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제안 방법
- 2차 초음파 수술기의 최적화 결과를 바탕으로 그림 14와 같이 압전 세라믹 6개로 구성된 트랜스듀서와 부스터를 제작하여 결합하였다. 제작 완료 된 초음파 수술기의 주파수 특성 분석 결과를 그림 15에 나타내었고, 공진 주파수는 25.
- 실험계획법을 이용하여 공진주파수와 변위, 힘의 변화에 영향을 미치는 트랜스듀서의 직경 및 길이와 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하여 요인을 설계하였다.ANSYS를 통해 설계 인자의 요인 변화에 따른 유한요소 해석을 진행한 후, 반응 최적화 도구를 통해 출력 변수의 목표 값을 만족시키는 설계 인자를 도출하였다. 신뢰성 검증을 위해 모델링 후 재해석으로 공진주파수 20~40 kHz 대역에 최대 변위와 힘을 출력하는 압전형 초음파 수술기의 최적 설계조건을 도출하였다.
- 그림 16은 변위 측정 시스템을 나타내고 있다. 광학 현미경을 이용하여 제작 완료된 초음파 수술기의 변위를 측정하였다. 1 kV의 전압을 인가하여 초음파 수술기를 구동시켰을 때 발생된 변위를 광학 현미경으로 측정한 결과 215.
- 초음파 수술기는인디 케이터와 연결하고, 시스템의 바닥면에 고정시켰다. 그리고 500 g의 로드셀은 고정된 수술기의 팁과 맞닿도록 고정한 후, 수술기의 절삭력을 측정하였다. 수술기를 구동시켜 발생된 부하의 중량은 인디케이터에서 0.
- 임플란트 수술및 구강외과적인 수술 방법에 따라 요구되는 수술기의 출력 특성은 다르게 요구된다. 따라서 임플란트 수술 및충치 치료, 치석 제거 등에 사용할 수 있는 압전소자 4개로 구성된 저출력 수술기와 구강외과적인 수술에 사용할 수 있는 압전소자 6개로 구성된 고출력 수술기를 제안하고 최적화 과정을 수행하였다. 최적화된 수술기의 특성을 검증하기 위해 시제품을 제작하여 그 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 압전형 초음파 수술기의 구조를 트랜스듀서/팁으로 구성된 2단계 구조에서 트랜스듀서/부스터/팁으로 구성된 3단계 구조로 재설계하였다. 부스터의 추가로 트랜스듀서에서 발생되는 변위 및 힘을 향상 시키고, 팁의 형상이 바뀌더라도 부스터만 변경하여 팁호환성을 높일 수 있는 압전형 초음파 수술기를 최적 설계 하고 제작을 통해 출력 특성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 팁 변경에 따른 트랜스듀서의 변경 및부하에 따른 주파수 변동을 최소화하고자, 기존의 2단계 구조 (트랜스듀서/팁)에서 트랜스듀서와 팁 사이에 부스터를 추가한 3단계 구조(트랜스듀서/부스터/팁)로 설계하였다. 3단계 구조 수술기는 팁의 형상이 바뀌더라도 부스터 변경만으로 팁 호환성을 높일 수 있고, 부하의 영향을 감소시킬 수 있는 장점을 가진다.
- 부스터 최적 설계는 변수가 연속적이므로 중심 합성 계획법을 이용하여 최적화를 진행하였다. 인자의 설계 변수에 따른 유한요소해석을 진행하여 설계 변수에 따른 공진주파수, 변위, 힘의 변화를 확인하였다.
- 15㎛인 모델을 선정하였다. 부스터를 결합한 압전형 초음파 수술기 구조는 그림 5와 같으며 부스터 결합 후 공진 주파수가 20~40 kHz 대역에 범주하면서 최대 출력변위를 출력하는 부스터 최적 설계조건을 도출하고자 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하였다. 부스터는 트랜스듀서와 상용 팁 사이에 존재하기 때문에 직경을 변화시킬 수 있는 범위가 한정적이어서 길이에 비해 출력 특성에 영향을 작게 미치므로 고정 변수로 선정하였다.
- 그림 11은 설계된 부스터를 나타내는 것으로서 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하였다. 부스터의 설계 인자 변수는 표 5에서 나타내고 있으며, Booster_H1 1~5 mm, Booster_H2 5~10 mm, Booster_H는 5~10 mm, Booster_H4 60~65 mm로 선정 한 후, 인자들의 최적 조건 설정을 위해 반응표면설계를 통해 24회 유한요소해석을 진행하 였다. 반응표면 설계 중 대표적인 실험 설계 방법으로 중심 합성 계획법과 box-behnken 계획법이 있는데, 변수가 연속적인 경우에는 중심 합성 계획법을 사용하고, 연속적이지 않은 경우 box-behnken 계획법을 사용한다 [20-22].
- 본 연구에서는 압전형 초음파 수술기의 구조를 트랜스듀서/팁으로 구성된 2단계 구조에서 트랜스듀서/부스터/팁으로 구성된 3단계 구조로 재설계하였다. 부스터의 추가로 트랜스듀서에서 발생되는 변위 및 힘을 향상 시키고, 팁의 형상이 바뀌더라도 부스터만 변경하여 팁호환성을 높일 수 있는 압전형 초음파 수술기를 최적 설계 하고 제작을 통해 출력 특성을 검증하였다. 1차 초음파 수술기는 압전 세라믹 4개를 이용하여 트랜스듀서를 설계한 후 부스터를 추가하여 최적화를 수행한 결과 트랜스듀서 길이 66 mm, 부스터 길이 82.
- 부스터는 트랜스듀서와 상용 팁 사이에 존재하기 때문에 직경을 변화시킬 수 있는 범위가 한정적이어서 길이에 비해 출력 특성에 영향을 작게 미치므로 고정 변수로 선정하였다. 설계 길이 인자 변화에 따른 유한요소해석을 진행하여 공진 주파수 및 변위를 확인하였다. 해석 결과 Booster_H1, Booster_H2, Booster_H3은 설계 길이가 변하더라도 공진주파수와 변위에 큰 영향을 미치지 않는 반면, Booster_H4는 변위에 영향을 미치고, Booster_H5와 Booster_H6은 공진주파수에 큰 영향을 미치는 것을 그림 6에 나타내었다.
- ANSYS를 통해 설계 인자의 요인 변화에 따른 유한요소 해석을 진행한 후, 반응 최적화 도구를 통해 출력 변수의 목표 값을 만족시키는 설계 인자를 도출하였다. 신뢰성 검증을 위해 모델링 후 재해석으로 공진주파수 20~40 kHz 대역에 최대 변위와 힘을 출력하는 압전형 초음파 수술기의 최적 설계조건을 도출하였다.
- 그림 3은 설계 조건의 최적화 과정을 나타내고 있다.실험계획법을 이용하여 공진주파수와 변위, 힘의 변화에 영향을 미치는 트랜스듀서의 직경 및 길이와 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하여 요인을 설계하였다.ANSYS를 통해 설계 인자의 요인 변화에 따른 유한요소 해석을 진행한 후, 반응 최적화 도구를 통해 출력 변수의 목표 값을 만족시키는 설계 인자를 도출하였다.
- 유한요소해석 결과를 바탕으로 공진주파수 25 kHz에서 최대 변위와 힘을 나타낼 수 있는 최적 설계 조건 인자를 반응최적화도구를 통해 도출하였다. 그림 12는 반응 최적 설계 결과를 나타내고 있는 것으로서, 기울기 절대값으로 Booster_H1은 다른 인자들에 비해 공진주 파수, 변위, 힘 모두에서 영향이 가장 컸고, Booster_ H2, Booster_H3, Booster_H4는 공진주파수에 영향을 주었다는 것을 확인하였다.
- 유한요소해석 결과를 바탕으로 공진주파수 및 변위에 비교적 큰 영향을 미치는 Booster_H4, Booster_H5, Booster_H6을 설계 인자로 선정하여, 설계 인자 변화에 따른 최적 설계조건을 얻고자 완전요인 배치법을 통해 3인자 3수준으로 설정하여 27회의 유한요소해석을 진행하였고, 설계 인자의 변수는 표 1에 기술하였다.
- 부스터 최적 설계는 변수가 연속적이므로 중심 합성 계획법을 이용하여 최적화를 진행하였다. 인자의 설계 변수에 따른 유한요소해석을 진행하여 설계 변수에 따른 공진주파수, 변위, 힘의 변화를 확인하였다.
- 초음파 수술기를 구동시킨 후 시간 변화에 따른 초음파 수술기의 온도를 열화상 카메라로 측정하였다. 초음파 수술기를 30분 동안 구동시킨 후 10분 간격으로 초음파 수술기의 온도를 측정한 결과, 그림 17과 같이 10 분 후에 29.
- 따라서 임플란트 수술 및충치 치료, 치석 제거 등에 사용할 수 있는 압전소자 4개로 구성된 저출력 수술기와 구강외과적인 수술에 사용할 수 있는 압전소자 6개로 구성된 고출력 수술기를 제안하고 최적화 과정을 수행하였다. 최적화된 수술기의 특성을 검증하기 위해 시제품을 제작하여 그 타당성을 검증하였다.
- 트랜스듀서에서 발생된 변위와 힘을 팁까지 효율적으로 전달하기 위해 부스터를 설계하였다. 그림 11은 설계된 부스터를 나타내는 것으로서 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하였다.
- 5 mm, 두께 2 mm이며, 테일부와 헤드부의 재질은 SUS로 선정하였다. 트랜스듀서의 설계 변수는 압전 세라믹에서 발생되는 진동에너지가 후단으로 전달되는 것을 최소화하기 위해 Tail_H1 선정, 압전 세라믹에서 발생된 진동에너지가 팁까지 효율적으로 전달될 수 있도록 Head_H1, Head_R1, Head_R2로 선정하였다. 표 2는 설계 인자의 변수를 나타낸 것으로서, Tail_H1은 33, 34, 35 mm, Head _H1은 34, 35, 36 mm, Head_R1은 4, 4.
- 트랜스듀서의 설계 변수는 압전 세라믹에서 발생되는 진동에너지가 후단으로 전달되는 것을 최소화하기 위해 Tail_H1 선정, 압전 세라믹에서 발생된 진동에너지가 팁까지 효율적으로 전달될 수 있도록 Head_H1, Head_R1, Head_R2로 선정하였다. 표 2는 설계 인자의 변수를 나타낸 것으로서, Tail_H1은 33, 34, 35 mm, Head _H1은 34, 35, 36 mm, Head_R1은 4, 4.5, 5 mm, Head_R2는 7.5, 8, 8.5 mm로 4개 인자별 3개의 수준을 선정하여 34 형 요인배 치법을 이용하여 81회의 유한요소해석을 진행하였다.
- 해석 결과를 바탕으로 공진주파수 28 kHz에서 최대 변위를 나타낼 수 있는 최적 설계 조건 인자를 반응최적화도구를 통해 도출하였다. 그림 7은 반응 최적 설계 결과를 나타내는 것으로서, 기울기 절대값으로 Booster_H6가 공진주파수에 가장 큰 영향을 주었고, Booster_H4가 변위에 가장 큰 영향을 주었다는 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 그림 9는 2차 설계 트랜스듀서의 구조와 변수를 나타 내고 있는 것으로, 압전 세라믹 6개의 물성은 PZT5, 직경 6.5 mm, 두께 2 mm이며, 테일부와 헤드부의 재질은 SUS로 선정하였다. 트랜스듀서의 설계 변수는 압전 세라믹에서 발생되는 진동에너지가 후단으로 전달되는 것을 최소화하기 위해 Tail_H1 선정, 압전 세라믹에서 발생된 진동에너지가 팁까지 효율적으로 전달될 수 있도록 Head_H1, Head_R1, Head_R2로 선정하였다.
- 부스터와 결합할 트랜스듀서는 그림 4와 같이 테일부와 헤드부 그리고 압전 세라믹 4개로 구성된 BLT 구조 이다. 유한요소해석에 사용된 압전 세라믹은 PZT5, 두께 3.
- 부스터와 결합할 트랜스듀서는 그림 4와 같이 테일부와 헤드부 그리고 압전 세라믹 4개로 구성된 BLT 구조 이다. 유한요소해석에 사용된 압전 세라믹은 PZT5, 두께 3.5 mm이고, tail mass와 head mass의 재질은 SUS, 길이는 19 mm, 33 mm로 트랜스듀서의 전체 길이는 66 mm이고, 공진주파수 28.10 kHz, 변위 5.15㎛인 모델을 선정하였다. 부스터를 결합한 압전형 초음파 수술기 구조는 그림 5와 같으며 부스터 결합 후 공진 주파수가 20~40 kHz 대역에 범주하면서 최대 출력변위를 출력하는 부스터 최적 설계조건을 도출하고자 부스터의 길이를 설계 인자로 선정하였다.
데이터처리
- 44 ㎛로 산출되었다. 반응최적화를 통해 산출된 부스터 설계 조건의 신뢰성을 검증하기 위해 최적 설계 인자의 변수를 이용하여 그림 8과 같이 ANSYS 를 이용하여 모델링 한 후 유한요소해석을 진행하였다. 그결과 공진주파수는 28.
- 동일한 트랜스듀서로 수술기 팁과 진동모드를 변경해도 안정성을 가진 출력을 유지하려면 트랜스듀서와 부스터의 설계길이를 최적화해야 한다. 실험계획의 수립과 분석은 통계소프트웨어인 MINITAB Ver.14를 사용하여 독립 인자들의 최적 수준을 찾아내는 실험계 획법(design of experiment)의 요인 배치법(factorial design)과 반응 표면 배치법(response surface design) 을 이용하여 트랜스듀서와 부스터의 요인을 설계한 후, ANSYS 13.0을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다.완전 요인 배치법은 인자의 각 수준에 따른 모든 조합을 설계하는 방법이고, 반응 표면 배치법은 모든 인자의 수준에 대한 설계를 실시하지 않고 최소한의 설계를 통해 유한요소해석을 수행하여 출력 변수를 도출하는 방법이다.
- 63 MPa로 산출되었다. 최적 설계 검증을 위해 최적 설계 인자의 변수를 이용하여 유한요소해석의 하모닉 해석을 진행하였다. 그 결과 공진주파수는 24.
이론/모형
- 완전 요인 배치법은 인자의 각 수준에 따른 모든 조합을 설계하는 방법이고, 반응 표면 배치법은 모든 인자의 수준에 대한 설계를 실시하지 않고 최소한의 설계를 통해 유한요소해석을 수행하여 출력 변수를 도출하는 방법이다. 출력 변수의 목표 값을 만족시키는 최적의 인자를 찾기 위해 MINITAB의 반응 최적화 도구(response optimize)를 사용하여 설계 인자의 최적화를 수행하였다 [13-19].
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