한국보건산업진흥원 Korea Health Industry Development Institute
등록번호
TRKO201400018591
DB 구축일자
2014-11-29
초록▼
○ 연구결과 ○ 1, 2차년도 연구결과 요약 1, 2차년도에는 기준목표 물성치를 설정하여, 그에 따라 열적, 기계적 성질 및 유동성 극대화를 위한 기지수지의 선정 및 그에 따른 포뮬레이션을 확립하였으며, 또한 물성 최적화 및 성형 효율성을 위한 시편 성형공정 기술 개발을 검토한 결과 항공기용 복합재료에 사용되는 vacuum bag 성형 방법을 Ilizarov 링의 성형에 변형 적용하여 성형 공정을 확립하였다. 기계 적물성 극대화를 위한 직조형태 설계를 위하여 Ilizarov 링의 압축하중시 국부적인 하중-변형 관계의 연구
○ 연구결과 ○ 1, 2차년도 연구결과 요약 1, 2차년도에는 기준목표 물성치를 설정하여, 그에 따라 열적, 기계적 성질 및 유동성 극대화를 위한 기지수지의 선정 및 그에 따른 포뮬레이션을 확립하였으며, 또한 물성 최적화 및 성형 효율성을 위한 시편 성형공정 기술 개발을 검토한 결과 항공기용 복합재료에 사용되는 vacuum bag 성형 방법을 Ilizarov 링의 성형에 변형 적용하여 성형 공정을 확립하였다. 기계 적물성 극대화를 위한 직조형태 설계를 위하여 Ilizarov 링의 압축하중시 국부적인 하중-변형 관계의 연구 결과 Ilizarov 링의 내측부분의 압축하중에 의하여 Ilizarov 링의 강성이 크게 영향 받는다는 사실을 이론적, 실험적으로 검증하여 이를 바탕으로 고탄성 일방향 탄소섬유를 부분 사용하여 원주방향의 압축 및 인장강성을 보강한 결과 우수한 물성의 제품을 제조할 수 있었다. ○ 3차연도 연구결과 요약 본 연구에서는 Ilizarov링의 물성 극대화를 위한 프리폼 제작과 생산성 극대화를 위한 공정 최적화에 관하여 연구를 수행하였다. Ilizarov링은 시술 시 모든 하중이 방사선 방향에 대해서 대칭적으로 분포하므로 시술 시 뒤틀림을 방지하기 위하여 보강 섬유의 배향이 원주방향으로 배열되어야 하며, 또 원형으로 성형 시 프리폼이 winkling이 일어나 응력집중을 받는 부분이 없어야 한다. 이를 위해 프리폼의 구조를 설계하여, core 부분에는 가해진 대부분의 하중을 지지하기 위하여 일축방향 프리프레그를 감아서 형상을 만드는 반자동 winding lay-up 방식을, wrapping용 skin의 경웅 side crack의 발생을 억제하고 일축방향 프리프레그의 집속을 위하여 고강도 타입의 6K 평직을 Ilizarov 링의 방사선 방향으로의 대칭성을 부여하기 위해서 위사와 경사가 감는 방향에 대해서 45°를 유지하도록 재단, 설계하였다. 이 방법은 링의 물성을 원하는 대로 쉽게 제어할 수 있으며 이에 따른 물성대비 제조원가의 증감이 용이한 장점이 있다. 본 연구에 의해 제조된 Ilizarov링의 경우 기존 Smith&Nephew의 기존 제품에 의해 그 강성이 200% 이상이며 그 외물성도 우수하다. 또 그 프리폼의 조성 및 구조에 따라 제품의 가격과 물성을 쉽게 제어할 수 있다. 또한 본 연구에서는 제조공정을 다각적으로 분석하여 vacuum bag을 이용한 press 성형공정을 확립하였으며 더 나아가 이를 개선시켜 vacuum bag을 사용치 않고 몰드에 직접 진공을 가할 수 있는 vacuum mold 설계 및 제작 공정을 최초로 확립하였다. 이는 시작품 제작시 매번 vacuum bag을 달아줘야 되는 공정상의 번거로움이 없으며 값이 비싼 소모품인 vacuum bag을 사용치 않음으로써 생산비 절감이라는 도 다른 장점도 갖고 있다. 본 연구에서는 제조된 시편의 임상실험 결과 목표달성을 초과했다고 여겨진다. 그 이유는 carbon/graphite circular fixator가 외제(Smith-Nephew)와 비교하여 생역학적 특성, 방사성, 투과성, 내구성 등에서 비슷한 수준이었으며, 동물(개) 및 임상 환자들의 적용 면에서도 아주 우수하였기 때문이다. 따라서 국산 carbon/graphite circular fixator는 향후 국내의 사용은 물론 국외 수출 시에도 경쟁력을 갖춘 것으로 파악되었다. 이러한 기술력(강성도가 우수하면서도 제작비용이 적게드는 국산 carbon/graphite의 제작기술력)은 선진국에서도 놀랄 정도라고 생각된다. 그러나 향후 지속적으로 연구되어야 할 부분은 생역학적검사 시, 아크릴 원기둥 대신 실험동물의 골에 직접 시행하는 생역학적 연구 및 가장 적절한 축성 및 굴곡 강성도를 찾는 생체내 연구이며, 외국인들의 기호에 맞도록 디자인이 더 세련되도록 보완해야 할 것이다. 따라서 이 기술을 빠른 시간에서 기업체에 기술 이전하여 시제품 생산에 들어갈 예정이며, 확림된 제조공정은 현재 특허 출원 준비중이다.
Abstract▼
We investigated on the manufacturing of light Ilizarovs made of carbon fiber-epoxy composite with the more excellent physical properties rather than that of Smith&Nephew Co. in America, and on the commercialization of those. For that purpose, the study was divided into 4 branches in details as follo
We investigated on the manufacturing of light Ilizarovs made of carbon fiber-epoxy composite with the more excellent physical properties rather than that of Smith&Nephew Co. in America, and on the commercialization of those. For that purpose, the study was divided into 4 branches in details as followings : 1> Selection of the materials for reinforcing carbon fibers and epoxy resin as a matrix, and of lay-up method of carbon fíbers 2> Design of Ilizarov ring by studying on the load-deformation relationship and its manufacturing 3> Establishment of the examination methods of mechanical and orthopedical properties 4> Development of a automatic manufacturing process of carbon fiber-Ilizarov ring We set up the target properties of Ilizarov ring, analyzing the sample from Smith&Nephew Co., and then selected the formulation of 350 °F-curable epoxy resin which is of steam-resistant properties in sterIlization. Also, we designed the lay-up method of carbon fibers in order to achieve the most excellent mechanical properties. Ilizarov ring from Smith&Nephew Co‘was confirmed to be made by winding a satin textIles and molding it, but that of Dong-Kwang Medicals was made of 3K plain textIles to be reinforced with unidirectional carbon fibers. The latter have the stiffer properties, but inferior in reappearance to the former because the unidirectional carbon fibers are sometimes wrinkled in the inner part of Ilizarov ring so that the wrinkled part act as a weak point in deformation. The wrinkling of unidirectional carbon fiber is ascribed to the difficulty of slippage of carbon fîbers in bending the wound roll of prepreg, and can be overcome by sequential lay-up of unidirectional carbon fiber in semi-circle form. In that manner, we can also get another advantage of controlling the performance/cost ratio. In order to automatically wind the prepreg of unidirectional carbon fiber, a machine with a assembly of cutting knives adopting drum-winding method was devised. Also, a vacuum bag press molding was used to prepare the Ilizarov ring in this experiment. In addition, vacuum molder was devised first in this project. This method does not use vacuum bag, so the merit of saving the trouble of exchanging the vacuum bag in every tíme and cutting expenses were achieved. 5 dogs and 18 patients were operated on with the Ilizarov manufactured in this study. The developed Ilizarov ring is superior to the product of Smith&Nephew Co. in mechanical properties, endurance and perfornance/cost ratio
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