[논문]임플란트용 실링 어버트먼트의 개발 및 구조해석을 통한 성능분석

김정민; 홍대선

doi:10.7736/kspe.2016.33.9.769

임플란트용 실링 어버트먼트의 개발 및 구조해석을 통한 성능분석
Development of a Sealing-Type Abutment for Implant and the Performance Evaluation via Structural Analysis 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.9, 2016년, pp.769 - 775

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, dental implants are widely used as artificial teeth due to their good chewing performance and long life cycle. Generally, a dental implant consists of an abutment as the upper part and a fixture as the lower part. When chewing forces are repeatedly applied to a dental implant, a gap is often generated at the interfacial surface between the abutment and the fixture, and it results in some deterioration such as loosening of the fastening screw, dental retraction and fixture fracture. To enhance the sealing performance for coping with such problems, this study proposes a new sealing-type abutment having a number of grooves along the conical surface circumference, and it carries out finite element analysis in consideration of the external chewing force and pretension between the abutment and the fixture. The result shows that the proposed sealing-type abutment shows an enhanced sealing performance in terms of the contact pressure in comparison with a conventional abutment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

9와 같이 일반 어버트먼트와 실링 어버트먼트의 유한요소 모델의 격자를 생성하였다. 본 연구에서 유한요소해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 격자 크기를 6단계로 증가시켜 각각에 대한 해석 결과를 얻고 이를 비교 분석하고자 한다. Tables 2와 3은 각 격자크기에 대한 노드와 요소의 개수를 나타낸다.
본 연구에서는 어버트먼트에서 풀림 현상을 해결하기 위한 방법으로서 어버트먼트의 원주상에 여러 개의 홈 형상을 갖는 실링 어버트먼트를 개발하고 또한 이와 고정체간의 접촉상태를 고려한 유한요소해석을 수행한다. 그리고 여러 가지 격자의 개수에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 본 요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증한다.
본 연구에서는 어버트먼트와 고정체간의 밀폐 효과를 극대화시켜 그 결과로 어버트먼트의 풀림 현상을 완화시키고자 어버트먼트 외주면에 여러 개의 홈을 갖는 실링 어버트먼트를 개발하였고, 유한요소 해석을 통하여 이 제품에 대한 성능을 분석하였다. 어버트먼트와 고정체는 서로 조립된 상태에서 외력이 가해지면 그 사이에서 마찰 접촉 이 발생 하는데, 이 외력 및 어버트먼트와 고정체 간의 초기 조임력을 고려하여 해석을 수행 하였다.
이와 같은 풀림 현상을 최소화시키기 위하여 본 연구에서는 어버트먼트의 원추형 외면에 여러 개의 홈을 만들고, 이 결과로 접촉되는 돌출면의 접촉 압력을 보다 더 고르게 분포되게 하여 나사의 풀림이나 어버트먼트의 흔들림을 최소화시키고자 한다. 이는 돌출 부위에 외력이 가해 되면 홈 부위에 변형이 생기고 이로 인해 접촉면 사이에 보다 높은 실링 (Sealing) 효과를 볼 수 있기 때문이다.

제안 방법

구조해석 툴은 ANSYS Workbench10를 이용하고, 경계조건으로는 Fig. 7에 나타나 있는 바와 같이 고정체의 외부를 고정 (Fixed Support)하고 대칭 조건을 부여하며, 어버트먼트 외면과 고정체 내면은 서로 면 접촉을 이루도록 한다.
본 연구에서는 어버트먼트에서 풀림 현상을 해결하기 위한 방법으로서 어버트먼트의 원주상에 여러 개의 홈 형상을 갖는 실링 어버트먼트를 개발하고 또한 이와 고정체간의 접촉상태를 고려한 유한요소해석을 수행한다. 그리고 여러 가지 격자의 개수에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 본 요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증한다. 최종적 으로 해석 결과를 종래의 어버트먼트에 대한 해석 결과와 비교하여 본 실링 어버트먼트의 성능을 분석한다.
다음으로 위의 해석결과를 바탕으로 실링 어버트먼트와 일반 어버트먼트 간의 성능을 비교한다. 여기서 해석결과는 비교적 안정한 결과를 보이고 있는 CASE 5를 기준으로 한다.
어버트먼트와 고정체는 서로 조립된 상태에서 외력이 가해지면 그 사이에서 마찰 접촉 이 발생 하는데, 이 외력 및 어버트먼트와 고정체 간의 초기 조임력을 고려하여 해석을 수행 하였다. 또한 해석 시 격자의 수 변화에 따른 해석 결과를 비교 분석하였는바, 격자의 수가 어느 정도 증가 한 이후에는 비교적 안정한 결과가 나오는 것을 확인함으로써 본 유한요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증하였다.
앞 절에서 설명한 바와 같이 기존 일반 어버트먼트의 외주 면에 6개의 홈을 갖는 실링 어버트먼트에 대하여 3D 모델링을 생성하였고, 이를 Fig. 6 에 나타낸다. 여기서 어버트먼트와 고정체의 재질은 티타늄합금 (Ti6A14V)을 사용하고, 그 물성치를 Table 1에 나타낸다.
앞에서 경계조건 및 하중조건을 기준으로 본 실링 어버트먼트에 대한 유한요소해석을 수행한다. 여기서 본 유한요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증하고자 여러가지 격자의 개수에 따른 해석 결과를 비교 분석하고, 또한 해석 결과를 종래의 어버트먼트에 대한 해석 결과와 비교하여 본 실링 어버트먼트의 성능을 분석한다.
본 연구에서는 어버트먼트와 고정체간의 밀폐 효과를 극대화시켜 그 결과로 어버트먼트의 풀림 현상을 완화시키고자 어버트먼트 외주면에 여러 개의 홈을 갖는 실링 어버트먼트를 개발하였고, 유한요소 해석을 통하여 이 제품에 대한 성능을 분석하였다. 어버트먼트와 고정체는 서로 조립된 상태에서 외력이 가해지면 그 사이에서 마찰 접촉 이 발생 하는데, 이 외력 및 어버트먼트와 고정체 간의 초기 조임력을 고려하여 해석을 수행 하였다. 또한 해석 시 격자의 수 변화에 따른 해석 결과를 비교 분석하였는바, 격자의 수가 어느 정도 증가 한 이후에는 비교적 안정한 결과가 나오는 것을 확인함으로써 본 유한요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증하였다.
앞에서 경계조건 및 하중조건을 기준으로 본 실링 어버트먼트에 대한 유한요소해석을 수행한다. 여기서 본 유한요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증하고자 여러가지 격자의 개수에 따른 해석 결과를 비교 분석하고, 또한 해석 결과를 종래의 어버트먼트에 대한 해석 결과와 비교하여 본 실링 어버트먼트의 성능을 분석한다.
여기서 홈의 개수는 어버트먼트의 치수 및 홈가공 방법 등을 고려하여 6개로 정했다. 본 연구에 적용된 어버트먼트의 전체 길이는 10.
위에서 설명한 원리를 이용하여 본 연구에서는 Fig. 4에 나타나 있는 바와 같이 기존 어버트먼트의 원추면에 여러 개의 홈 형상을 갖는 새로운 형태의 실링 어버트먼트를 개발하였다.
유한요소해석을 위해 Fig. 9와 같이 일반 어버트먼트와 실링 어버트먼트의 유한요소 모델의 격자를 생성하였다. 본 연구에서 유한요소해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하기 위하여 격자 크기를 6단계로 증가시켜 각각에 대한 해석 결과를 얻고 이를 비교 분석하고자 한다.
그리고 여러 가지 격자의 개수에 따른 해석 결과를 비교 분석하여 본 요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증한다. 최종적 으로 해석 결과를 종래의 어버트먼트에 대한 해석 결과와 비교하여 본 실링 어버트먼트의 성능을 분석한다.

대상 데이터

여기서 홈의 개수는 어버트먼트의 치수 및 홈가공 방법 등을 고려하여 6개로 정했다. 본 연구에 적용된 어버트먼트의 전체 길이는 10.28 mm 이고 직경은 4.06 mm이다. 그리고 홈의 형상은 사다리꼴로 하였고, Fig.
6 에 나타낸다. 여기서 어버트먼트와 고정체의 재질은 티타늄합금 (Ti6A14V)을 사용하고, 그 물성치를 Table 1에 나타낸다.

이론/모형

이 표들에 나타나 있는 바와 같이 노드 개수 최대값 대 최소값 비율은 약 6배이고, 요소 개수의 경우는 약 12배이다. 여기서 격자의 형상을 일정하 게 생성하기 위하여 어버트먼트의 격자 형태는 Sweep Method를 적용하고 고정체는 Multi-Zone Method를 적용하였다.¹⁴
해석시 어버트먼트에 가해지는 외부 하중조건으로서는 임플란트 피로시험 규격인 ISO 14801¹³의 방법을 따른다. 이 규격에서는 어버트먼트 끝단에 250 N의 힘을 30° 경사로 가하도록 되어 있고, 이를 Fig.

성능/효과

그리고 응력 해석결과를 보면 두 가지 모델 모두 탄성 변형이 발생하고 있으며 제품 내에서 발생 하는 최대 응력은 그다지 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그리고 최대 접촉압력의 크기는 실링 어버트먼트가 일반 어버트먼트에 비해 약간 더 큰 값을 보이고 있고, 특히 이 접촉압력 분포를 보면 실링 어버트먼트의 돌출부에 비교적 고르게 잘 분포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 실링 어버트먼트가 일반 어버트먼트에 비해 고정체와의 접촉이 더 잘되어 있어 밀폐성능이 보다 더 향상되었음을 의미한다.
먼저 최대응력을 보면 실링 어버트먼트에서 316 MPa이고, 일반 어버트먼트에서는 281 MPa 로서 실링 어버트먼트에서 발생하는 최대응력이 약간 더 큰 값을 보인다. 소재의 항복응력이 880 MPa 이므로 두 경우 모두 모두 탄성영역 내에서 변형이 발생하고 있음을 알 수 있고, 이 응력에 대한 안전율은 각각 3.
11(b)는 실링 어버트먼트의 결과이다. 이 결과들을 보면 실링 어버트먼트에서 발생하는 최대 접촉압력은 400 MPa로서 이는 일반 어버트먼트의 경우의 최대 접촉압력인 378MPa 보다 약간 더 큰 값을 보인다.
해석결과를 보면 제안한 실링 어버트먼트가 기존의 일반 어버트먼트에 비해 고정체 간에 발생하는 최대 접촉압력이 약간 더 높고, 특히 접촉압력이 돌출부에 보다 더 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 개발한 새로운 실링 어버트먼트의 밀폐 성능이 보다 더 향상되었음을 의미 한다.
이상과 같은 결과를 종합하면 격자 수 변화에 따른 본 유한요소 해석결과 상대적으로 격자수가 작은 CASE 1과 CASE 2의 경우의 해석 결과는 약간 불안정하게 나타나고 있으나, 상대적으로 격자 수가 큰 CASE 4부터 CASE 6까지는 비교적 안정한 값을 보이고 있다. 여기서 CASE 4의 격자수는 CASE 1의 약 3배이다.
이상과 같이 두 종류 어버트먼트에 대한 해석 결과들을 보면 해석 시 격자의 수가 어느 정도 증 가한 이후에는 (위의 해석에서 CASE 4부터 CASE 6까지) 비교적 안정한 결과를 얻을 수 있었고, 이로부터 본 유한요소 모델에 대한 해석 신뢰성을 검증하였다. 그리고 응력 해석결과를 보면 두 가지 모델 모두 탄성 변형이 발생하고 있으며 제품 내에서 발생 하는 최대 응력은 그다지 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
해석결과를 보면 제안한 실링 어버트먼트가 기존의 일반 어버트먼트에 비해 고정체 간에 발생하는 최대 접촉압력이 약간 더 높고, 특히 접촉압력이 돌출부에 보다 더 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 개발한 새로운 실링 어버트먼트의 밀폐 성능이 보다 더 향상되었음을 의미 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	치과 임플란트 중 고정체의 역할은 무엇인가?	Fig. 1은 치과 임플란트를 구성하는 어버트 먼트 (Abutment)와 고정체 (Fixture), 그리고 보철 크라운 (Crown)의 형상을 나타내는데, 고정체는 임플란트의 매식체로서 뼈안에 식립되는 치근 역할을 하고, 어버트먼트의 한쪽은 고정체에 나사체결에 의해 연결되는 기둥으로써 임플란트의 지대주 기능을 한다. 그리고 어버트먼트의 다른 반대편에는 크라운이 고정된다.
	치과 임플란트의 문제점들은 어떠한 것들이 있는가?	이 치과 임플란트는 특수한 환경인 구강 내에 식립되어 치아의 역할을 대신하여 정하중 및 동하 중을 지속적으로 받게 되므로 생체역학과 연관하여 많은 문제점들이 발생될 수 있다. 이러 한 문제점 중 가장 흔한 현상은 나사의 이완, 보 철물 의 풀림 현상, 임플란트 고정부의 파절 및 경 부 부위의 골 손실 등을 들 수 있으며, 3,4 특히 풀림 현상은 보철물 사이로 이물질이 개입됨에 따라 임플란트의 기능을 현저하게 상실시키는 원인을 일으킨다.
	어버트먼트에서 풀림이 발생하는 근본원인은 무엇인가?	기존의 일반 어버트먼트에서 풀림 (Loosening) 이 발생하는 근본원인을 보면 어버트먼트와 고정 체는 서로 원추 형상으로 면 접촉하고 있는데, 실제로 이 접촉면 간의 완벽한 면 접촉은 불가능하고 또한 치아에 반복적으로 걸리는 저작력에 의해 접촉면이 변형을 일으켜 어버트먼트와 고정간 간에 틈이 발생하는데 기인한다. 이러한 틈이나 풀림현상이 발생하면 이물질이 끼며 이로 인한 세균 막의 침착은 물론 치아의 함몰, 고정부의 파단을 가져오며 환자는 벌어진 틈을 다시 조여줄 필요가 있어서 교정시술을 받아야 하는 불편함이 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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