피스 헤드(head) 내부의 유동해석을 수행한다.
제안 방법
- 역설계 과정은 3차원 X 선 단층촬영장치에 의한 비파괴검사와 와이어컷팅을 통한 핸드피스 내부구조 및 치수측정 단계로 구성되며, CATIA V5에 의한 3D 모델링을 통하여각 부품 설계 및 전체 조립도를 완성하였다. CATIA V5 를 이용한 3D 모델링 과정에서 설계된핸드피스 각 부품들간의 상호간섭여부를 확인하고 최종적인 부품설계도를 확보하였으며, 국내 가공기술에 맞게 재설계하여 핸드피스를 제작하였다.
- 공급관로 배출구의 위치 변화에 따른 에어 터빈의 토크 특성 분석을 위하여 Fig. 10 에서와 같이 공급 관로 흡입구부터 배기관로 배출구까지의 유동해석을 수행하였으며, 공급관로 배출구의 위치 설정은, 앞서 언급된 바와 같이, NSK 사 Mark II 모델에 대한 위치(A)를 기준으로 총 5 개를 선정하였다. 즉, 위치 A 를 기준으로 ±0.
- 공급된 압축공기로부터 치아 절삭에 필요한 토크를 발생하는 에어터빈은 CNC 선반을 이용해 1 차 원형 가공을 수행하고, 4 축 CAM 을 이용하여에어터빈의 버킷(bucket) 형상을 가공하였다. 에어 터빈의 버킷 형상은 그루브(groove) 존재 여부와익형 형상에 따라 Figure 15 와 같이 총 4가지 타입을 고려하였다.
- 변화 해석이 가능하다. 그러나 FSI 프로그램은 매우 복잡하고 어려우므로, 본 논문에서는 에어 터빈 회전수를 상수값으로 설정하고, 경계 조건에 대한 에어터빈에 발생하는 토크값을 계산하는 단순화된 방식으로 전산유동해 석을 수행하였다. 이 를 위하여 유한체 적법 (FVM)을 기반으로 개 발된상용 프로그램 FineTM/Turbo 을 이용하였다.
- 또한, 수렴을 가속시키기 위해 3 단계의 다중 격자법을 사용하였다. 난류모델로는 전체 계산시간 절약을 위하여 Baldwin-Lomax 을 사용하였는데 이는 간단한 대수 모델로서 유동의 박리나 와류의 발산을 부정확하게 예측할 가능성이 있으나 전체적인 유동 특성 분석에는 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
- Inter-occlusal access 등이 있다. 본 논문에서는 NSK 사의 Mark II 로부터 역설계 기법 과정으로 제작된 핸드피스 Prototype Ⅲ 에 대하여 회전속도 (RPM), 수로테스트, Chucking mechanism, Visibility angle, 그리고 Inter-occlusal access 의 성 능평가를 수행하였다.
- 증 하나이다. 본 논문에서는 전산 유동해석을 통하여 공급관로 형상 변화에 대한 에어터빈 회전축의 토크 변화를 분석하였고, NSK 사의 Mark II 모델을 대상으로 역설계를 통한 핸드피스 제작 및 성능평가를 수행하였다. 역설계 과정은 3차원 X 선 단층촬영장치에 의한 비파괴검사와 와이어컷팅을 통한 핸드피스 내부구조 및 치수측정 단계로 구성되며, CATIA V5에 의한 3D 모델링을 통하여각 부품 설계 및 전체 조립도를 완성하였다.
- 따라서, 최대토크를 얻기 위한 공급 관로 배출구의 설계가 신중히 검토될 필요성이 있다. 본 연구에서는 역설계 대상으로 선정한 NSK 사 Mark II 모델의 공급관로 배출구 위치를 기준으로 Fig. 7 과 같이 공급관로 배출구 위치를 헤드의 중앙 또는 가장자리 방향으로 위치를 변화시킴에 따른 에어터빈 회전특성을 유동해석 과정을 통해 분석하였다. 일반적으로, 공급관로 배출구의 위치가 가장자리로 옮겨질수록 더욱 큰 토크를 발생할 것으로 예측할 수 있으나, 본 경우에는 공급압력에 의해 에어터빈에 가해지는 토크가 공급관로 위치와 더불어 에어터빈의 버킷 형상 두 가지 변수와 동시에 연관되므로 주어진 버킷 형상에 대한 최적의 공급관로 위치 분석 과정이 필수적이다.
- 본 논문에서는 전산 유동해석을 통하여 공급관로 형상 변화에 대한 에어터빈 회전축의 토크 변화를 분석하였고, NSK 사의 Mark II 모델을 대상으로 역설계를 통한 핸드피스 제작 및 성능평가를 수행하였다. 역설계 과정은 3차원 X 선 단층촬영장치에 의한 비파괴검사와 와이어컷팅을 통한 핸드피스 내부구조 및 치수측정 단계로 구성되며, CATIA V5에 의한 3D 모델링을 통하여각 부품 설계 및 전체 조립도를 완성하였다. CATIA V5 를 이용한 3D 모델링 과정에서 설계된핸드피스 각 부품들간의 상호간섭여부를 확인하고 최종적인 부품설계도를 확보하였으며, 국내 가공기술에 맞게 재설계하여 핸드피스를 제작하였다.
- 역설계 과정을 통해 획득된 설계도면을 바탕으로 핸드피스를 제작하였다. 핸드피스 각 부품 제작을 위한 설계도면은 현재 국내의 가공 기술력을감안하여 실현 가능한 범위로 형상 및 치수를 재설계하였으며, 이를 토대로 실제 가공 및 조립 방법을 도출하였다.
- 역설계 기법을 통해 획득된 핸드피스 각 부위별 치수 데이터를 바탕으로 CATIAV5 를 이용하여핸드피스 각 부품들의 3D 모델링을 수행하였으며, 각 부품 간의 간섭여부 확인을 통하여 제작을 위한 최종 설계사양을 선정하였다. Figure 4 는 Mark II 모델의 각.
- 6)만을 가지는 형상을 나타낸다. 위 네 가지 타입에 대하여, 압축공기 공급에 따른 토크 전달 특성 분석을 위한 유동해석 결과를 나타내었으며, 본 연구에서는 가장 큰 토크를 나타내는 타입 A 를 채택하여 제작하였다. 그림 16 은 타입 A 형상 버킷으로서, 듀얼익형은 공기역학적 효과에 의해 평평한 판에 비해 높은 RPM 고+ 토크를 발생하게 하며, 그루브는 고압의 압축공기가 배출구로 원활하게 배출되도록 한다.
- 공급관로 위치를 파악하고자 한다. 이를 위하여 CFD(compntational fluid dynamics) 프로그램 중의 하나인 Finee/Turbo 를 이용하여 다양한 공급 관로 위치에 대해 핸드피스 헤드(head) 내부의 유동해석을 수행한다. 또한 기존의 선진제품인 일본 NSK 사의 Mark II 모델의 복제설계 과정을 통하여 핸드피스를 실제 제작하고, 중요 성능평가 항목에 대한성능평가를 수행함으로써 고성능 핸드피스의 설계 및 제작을 위한 기술적 토대를 마련하고자 한다.
- 핸드피스를 제작하였다. 핸드피스 각 부품 제작을 위한 설계도면은 현재 국내의 가공 기술력을감안하여 실현 가능한 범위로 형상 및 치수를 재설계하였으며, 이를 토대로 실제 가공 및 조립 방법을 도출하였다. 핸드피스 각 부품의 설계 및 제작은 다음과 같다.
- 핸드피스 공급관로 배출구 위치와 핸드피스 회전축 토크와의 상관관계에 대한 전산유동해석에는 Fine™/Turbo 프로그램을 이용하였으며, 역설계 과정에서 결정된 공급관로 위치를 기준으로 상 . 하방향으로 土와 씩 이동된 위치에 대해 각각 수행하였디.
대상 데이터
- 난류모델로는 전체 계산시간 절약을 위하여 Baldwin-Lomax 을 사용하였는데 이는 간단한 대수 모델로서 유동의 박리나 와류의 발산을 부정확하게 예측할 가능성이 있으나 전체적인 유동 특성 분석에는 큰 무리가 없을 것으로 판단된다. 7 본 유동해석에 사용된 조건은 Fig. 8 아래 부분에 나타내었으며, 그리드(grid) 격자는 Fig. 10 과같이 총 1, 945, 018 개로 설정하여 유동해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 역설계 기법을 통한 핸드피스분석을 위해서 국내에서 수요가 가장 많고, 정보수집이 용이한 핸드피스 전문 제조업체인 일본 NSK 사의 Mark II 모델을 선정하였다. Figure 3(a)는선정된 NSK 사의 Mark II 모델을 나타내며, Fig.
- 활용하여 수행하였다. 본 장비의 측정원리는 회전체에 레이저 광을 조사하여 회전체에 접촉되는 광량과 비접촉하는 광량의 .차이를 이용하여 회전속도를 계산하는 방식으로서, 레이저 측정값은 오실로스코프를 이용해 신호주기로 변환되고, 변환된 신호주기로부터 회전수를 파악한다.
이론/모형
- NSK 사의 모델 Mark II 의 역설계 과정으로 제작한 Prototype 에 대한 RPM 측정은 한국기계연구원(KIMM)에서 자체 개발한 광센서 타입의 RPM 측정장비를 활용하여 수행하였다. 본 장비의 측정원리는 회전체에 레이저 광을 조사하여 회전체에 접촉되는 광량과 비접촉하는 광량의 .
- 공급관로 위치 선정에 따른 에어터빈 회전축 의회전속도 또는 토크 효율에 관한 전산유동해석은 Fluid Structure Interaction (FSI) 기법을 이용하여 실제 구동 조건에 대한 에어터빈의 시간에 대한 회전수 변화 해석이 가능하다. 그러나 FSI 프로그램은 매우 복잡하고 어려우므로, 본 논문에서는 에어 터빈 회전수를 상수값으로 설정하고, 경계 조건에 대한 에어터빈에 발생하는 토크값을 계산하는 단순화된 방식으로 전산유동해 석을 수행하였다.
- 그러나 FSI 프로그램은 매우 복잡하고 어려우므로, 본 논문에서는 에어 터빈 회전수를 상수값으로 설정하고, 경계 조건에 대한 에어터빈에 발생하는 토크값을 계산하는 단순화된 방식으로 전산유동해 석을 수행하였다. 이 를 위하여 유한체 적법 (FVM)을 기반으로 개 발된상용 프로그램 FineTM/Turbo 을 이용하였다. Figure 8 은 공급관로를 통해 유입된 고압의 공기가 에어 터빈 버킷에 분사될 때 버킷에 발생하는 압력분포를 유동해석 한 결과의 예를 나타내며, Fig.
- 전체적인 수치 계산에서는 Turbulent Navier- Stokes 방정식이 사용되었으며, 수치적 기법에 있어서는 4th Explicit Runge-Kutta 적분법을 적용하였고, 공간에 대해서는 중심차분법을 이용하였다. 또한, 수렴을 가속시키기 위해 3 단계의 다중 격자법을 사용하였다.
성능/효과
- Figure 21은 RPM 계산 예를 나타낸다. 본 실험에서는 공급압력이 3[Bar]일 때 3.5[kHz]의 회전주기를 얻었으며, 회전수 210, 000[RPM]에 도달하였다. 일반적으로 치아 절삭을 위하여 회전속도가 최소 250, 000[RPM] 이상이 요구됨을 감안할 때 테스트 결과는 이에 미치지 못하나, 향후 공급관로 배출구 형상 및 위치변화 등과 같은 개선으로 회전속도 상승이 가능할 것으로 사료된다.
- Chucking Mechanism 은 버와 핸드피스 카트리지부 간의 원활한 탈 . 부착 관계를 알아보기 위한 측정이며, 실험결과 Chucking 작업이 이상없이 수행됨을 확인하였다.
- 수로관은버가 고속으로 회전함과 동시에 버에 냉각수가 분사되는 형태로 설계되었으며, 실험결과 냉각수가버에 정확히 분사됨을 확인하였다. 핸드피스 캡은 Push-Button System 방식으로 제작되었으며, 샤프트는 Chucking System 방식으로 버가 샤프트에 탈.
- . 전산유동해석 결과, 공급 관로의 위치가 기준위치로부터 헤드 가장자리 방향으로 l[mm] 이동하였을 때 평균 토크값이 가장 높게 계산되었으며, 따라서 그 위치에서 가장 높은 회전속도가 구현될 것으로 판단된다.
- 제작된 핸드피스는 RPM 측정, 수로 테스트, Chucking Mechanism, Visibility Angle & Inter-occlsal Access 등의 성능평가가 수행되었으며, Inter-occlsal Access 테스트에서 약 0.25[nim] 차이를 보일 뿐 전반적으로 우수한 성능을 보였다.
후속연구
- 또한 카트리지의 밸런싱 문제, 에어터빈의 버킷, 노치(notch), 그리고 그루브(groove) 형상에 대한 에어터빈 최대 회전수와의 관계에 관한 연구, 에어터빈으로 공급되는 압축공기의 분사각도 및 공급 관로 배출구의 형상에 따른 에어터빈의 회전 특성 분석이 필요할 것으로 사료된다.
- 5[kHz]의 회전주기를 얻었으며, 회전수 210, 000[RPM]에 도달하였다. 일반적으로 치아 절삭을 위하여 회전속도가 최소 250, 000[RPM] 이상이 요구됨을 감안할 때 테스트 결과는 이에 미치지 못하나, 향후 공급관로 배출구 형상 및 위치변화 등과 같은 개선으로 회전속도 상승이 가능할 것으로 사료된다.
- 그러나, 이상과 같은 유동해석 결과를 핸드피스 설계 및 제작에 곧 바로 적용하기에는 어려움이 있다. 전술한 바와 같이, 본 논문에서 기술된 유동해석은 에어터빈에 가해지는 최대토크(또는 최대로 구현 가능한 에어터빈 회전속도)가 공급관로 위치뿐만 아니라 에어터빈 버킷의 형상 두 가지 변수에 대한 함수로 나타난다는 면에서 그 수행의 필요성이 있으나, 제품화에 적용하기 위해서는 현재의 가공기술력을 바탕으로 실제 제작 가능성을 반드시 고려하여야 한다. 또한핸드피스의 몸체와 헤드가 만나는 목 부분의 직경은 시술 시 조작의 편리성 및 시술부위에 대한 시야 확보 측면에서 최대직경이 제한된다.
- 향후 핸드피스 구동 시 카트리지부에 발생하는 밸런싱 문제를 해결하기 위한 연구가 필요하다고 판단되며, 공급관로 형상 설계와 관련하여 터빈의 회전 특성에 중요한 영향을 미치는 버킷, 노치, 그리고 그루브의 형상 설계에 대한 보다 자세한 해석이 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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