SLM 적층제조 Ti-6Al-4V ELI 척추 임플란트의 응력차폐효과 개선을 위한 판 스프링 구조 개발 및 기계적 물성 향상을 위한 SLM 공정 제어 연구
Development of novel leaf spring structure to reduce the stress shielding and process control to improve mechanical properties of Ti-6Al-4V ELI spinal cage implant additively manufactured via SLM
- 주제(키워드) spinal cage , additive manufacturing , selective laser melting , Ti6Al4V ELI , leaf spriing structure
- 주제(DDC) 620
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 안병민
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 공학계열
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033289
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
추간체유합보형재(척추 임플란트, spinal cage implant)는 척추 간 공간에 사용되는 임플란트 중 하나로, 척추 간 디스크의 문제로 인해 생기는 통증이나 안정성 문제 등을 해결하기 위해 사용된다. 이 재료는 주로 척추 간 디스크의 변형, 탈출, 손상으로 인해 디스크를 안정화하거나 두 척추 사이의 간격을 채우기 위해 사용된다. 이러한 재료는 보통 척추 간 유합술이나 디스크 교체술과 함께 사용되는데, 이러한 수술은 척추의 안정성을 유지하면서도 통증을 줄이고 환자의 기능을 회복하는 데 도움이 된다. 추간체유합보형재는 다양한 재료로 제작될 수 있다. 대부분의 재료는 인간의 척추와 잘 어울리며, 척추 주변 조직과 상호작용하여 재활 기간을 최소화하고 간 조직의 재생을 촉진하는 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 재료는 플라스틱, 금속, 바이오물질 등으로 만들어지며, 최신의 3D 프린팅 기술을 통해 맞춤형으로 제작되기도 한다. 이러한 재료는 의사와 환자가 함께 선택하는 것이 중요하다. 환자의 상태와 필요에 따라 적절한 재료를 선택하여 사용해야 한다. 또한, 이러한 재료를 사용한 수술은 정확한 치료와 재활을 위해 전문적인 의료진의 지속적인 관찰과 함께 이루어져야 한다. 생체 임플란트와 3D 프린팅의 결합은 의학 및 제조 기술에서 혁명적인 발전을 가져왔다. 3D 프린팅은 임플란트를 맞춤형으로 제작할 수 있게 하여 환자 개인의 해부학적 요구에 맞춘 디자인을 가능하게 한다. 그리고 이것은 임플란트 치료의 성공률과 안정성을 크게 높이고 있다. PBF-SLM 공정은 3D 프린팅에서 재료를 높은 정밀도로 적층하여 임플란트를 만들어내는 방법으로, 생체 재료의 안전성과 내구성을 동시에 충족시킬 수 있는 기술로 주목받고 있다. 이 방법은 생체 임플란트에 필요한 강도와 내부구조를 제공하여 환자의 신체에 완벽히 적합한 제품을 만들어 낼 수 있다. 임플란트 제조에서 공정 최적화는 더 나은 품질과 안전성을 제공하는 핵심이다. 엄격한 품질관리와 안전성 검증은 환자의 건강과 안전을 위해 필수적이다. 예를 들어, 제조 중 발생할 수 있는 결함이나 잘못된 디자인은 치명적인 문제를 야기할 수 있어서 VED조건과 같은 제조 공정 변수에 대한 규정 준수가 매우 중요하다. 디자인 단계에서의 중요성은 임플란트의 안전성과 효율성을 보장하기 위해 필수적이다. 특히 척추 임플란트에서의 디자인은 침강 및 안정성에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 임플란트의 위치와 설계는 환자의 생활에 큰 영향을 미치며, 이에 대한 신중한 고려가 필요하다. 이 모든 과정을 개선하기 위해 현재 의료 및 제조 기술 분야에서는 3D 프린팅 기술, 재료 연구, 품질 관리 방법 등에 대한 지속적인 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 이를 통해 더 나은 생체 임플란트 제품을 만들기 위한 노력이 이어지고 있다. 본 연구에서는 SLM 공정 설계 통해 Grade 5 Ti(Ti6Al4V)보다 낮은 불순물을 가지는 Ti6Al4V ELI(extra low interstitial) 소재의 출력 후 기계적 물성을 향상시키고, 금속을 사용하는 추간체유합보형재의 응력차폐효과로 인한 생체 내에서의 침강을 최소화하기 위해 판 스프링 구조를 구현하고자 한다. 이를 통해 환자의 생체학적 및 운동학적 요구에 부합함과 동시에 수술적 효율을 높이고자 한다.
more목차
1. 서론 1
2. 이론적 배경 9
2.1 생체 임플란트의 동향 9
2.2 척추 생체 임플란트(추간체유합보형재, spinal cage)의 종류 9
2.3 척추 생체 임플란트 재료 10
2.3.1 Polyetheretherketone (PEEK, 피크) 10
2.3.2 Ti6Al4V ELI (Grade 23 Ti) 12
2.4 척추 생체 임플란트의 생산 공정 14
2.4.1 피크 생산방법 14
2.4.2 Ti6Al4V ELI 생산 방법 및 비교 14
2.5 Additive manufacturing(적층제조, AM) 15
2.5.1 Ti6Al4V ELI 분말 16
2.5.1.1 특성 및 동향 16
2.5.1.2 생체 적합성 17
2.5.1.3 분무 분사(atomizing) 분말 생산방법 18
2.5.2 Directed energy deposition (DED) 19
2.5.3 Powder bed fusion (PBF) 21
2.5.3.1 Selective laser sintering (SLS)와 Selective laser melting(SLM) 21
2.5.3.2 PBF SLM 공정과 생체재료와의 적합성 21
2.5.3.3 SLM 공정 조건에 따른 물성 메커니즘 22
2.5.3.4 Ti6Al4V ELI 사용 시, 공정 조건의 주요 변수 23
2.5.4 Direct metal laser sintering (DMLS) 25
2.5.5 Binder jetting (BJ) 25
2.6 구조적 설계 26
2.6.1 기계가공 제조의 구조적 한계 26
2.6.2 SLM 공정의 형상 유연성 27
2.6.3 판 스프링 구조(leaf spring structure) 27
2.6.3.1 정의 27
2.6.3.2 장, 단점 28
2.6.3.3 생체재료의 응력차폐효과(stress shielding) 감소 29
3. 실험방법 30
3.1 SLM 공정설계 최적화 30
3.1.1 Volumetric laser energy density (VED) 설계 30
3.1.2 출력 방향 선정 30
3.1.3 미세조직 분석 31
3.1.4 기계적 물성 분석 31
3.2 척추 임플란트의 판 스프링 구조 개발 및 응력차폐효과 개선 35
3.2.1 구조 설계 35
3.2.2 성분 분석 41
3.2.3 미세조직 분석 43
3.2.4 기계적 물성 분석 44
3.2.4.1 밀도 시험 44
3.2.4.2 외관치수검사 45
3.2.4.3 표면 거칠기 시험 47
3.2.4.4 경도 시험 48
3.2.4.5 강도 시험 48
3.2.4 생체 적합성 시험 48
4. 결과 및 고찰 50
4.1 SLM 공정 설계 최적화 50
4.1.1 VED 조건에 따른 미세조직 분석 결과 50
4.1.2 기계적 물성 분석 결과 53
4.1.2.1 경도 분석 53
4.1.2.2 압축 시험 55
4.2 척추 임플란트의 판 스프링 구조 개발 및 응력차폐효과 개선 57
4.2.1 판 스프링 적용 제품의 설계 및 worst case 57
4.2.2 성분분석 결과 58
4.2.3 미세조직 분석 결과 60
4.2.4 기계적 물성 분석 결과 63
4.2.4.1 밀도 분석 63
4.2.4.2 외관치수 분석 64
4.2.4.3 표면 거칠기 시험 65
4.2.4.4 경도 시험 결과 67
4.2.4.5 강도 시험 결과 68
4.2.5 생체 적합성 시험 결과 71
5. 향후 계획 72
6. 결론 76
참고문헌 78
