[논문]치기공용 에어터빈 핸드피스의 성능에 대한 수치해석적 연구

고동훈; 송동주

치기공용 에어터빈 핸드피스의 성능에 대한 수치해석적 연구
A NUMERICAL STUDY ON PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF DENTURE HIGH-SPEED AIR TURBINE HANDPIECE 원문보기

고동훈 (영남대학교 대학원 기계공학과) , 송동주 (영남대학교 기계공학부)

High-speed air turbine handpieces have been used as a denture cutting tool in clinical dentistry for over 50 years. The denture high-speed air turbine handpiece is currently used as the main means of cutting tooth structure and restorative materials in a wide range of denture manufacturing. But little study has been reported on their performance analysis. This research would show the performance characteristics of denture air turbine handpiece by using CFD.

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문제 정의

본 연구에서는 310, 000rpm으로 고속 회전하는 치과기공용에어터빈 핸드피스의 성능에 대하여 알아보았다. 토크를 측정함에 있어서 어려움이 있어 이론 토크값과 비교하여 본 결과, Case I 은 토크 평균값을 과도하게 예측하였고, CaseⅡ의 토크 평균값이 이론 토크값과 유사하게 예측하였다.
2는 에어터빈 핸드피스로 인공치아를 정밀 가공하는 것을 보여주고 있다. 본 연구에서는 에어 터빈 블레이드를 설계하고, 성능특성을 알아보고자 한다.

가설 설정

노즐을 지나는 질량유량을 구하기 위해서는 속도를 알아야 하는데, 노즐 직경이 작아 속도를 측정하기에 어려움이 있어 초크유동(choked flow)으로 가정하였다
블레이드 속도삼각형(Fig. 3)에서 블레이드로 들어오는 공기의 속도(%)는 340m/s로 가정하였고 노즐에서 나오는 압축공기는 약 18°(=α1)의 각도를 이루며 유입되며, 이 값은 NSK 사의 PRESTO AQUA를 벤치마킹하여 얻은 각도이다. 속도 삼각형에 의해서, 블레이드로 유입되는 공기속도의 수직방향 성분은 다음과 같다.

제안 방법

인해서 측정이 불가능하였다. 그래서 토크값을 이론적으로 계산하여 비교하여 보았다. 이론 토크값의 계산과정은 아래와 같다[5, 6].
난류모델에는 SST K-4 모델을 적용하고 터빈 블레이드 입출구에 경계면을 설정하고 메시를 집중시켜 데이터 교환을 이루어지게 하였다. 그리고 wall condition 에는 adiabatic wall 을 적용하였다.
압축성 효과를 고려하여 Ideal gas 와 Sutherland law를 적용하였다. 난류모델에는 SST K-4 모델을 적용하고 터빈 블레이드 입출구에 경계면을 설정하고 메시를 집중시켜 데이터 교환을 이루어지게 하였다. 그리고 wall condition 에는 adiabatic wall 을 적용하였다.
그리고 Case에 따라 CPU 의 node수를 8개에서 16개까지 사용하였다. 먼저 정상 상태로 수렴을 시킨 후 비정상상태로 해석을 진행하였다.
4는 블레이드의 2차원 형상과 설계변수를 나타내고 있다[4]. 본 연구에서 블레이드 종류는 핸드피스 터빈의 토크를 크게 하기 위해 single stage impulse trbinee로 하였다. 핸드피스 내부의 공간적 제약으로 인하여 코드길이(L)를 2.
본 연구에서는 유한체적법에 기반을 둔 열유체해석 범용 CFD코드인 FLUENT 12.0과 병렬시스템을 사용하여 해석을 수행하였다. 지금 현재 핸드피스에 관련된 독자적 설계 및 개발에 관련된 문헌 그리고 제조기술에 관한 여러 정보 둥의기초자료는 국내에서는 찾기가 어려운 현실이었고, 실험값과 관련된 자료가 없었기 때문에 메시수(Table 1)를 변화시켜가며 Grid convergence를 수행하였다.
0과 병렬시스템을 사용하여 해석을 수행하였다. 지금 현재 핸드피스에 관련된 독자적 설계 및 개발에 관련된 문헌 그리고 제조기술에 관한 여러 정보 둥의기초자료는 국내에서는 찾기가 어려운 현실이었고, 실험값과 관련된 자료가 없었기 때문에 메시수(Table 1)를 변화시켜가며 Grid convergence를 수행하였다. 그리고 Case에 따라 CPU 의 node수를 8개에서 16개까지 사용하였다.
식 (1)은 설계변수간의 상관관계를 나타낸 식이다. 캠버각도 코드길이와 두께를 결정하여 블레이드 2차원 설계를 하였다.
본 연구에서 블레이드 종류는 핸드피스 터빈의 토크를 크게 하기 위해 single stage impulse trbinee로 하였다. 핸드피스 내부의 공간적 제약으로 인하여 코드길이(L)를 2.5nm 로 하였고 벤치마킹 결과로부터 블레이드 각도(0)와 두께(X)는 각각 40°와 0.5mm로 결정하였다. 그리고 벤치마킹품의 내부 직경과 동일하게 터빈 블레이드의 내경은 8.

대상 데이터

5mm로 결정하였다. 그리고 벤치마킹품의 내부 직경과 동일하게 터빈 블레이드의 내경은 8.8mm이고, 외경은 10.6mm로 하였다. 식 (1)은 설계변수간의 상관관계를 나타낸 식이다.
거의 같은 각을 이루며 빠져나간다. 본 연구에 사용된 시제품은 NSK사의 PRESTO AQUA를 벤치마킹하였기에 이 제품과 같은 각도인 40°로 설계하였다.
입구부로 압축된 공기가 들어와 직경 1mm인 7 개의 노즐을 통해서 블레이드부로 흘러가고 출구부로 나와 외기로 빠져나간다. 제품을 벤치마킹하여 블레이드의 개수는 24 개로 하고 출구부에서 외기로 빠져나가는 곳은 4개로 하였다.

이론/모형

대기압으로 적용하였다. 압축성 효과를 고려하여 Ideal gas 와 Sutherland law를 적용하였다. 난류모델에는 SST K-4 모델을 적용하고 터빈 블레이드 입출구에 경계면을 설정하고 메시를 집중시켜 데이터 교환을 이루어지게 하였다.

성능/효과

고속으로 회전하는 블레이드이므로 time step size가 매우 작고, 1 time step당 회전각을 0.02°로 회전시켜야 계산결과가 안정적이었다. 360°회전을 시키기 위해서는 매우 오랜 시간이 걸린다.
해석결과를 검증하기 위해서는 토크를 측정하면 좋으나, 시험기관 및 측정업체에 알아본 결과 높은 회전수와 낮은 토크 값으로 인해서 측정이 불가능하였다. 그래서 토크값을 이론적으로 계산하여 비교하여 보았다.

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