KR101517379B1 - 내열 합금 수술용 바늘의 열성형 장치 및 방법, 그리고 가열 고정구 - Google Patents

Abstract

내열 합금 봉합용 바늘을 열성형하는 방법이 개시된다. 내열 합금으로부터 제조된 바늘 블랭크가 수술용 바늘을 성형하기 위해 사용되는데, 바늘 블랭크는 연성-취성 전이 온도보다 높지만 내열 합금의 재결정화 온도보다 낮은 온도로 가열된다. 그리고 나서, 가열된 바늘 블랭크는 수술용 바늘로 기계적으로 성형된다. 이러한 방법을 사용하여 내열 합금 수술용 바늘을 성형하는 고정구 및 장치가 또한 개시된다.

내열, 합금, 수술, 봉합, 바늘, 블랭크, 연성-취성 전이 온도, 재결정화, 고정구

Description

내열 합금 수술용 바늘의 열성형 장치 및 방법, 그리고 가열 고정구{AN APPARATUS AND A METHOD FOR THERMAL FORMING OF REFRACTORY ALLOY SURGICAL NEEDLES, AND AN HEATING FIXTURE}

본 출원은 본 출원과 동일자로 출원되고 참고로 포함된, 발명의 명칭이 "내열 합금 수술용 바늘의 열성형"(Thermal Forming of Refractory Alloy Surgical Needles)인, 통상적으로 양도된 특허 출원 제11/756,668호와 관련된다.

본 발명이 속하는 기술분야는 수술용 바늘, 특히 내열 합금 봉합용 바늘을 열성형하는 방법이다.

수술용 바늘은 수술 분야에서 잘 알려져 있다. 전형적으로, 수술용 바늘은 봉합사에 장착되고, 조직을 근접시키기 위한 다양한 수술 절차에서 사용된다. 환자에 대해 수술 절차를 수행할 때 외과의사가 직면하게 되는 다양한 조건 하에서 수술용 바늘이 기능하는 것이 중요하다. 수술용 바늘은 간 또는 폐 수술과 같은 상대적으로 부드럽고 연약한 조직에서의 정교한 수술 절차를 위해 그리고 안과, 성형외과, 또는 관상동맥 우회 이식 수술과 같은 더 단단하고 더 질긴 조직과 연관된 보다 힘이 드는 수술 절차를 위해 사용될 수 있다. 수술용 바늘은 또한 다양한 정형외과 수술 절차에서 사용된다. 수술용 바늘은 최소의 외과 의사 삽입력 및 최소의 조직 손상으로 신속하고 효율적으로 조직을 관통할 수 있어야 한다. 조직이 외 과 의사에 의해 근접하게 되는 동안 수술용 바늘이 복수의 사이클에 걸쳐 그의 구조적 완전성(integrity)을 유지하는 것이 특히 중요하다.

수술용 바늘은 요구되는 강도 및 제조가능성 특성을 갖는 다양한 재료로부터 제조될 수 있다. 그러한 재료의 예는 420, 455, 4310을 포함한 다양한 등급의 스테인레스강 및 에탈로이(ETHALLOY)(미국 뉴저지주 소머빌 소재의 에티콘, 인크.(Ethicon, Inc.))를 포함한 다양한 등급의 특수 마르텐사이트-에이징된 강을 포함한다. 그러한 종래의 재료로부터 제조된 바늘은 적절한 성능을 갖추고 있지만, 외과 의사 및 환자 둘 모두에게 이로울 개선된 특성을 갖는 수술용 바늘에 대한 지속적인 연구가 있다. 소정의 내열 금속이 봉합용 바늘에 바람직한 취급 특성을 부여하는 우수한 강성(stiffness) 및 강도(strength)와 같은 고유한 특성을 제공한다. 그러나, 많은 내열 합금의 실온 성형성은 봉합용 바늘의 제조에 전형적으로 사용되는 다른 금속의 성형성에 비해 제한되며 흔히 사실상 더 작다. 따라서, 종래의 제조 공정의 많은 단계들이 상당한 재료 연성(ductility)을 요구하므로 내열 합금 수술용 바늘의 제조시에 어려움이 발생할 수 있다. 봉합용 바늘 몸체는 봉합용 바늘 구동기 내에서의 파지 및 바늘 배향을 용이하게 하기 위해 평탄면을 나타내도록 흔히 프레스 성형되거나 코이닝(coining)된다. 평탄면을 나타내도록 성형된 바늘 몸체는 또한 봉합용 바늘에 대해 강도 및 강성의 적당한 개선을 부여할 수 있다. 바늘 선단(needle point)은 또한 소정 조직의 관통을 위해 바람직한 절단 에지(cutting edge)를 생성하도록 코이닝될 수 있다. 또한, 바늘은 소정 수술 절차를 용이하게 하기 위해, 일반적으로 다양한 원호 형태, 예를 들어 1/4, 3/8, 또 는 1/2 원 디자인으로 만곡된다. 수술용 바늘은 수술용 봉합사의 장착을 제공하도록 제조 동안에 가공되어야 한다. 봉합사를 수술용 바늘에 장착하는 한 가지 방식은 수술용 봉합사의 단부를 수용하도록 바늘의 기단부(proximal end) 내로 블라인드 보어 구멍(blind bore hole)을 드릴링하는 것이다. 채널 장착식 봉합사에 대해서는, 바늘의 기단부 내의 드릴링된 보어 구멍에 장착되는 봉합사와는 대조적으로, 바늘 채널이 전형적으로 봉합용 바늘의 기단부 내로 코이닝되거나 스탬핑(stamping)된다. 어느 유형의 장착 형태에서든, 바늘의 기단부는 전형적으로 채널 또는 보어 구멍 내에 봉합사 단부를 유지하도록 스웨이징(swaging)된다.

봉합용 바늘 재료로의 내열 합금의 성형은 광범위하게 연구되지 않았다. 종래의 바늘 성형 방법은 전형적으로 내열 합금에 사용될 수 없다. 예를 들어, 바늘 재료가 합금의 열간 성형 및 주조 온도 사이의 용융 온도(Tm)에 가까운 온도로 가열되는 동안, 봉합용 바늘의 기부 내로 천공 공구를 가압함으로써 강철 바늘 내에 봉합사 수용 구멍을 형성하는 방법을 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 방법은 여러 이유로 내열 금속에서 사용하기에 불충분하다. 합금이 합금의 용융점 부근의 온도로 되면, 합금의 재결정화의 가능성이 뚜렷하다. 실제로, 재결정화는 일반적으로 훨씬 더 낮은 온도, 많은 합금에 대해 0.4 Tm 부근에서 발생한다. 내열 금속들이 그들의 용융점 부근으로 가열되면, 가공 경화된 미세 구조의 재결정화가 발생하며, 합금은 본질적인 특성을 상실하고 심지어 연성-취성 전이 온도(ductile to brittle transition temperature, DBTT)에서의 미세 구조 변화의 효과로 인해 실온에서 취성 특성을 나타낼 것으로 예상될 수 있다. 둘째로, 그러한 공정은 내산화 성 합금에 적용가능하지만, 이는 내열 합금(특히, W-Re 2상계 합금)에 대한 경우는 아닌데, 그 이유는 이들 합금이 그들의 용융점보다 훨씬 낮은 온도에서 쉽게 산화할 것이기 때문이다.

전술된 바늘 성형 방법은 바늘 재료에 상당한 응력을 부여할 수 있고, 재료가 불충분한 연성을 나타내면, 봉합용 바늘의 균열 및/또는 쪼개짐이 발생할 수 있다. 많은 내열 합금은 실온보다 높은 연성-취성 전이 온도(DBTT)를 나타내고, 결과적으로 다양한 수술용 바늘 성형 작업에서 이들 내열 합금을 소성 변형시키는 능력은 상당히 제한된다. 그러나, 일단 DBTT 초과에서는, 내열 합금의 소성 변형성은 상당히 증가한다. 그러나, 과도하게 높은 온도는 합금의 결정립(grain) 구조의 재결정화 및 성장으로 이어지고, 이는 봉합용 바늘의 성능에 해로울 수 있는 특성의 상당한 변화로 이어진다.

따라서, 본 기술 분야에서, 내열 합금 봉합용 바늘을 제조 및 성형하는 신규한 방법에 대한 필요성이 있다.

발명의 개요

따라서, 내열 합금 봉합용 바늘을 열성형하는 신규한 방법이 개시된다. 상기 방법에서, 합금 금속 바늘 블랭크(blank)가 제공된다. 바늘 블랭크는 내열 금속 합금으로부터 제조된다. 바늘 블랭크의 적어도 일부분이 연성-취성 전이 온도보다 높지만 합금의 재결정화 온도보다 낮은 온도로 가열된다. 가열된 바늘 블랭크는 수술용 바늘로 기계적으로 성형된다.

본 발명의 다른 태양은 내열 금속 함금을 성형 공정 동안에 가열하기 위하여 본 발명의 전술된 방법의 실시에 유용한 고정구(fixture)이다. 고정구는 상부면, 하부면 및 하부면으로부터 상방으로 연장되는 공동(cavity)을 갖는 상부 단열 부재를 구비한다. 상기 부재는 다이(die)를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는다. 상부면, 하부면 및 하부면으로부터 하방으로 연장되는 공동을 갖는 하부 단열 부재가 있다. 하부 단열 부재는 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는다. 고정구는 공동 및 한 쌍의 대향하는 바늘 슬롯(slot)들을 갖는 단열체 블록을 갖는다. 단열체 블록은 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 통로를 갖는다. 히터 요소 블록이 단열체 블록의 공동 내에 장착된다. 히터 요소 블록은 단열체 블록의 대향하는 슬롯들과 실질적으로 정렬된 종방향 바늘 슬롯을 가지며, 히터 요소 블록은 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되고 슬롯과 교차하는 다이 통로를 갖는다. 그리고, 고정구는 고주파(RF) 전자기 유도원(induction source) 부재를 갖는다. 히터 요소 및 RF 유도원 부재를 수용하는 단열체 블록은 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이의 공동 내에 장착되어, 단열 블록의 대향하는 슬롯들과 히터 요소 블록의 슬롯과 정렬되어 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이에 슬롯이 있도록 유도 가열 고정구를 형성한다. 게다가, 하부 단열 부재, 단열 블록, 히터 요소 및 상부 단열 부재의 다이 통로들은 실질적으로 정렬된다.

본 발명의 또 다른 태양은 내열 합금 수술용 바늘을 성형하는 장치이다. 상기 장치는 프레임을 갖는다. 적어도 하나의 다이 및 활주가능한 인덱싱(indexing) 고정구를 갖는 다이 프레스가 프레임에 장착된다. 전술된 유도 가열 고정구는 다 이 프레스의 다이 또는 다이들과 정렬되어 프레임에 장착된다.

본 발명의 이들 및 다른 태양은 하기의 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1A 내지 도 1C는 저항식 가열을 이용하는 본 발명의 열성형 방법의 개략도.

도 2A 내지 도 2C는 고온 가스 주입 시스템을 사용하여 내열 합금으로부터 바늘을 열성형하기 위한 본 발명의 대안적인 실시 형태를 도시하는 도면.

도 3A 내지 도 3C는 저항식 가열 요소를 사용하여 내열 합금 바늘의 열성형을 위한 본 발명의 또 다른 대안적인 실시 형태를 도시하는 도면.

도 4는 바늘 블랭크를 가열하기 위하여 본 발명의 방법의 실시에 유용한 가열 고정구의 분해 사시도.

도 5는 조립된 도 4의 가열 고정구의 측면도.

도 6은 도 4의 가열 고정구가 내부에 장착된, 합금 수술용 바늘의 제조에 사용되는 기계의 사시도.

도 7은 도 6의 기계의 평면도.

도 8은 도 6의 기계의 정면도.

도 9는 도 6의 기계의 단부도.

본 발명의 신규한 열성형 방법을 사용하면, 봉합용 바늘의 제조에 사용되는 내열 합금은 주어진 성형 작업 동안에 상당한 소성 변형을 제공하도록 그의 DBTT보다 높지만, 봉합용 바늘 특성의 손상을 방지하도록 합금의 재결정화 온도보다 낮은 온도로 가열된다. 바늘 성형 작업 동안에 봉합용 바늘 재료의 열처리 및 성형을 위한 여러 방법이 개시된다. 본 발명의 신규한 열성형 처리 방법을 사용하여 처리된 내열 금속 합금으로부터 제조된 바늘은 향상된 내굽힘성, 강도, 강성 및 관통 성능을 향상시키는 뚜렷한 I-빔(즉, 구조적) 및 바늘 선단 디자인, 개선된 연성 및 인성(toughness), 및 표면 산화에 의한 원위치(in situ) 착색을 포함한 바늘 성능의 많은 잠재적인 개선을 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 하기의 용어들은 하기의 의미를 갖는 것으로 정의된다:

연성-취성 전이 온도(DBTT) - 합금의 연성의 상당한 개선이 그 위에서 발생하는 온도. 본 명세서에서, DBTT는 합금이 단순 인장 시험에서 적어도 5% 파단신율(elongation to break)을 나타내는 온도로서 결정된다.

내열 합금 - 실온보다 높은 DBTT를 나타내는, W, Mo, Re, Os, Ir, Ta, Nb, Zr, Y 원소들 중 하나 이상으로 구성된 합금.

재결정화 온도 - 새로운 결정립이 합금의 미세 구조 내에 형성되는 온도.

연성 - 파단 없이 소성 변형에 견디는 합금의 능력.

파단신율 - 합금 연성을 평가하기 위해 사용되는, 단순 인장 시험에서의 샘플 퍼센트 연신율의 척도.

단순 인장 - 다른 치수들이 구속되지 않으면서 하나의 치수에서 가해지는 인장.

열성형 - 가열된 작업편 상에서 수행되는 소성 성형.

바늘 블랭크 - 그 일부가 다수의 공정을 통해 봉합용 바늘의 형상으로 변환되는 와이어의 긴 조각.

항복 굽힘 모멘트 - 굽힘 시험 동안에 소성 변형을 개시하기 위해 요구되는 모멘트의 양 (ASTM 표준 F-1840-98a)

굽힘 강성 (굽힘시 강성) - 만곡된 봉합용 바늘의 탄성 변형에 대한 저항성.

탄성 변형 - 가해진 하중을 제거함으로써 회복가능한 변형, 스트레인(strain), 또는 변위(displacement).

I-빔 바늘 몸체 - (전체적으로 둥근 디자인 대신에) 대향한 평탄면들을 포함하는 임의의 다양한 바늘 몸체 디자인.

최대 굽힘 모멘트 - 굽힘 시험 동안에 바늘에 가해지는 최대 모멘트 (ASTM 표준 F-1840-98a)

재료 특성 - 바늘 형상 및 표면 특성이 데이터에 영향을 주지 않는 방식으로 시험함으로써 도출된 재료만의 특성. 예로는 영률(Young's modulus), (단순 인장에서 시험될 때의) 극한 인장 강도, 및 미소 경도(microhardness)가 포함된다.

결정립 구조 - 공통의 원자 주기를 공유하며 군집으로서 함께 바늘 재료를 구성하는 결정들의 집합.

전위(dislocation) - 실온 또는 그 부근에서 금속의 소성 변형을 가능케 하기 위해 일반적으로 필요한, 소실된 원자 평면으로서 출현하는 결정립 구조 내의 선 결함.

"수술용 바늘" 및 "봉합용 바늘"이라는 용어가 본 명세서에서 서로 교환가능하게 사용된다는 것을 알아야 한다.

본 발명의 실시에 유용한 금속 합금은 텅스텐, 텅스텐-레늄, 텅스텐-오스뮴, 몰리브덴, 몰리브덴-레늄, 몰리브덴-지르코늄-티타늄, 이리듐 등을 포함한 종래의 공지된 내열 금속 합금을 포함한다.

레늄 첨가는 W-Re 합금의 연성을 상당히 개선할 수 있다. 다양한 레늄 농도의 아크 용융된 W-Re 합금에 대한 공개된 결과가 "텅스텐 및 텅스텐-레늄 합금의 항복 및 파괴"(Yielding and Fracture in Tungsten and Tungsten-Rhenium Alloys)라는 명칭으로 NASA 기술 간행물 (NASA TN D-4567)에 개시되어 있다. 텅스텐 25% 레늄 합금은 실온 부근에서 상당한 파단신율을 나타낸 반면에, 순수 텅스텐 샘플은 보고할만한 파단신율을 나타내지 않았다. 순수 텅스텐 합금을 더 면밀히 관찰하면, 파단신율의 현저한 개선이 520 내지 600K의 온도 범위에 걸쳐 발생했다는 것이 명백하였다. 이러한 온도 범위에 걸쳐, 합금은 취성으로부터 연성으로 전이했다. 연성-취성 전이 온도(DBTT)는 흔히 이러한 연성의 전이를 한정하기 위해 사용되며, 이러한 명명법은 야금학 분야의 용어이지만, 재료 성능의 실제 전이는 전형적으로 정확한 단일 온도에서 발생하는 것이 아니라 오히려 다결정질 샘플에서 소정 범위의 온도에 걸쳐 발생한다. 이러한 DBTT 전이 영역의 폭은 레늄 농도와 함께 증가할 수 있고, 이때 고 레늄 합금은 순수 합금의 보다 신속한 변화와는 대조적으로 온도에 따른 파단연신율의 점진적인 상승을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 열은 W-Re 합금에 의해 나타내어지는 연성을 크게 증가시킨다는 것이 명백하다. 이러한 NASA보고서에 따르면, W-25%Re 합금에 대해, 실온 연성은 500K에서 대략 2배가 되고, 700K에서 대략 4배가 된다. 편의상, 이러한 NASA 연구의 저자는 연성-취성 전이 온도(DBTT)로서 합금이 5% 파단신율을 나타내는 온도를, 또는 W-25%Re 합금에 대해 350K를 선택하였다. 합금 불순물, 결정립 크기, 및 가공 경화 이력과 같은 다른 인자가 또한 연성 거동의 시작 온도(및 보고된 DBTT의 값)에 영향을 줄 수 있다는 것을 알아야 한다.

봉합용 바늘은 통상적으로 그리고 가장 전형적으로 와이어 직선화, 바늘 블랭크 성형, 선단 코이닝 및/또는 선단 연삭, 바늘 몸체 성형, 만곡화, 봉합사 수용 구멍 드릴링, 또는 채널 성형, 연마, 실리콘화 등을 포함한 다수의 종래의 공정 단계들을 통해 와이어로부터 성형된다. 공정 단계들은 하나 이상의 종래의 기계적, 화학적, 열처리, 및/또는 전기적 하위 공정들을 포함할 수 있다. 봉합용 바늘 성형 작업은 흔히 바늘 재료의 상당한 소성 변형을 초래한다. 심지어 높은 레늄 농도를 갖는 합금도 실온에서 7%를 거의 초과하지 않고, 더욱 일반적으로 5% 미만인 파단신율 값을 갖는 제한된 소성 변형을 나타낸다. 이러한 실온 연성의 결여는 봉합용 바늘의 형상 및 디자인을 제한할 수 있다. 특히, 봉합용 바늘은 전형적으로 바늘의 몸체 또는 중간 부분에서 직사각형 단면 형상을 나타내도록 성형된다. 그러한 직사각형 단면은 강도 및 강성의 적당한 증가를 부여하는 것에 더하여, 바늘 홀더에 의한 봉합용 바늘의 파지 및 제어를 용이하게 한다. 직사각형 단면을 성형하기 위해, 바늘이 2개의 평행한 대향 다이(die)들 사이에서 부분적으로 평탄화되게 하는 일련의 종래의 코이닝 작업이 전형적으로 수행된다. 이들 코이닝 작업은 실온에서 W-Re 합금의 파괴 한계를 초과하는 변형 스트레인을 초래할 수 있다. 마찬가지로, 바늘 선단은 통상적으로 다양한 종래의 다이 및 종래의 코이닝 공정 및 장비를 사용하여 코이닝된다. 테이퍼 선단, 절단 에지, 또는 테이퍼-절단 변형부를 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 종래의 선단 디자인이 코이닝될 수 있다. 절단 에지 바늘은 일반적으로 최소의 조직 손상으로 가장 양호한 조직 관통 성능을 제공한다. 그러나, 일련의 연삭 공정을 거쳐 성형될 수 있는 테이퍼 선단 또는 테이퍼 절단 바늘과 달리, 최적 디자인의 절단 에지 바늘은 바늘 재료가 상당한 변형 스트레인을 받게 하는 선단 코이닝 작업을 요구하고, 결과적으로 성형이 내열 합금의 DBTT 아래에서 수행되는 경우에 바늘 블랭크 내의 균열이 발생할 수 있다. 특히, 참고로 포함된 스미스(Smith) 등의 미국 특허 제5,797,961A호에서 기술된 바와 같이, 방사상 중공 절단 에지를 갖는 절단 에지 바늘은 최소의 조직 손상으로 우수한 관통 성능을 제공하지만, 제조시에, 고 변형 코이닝 작업을 거쳐 예비 성형되어야 한다. 안과 및 미세 수술을 위한 다른 절단 에지 바늘 선단 디자인은 유사하게 복잡하고, 예시적인 조직 관통 성능을 제공하지만, 제조를 위해 고 변형 코이닝 작업을 또한 요구한다. 마지막으로, 봉합사 부착을 용이하게 하기 위해 채널이 봉합용 바늘의 기단부 내에 통상적으로 성형될 수 있다. 이러한 접근은 봉합사 수용 구멍을 제조할 목적으로 기계적으로 드릴링하거나 레이저 드릴링하기에 과도하게 어려울 수 있는 약 0.15 ㎜(0.006") 미만의 와이어 직경을 갖는 봉합용 바늘에 특히 적용가능하다. 상당한 소성 변형이 바늘 채널 성형 동안에 일반적으로 발생하며, 내열 합금이 그의 DBTT 아래의 실온에서 성형되는 경우, 균열이 발생하기 쉬울 것이다.

본 발명의 신규한 방법은 봉합용 바늘을 제조할 목적으로 텅스텐 합금과 같은 내열 금속 합금의 성형성을 향상시킨다. 본 발명의 이러한 신규한 열성형 방법은, 금속 합금 봉합용 바늘 블랭크가 성형 작업 직전 또는 그 동안에, DBTT(이때, DBTT는 합금이 인장 시험에서 적어도 5%의 파단신율을 나타내는 온도로서 결정됨)를 초과하지만, 합금의 재결정화 온도(이때, 재결정화 온도는 본 명세서의 목적을 위해, 상기 성형 작업 동안에, 합금의 미세 구조 내의 새로운 결정립의 형성으로 이어지는 임의의 온도로서 정의됨) 미만인 온도까지 상승되는 것을 제공한다. 재결정화된 미세 구조가 전형적으로 더 낮은 인장 강도 및 더 낮은 항복 강도를 나타낼 것이고, 이들 둘 모두가 봉합용 바늘의 취급 및 성능 특징에 대해 불리하므로, 합금의 재결정화를 방지하는 것이 중요하다. 또한, 내열 합금, 특히 텅스텐 합금의 재결정화는 흔히 재결정화 동안에 발생하는 전위 제거의 결과로서 DBTT를 더욱 상승시킴으로써 합금의 취성화(embrittlement)로 이어진다.

파괴를 방지하기 위해 승온에서의 내열 금속 봉합용 바늘 블랭크의 기계적 성형이 필요할 수 있지만, 이는 쉽게 달성되지 않는데, 그 이유는 봉합용 바늘의 제조에 사용되는 장비가 전형적으로 개별 바늘 성형 작업을 차례로 순차적으로 수행하는 여러 특수화된 성형 스테이션(station)을 채용하여 사실상 고가이고, 이러한 장비가 전체적으로, 그의 기능을 훼손하지 않으면서 오랫동안 승온에 처해질 수 없기 때문이다. 이러한 장비는 전형적으로 고속 정밀 장비이고, 과도한 열이 기계적 구성요소의 기계적 고장을 일으킬 수 있을 것이다. 이와 같이, 내열 금속 바늘 블랭크의 가열은 내열성 또는 수냉식 툴링(tooling)이 사용될 수 있는 장비의 매우 작은 부분으로 제한되어야 한다. 대안적으로, 바늘 블랭크를 성형하는 데 사용되는 열은, 예를 들어, 바늘을 주로 가열하고 주변 툴링 및 장비는 가열하지 않도록 정밀한 타이밍으로 켜지고 나서 꺼지도록 관리되어야 한다. 대안적으로, 툴링은 열성형 구역에 대한 그의 노출 지속시간을 실질적으로 제한하는 방식으로 작동될 수 있다.

성형 동안에 또는 그 직전에 합금 금속 바늘 블랭크를 가열하도록 바늘을 원위치에서 열성형하기 위한 본 발명의 방법의 대안적인 실시 형태들이 도 1 내지 도 4에 도시되고, 본 명세서에 기술된다. 이들 방법은 1) 저항식 바늘 가열, 2) 강제식 가스 바늘 가열, 3) 요소 제어식 바늘 가열, 및 4) 레이저 바늘 가열을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.

먼저 도 1A 내지 도 1C를 참조하면, 본 발명의 방법의 저항식 가열 실시 형태가 도시되어 있다. 성형 다이 공구(10)는 하부 공구 기부(20) 및 상부 가동 부재(40)를 갖는 것으로 보인다. 공구 기부(20)의 내측 표면(21) 및 가동 부재(40)의 내측 표면(41)에, 금속 합금 바늘 블랭크(70)와 맞닿기 위한 내측 접촉 표면(51)을 각각 갖는 다이 부재(50)들이 각각 장착된다. 공구(10)는 접촉 표면(81)을 갖는 한 쌍의 대향된 전극(80)을 갖는 것으로 보인다. 전극(80)은 스프링(90)을 거쳐 공구 기부(20) 및 가동 부재(40)에 각각 이동가능하게 장착된다. 전극(100)이 바늘 블랭크(70)의 기단부(71)에 장착된다. 저항식 바늘 가열 공정에서, 전극(80)을 거쳐 바늘 블랭크(70)의 말단부(75)로부터 전극(100)을 거쳐 바늘 블랭크의 기단부(71)까지 바늘 블랭크를 가로질러 전기 접촉이 이루어지고, 전류가 바늘 블랭크(70)를 통과하여 이를 성형 작업을 위해 필요한 온도로 저항식으로 가열한다. 전기 접촉은 도 1A 내지 도 1C에서 보이는 바와 같이, 바늘 블랭크(70)가 다이(10)로 진입하거나 그가 폐쇄될 때 바늘 블랭크(70)의 길이를 가로질러 이루어질 수 있다. 대안적으로, 전류는 성형이 발생할 부분에서 바늘 블랭크(70)의 두께를 통해 통과될 수 있다. 전기 접촉을 이루어 전기 회로를 완성하여 전류가 바늘 블랭크(70)를 통과하게 하도록 사용되는 전도성 전극(80)(예를 들어, 구리)을 형성하기 위해 다양한 전통적인 재료가 사용될 수 있다. 선택적으로, 전형적으로 사용되는 초경 공구(cemented carbide tool)와 같은 종래의 공구들 중 많은 것이 상당한 전도성의 연속 금속 결합제 상을 채용하므로, 전기 접촉을 이루고 전류를 전도시키기 위해 다이 부재(50)가 사용될 수 있다. 다이 및/또는 전기 접촉부는 그들의 성능 및 유효 수명(service life)을 증가시키기 위해 선택적으로 액체 냉각될 수 있다. 본 발명의 공정에서 바늘 블랭크(70)를 통과하는 전류의 양은 결정립 구조의 재결정화를 유도하지 않으면서 바늘 블랭크(70)를 그의 DBTT 초과로 효과적으로 가열하기에 충분할 것이다. 전류는 와이어 직경, 내열 합금의 조성, 다이 폐쇄 속도, 및 다른 동적 공정 인자 (및 전압, 주파수 등과 같은 전기적 파라미터)에 의존할 것이지만, 전형적으로 약 1.0 암페어 내지 약 20.0 암페어, 더욱 전형적으로는 약 1.0 암페어 내지 약 10.0 암페어일 수 있다.

강제식 가스 열성형 공정을 사용하는 본 발명의 방법의 다른 대안적인 실시 형태가 도 2A 내지 도 2C에 도시되어 있다. 성형 다이 공구(110)는 하부 공구 기부(120) 및 상부 가동 부재(140)를 갖는 것으로 보인다. 공구 기부(120)의 내측 표면(121) 및 가동 부재(140)의 내측 표면(141)에, 금속 합금 바늘 블랭크(170)와 맞닿기 위한 내측 접촉 표면(151)을 각각 갖는 다이 부재(150)들이 각각 장착된다. 강제식 가스 방법에 의하면, 합금 바늘 블랭크가 진입하여 대향된 다이 부재(150)들 사이에서 다이 조립체(110) 내에 위치된 동안, 고온 공기 또는 고온 가스 스트림(160)이 합금 바늘 블랭크(170)의 경로를 따라 가이드(180)를 거쳐 안내된다. 가이드(180)는 접합부(187)에서 교차하는 바늘 안내부(182) 및 가스 경로부(185)를 갖는 것으로 보인다. 바늘 블랭크(170)가 전형적으로 직경이 작으므로(약 0.025 내지 1.52 ㎜(1 내지 60 밀(mil))), 강제식 가스 스트림(160)으로부터의 바늘 블랭크(170)의 신속한 대류 가열이 발생할 수 있다. 바늘 블랭크(170)가 소정의 성형 온도에 도달할 때, 도 2A 내지 도 2C에서 보이는 바와 같이, 다이(150)가 폐쇄되고, 바늘 블랭크(170)의 일부분(172)을 소정의 형상으로 열성형한다. 봉합용 바늘을 가열하기 위해 사용되는 가스는 선택적으로 가열 작업 동안에 바늘의 산화를 방지하도록 역할하는 차폐 가스일 수 있다. 사용될 수 있는 가스의 예는 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 네온, 이산화탄소/일산화탄소, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 가스 스트림의 속도 및 가스 스트림의 온도는 재결정화를 방지하면서 내열 합금을 그의 DBTT 초과로 충분히 가열하기에 효과적일 것이다. 열성형 공정 동안의 바늘의 온도는 바늘 블랭크의 균열 또는 쪼개짐이 없이 성형 작업에서 요구되는 소성 변형을 효과적으로 가능케 하기에 충분할 것이다. 온도는 바늘 블랭크를 제조하기 위해 선택된 합금에 따라 변할 것이다. W-Re 합금 바늘 블랭크에 대해, 온도는 전형적으로 100 내지 약 1900℃, 더욱 전형적으로는 약 300 내지 약1600℃, 바람직하게는 약 600 내지 약 1400℃의 범위일 것이다.

본 발명의 열성형 방법의 또 다른 실시 형태가 도 3A 내지 도 3C에 도시되어 있다. 상기 방법은 성형된 저항식 가열 요소를 이용한다. 저항식 요소는 가열 요소를 통해 전류를 통과시키도록 설계된 전기 회로에 대한 직접 접촉을 통해 가열될 수 있다. 대안적으로, 저항식 가열 요소는 요소 내에서 교류 전류를 이어서 유도하여 저항식 가열을 달성하는 고주파 자기장에 대한 유도 결합에 의해 가열될 수 있다. 어느 구성이라도 봉합용 바늘을 가열하기 위해 가열 요소로부터 방사 에너지를 발생시킨다. 도 3A 내지 도 3C에서 볼 수 있는 바와 같이, 성형 다이 공구(210)는 하부 공구 기부(220) 및 상부 가동 부재(240)를 갖는 것으로 보인다. 공구 기부(220)의 내측 표면(221) 및 가동 부재(240)의 내측 표면(241)에, 금속 합금 바늘 블랭크(270)와 맞닿기 위한 내측 접촉 표면(251)을 각각 갖는 다이 부재(250)들이 각각 장착된다. 저항식 가열 요소(260)는 바늘 블랭크가 열성형 구역으로 진입하고 이를 떠날 때 바늘 블랭크(270)의 움직임을 방해함이 없이, 그리고 또한 다이 부재(250)의 이동을 방해하지 않으면서, 가열 요소(260)가 다이(210)의 작업 구역 둘레에 끼워지는 방식으로 다이 조립체 내에 그리고 그 주위에 위치되는 것으로 보인다. 가열 요소(260)는 다이의 과도한 가열을 방지하기 위해 다이가 개방 및 폐쇄될 때 적절한 시점에서 켜지고 꺼지도록 전기적 또는 전자적으로 제어될 수 있다. 도 3A 내지 도 3C에서 보이는 바와 같이, 바늘 블랭크(270)가 충분히 효과적인 온도로 가열된 후에, 다이 부재(240)는 바늘 블랭크(270)와 맞닿아 블랭크의 일부분(271)을 열성형한다. 대안적으로 또는 가열 요소의 시간 제어에 더하여, 다이 및 영향을 받는 기계 구성요소는 선택적으로 액체 냉각되어 과도한 열 손상을 방지할 수 있다. 또한, 다이는 선택적으로 가열 요소로부터, 온도가 다이 재료의 열화를 일으키지 않는 위치까지 후퇴할 수 있다. 전술된 바와 같이, 가열 요소는 (표준 저항식 가열 요소, 적외선 가열 요소, 및 유도 결합식 가열 요소에 대한 경우와 같이) 방사 열을 제공하는 유형의 것일 수 있거나, 유도 코일이 바늘 블랭크와 직접 결합하여 이를 유도식으로 가열하는 고주파를 생성하는 유도 코일의 형태일 수 있다. 유도 가열 요소가 사용되는 경우, 이는 유리하게는 바늘 블랭크와 효과적으로 결합하여 이를 가열하지만 주변 다이와는 결합하지 않도록 설계될 수 있다. 필요한 온도는 다른 열적 가열 및 성형 공정에 대해 전술된 것들일 것이다.

도시되지는 않았지만, 본 발명의 다른 열성형 방법은 레이저 제어식 바늘 가열을 이용한다. 명칭이 의미하는 바와 같이, 이러한 실시 형태는 기계적 성형을 요구하는 바늘 블랭크의 부분들을 신속하게 가열하기 위해 포커싱된(focused) 강한 레이저 광선을 사용한다. 하나 이상의 레이저가 바늘 블랭크 상에 충돌하여, 동시에 고온 구역의 길이를 증가시킬 수 있다. 레이저는 또한 성형될 바늘의 길이를 가로질러 신속하게 전후로 지향될 수 있다. 대안적으로, 바늘은 레이저가 충돌하여 열 작용 영역을 증가시킬 때 회전될 수 있다.

고온 바늘 블랭크가 저온 다이와 접촉하거나, 열에너지 공급원이 차단될 때, 바늘 블랭크는 냉각되기 시작하는 경향을 가질 것임이 인식될 것이다. 이와 같이, 전술된 모든 열성형 방법은 바늘 재료의 소성 변형을 초래하는 실제 성형 작업이 바늘 블랭크가 냉각되는 속도에 비해 신속하게 발생하는 방식으로 설계되어야 한다.

이제 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 방법에 유용한 유도 결합식 가열 고정구(300)가 도시되어 있다. 가열 고정구(300)는 상부 단열체 부재(310) 및 하부 단열체 부재(330)를 갖는 것으로 보인다. 단열체 부재(310, 330)는 내부 공동(315, 335)을 각각 갖는 것으로 보인다. 단열체 부재(310)는 상면(312)을 통해 연장되는 다이 통로 개구(320)를 갖는 것으로 보이며, 개구(320)는 공동(315)과 연통한다. 반원형 홈(321, 322, 323)은 후방면(314)으로부터 내부 공동(315)으로 연장되는 것으로 보인다. 유사하게, 하부 단열체(330)는 하면(333)을 통해 연장되는 다이 통로 개구(340)를 갖는 것으로 보이며, 개구(340)는 내부 공동(335)과 연통한다. 반원형 홈(341, 342, 343)은 후방면(334)으로부터 내부 공동(335)으로 연장되는 것으로 보인다. 조립된 때, 홈(321, 322, 323)은 홈(341, 342, 343)과 정렬되어 RF 유도원을 위한 통로(301, 302) 및 차폐 가스를 위한 통로(303)를 형성한다. 하부 단열체 부재(330)는 또한 상부 표면(332)과, 하부 슬롯 표면(338)에 인접한 단차부(step, 337)를 갖는 것으로 보인다. 단열체 블록 부재(350)는 상면(352)과, 측방향 개구(357)를 가지고 단열체 블록 부재 내에서 연장되는 공동(355)을 갖는 것으로 보인다. 복수의 가스 포트(gas port, 360)가 상면(352)으로부터 공동(355) 내로 연장되어 이와 연통한다. 다이 통로(362)가 상면(352)으로부터 공동(355) 내로 연장된다. 유사하게, 다이 통로(364)가 하면(354)으로부터 공동(355) 내로 연장된다. 대향하는 바늘 슬롯(366)들은 부재(350)의 대향하는 단부(353)들 내에 포함되는 것으로 보인다. 또한, 공동(355)의 하부 내측벽(358)으로부터 연장되는 키홈(keyway) 슬롯(359)이 부재(350) 내에 포함된다. 금속 히터 요소(370)는 단열체 블록 부재(350)의 공동(355)에 의해 수용되는 것으로 보인다. 히터 요소(370)는 히터 요소(370)의 전방면(372) 내로 연장하는 슬롯(380)을 갖는 것으로 보인다. 슬롯(380)은 히터 요소(370)의 대향한 단부(377)들 내로 연장된다. 상부 통로(392) 및 하부 통로(394)를 갖는 다이 통로(390)가 히터 요소(370)를 통해 연장된다. 다이 통로(390)는 슬롯(380)과 교차하는 것으로 보인다. 복수의 가스 유동 통로(395)는 히터 요소(370)의 상면(374)로부터 하방으로 슬롯(380) 내로 연장되는 것으로 보인다. 키홈 슬롯(397)은 키 부재(398)를 수용하도록 히터 요소(370)의 하면(376) 내에 포함되는 것으로 보인다. RF 유도원(400)은 입구(405) 및 출구(407)를 갖는 관형 유도 부재(401)인 것으로 보인다. 부재(401)는 상부 부분(410) 및 하부 부분(415)을 갖도록 절곡되어, 가열 고정구(300)가 조립될 때 금속 히터 요소(370) 및 단열체 블록 부재(350)가 상기 2개의 부분들 사이에 수용되도록 한다.

가열 고정구(300)의 측면도가 도 5에 보인다. 고정구(300)를 조립하기 위하여, 금속 히터 요소(370)는 슬롯(380)이 외측으로 대면하도록 단열체 블록(350)의 공동(355) 내에 배치된다. 그리고 나서, 키 부재(398)가 키홈 슬롯(397) 및 키홈 슬롯(359) 내로 삽입되어, 히터 요소(370)를 공동(355) 내에서 로킹(locking)한다. 다음에, 키-삽입 고정된 히터 요소(370)를 수용하는 단열체 블록(350)이 RF 유도원(400)의 상부 부분(410)과 하부 부분(415) 사이에 배치된다. 그리고 나서, 이러한 하위 조립체는 하부 부재(330)의 공동(335) 내로 배치된다. 고정구(300)의 조립은 부재(410)의 상부 부분(410) 및 단열 블록(350)의 상부 부분이 공동(315) 내에 수용되도록 상부 단열 부재(310)를 하부 부재(330)에 장착함으로써 완료된다. 도 5에서 보이는 바와 같이, 조립된 고정구(300)는 단차부(337) 및 하부 계단식 표면(338)으로부터 기인하는 슬롯(305)을 갖는 것으로 보인다. 슬롯(305)은 단열체 블록(350)의 슬롯(366) 및 히터 요소(370)의 슬롯(380)과 연통한다. 고정구(300)는 종래의 다이 프레스에 장착된다. 작동시, RF 유도원(400)은 RF 발생기에 연결된다. 유도원(400)에 의해 발생된 RF 자기장은 가열 요소(370)와 결합하여, 요소(370)를 이어서 저항식으로 가열하는 내부 RF 전류를 야기한다. 바늘 블랭크는 고정구(300) 내의 슬롯(305, 366, 380)을 통해 인덱싱되는 방식으로 공급된다. 히터 요소(370)에 포함된 슬롯(380) 내에 있는 동안에, 수술용 바늘 블랭크는 다이 통로(392, 394)들 사이의 다이 통로(390)와 슬롯(380)의 교차부(385) 내의 다이 충격 위치(die striking location)로 이동하기 전에 원하는 온도로 대류 및 복사에 의해 가열되고, 다이 충격 위치에 있는 동안에 그 온도에서 유지된다. 교차부(385)로 인덱싱될 때, 상부 및 하부 다이(540, 542)들은 바늘 블랭크(610)를 충격하여 원하는 바늘 몸체 형상, 바늘 선단 형상 또는 봉합사 수용 채널을 생성한다. 가공 동안에, 차폐 가스가 선택적으로 단열 블록(310, 330) 내의 가스 포트(303)에 연결된다.

이제 도 6 내지 도 9를 참조하면, 바늘 가공 기계(500)가 보인다. 기계(500)는 프레임(510)을 갖는 것으로 보인다. 다이 프레스 장치(520) 및 공급기 레일(feeder rail, 550)이 프레임(510)에 장착된다. 인덱싱 바늘 블랭크 고정구(570)가 공급기 레일(550)에 활주가능하게 장착된다. 복수의 바늘 블랭크(600)가 캐리어 스트립(carrier strip, 610)에 장착된다. 캐리어 스트립(610)은 바늘 블랭크가 다이 프레스 장치(520)를 향해 대면하도록 고정구(570)에 장착된다. 가열 고정구(300)가 다이 프레스 장치(520)의 프레임(530)에 장착된다. 또한, 상부 다이(540) 및 하부 다이(542)가 프레임(530)에 장착된다. 작동시, 내열 금속 합금 바늘 블랭크(600)는 캐리어 스트립(610)에 미리 장착된다. 바늘 블랭크(600)를 수용한 스트립(610)은 고정구(570)에 장착된다. 선택적인 차폐 가스는 고정구(300) 내의 가스 포트 개구(303)에 연결되어, 차폐 가스가 단열체 블록(350) 및 히터 요소(370) 내의 포트(362, 395)를 통해 유동하여 히터 요소(370) 내의 슬롯(380), 단열 블록(350) 내의 슬롯(366) 및 단열 부재(310, 330)들 사이의 슬롯(305)을 통해 빠져나가도록 한다. RF 유도원(400)에 연결된 RF 발생기가 작동되어, 히터 요소(370)를 유도 가열하는 RF 방사선을 RF 유도원(400)이 방출하게 한다. 그리고 나서, 고정구(570)는 종래의 인덱스 제어기 및 기구에 의해 이동되어, 바늘 블랭크(600)가 슬롯(302, 366, 380)을 통해 슬롯(380) 내의 다이 충격 위치(385)로 이동되도록 한다. 히터 요소의 슬롯(380) 내에서의 체류 시간은 다이 성형 작동 전 및 그 동안에 각각의 바늘 블랭크(600)를 연성-취성 전이 온도보다 높지만 재결정화 온도보다 낮은 온도로 효과적으로 가열하기에 충분하다. 그리고 나서, 상부 및 하부 다이(340, 342)들은 다이 통로들을 통해 이동되고, 다이들에 의해 바늘 블랭크에 충분한 힘이 가해져 바늘 블랭크를 원하는 형태로 효과적으로 형성한다. 캐리어 스트립(610) 상의 모든 바늘 블랭크(600)가 성형될 때까지 인덱스 공정이 계속된다. 기계(500) 및 고정구(300)에 유용한 선택적인 차폐 가스는 아르곤, 수소, 헬륨, 네온, 이산화탄소, CO/CO₂ 혼합물, 전술된 것들의 조합 등을 포함한다. RF 유도원(400)에 결합된 RF 발생기는, 예를 들어 약 1 킬로헤르츠 내지 10 메가헤르츠 범위의 충분히 효과적인 주파수를 발생시키고, 예를 들어 약 1 내지 100 킬로와트의 충분히 효과적인 파워 출력(power output)을 갖는 종래의 발생기일 것이다. 적합한 발생기, 주파수 범위 및 파워 출력의 선택은 RF 유도원의 크기, 가열 요소의 크기와 형상 및 구성 재료, 및 가열 요소의 슬롯 내에서의 체류 시간, 즉 인덱싱 속도를 포함하는 다양한 인자에 의존할 것이다. 히터 블록은 종래의 금속 및 금속 합금, 예를 들어 니켈계, 몰리브덴계, 또는 텅스텐계 합금으로 제조될 수 있다. 단열 부재 및 단열체 블록은 세라믹 섬유 단열재와 같은 종래의 단열 재료로부터 제조될 수 있다.

본 발명의 신규한 열성형 방법과 관련된 추가의 이점으로서, 높은 DBTT를 나타낼 수 있는 합금이 봉합용 바늘로 성형될 수 있다. 예를 들어, W-Re 합금계에서, 높은 레늄 농도를 갖는 합금은 낮은 레늄 농도를 갖는 합금보다 더 낮은 DBTT를 갖는 경향이 있다. 그러나, 상업적 관점에서, 레늄은 높은 원재료 비용을 가지며, 합금의 과도하게 비싼 성분일 수 있다. 본 발명의 열성형 방법이 사용되면, 낮은 레늄 농도가 높은 레늄 농도 대신에 사용되어 상당한 비용 절감을 실현할 수 있다. 추가의 이점은, 원재료 비용이 더 이상 소비자에게 전가될 필요가 없고, 봉합용 바늘 재료로서의 텅스텐 합금의 사용이 더 많은 수의 바늘 디자인으로 확장될 수 있으므로, 완성된 봉합용 바늘에 대한 시장 가격이 이론적으로 감소될 수 있다는 것이다.

또한, 본 발명의 열성형 방법이 사용되는 경우, (DBTT를 상승시키는 효과를 갖는) 합금 내의 불순물에 대한 더 큰 공차가 허용가능할 수 있다. 또 다른 관련된 이점은 공급자 이용가능성이 확대되어, 이에 의해 가능하게는 재료 비용을 감소시킬 수 있다는 것이다.

본 발명의 신규한 방법의 사용의 또 다른 추가의 이점은 바늘 블랭크가 만곡되어 예를 들어 3/8 또는 원의 형상 또는 형태를 갖는 만곡형 또는 아치형의 봉합용 바늘을 성형할 때 나타난다. 실온에서 수행되는 종래의 바늘 만곡 공정 동안에, 바늘의 항복 굽힘 모멘트에 해로운 영향을 주는 잔류 응력이 전형적으로 바늘 몸체에 부여된다. 만곡 작업 후의 열처리가 그러한 잔류 응력의 일부 또는 전부를 제거하고, 바늘의 항복 굽힘 모멘트를 실질적으로 향상시키는 것으로 여겨진다. (예를 들어, 900℃를 초과하는) 승온에서 봉합용 바늘을 만곡시키기 위한 열성형 작업은 항복 굽힘 모멘트의 유사한 개선을 가져올 수 있다.

얇은 천연적인 표면 산화물의 형성에 의한 내열 합금 봉합용 바늘의 착색을 위한 열처리 방법이 본 발명의 원위치 열성형 방법과 함께 적용될 수 있다. 따라서, 내열 합금 봉합용 바늘은 바늘 제조 작업 동안에 착색될 수 있어서, 이후의 열 착색 단계에 대한 필요성을 제거한다. 착색이 원하는 결과인 경우에, 종래의 차폐 가스의 사용은 회피되어야 하거나, 종래의 산화 가스와 조합하여 사용되어야 한다. 그러나, 착색이 필요치 않다면, 차폐 가스가 사용될 수 있다.

하기의 실시예는 본 발명의 원리 및 실시를 예시하지만, 이로 제한되지 않는다.

실시예 1

0.203 ㎜의 공칭 시작 와이어 직경을 갖는 텅스텐-26% 레늄 합금으로 구성된 바늘 블랭크를 2개의 대향하는 탄화물 다이들 사이에서 가압하여 대향하는 평행한 몸체 평탄부를 생성하였다. 바늘 블랭크를 제조하게 되는 텅스텐-26% 레늄 재료는 도시바 코포레이션(Toshiba Corporation)(일본 요꼬하마 소재)으로부터 입수하였고, 와이어 형태에서 3450 ㎫의 파단 강도를 나타내었다. 종래의 공압식 단축 프레스(pneumatic uniaxial press)를 평탄한 탄화물 다이들을 이용한 실험을 위해 사용하였다. 몸체 평탄부가 형성된 바늘 블랭크의 길이는 적어도 1 ㎝였다. 하나의 실험 세트에서, 바늘 블랭크를 실온에서 다양한 두께로 프레싱하였고, 입체경(stereoscope)으로 30x 배율로 균열에 대해 시각적으로 조사하였다. 몸체 평탄부가 약 0.175 ㎜ 이하의 두께로 코이닝될 때, 균열이 와이어의 길이를 따라 종방향으로 형성될 수 있다는 것을 밝혀내었다. 병렬 실험 세트에서, W-26% Re 바늘 블랭크를 도 1에 도시된 것과 유사한 실험 구성을 사용하여 프레싱 작업 직전 및 그 동안에 저항식으로 가열하였다. 종래의 AC 단권변압기(variac)를 사용하여 바늘 블랭크를 통해 전류를 충분히 전달하고 조절하였다. 이러한 방식으로, 바늘이 생성된 황색 내지 백색 글로우(glow)에 의해 입증되는 바와 같이 1000℃ 초과로 효과적으로 가열될 수 있었다. 전체 가열 및 프레싱 작업은 약 1.5초 걸렸다. 30x 배율의 시각적 조사를 사용하여 균열을 검출하였다. 약 1000℃ (황색 내지 백색 글로우 방전) 초과로 가열된 바늘이 임의의 시각적으로 검출가능한 균열이 없이 0.15 ㎜ 이하의 몸체 평탄부를 가지고 제조될 수 있다는 것을 밝혀내었다.

실시예 2

실시예 1의 봉합용 바늘의 연성을 평가하기 위해, 재형성 시험(reshape test)을 수행하였고, 여기서 각각의 바늘을 적합한 종래의 바늘 홀더로 그의 기단부 부근에서 파지하였고, 바늘의 파괴가 발생할 때까지 여러 번 180도에 걸쳐 전후로 굽혔다. 바늘의 초기 형상으로부터 90도에 걸친 각각의 굽힘은 1/2 카운트(count)가 주어졌다. 카운트의 총 개수는 연성의 척도이고, 이때 더 높은 개수는 더 큰 연성을 표시한다. 대부분의 봉합용 바늘은 적어도 1.0의 재형성 값을 나타내도록 그의 제조자에 의해 요구된다. 상기 실시예 1에서 제조된 W-26% Re 봉합용 바늘은 4.0을 초과하는 재형성 값을 나타내었고, 이에 의해 표준 요건을 충족하고 능가하였다.

수술용 바늘을 열성형하기 위한 본 발명의 신규한 방법은 많은 장점 및 이점을 갖는다. 이러한 장점 및 이점은, 바늘 블랭크의 균열 또는 쪼개짐 없이 그리고 봉합용 바늘의 연성 및 인성을 손상시킴이 없이 평탄화된 또는 I-빔 몸체 부분, 코이닝된 바늘 선단, 및 봉합사 수용 채널을 갖는 내열 합금 봉합용 바늘의 제조, 봉합용 바늘의 열 만곡에 의한 개선된 내굽힘성, 강성, 및 강도, 후속의 착색 공정에 대한 필요성을 무효화하는 열성형 동안의 원위치에서의 천연적인 표면 산화물 형성에 의한 바늘 표면의 착색, 및 높은 DBTT를 갖는 더 낮은 비용의 내열 합금의 선택을 포함한다.

본 발명이 본 발명의 상세한 실시 형태에 대해 도시되고 설명되었지만, 형태에 있어서의 다양한 변경 및 그의 상세 사항이 청구되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (22)

1. 내열 합금을 수술용 바늘로 성형하는 방법으로서,

   내열 금속 합금을 포함하는 합금 금속 바늘 블랭크(blank)를 제공하는 단계;

   가열 고정구(heating fixture)를 제공하는 단계;

   바늘 블랭크의 적어도 일부분을 연성-취성 전이 온도(ductile to brittle transition temperature)보다 높지만 합금의 재결정화 온도보다 낮은 온도로 가열하는 단계; 및

   바늘 블랭크를 수술용 바늘로 기계적으로 성형하는 단계를 포함하며,

   상기 가열 고정구는

   상부면, 하부면 및 하부면으로부터 상방으로 연장되는 공동(cavity)을 갖고, 다이(die)를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 상부 단열 부재;

   상부면, 하부면 및 하부면으로부터 하방으로 연장되는 공동을 갖고, 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 하부 단열 부재;

   공동 및 한 쌍의 대향하는 바늘 슬롯(slot)들을 갖고, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 통로를 갖는 단열체 블록;

   단열체 블록의 공동 내에 장착되고, 단열체 블록의 대향하는 슬롯들과 실질적으로 정렬된 종방향 바늘 슬롯을 가지며, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되고 슬롯과 교차하는 다이 통로를 갖는 히터 요소 블록; 및

   RF 유도원(induction source) 부재를 포함하며,

   히터 요소 및 RF 유도원 부재를 수용하는 단열체 블록은 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이의 공동 내에 장착되어, 단열 블록의 대향하는 슬롯들과 히터 요소 블록의 슬롯과 정렬되어 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이에 슬롯이 있도록 그리고 하부 단열 부재, 단열 블록, 히터 요소 및 상부 단열 부재의 다이 통로들이 실질적으로 정렬되도록 유도 가열 고정구를 형성하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 온도는 100℃ 내지 1600℃인 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 온도는 600℃ 내지 1400℃인 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 성형 작업은 바늘 몸체 성형, 바늘 선단 코이닝(coining), 바늘 채널 코이닝, 및 바늘 만곡(curving)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 합금은 0% 초과 30% 이하의 레늄 농도를 갖는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 바늘은 고온 가스 제트를 사용하여 가열되는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 바늘은 저항식 가열 요소를 사용하여 가열되는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 바늘은 바늘 블랭크에 전극을 접촉시키고 전류가 바늘 블랭크를 통해 흐르게 함으로써 가열되는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 바늘은 승온에 있을 때 무산소 분위기 내에 있는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 무산소 분위기는 질소, 아르곤, 헬륨, 및 수소로 이루어진 군으로부터 선택된 차폐 가스 또는 차폐 가스들의 조합인 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 내열 합금은 레늄, 몰리브덴, 탄탈, 티타늄, 이트륨, 지르코늄, 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, 텅스텐을 포함하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 내열 합금은 레늄, 텅스텐, 탄탈, 오스뮴, 이리듐, 이트륨, 지르코늄, 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소와, 몰리브덴을 포함하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 내열 합금은 텅스텐-레늄(W-Re)인 방법.
15. 제14항에 있어서, W-Re 합금은 0% 초과 30% 미만의 레늄 농도를 갖는 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 W-Re 합금의 온도는 100℃ 내지 1600℃로 상승되고,

    상기 성형 작업은 코이닝, 평탄화, 채널 성형, 선단 성형, 및 만곡으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
17. 내열 금속 합금 수술용 바늘 블랭크를 가열하는 가열 고정구로서,

    상부면, 하부면 및 하부면으로부터 상방으로 연장되는 공동을 갖고, 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 상부 단열 부재;

    상부면, 하부면 및 하부면으로부터 하방으로 연장되는 공동을 갖고, 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 하부 단열 부재;

    공동 및 한 쌍의 대향하는 바늘 슬롯들을 갖고, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 통로를 갖는 단열체 블록;

    단열체 블록의 공동 내에 장착되고, 단열체 블록의 대향하는 슬롯들과 실질적으로 정렬된 종방향 바늘 슬롯을 가지며, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되고 슬롯과 교차하는 다이 통로를 갖는 히터 요소 블록; 및

    RF 유도원 부재를 포함하며,

    히터 요소 및 RF 유도원 부재를 수용하는 단열체 블록은 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이의 공동 내에 장착되어, 단열 블록의 대향하는 슬롯들과 히터 요소 블록의 슬롯과 정렬되어 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이에 슬롯이 있도록 그리고 하부 단열 부재, 단열 블록, 히터 요소 및 상부 단열 부재의 다이 통로들이 실질적으로 정렬되도록 유도 가열 고정구를 형성하는 고정구.
18. 제17항에 있어서, 가스 유동을 도입하는 적어도 하나의 통로를 추가로 포함하는 고정구.
19. 제18항에 있어서, 상기 단열 블록 및 상기 히터 요소 블록은 가스 유동을 수용하는 적어도 하나의 통로를 추가로 포함하는 고정구.
20. 제19항에 있어서, 상기 히터 요소 블록의 가스 통로는 히터 요소 슬롯과 연통하는 고정구.
21. 제17항에 있어서, 상기 RF 유도원 부재는 상부 부분 및 하부 부분을 갖는 고정구.
22. 내열 합금 수술용 바늘을 성형하는 장치로서,

    프레임;

    프레임에 장착되고, 상부 다이 및 하부 다이를 갖는 다이 프레스(press);

    프레임에 활주가능하게 장착되고, 적어도 하나의 내열 합금 바늘 블랭크를 수용 및 파지할 수 있는 인덱싱(indexing) 고정구;

    유도 가열 고정구를 포함하며,

    상기 유도 가열 고정구는

    상부면, 하부면 및 하부면으로부터 상방으로 연장되는 공동을 갖고, 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 상부 단열 부재;

    상부면, 하부면 및 하부면으로부터 하방으로 연장되는 공동을 갖고, 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 다이 통로를 갖는 하부 단열 부재;

    공동 및 한 쌍의 대향하는 바늘 슬롯들을 갖고, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되는 통로를 갖는 단열체 블록;

    단열체 블록의 공동 내에 장착되고, 단열체 블록의 대향하는 슬롯들과 실질적으로 정렬된 종방향 바늘 슬롯을 가지며, 적어도 하나의 다이를 수용하기 위하여 관통 연장되고 슬롯과 교차하는 다이 통로를 갖는 히터 요소 블록; 및

    RF 유도원 부재를 포함하고,

    히터 요소 및 RF 유도원 부재를 수용하는 단열체 블록은 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이의 공동 내에 장착되어, 단열 블록의 대향하는 슬롯들과 히터 요소 블록의 슬롯과 정렬되어 상부 단열 부재와 하부 단열 부재 사이에 슬롯이 있 도록 그리고 하부 단열 부재, 단열 블록, 히터 요소 및 상부 단열 부재의 다이 통로들이 실질적으로 정렬되도록 유도 가열 고정구를 형성하며,

    인덱싱 고정구는 각각의 바늘 블랭크를 가열 고정구 내의 슬롯들을 통해, 각각의 그러한 바늘 블랭크가 가열된 후에 상부 다이 및 하부 다이가 각각의 바늘 블랭크와 접촉할 수 있는 고정구 내의 위치로 이동시키는 장치.

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