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3차원 다공성 구조를 이용한 인공 요추의 기공분포 최적화 설계 원문보기

EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제6회(2017년), 2017 Mar. 24, 2017년, pp.324 - 329  

양병상 (서울과학기술대학교 기계자동차 공학과) ,  현재용 (서울과학기술대학교 기계자동차 공학과) ,  홍지호 (서울과학기술대학교 기계자동차 공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to optimize the artificial lumbar spine with the most lightweight three - dimensional porous structure while satisfying the safety factor of 3. We have introduced representative volumes to proceed with a local analysis and studied the maximum porosity distribution that m...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 실제 하중을 받는 인공 뼈의 경우 기하학적 형상이나 하중 조건에 따라 각 지점에 작용하는 응력이 다르다. 따라서 인공 뼈의 각 지점의 최대 기공률(porosity)을 알아내고자 한다.
  • 본 연구는 4000N의 Oblique load를 받을 때 최소 무게로 안전계수 3을 만족시키는 3차원 다공성 인공 요추의 기공 분포를 분석하였다. 그 과정에서 인공 요추의 미세 기공 구조를 국부적으로 해석하기 위해 정육면체 미소 체적을 도입하였으며 미소 체적 내 기공의 크기가 클수록 더 큰 응력 집중이 생기는 것을 알아냈다.
  • 본 연구에서는 인공 요추에 마이크로 단위의 기공을 배치하여 최적화 시키기 위해 전체와 국부해석을 수행하였다. 따라서 요추의 전체적 응력분포를 파악한 후 선택적으로 여러 지점에서의 응력 데이터를 추출하였다.
  • 따라서 요추의 전체적 응력분포를 파악한 후 선택적으로 여러 지점에서의 응력 데이터를 추출하였다. 이 데이터를 바탕으로 기공이 존재하는 미세 구조 단위의 국부적 해석을 진행 하고자 한다. 기공이 있는 미세 구조는 정육면체 형상을 하고 있으며 같은 위치에 등간격으로 기공을 배치시킨다.

가설 설정

  • 3 이와 같이 기공의 크기를 조절하면 지지체의 강도뿐만 아니라 세포의 행동을 제어하여 골 형성에 도움을 줄 수 있다.3 따라서 본 연구에서 기공의 크기를 설계 변수로 정하였다. 이때 기공의 크기가 10μm보다 작으면 세포에 의해 기공이 막힐 수 있으므로 이보다 커야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인공 뼈의 지지체는 어떤 구조를 가져야 하는가? 인공 뼈는 기존의 뼈가 지지기능을 상실했을 때 골격 시스템에 구조 및 기능을 복원하는데 사용되는 다양한 재료 시스템을 포함한다.1 인공 뼈의 지지체는 혈관 및 조직에 영향을 주지 않는 3차원 다공성 구조를 가져야 혈관신생, 조직 융합 및 영양분의 원활한 전달이 가능하다.2
인공 지지체의 기공 크기에 따라 골 형성의 유형에 어떤 영향을 주는가? 최근 연구에 따르면 인공 지지체의 기공 크기가 골 형성의 유형에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.3 이와 같이 기공의 크기를 조절하면 지지체의 강도뿐만 아니라 세포의 행동을 제어하여 골 형성에 도움을 줄 수 있다.3 따라서 본 연구에서 기공의 크기를 설계 변수로 정하였다. 이때 기공의 크기가 10μm보다 작으면 세포에 의해 기공이 막힐 수 있으므로 이보다 커야 한다. 기공의 크기가 클수록 인공 뼈의 무게가 줄어 경량화에 유리하지만 기공 주위에 응력집중이 생겨 강도가 떨어질 수 있다. 인공 뼈를 설계할 때 실생활에 지장을 주지 않는 강도에서 기공크기를 최대로 하면 가장 경량화된 모델을 만들 수 있다. 실제 하중을 받는 인공 뼈의 경우 기하학적 형상이나 하중 조건에 따라 각 지점에 작용하는 응력이 다르다.
인공 뼈란 무엇인가? 인공 뼈는 기존의 뼈가 지지기능을 상실했을 때 골격 시스템에 구조 및 기능을 복원하는데 사용되는 다양한 재료 시스템을 포함한다.1 인공 뼈의 지지체는 혈관 및 조직에 영향을 주지 않는 3차원 다공성 구조를 가져야 혈관신생, 조직 융합 및 영양분의 원활한 전달이 가능하다.
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