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문제 정의
- 본 논문에서는 국내외적으로 생산하고 있는 치과용 합금을 양질의 치과용 보철물 주조체로 제작하기 위해서 주조온도는 1,500∼1,600[℃]까지, 주조시간은 합금의 종류 및 장입량에 따라 30초에서 90초 사이에 용해할 수 있는 내구성과 안정성이 겸비된 고주파 발생장치의 개발, 주조온도편차는 ±5[℃] 정도, 알루미나 도가니는 최적의 조건으로 사용하여 100회 정도 사용할 수 있도록 개발하였으며, 주조방법으로는 주조성이 우수한 원심주조법으로 진공보다는 실용적인 가스분위기 시스템이 장착된 치과용 보급형 가스분위기형 주조기에 필요한 기술들을 개발하였다.
- 본 논문에서는 양질의 보철용 주조체 제작을 위한 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기를 설계를 하였다. 제안된 치과용 주조기의 경우 불때를 사용하지 않고 고주파를 이용하여 최대용융온도와 주조시간을 최적화하였으며, 양질의 주조체를 제작하는 것을 실험을 통해 검증하였다.
제안 방법
- 우선적으로 고주파주조기의 가장 중요한 부분인 고주파발생장치 및 이에 적절한 동력공급장치를 설계 및 제작하여 충분한 실험을 통하여 내구성 및 안정성이 겸비된 고주파 발생장치를 개발하였다. 개발한 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템은 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터와 전류형 인버터에 맞는 ZVS 스위칭 방식의 채택 및 스위칭 동작하에서 듀티율의 변화와 주파수 변조로 연속적인 전력 조정이 가능하게 하였으며, 궁극적으로 기존 유도가열 시스템에서 사용되는 토폴로지의 변화를 주어 커패시터를 제거하고, 커패시터에 의해 생기는 역률의 틀어짐을 방지하고 단위역률을 이룰 수 있는 회로로 설계하였다. 이러한 회로의 구성에 대한 결과로 영전압 스위칭 펄스폭 변조 유도가열 시스템은 전력변환에 대한 고효율화와 폭 넓은 제어가 가능하게 되는 시스템을 설계하여 시뮬레이션하여 제작하였다.
- 도가니에 장입된 합금을 용융시키기 위한 유도 코일과 합금 용융시 불활성 가스를 공급하기 위한 노즐를 설계하여 장착하였다. 회전축 내에 형성된 관로를 통하여 불활성 가스 공급원으로부터 불활성 가스를 공급받을 수 있도록 설계하였다.
- 제안된 인버터는 일반적인 전류형 풀-브릿지 인버터 방식과 다르게 다이오드를 생략한 스위치를 채택하여 동기형으로 스위칭하는 회로를 구성하였다. 또한 입력측에 존재하는 컨버터 부분의 커패시터를 제거하여 커패시터에 의해 생기는 역률의 틀어짐을 방지하고 단위역률로 이룰 수 있도록 하여 전류형 컨버터로 동작할 수 있도록 구성하였다.
- 모터로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전축과, 회전축을 그 내측에 수용하기 위한 장홀이 형성되고 회전축을 장홀에 수용시켜 핀 결합에 의해 시소형태로 장착되는 회동부와, 회동부의 양측편에 슬라이딩 가능하게 장착되는 한 쌍의 이송봉과, 이송봉의 일측단에 고정 장착되고 주조링을 안착시킬 수 있도록 안착부재가 마련된 주조링 안착부를 설계하여 가공 및 조립하였다.
- 밸런스 웨이트에 의해 회동부의 수평상태를 맞춘 뒤 그 상태를 고정할 수 있도록 회전축 단부에 나사 결합되어 회동부와 밀착되게 조이기 위한 조임부를 설계하였다.
- 로 구성하였다. 부하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성하였으며, PFC 회로를 없앤 전류형 풀-브릿지 방식의 회로를 구성하였다. 제안된 회로의 경우 기존 전류형 풀-브릿지 인버터 방식을 유지하며, 별도의 PFC회로를 제외하고 입력전류 및 전압에 대해 단위역률을 이룰 수 있게 하였다.
- 용융온도가 1,250∼1,350[℃]에 가까운 금속을 얼마만큼의 시간에 용해시킬 수 있는지에 대한 확인과 효율을 확인하였다.
- 본 논문에서는 국내외적으로 생산하고 있는 치과용 합금을 양질의 치과용 보철물 주조체로 제작하기 위해서 주조온도는 1,500∼1,600[℃]까지, 주조시간은 합금의 종류 및 장입량에 따라 30초에서 90초 사이에 용해할 수 있는 내구성과 안정성이 겸비된 고주파 발생장치의 개발, 주조온도편차는 ±5[℃] 정도, 알루미나 도가니는 최적의 조건으로 사용하여 100회 정도 사용할 수 있도록 개발하였으며, 주조방법으로는 주조성이 우수한 원심주조법으로 진공보다는 실용적인 가스분위기 시스템이 장착된 치과용 보급형 가스분위기형 주조기에 필요한 기술들을 개발하였다. 우선적으로 고주파주조기의 가장 중요한 부분인 고주파발생장치 및 이에 적절한 동력공급장치를 설계 및 제작하여 충분한 실험을 통하여 내구성 및 안정성이 겸비된 고주파 발생장치를 개발하였다. 개발한 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템은 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터와 전류형 인버터에 맞는 ZVS 스위칭 방식의 채택 및 스위칭 동작하에서 듀티율의 변화와 주파수 변조로 연속적인 전력 조정이 가능하게 하였으며, 궁극적으로 기존 유도가열 시스템에서 사용되는 토폴로지의 변화를 주어 커패시터를 제거하고, 커패시터에 의해 생기는 역률의 틀어짐을 방지하고 단위역률을 이룰 수 있는 회로로 설계하였다.
- 그림 5는 설계된 원심 주조부를 나타내고 있으며 그림 6은 제작된 고주파 유도가열 시스템과 제어기를 나타내고 있다. 원심력을 이용하는 원심 주조기는 모터나 스프링으로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전축, 회전축에 그 중앙이 지지되는 암, 암의 일측단에 장착되는 도가니와 주조링, 이들에 대응하여 암의 반대편에 장착되는 웨이트 밸런스, 도가니를 감쌀 수 있도록 상승하여 고주파 유도 가열을 통해 금속을 용융시키기 위한 가열로로 구성하였다.
- 웨이트 밸런스는 회동부로부터 연장 형성된 나선봉에 나사결합되어 풀거나 조임에 따라 그 무게중심을 가변할 수 있도록 설치되고, 나선봉을 따라 이송봉을 이송시켜 밸런스를 미세조정할 수 있도록 나사봉과 나사결합된 다이얼이 그 내측에 회전 가능하게 삽입 내재되고 이송봉 타측단에 그 양단이 고정 장착된 겹판으로 이루어진 미세조절부를 설계하였다.
- 개발한 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템은 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터와 전류형 인버터에 맞는 ZVS 스위칭 방식의 채택 및 스위칭 동작하에서 듀티율의 변화와 주파수 변조로 연속적인 전력 조정이 가능하게 하였으며, 궁극적으로 기존 유도가열 시스템에서 사용되는 토폴로지의 변화를 주어 커패시터를 제거하고, 커패시터에 의해 생기는 역률의 틀어짐을 방지하고 단위역률을 이룰 수 있는 회로로 설계하였다. 이러한 회로의 구성에 대한 결과로 영전압 스위칭 펄스폭 변조 유도가열 시스템은 전력변환에 대한 고효율화와 폭 넓은 제어가 가능하게 되는 시스템을 설계하여 시뮬레이션하여 제작하였다. 두 번째로, 대부분 기존에 사용되고 있는 원심 주조기는 일정한 크기의 주조링만을 장착할 수 있어 다양한 크기의 주조체를 제작하기가 곤란하고, 주조링의 크기를 달리할 경우 도가니가 고정 장착된 상태이므로 도가니와 주조링 간의 간격이 일정치 않아 주입력이 떨어진다는 문제점과 작업자의 번거로움을 해결하기 위하여 다양한 크기의 주조링을 사용할 수 있고, 그에 따른 밸런스를 손쉽게 조절할 수 있으며, 도가니와 주조링 간의 밀착력을 높여 주입력을 향상시킬 수 있도록 한 원심 주조기를 설계 및 제작하여 타당성을 검증하였다.
- 이송봉은 원심력 작용으로 도가니 안착부가 주형틀 안착부로 과도하게 밀착되는 것을 방지할 수 있도록 도가니 안착부 전단에 스토퍼 장치를 설계하였다.
- 그림 1은 제안된 전류형 풀-브릿지 인버터를 나타낸다. 제안된 인버터는 일반적인 전류형 풀-브릿지 인버터 방식과 다르게 다이오드를 생략한 스위치를 채택하여 동기형으로 스위칭하는 회로를 구성하였다. 또한 입력측에 존재하는 컨버터 부분의 커패시터를 제거하여 커패시터에 의해 생기는 역률의 틀어짐을 방지하고 단위역률로 이룰 수 있도록 하여 전류형 컨버터로 동작할 수 있도록 구성하였다.
- 제작된 고주파 유도가열 시스템은 Working coil, 공진탱크, 그리고 설계된 전류형 풀-브릿지 인버터로 구성되어 있다. 제안된 전류형 풀-브릿지 인버터는 Artmega사의 AVR 128 마이크로프로세서를 이용하여 디지털 제어가 가능하도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 양질의 보철용 주조체 제작을 위한 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기를 설계를 하였다. 제안된 치과용 주조기의 경우 불때를 사용하지 않고 고주파를 이용하여 최대용융온도와 주조시간을 최적화하였으며, 양질의 주조체를 제작하는 것을 실험을 통해 검증하였다. 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템의 경우 유도가열을 위한 새로운 방식의 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터로 구성된 공진형 컨버터를 제안하였다.
- 부하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성하였으며, PFC 회로를 없앤 전류형 풀-브릿지 방식의 회로를 구성하였다. 제안된 회로의 경우 기존 전류형 풀-브릿지 인버터 방식을 유지하며, 별도의 PFC회로를 제외하고 입력전류 및 전압에 대해 단위역률을 이룰 수 있게 하였다. 전류형 인버터에서 스위칭 방식은 전압형과 다르게 스위치가 양의 영역에서 음의 영역으로 전환될 때 암(Arm) 단락이 이루어져야 전류 패스가 이루어진다.
- 주조링 안착부는 도가니 안착부와 마주보도록 이송봉 단부에 그 양단이 고정 장착되고 그 센터를 중심으로 하여 사선방향으로 슬라이드 공이 천공된 지지판를 설계하였다.
- 주조링 안착부와 회동부 사이에 위치되어 슬라이드 가능하도록 그 양측편이 이송봉에 장착되고 그 중심부에 도가니를 안착하기 위한 안착홈이 형성된 도가니 안착부와, 도가니 안착부와 주조링 안착부에 대응하여 회전축을 중심으로 밸런스를 조절할 수 있도록 회동부에 장착된 무게중심 가변형 밸런스 웨이트를 설계하여 가공 조립하였다.
- 지지판의 슬라이드 공을 따라 슬라이드 가능하게 설치되고 상기 주형틀을 안착하기 위한 안착홈이 형성된 안착부재 및 안착부재를 슬라이드 공을 따라 이송시켜 주조링과 도가니를 정렬시키기 위한 이송레버부를 설계하였다.
- 치과용 가스분위기형 고주파주조기 제작을 위해 원심 주조부와 고주파 유도가열 시스템을 제작하였다. 그림 5는 설계된 원심 주조부를 나타내고 있으며 그림 6은 제작된 고주파 유도가열 시스템과 제어기를 나타내고 있다.
- 제안된 치과용 주조기의 경우 불때를 사용하지 않고 고주파를 이용하여 최대용융온도와 주조시간을 최적화하였으며, 양질의 주조체를 제작하는 것을 실험을 통해 검증하였다. 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템의 경우 유도가열을 위한 새로운 방식의 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터로 구성된 공진형 컨버터를 제안하였다. 제안된 공진형 컨버터는 유도가열 응용분야에서 전력용 반도체 소자 사용 시 발생되는 문제점인 역 내압 분담용 다이오드를 접속하거나 복잡한 제어회로를 구성해야 하는 문제점 등을 보완하고 고효율화를 실현할 수 있는 알고리즘의 적용으로 회로의 단순화 및 고효율화가 가능하였다.
- 치과용 주조체의 최대용융온도 및 주조시간은 주조체의 대상에 따라 전력변환기를 통한 출력의 조절만으로 시간 설정과 온도를 변화시켰다. 여러 번의 실험을 통해 최대용융온도와 주조 시간을 데이터화하였으며, Table 1과 그림 14는 Co-Cr계 합금의 데이터를 나타내고 있다.
- 도가니에 장입된 합금을 용융시키기 위한 유도 코일과 합금 용융시 불활성 가스를 공급하기 위한 노즐를 설계하여 장착하였다. 회전축 내에 형성된 관로를 통하여 불활성 가스 공급원으로부터 불활성 가스를 공급받을 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
- 제작된 고주파 유도가열 시스템은 Working coil, 공진탱크, 그리고 설계된 전류형 풀-브릿지 인버터로 구성되어 있다. 제안된 전류형 풀-브릿지 인버터는 Artmega사의 AVR 128 마이크로프로세서를 이용하여 디지털 제어가 가능하도록 설계하였다.
- 회로의 구성은 SW1～SW4까지 총 4개의 스위치를 사용하였으며, 입력단에 출력을 조절하기 위한 커패시터를 제거한 전류형 벅-컨버터와 인덕터 Ld로 구성하였다. 부하는 인덕터 L과 커패시터 C로 구성하였으며, PFC 회로를 없앤 전류형 풀-브릿지 방식의 회로를 구성하였다.
성능/효과
- 그림 8은 제안된 인버터의 출력 전압, 출력 전류를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 공진 주파수로 설정한 주파수와 입력 전압 및 전류는 출력 전압과 전류와 단위역률을 이루고 있음을 확인하였다. 그림 8의 파형은 현재 공진 시 제안된 인버터의 출력전압 출력전류를 나타내고 있다.
- 그림 8은 제안된 인버터의 출력 전압, 출력 전류를 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 공진 주파수로 설정한 주파수와 입력 전압 및 전류는 출력 전압과 전류와 단위역률을 이루고 있음을 확인하였다. 그림 8의 파형은 현재 공진 시 제안된 인버터의 출력전압 출력전류를 나타내고 있다.
- 이러한 회로의 구성에 대한 결과로 영전압 스위칭 펄스폭 변조 유도가열 시스템은 전력변환에 대한 고효율화와 폭 넓은 제어가 가능하게 되는 시스템을 설계하여 시뮬레이션하여 제작하였다. 두 번째로, 대부분 기존에 사용되고 있는 원심 주조기는 일정한 크기의 주조링만을 장착할 수 있어 다양한 크기의 주조체를 제작하기가 곤란하고, 주조링의 크기를 달리할 경우 도가니가 고정 장착된 상태이므로 도가니와 주조링 간의 간격이 일정치 않아 주입력이 떨어진다는 문제점과 작업자의 번거로움을 해결하기 위하여 다양한 크기의 주조링을 사용할 수 있고, 그에 따른 밸런스를 손쉽게 조절할 수 있으며, 도가니와 주조링 간의 밀착력을 높여 주입력을 향상시킬 수 있도록 한 원심 주조기를 설계 및 제작하여 타당성을 검증하였다.
- 제안된 공진형 컨버터는 유도가열 응용분야에서 전력용 반도체 소자 사용 시 발생되는 문제점인 역 내압 분담용 다이오드를 접속하거나 복잡한 제어회로를 구성해야 하는 문제점 등을 보완하고 고효율화를 실현할 수 있는 알고리즘의 적용으로 회로의 단순화 및 고효율화가 가능하였다. 또한 기존 유도가열 시스템에서 사용되는 토폴로지의 변화를 주어 입력단의 커패시터를 제거하고, 커패시터에 의해 생기는 전압 전류의 위상차를 발생하지 않도록 하여 단위역률을 이룰 수 있는 회로로 동작이 가능함을 실험 통해 입증하였으며, 전류형 인버터에 맞는 ZVS(Zero Voltage Switching) 스위칭 방식의 채택 및 스위칭 동작에서 시비율의 변화와 주파수 변조로 연속적인 전력 조정이 가능함을 알 수 있었다.
- 공진 주파수로 설정한 주파수와 입력 전압 및 전류는 출력 전압과 전류와 단위역률을 이루고 있음을 확인하였다. 또한 피가열체를 삽입하였을 때 공진 주파수에서 약간 벗어나는 것을 확인하였으나, 이는 피가열체를 융해 시킬 수 있는 허용 주파수에 속하고 있음을 확인하였다. 허용 주파수는 약 ± 0.
- 치과용 보급형 가스분위기형 고주파 원심주조기에 장착된 고주파 발생 시스템의 경우 유도가열을 위한 새로운 방식의 풀-브릿지 방식의 전류형 인버터로 구성된 공진형 컨버터를 제안하였다. 제안된 공진형 컨버터는 유도가열 응용분야에서 전력용 반도체 소자 사용 시 발생되는 문제점인 역 내압 분담용 다이오드를 접속하거나 복잡한 제어회로를 구성해야 하는 문제점 등을 보완하고 고효율화를 실현할 수 있는 알고리즘의 적용으로 회로의 단순화 및 고효율화가 가능하였다. 또한 기존 유도가열 시스템에서 사용되는 토폴로지의 변화를 주어 입력단의 커패시터를 제거하고, 커패시터에 의해 생기는 전압 전류의 위상차를 발생하지 않도록 하여 단위역률을 이룰 수 있는 회로로 동작이 가능함을 실험 통해 입증하였으며, 전류형 인버터에 맞는 ZVS(Zero Voltage Switching) 스위칭 방식의 채택 및 스위칭 동작에서 시비율의 변화와 주파수 변조로 연속적인 전력 조정이 가능함을 알 수 있었다.
- 그림 12는 과용 비귀금속 합금인 피가열체을 나타낸다. 최종적으로 융점이 약 1,250[℃]～1,350[℃] 정도의 Ni-Cr계 및 Co-Cr계 치과용 비귀금속 합금인 피가열체를 가열하였으며, 약 20～25초 내에 급속하게 녹는 것을 확인하였다.
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