선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- . 이에 소재는 생체재료가 아니지만 본 연구에서는 실제 넙다리뼈의 구조를 분석하고 3D Printer 에 접목시켜 출력에 필요한 모형 넙다리뼈에 대한 여러가지 Parameters 의 변화에 따른 기계적 강도 값의 변화에 대한 경향성을 찾고자 하였다.
제안 방법
- Digital USB Microscope (Digital Microscope, CVAGV-K260) 을 이용하여 실제 출력된 시험편의 단면에서 외벽두께와 내부채움밀도를 측정하여 3D Printing 설정 값과의 차이점을 확인하고 실제 출력 굽힘 시험 후 파단된 시편의 단면을 관찰하고자 하였다
- 또한 뼈는 소성 영역을 지나 파단이 일어나면 제 역할을 못한다고 판단하여 탄성영역에서의 처짐량과 하중값을 나타내는 그래프에서 기울기를 비교 하였으며 마찬가지로 비강 도적인 측면에서의 기울기 값의 경향성을 찾기 위해 기울기에 중량을 나누어 그래프로 나타내어각 Parameter 에 따른 값을 비교하고자 하였다 [8]. Fig. 3은 만능재료시험기와 3 점 굽힘 시험의 Setting 을 나타내며 3D Printing 설정값인 시험편의내부채움밀도와 외벽두께를 다르게하여 12개의 시험편을 제작하고 만능재료시험기를 이용하여 3 점 굽힘 시험을 진행 하였다.
- Table 1은 시험편 Parameters 의 값을 나타내며 내부 채움 밀도가 30, 50, 70, 100% / 외벽두께가 2, 6, 10mm 일 때의 굽힘 강도값을 알아보기 위한시험편을 3D Printing 하고자 하였다 .
- 가지고 있어 많은 분야에서 연구· 활용되고 있는 기따라서 본 연구에서는 뼈의 구조를 3D Printing 의 # Corresponding Author : sdchoi@kumoh.ac.kr 설정값에 매칭하여 시험편을 출력하고 시험을 통해 인공 뼈를 제작하는 3D Printing 의 설정값에 따라 변l: +82-54-478-7396, Fax: +82-54-478-7319하는 기계적 강도 값의 경향성을 찾고 이를 바탕으로 실제뼈와 인공뼈를 비강도적인 측면에서 접근하여 강도적으로는 우수하고 신체의 균형을 위한 중량과 형상은 같은 인공뼈를 출력하는 3D Printing 의 설정값에 대한 접근법을 제시하였다[3].
- 각 시험편의 3D Printing 설정값의 변화에 따라 변하는 시편의 중량과 변화폭을 알아보고 기계적 강도를 측정하기 위한 시험의 결과 값에 중량을 나누어 비강도적인 측면에서 접근하기 위하여 전자저울을 이용하여 시편의 중량을 측정 하였으며 Table 2에 시험편과 실제뼈 , 인공뼈의 중량을 나타내었다.
- . 또한 뼈는 소성 영역을 지나 파단이 일어나면 제 역할을 못한다고 판단하여 탄성영역에서의 처짐량과 하중값을 나타내는 그래프에서 기울기를 비교 하였으며 마찬가지로 비강 도적인 측면에서의 기울기 값의 경향성을 찾기 위해 기울기에 중량을 나누어 그래프로 나타내어각 Parameter 에 따른 값을 비교하고자 하였다 [8]. Fig.
- 만능재료시험기 (UTM, AG-10TG, SHIMADZU) 를이용하여 굽힘 강도를 측정하기 위해 두 지점 간의 거리를 60mm, 하중속도 2mm/min 으로 수직 하중을 가하여 최대 굽힘 강도를 측정하였다.
- 46으로 가장 높은 값을 보였다. 시험편의 3 점 굽힘 시험을 통해 얻은 굽힘 응력 값을 통해 Parameters 에 따른 굽힘 응력의 경향성을 파악하여 우수한 기계적 강도 값을 가질 것이라고 예상되는 Parameters 를 선정하여 실제 뼈와 같은 형상을 가지는 인공뼈를 출력하였으며 Fig. 5 에서 인공뼈와 실제뼈의 굽힘 응력 차이를 그래프로 나타내었다 . 이 그래프에서 하중은 3 점 굽힘 인공뼈에 가해진 최고 하중을 대입 하였으며 실, 제뼈와 인공뼈의 파단이 일어난 부분을 모델링하여 면적을 구해본 결과 파단면의 면적은 972 으로 계산 되었으며 3 점 굽힘 Jig 간의 거리는 뼈의 길이를 고려하여 140mm 를 대입하여 계산한 굽힘 응력 값을 그래프로 나타내었고 실제뼈의 굽힘 응력은 61.
- 시험편의 굽힘 응력에 대한 경향성을 찾기 위해 응력 값을 그래프로 나타내었으며 , 비강도적인 경향성을 알아보고자 신체의 균형을 위해 중요한 요소인 중량을 측정하여 굽힘 응력값에 시편의 중량을 나누어 그래프로 나타내었다[7] . 또한 뼈는 소성 영역을 지나 파단이 일어나면 제 역할을 못한다고 판단하여 탄성영역에서의 처짐량과 하중값을 나타내는 그래프에서 기울기를 비교 하였으며 마찬가지로 비강 도적인 측면에서의 기울기 값의 경향성을 찾기 위해 기울기에 중량을 나누어 그래프로 나타내어각 Parameter 에 따른 값을 비교하고자 하였다 [8].
- 시험편의 시험을 통해 3D Printing 설정값을 선정하여 실제뼈와 같은 형상을 갖는 인공뼈를 제작하고자 하였으며 그 절차는 실제뼈를 CT-Scan 하여 얻는 Slice Data 들을 3D Printing 가능한 STL 형식으로 변환시키고 이를 G-Code 로 변환하는 과정을 거쳐 제작한다[6].
- 실제뼈와 같은 형상을 가지는 3D Printing 출력물의 기계적 강도 시험을 하기에 앞서 3D Printing 의 설정값에 따라 변하는 시험편의 강도적인 경향성을 알아보기 위해 ABS 필라멘트를 재료로 사용하는 FDM 방식의 3D Printer 에서 익스트루더에 240℃ 의열을 가해 압출하여 시험편을 제작 하였으며 , 굽힘 시험편의 형태는 원기둥 형태로써 실제뼈의 구조인 피질골과 해면골에 매칭하기 위해 출력 설정값인 외벽 두께와 내부채움밀도에 변화를 주어 제작을 하였으며 3D Printing 특성 상 적층 방향에 따라 하중 방향에 의한 기계적 강도값이 달라지는데 3 점 굽힘 시 시험편을 길이 방향으로 눕힌 상태에서 수직 방향인 – Z 축 방향으로 Tool 에 의해 힘을 가하기 때문에 시험편을 출력할 때의 적층 방향은 ABS 필라멘트를 눕혀쌓기로 적층 하여 Parameter 에 따른 시험편의 기계적 강도 값을 측정 하였다[4].
성능/효과
- 1. 외벽두께가 두껍고 내부채움밀도가 높을수록 강도와 탄성계수의 값이 높아지며 외벽두께에 대한 굽힘 응력과 탄성계수의 범위의 차가 좁아지며 해당 범위 안에 속하는 기계적 강도 값을 가지는 인공뼈를 출력 할 수 있다.
- 2. 실제뼈와 인공뼈의 굽힘 응력은 2.65 배가 차이 났으며 굽힘 응력에 중량을 나눴을 때 1.3 배의 차이가 났으며 탄성계수는 4.71 배의 차이가 났고 탄성계수에 중량을 나눴을 때 2.34 배의 차이가 생기는 것을 확인 하였다.
- 3. 실제뼈를 대신해서 사용하는 임플란트 인공 뼈의 소재가 실제뼈보다 비중이 높은 금속 소재의 경우에는 기계적 강도는 높지만 무게가 많이 나가기 때문에 생체적응력은 저하된다. .
- 내부채움밀도를 30% 로 설정 하였을 때 실제 출력물의 내부밀도는 25.9%, 50% 일 때 46.52%, 70% 일 때 57.88%, 100% 일 때 70.17% 로 계산이 되었으며 다음 결과를 통해 본 연구에 사용한 3D Printer 뿐만 아니라 다른 어떤 3D Printer 를 사용 하여도 실제 내부밀도를 적용하여 출력하면 본 연구와 같은 결과값에 대한 재현성을 확보할 수 있을 것으로 보인다.
- . 또한 내부 채움 밀도 30%, 외벽두께가 2mm 일 때 굽힘 응력 값이 2.08으로 가장 낮은 값을 보였으며 내부 채움 밀도 100%, 외벽두께가 10mm 일 때 굽힘 응력 값은 7.46으로 가장 높은 값을 보였다. 시험편의 3 점 굽힘 시험을 통해 얻은 굽힘 응력 값을 통해 Parameters 에 따른 굽힘 응력의 경향성을 파악하여 우수한 기계적 강도 값을 가질 것이라고 예상되는 Parameters 를 선정하여 실제 뼈와 같은 형상을 가지는 인공뼈를 출력하였으며 Fig.
- 실제뼈와 같은 형상을 갖도록 출력된 인공 뼈와 실제 뼈의 탄성계수에 중량을 나눠준 값을 비교한 그래프를 Fig. 11에 나타내었으며 실제뼈의 경우 0.898, 인공뼈의 경우 0.384 로 실제뼈의 탄성계수 / 중량의 값이 2.34 배 높았으며 이는 실제뼈와 인공 뼈의 재료 차이에서 오는 것으로써 실제뼈가 인공 뼈보다 인성이 좋다고 볼 수 있다.
- 10 에 나타내었다 . 외벽두께가 2mm 일 때 내부 채움 밀도가 높아질수록 탄성계수에 중량을 나눠준 값이 증가하였으며 외벽두께가 10mm 일 때는 반대로 내부 채움 밀도가 높아질수록 감소하였고 외벽두께가 6mm 일 때는 증감 폭이 일정하지 않았으며 내부 채움 밀도가 100% 일 때 탄성계수에 중량을 나눠준 값이 2.95 로 가장 높았다 .
- 5 에서 인공뼈와 실제뼈의 굽힘 응력 차이를 그래프로 나타내었다 . 이 그래프에서 하중은 3 점 굽힘 인공뼈에 가해진 최고 하중을 대입 하였으며 실, 제뼈와 인공뼈의 파단이 일어난 부분을 모델링하여 면적을 구해본 결과 파단면의 면적은 972 으로 계산 되었으며 3 점 굽힘 Jig 간의 거리는 뼈의 길이를 고려하여 140mm 를 대입하여 계산한 굽힘 응력 값을 그래프로 나타내었고 실제뼈의 굽힘 응력은 61.9 , 인공뼈의 굽힘 응력은 23.3으로써 단순 굽힘 응력을 비교 하였을 때 2.65 배의 차이를 보였다 .
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.