KR102304083B1 - 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법 및 이 방법으로 제조된 임플란트 픽스쳐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피로파괴에 대한 강건성을 확보하기 위해 다각형부 소성 가공시 응력이 집중된 부분을 제거할 수 있도록 다각형부 가공 후, 다각형부 하단부를 보링 가공하는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법 및 이 방법으로 제조된 임플란트 픽스쳐에 관한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법은 픽스쳐 내부에 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈을 가공하되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부 그리고 그 아래로 나사가 가공될 구멍을 가공하는 단계, 상기 가공된 상측 경사부를 향해 펀칭 툴을 타격하여 다각형부를 가공하는 단계, 상기 가공된 다각형부의 저면부를 포함한 하부에 보링 구간을 가공하는 단계를 특징으로 한다.

Description

임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법 및 이 방법으로 제조된 임플란트 픽스쳐{Method of machining the regular polygon shaped vertical parts of the implant fixture and the implant fixture manufactured by this method.}

본 발명은 임플란트 픽스쳐 가공 방법 및 이 방법으로 제조된 임플란트 픽스쳐에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 피로파괴에 대한 강건성을 확보하기 위해 다각형부 소성 가공시 응력이 집중된 부분을 제거할 수 있도록 다각형부 가공 후, 다각형부 하단부를 보링 가공하는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법 및 이 방법으로 제조된 임플란트 픽스쳐에 관한 것이다.

스웨덴의 브래네막(Branemark) 교수에 의해 티타늄이 뼈와 결합되는 골유착/골융합(Osseo-integration) 현상이 발견되고, 이 이론을 적용하여 턱뼈에 고정시키는 티타늄 인공 치아가 1965년에 소개된 이래로 치과용 임플란트는 결손된 치아를 영구적으로 대체할 수 있는 인공 치아로서, 부분 혹은 완전 무치악 부위의 저작기능 회복을 위해 널리 사용되고 있다.

치과용 임플란트(이하, '임플란트'라 간략히 칭함)는 기능적으로 실제 치아의 역할을 대행할 수 있어야 할 뿐만 아니라 치아에 가해지는 하중을 적절히 분산시켜 실제 치아만큼 장시간 사용이 가능하도록 제작되어야 한다.

치조골에 식립되는 임플란트 픽스쳐(고정체, fixture)는 어버트먼트(aburtment)와 픽스쳐가 결합되는 형태에 따라 외부연결방식과 내부연결방식으로 대별되는데, 브래네막 교수 및 Nobel Biocare에 의해 소개된 픽스쳐 상부로 돌출된 정육각 구조를 갖는 외부연결방식은 골내에 삽입된 픽스쳐가 상대적으로 견고하다는 장점은 있으나, 식립 후 초기 단계에서 픽스쳐 플랫폼과 어버트먼트와의 간극이 넓어 세균이 서식할 확률이 높아 경계부의 골흡수가 일어난다는 단점이 있다.

때문에 최근에는 내부연결방식이 주로 이용되는데, 내부연결방식은 Astra Tech.에 의해 소개된 제품에 최초로 적용된 것으로서, 정육각형의 홈(일반적으로 헥사부(Hexa)라 칭함)을 픽스쳐 내부에 형성하고, 어버트먼트가 픽스쳐와 만나는 부분을 원뿔(Cone) 형상으로 형성하여 세균이 서식할 공간을 배제하여 초기 골흡수를 최소화시킴으로써 식립 성공률이 높다는 장점을 갖는다. 그러나 픽스쳐 내부로 들어가는 어버트먼트로 인한 구조적 한계로 골내에 삽입된 픽스쳐의 파절 가능성이 상대적으로 높다는 단점이 있다.

식립 이후 10년 이상 사용한 사용자의 사례가 증가하면서, 픽스쳐나 어버트먼트 나사의 파절 사례가 비교적 드물기는 하지만 최근 발생 빈도가 점차 증가하고 있는 바, 도 1의 사례(https://blog.naver.com/anatole0613/2 22004874696)가 대표적인 일예이다.

도 1 a)는 환자에게 식립 이후 15년간 사용된 임플란트를 촬영한 치근단 방사선 촬영 PA(Periapical) 사진으로, 픽스쳐의 상단이 옆으로 찢어져 나간 상태를 확인할 수 있으며, 도 1 b)는 보철물 및 어버트먼트를 제거한 상태에서 촬영된 사진으로 임플란트가 헥사부 모서리를 따라 수개로 쪼개진 상태를 확인할 수 있고, 도 1 c)는 식립된 어버트먼트와 픽스쳐를 나타내주는 사진으로 어버트먼트와 픽스쳐가 접하는 경사부의 경사각이 크고, 픽스쳐 상단의 두께가 0에 가까운 엣지면을 갖는 구조임을 알 수 있다.

도 1의 사례와 같이 픽스쳐의 축선을 따라 발생되는 파절은 통상 세로 파절이라 칭하며, 도 2 a)의 PA 사진 및 b)의 픽스쳐와 보철물 추출 후 촬영 사진과 같이 어버트먼트 몸체와 고정체 육각부가 접하는 경계부에서 수평 방향으로 발생되는 가로 파절과 함께 임상에서 주로 발견되는 형태이다.

이와 같은 파절은 피로 현상에서 비롯되는 것인데, 피로(fatigue)는 재료 및 구조물에 반복응력이 발생할 때, 응력의 반복횟수가 증가함으로써 재료 또는 구조물의 강도가 저하되고 궁극적으로 파괴가 일어나는 현상을 말한다. 치과용 임플란트도 상실된 치아를 대체하기 위한 구조물로서 저작 운동에 따른 응력을 반복적으로 받게 되므로 피로 파괴(fatigue fracture, 업계에서는 통상 피로 파절이라 칭함으로 이하에서는 피로 파절로 기재함)의 발생 가능성을 배제할 수가 없다.

특히 도 2 c) 도면에 나타낸 바와 같이 실제 저작 운동시 어버트먼트에는 픽스쳐에 축선 방향으로의 수직 저작력만이 작용하는 것이 아니라 축선 방향에 수직한 수평 저작력도 복합적으로 작용하므로 표시된 바와 같은 모멘트가 작용하고, 어버트먼트 하단이 헥사부에 닿아 반복적인 힘을 가할 수 있어, 이로 인해 기하학적으로 불연속점인 헥사부 모서리에 인장응력이 주기적으로 가해져 세로 파절 또는 가로 파절 형태로 피로 파절이 초래될 수 있다.

연구에 따르면 구강 내 음식물이 치아에 의해 분쇄되는 경우 발휘되는 저작력(Masticatory force)의 크기는 66 N(newton)을 넘지 않으나, 음식물이 없는 상태에서 최대한 이를 악물 때의 최대 교합력(Maximum bite force)은 400~890 N 에 달한다. 이 때문에 치과용 임플란트가 구강 내에서 받을 수 있는 응력범위에서 응력의 반복에 의한 치과용 임플란트의 내구한도를 결정하기 위한 피로도 시험을 정하고 있는 ISO 14801:2016 규정에서는 피로한계 하중(210 N 이상)에서 500만회의 반복횟수동안 파괴를 일으키지 않아야 하는 것으로 규정하고 있다.

최대 교합력의 최저치인 400 N의 힘은 몸무게 40Kg의 여성을 들어 올리는데 필요한 힘의 크기에 상당하므로, 교합력이 반복 작용하는 경우 그 힘은 엄청난 것이며, 500만회의 반복 횟수는 식사 중에 저작운동이 1~2Hz의 속도로 이루어지며, 하루에 식사 3회, 1회당 3분에서 15분간 음식을 섭취하는 것을 기준으로 할 때 대략 5~10년 이상 사용될 수 있다는 것을 가정한 횟수이다.

상기 피로도 시험의 기준이 임플란트 픽스쳐의 내구연한을 5~10년을 상정하고 있기는 하나, 시술을 받은 환자나 시술자의 입장에서는 오랜 기간 안정적으로 사용하는 것을 원할 수밖에 없다.

만약 피로 파절로 인해 식립된 픽스쳐가 파손되는 경우 파절된 부위로 인해 잇몸이 괴사되고 치조골의 손상을 가져오게 되므로, 일반적으로 임플란트를 최초 식립하는 경우에 비해 수술 난이도가 높아져 환자 및 시술자에게도 큰 부담을 주게 된다. 아울러, 임플란트 제조사의 관점에서는 파절율이 높을 경우 자사 제품에 대한 신뢰도가 떨어져 제품 판매에 크게 영향을 미치는 요인으로 작용될 수 있다.

그러나 피로 파절의 문제를 극복하기 위한 방안으로 순수 티타늄 대신에 티타늄과 지르코늄의 합금을 사용하여 인장강도 특성을 개선함으로써 피로 파절에 대한 내구성을 높인다거나, 표면처리를 행하는 방안 정도가 알려져 있을 뿐이고, "임플란트"와 "피로 파절" 또는 "피로 파괴"를 검색어로 검색되는 국내 특허문헌도 등록실용신안 제20-0386621호(어버트먼트와 픽스쳐의 결합 방식을 변경)와 등록특허 제10-1668889호(픽스쳐 표면을 코팅)의 2건만이 검색될 뿐, 피로 파절의 문제를 극복하고자 안출된 특허는 찾아보기 힘든 것이 현실이다.

한편 최근의 연구에 의해 내부연결방식 순수 티타늄 소재 픽스쳐의 파절의 원인 중 하나로 헥사부 연결 구역의 기계적 특성의 불량이 확인되었으며, 제조 공정에서 헥사부가 소성 변형을 통해 형성되는 과정에서 소성 변형이 작은 결함을 발생시켜 균열핵(crack nucleation)을 형성하며, 결과적으로 도 3에 나타낸 바와 같이 균열핵이 주로 위치하는 헥사부 하단의 수평면과의 경계면에서 균열이 시작되어 전파된다는 점이 확인되었다.

도 3을 통해, 앞서 도 1에 나타낸 바와 같은 임플란트 픽스쳐에서 발생되는 세로 파절이 도 3의 b)에 흰색 화살표로 나타낸 헥사부의 저면부 균열핵(crack nucleation)에서 균열이 개시되어 전파(propagation)되는 것을 알 수가 있다.

도 3의 c) SEM 사진은 a) 사진의 사각 부위를 확대하여 촬영한 사진이며, d) 사진은 다시 c) 사진의 사각 부위를 확대하여 촬영한 사진으로서, 균열 전파가 시작되는 균열핵 주위의 균열 전파 상태를 보인 것이다.

그러나 연구를 통해 피로 파절의 원인이 소성 가공시의 결함이라는 점만을 확인하였을 뿐, 피로 파절의 원인을 극복하기 위한 구체적인 발생 원인에 대한 규명이나 발생 원인을 해소하기 위한 제조 공정과 관련해서는 아직 어떤 해결 방안도 모색된 바가 없다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0386621호(2005.06.16 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1668889호(2016.10.24 공고)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 임플란트 픽스쳐를 식립하여 오랜 기간 사용하는 경우 발생될 수 있는 피로 파절에 대한 강건성을 보장해주는 임플란트 픽스쳐 다각형부의 가공 방법을 제공하는 것이다.

기존 기술의 경우 헥사부 제조 과정에서 소성변형이 일어나고 소성변형으로 발생된 균열핵 주위에 어버트먼트에 의해 가해지는 힘으로 인해 응력의 변화가 반복되어 파국적인 피로 파절이 야기되는 문제가 있으므로, 본 발명은 이를 보다 근원적으로 해결하고자 헥사부의 가공 방법을 변경시키는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 피로 파절에 대한 강건성이 높아지도록 다각형부가 가공된 임플란트 픽스쳐를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법은 (a) 피가공물인 봉재를 일정 길이로 절단하는 단계; (b) 픽스쳐 외형을 가공하는 단계; (c) 픽스쳐 내부 형상을 가공하는 단계로서, 픽스쳐 내부에 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈을 가공하되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부 그리고 그 아래로 나사가 가공될 구멍을 가공하는 단계; (d) 상기 가공된 상측 경사부를 향해 펀칭 툴을 타격하여 다각형부를 가공하는 단계; (e) 상기 가공된 다각형부의 저면부를 포함한 하부에 보링 구간을 가공하는 단계; (f) 상기 나사가 가공될 구멍에 내부 나사부를 가공하는 단계;를 포함한다.

상기 상기 (e) 단계에서의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래 쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부로 가공될 수 있다.

또한 상기 상기 (e) 단계에서의 보링 구간은 상기 다각형부를 가공하기 위하여 사용된 상기 펀칭 툴의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이보다 큰 반경으로 형성된다.

그리고 상기 보링 구간의 제1 원형수직부의 반경은 상기 다각형부를 가공하기 위하여 사용된 상기 펀칭 툴의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이보다 큰 것일 수 있다.

보다 바람직하게는 상기 보링 구간의 상기 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하, 보링 구간의 전체 높이는 0.1~1.5mm로 설정될 수 있다.

아울러, 상기 (e) 단계에서 보링 구간을 가공하는 경우, 보링 구간의 전체 높이 중 50% 이하는 상기 가공된 다각형부의 저면부 아래 쪽을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 축선에 대한 회전 동작에 따라 치조골 조직에 삽입되어 인공치근을 형성하는 치과용 임플란트 픽스쳐로서, 픽스쳐 상단으로부터 하단까지의 외주면에 나사가 형성되고, 픽스쳐 내부에는 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈이 형성되되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부로 형성되고, 상기 상측 경사부의 아래쪽으로는 단면 형상이 다각형인 다각형부가 형성되며, 다각형부의 일정 깊이 아래쪽으로는 상기 다각형부의 다각형에 내접하는 원보다 작은 직경을 갖는 어버트먼트 결합용 나사산이 형성된 어버트먼트 결합용 내부 나사부가 형성되되, 상기 다각형부의 하단과 상기 어버트먼트 결합용 내부 나사부 상단 사이에는 상기 다각형부의 다각형에 외접하는 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형의 보링 구간이 다각형부 펀칭 공정 후에 형성된 것이다.

바람직한 실시예에 따르면 상기 원형의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경보다 큰 것일 수 있다.

또 다른 실시예로서 상기 원형의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부 그리고 수평부로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경 보다 큰 것일 수 있다.

보다 바람직하게는 원형의 보링 구간의 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하인 것이다.

또한 상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이는 0.1~1.5mm로 설정되는 것이며, 상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이 중 50% 이하는 펀칭 공정으로 형성된 다각형부의 저면부의 아래 쪽인 것이 바람직하다.

아울러 상기 다각형부의 평면 형상은 정다각형이며, 보다 바람직하게는 정6각형, 정8각형, 정12각형 중 어느 하나의 형상이다.

또 다른 실시예로서 다각형부 펀칭 공정으로 소성 변형되어 없어지는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 α/2 각도 만큼 부위의 체적을 v1으로 하고, 보링 구간을 통해 제거되는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 β각도 만큼 부위의 체적을 v2로 하여, α와 β각도가 각각 30도인 경우, 보링 구간으로 제거되는 체적 v2는 체적 v1의 70% 이상에서 130% 이하가 되도록 보링 구간을 형성하는 것일 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 임플란트 픽스쳐 내부에 다각형부를 가공시 생성된 균열핵을 제거할 수 있어 피로 파절에 대한 강건성을 높일 수 있어, 임플란트 픽스쳐를 장기간 이용할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 임플란트 픽스쳐 내부 홀의 가공 정밀도가 향상되어, 제품의 완성도를 높일 수 있고, 따라서 제품에 대한 심미감도 높아지는 효과를 가지며, 장기간의 수명을 기대할 수 있게 되어, 피로 파절로 인한 잦은 수술에 따른 부담을 경감시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 임플란트 픽스쳐의 세로 파절 사례를 보이는 사진.
도 2는 임플란트 픽스쳐의 가로 파절 사례를 보이는 사진.
도 3은 임플란트 픽스쳐의 세로 파절이 헥사부 하단 모서리에서 개시된다는 점을 보이는 사진.
도 4는 기존 기술의 헥사부와 본 발명에 의해 제작된 다각형부 하단 모서리부의 Metal Flow Line을 나타내는 SEM 사진.
도 5는 헥사부의 소성 가공을 위해 사용되는 펀칭 툴의 사진과 펀칭 가공 과정을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 임플란트 픽스쳐 다각형부 가공 방법의 과정을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 임플란트 픽스쳐 다각형부 가공 방법의 세부를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 임플란트 픽스쳐 다각형부 가공 방법에 의해 제조된 임플란트 픽스쳐의 일 실시예를 보인 사시도.
도 9는 본 발명의 임플란트 픽스쳐 다각형부 가공 방법에 의해 제조된 임플란트 픽스쳐의 일 실시예를 보인 단면도.
도 10은 본 발명의 다각형부 펀칭 공정으로 소성 변형되어 없어지는 형상과 보링 구간을 통해 제거되는 형상을 나타낸 도면.
도 11은 본 발명의 다각형부 펀칭 공정으로 소성 변형되어 없어지는 형상과 보링 구간을 통해 제거되는 형상의 체적 관계를 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 임플란트 픽스쳐의 외부 형상을 나타내는 정면도
도 13은 본 발명의 임플란트 픽스쳐의 내부 형상을 나타내는 정면도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 안출 과정을 상세히 설명하고, 또한 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 필요성과 적용 결과를 나타내주는 SEM 사진으로서, a) 사진은 기존 기술에 의해 제작된 육각형 수직부(이하에서는 육각형 수직부는 업계에서 일반적으로 통칭되는 바와 같이 "헥사부"라 함) 하단 모서리부의 "Metal flow line"이다. "Metal flow line" 사진은 해당 부위의 얇은 절단면 시편을 확보하여 평면 연마를 한 후, Macro etching 을 수행하여 획득하며, 이러한 과정을 통해 해당 금속 부위의 소성 가공 과정에서의 변형 상태를 확인할 수가 있다.

도 4의 a) 사진을 통해 기존 기술에 의해 제작된 헥사부의 경우에는 헥사부 아래쪽 모서리 부분(사진 상 흰색 부분이 픽스쳐 부분으로서, 단을 갖는 부위의 아래쪽 부분, 즉 좌측 하단 부분이 헥사부 아래쪽 모서리 부분임)쪽에서 심각한 소성 변형이 야기된다는 점을 확인할 수 있으며, 이 부분에서 결함을 갖는 균열핵이 존재하게 된다는 점을 알 수가 있고, 이에 반해 본 발명은 b) 사진의 점선으로 표시된 부분을 후 가공을 통해 제거하는 것으로서, 소성 변형 부분이 제거되고, 상하로 균일한 원래 모재 상태의 "Metal flow line"이 남게 되어 균열핵의 존재 가능성이 현저히 감소된다는 사실을 알 수가 있다.

기존 기술에서 이와 같은 문제가 초래되는 원인을 규명하기 위하여 기존 헥사부 제조공정을 살펴보면, 헥사부 가공을 위해 도 5 a)에 나타낸 바와 같은 끝단의 횡단면 형상이 직사각형인 펀칭 툴을 이용하는데, 도 5 b)에 나타낸 바와 같이 헥사부는 픽스쳐의 모재가 되는 원형봉의 내부 홈으로 어버트먼트 안착을 위한 원형 단면의 경사면을 가공한 후, 펀칭 툴(10)을 하방으로 강하게 내려치되, 다음 단계에서는 펀칭 툴을 60도 각도로 회전시킨 위치(점선으로 표시)에서 또 한번 내려치고, 그 다음 단계에서 다시 60도 각도로 펀칭 툴을 회전시킨 위치(일점쇄선으로 표시)에서 내려치는 공정을 통해 최종적으로 6각의 모서리를 갖는 헥사부를 완성하는 것이다.

그리고 이와 같이 사각의 모서리를 갖는 펀칭 툴을 강하게 내려치는 과정에서 펀칭 툴의 모서리부에 접하는 모재가 하방으로 몰려 소성 변형이 되는 과정에서 픽스쳐에는 잔류 응력이 발생되며, 이상적인 경우라면 이 잔류 응력은 압축 잔류 응력으로서 피로 파절 거동시에는 균열 개시점의 주위에서 압축력을 가하게 되어 피로 파절이 전파되는 것을 억제하는 효과를 갖는 것을 기대하게 된다.

그러나 실제에 있어서는 펀칭 툴(10)의 모서리 부분이 모재의 측면을 잘라내는 거동이 모재를 압축 변형시키는 거동과 혼재되어 나타나 헥사부의 각 모서리부는 일반적으로 기대되는 소성 가공시의 균일한 압축 잔류 응력을 기대할 수 없는 상황이 되며, 또한 마이크로하게 관찰되는 가공 표면에서의 모재의 일부가 떨어져 나간 부분이 결국 균열핵으로 존재하게 되어, 헥사부의 좌면에는 모재의 일부가 미세하게 떨어져 나가 형성되는 균열핵이 불규칙하게 다수 분포되어 피로 파절의 원인을 제공하게 될 수 있다는 점을 확인할 수가 있다.

물론 헥사부 가공시, 피가공 모재나 펀칭 툴에 가해지는 충격을 완화하기 위하여 펀칭 툴을 한번에 가격하여 헥사부를 성형하는 것이 아니라 0도, 60도, 120도 각각의 위치에서 펀칭 툴을 3~4회씩 순차적으로 가격하되, 진입 깊이를 점차 증대시켜 가면서 가공을 하기도 하고, 또는 직사각형 펀칭 툴이 아닌 정육각형의 펀칭 툴을 이용하기도 하나, 어느 경우에든 파절의 원인이 되는 균열핵은 그대로 상존할 수 밖에 없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 기존의 헥사부 가공 공정과는 상이하게 헥사부를 펀칭 공정으로 형성 후, 헥사부의 좌면에 해당되는 부위를 선반 가공을 통해 펀칭 툴의 기하학적 중심점으로부터 모서리까지의 길이보다 큰 직경으로 보링 가공을 하여 제거함으로써 헥사부 좌면에서의 극심한 소성변형과 균열핵의 존재 가능성을 현저히 감소시키는 것이다.

이를 위해 본 발명에서는 도 6에 나타낸 바와 같은 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법을 제안하는데, 제안된 가공 방법은 피가공물인 봉재를 일정 길이로 절단하는 단계, 픽스쳐 외형을 가공하는 단계, 픽스쳐 내부 형상을 가공하는 단계로서, 픽스쳐 내부에 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈을 가공하되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부 그리고 그 아래로 나사가 가공될 구멍을 가공하는 단계, 상기 가공된 상측 경사부를 향해 펀칭 툴을 타격하여 다각형부를 가공하는 단계, 상기 가공된 다각형부의 저면부를 포함한 하부에 보링 구간을 가공하는 단계, 상기 나사가 가공될 구멍에 내부 나사부를 가공하는 단계를 포함한다.

도 6에서는 픽스쳐 외형을 가공하는 단계가 픽스쳐 내부 형상을 가공하는 단계에 선행되나, 또 다른 실시예로서 픽스쳐 내부 형상을 가공하는 단계, 다각형부를 가공하는 단계, 보링 구간을 가공하는 단계 및 내부 나사부를 가공하는 단계가 종료된 후 픽스쳐 외형을 가공하는 단계로 수행되는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법도 가능함은 물론이다.

또한 도 6에서는 다각형부를 가공하는 단계 및 보링 구간을 가공하는 단계 이후에 내부 나사부를 가공하는 단계를 도시하였으나, 내부 나사부를 가공하는 단계 이후에 다각형부 및 보링 구간을 가공하는 방법도 가능함은 물론이며, 다각형부를 가공하는 단계 및 보링 구간을 가공하는 단계 이후에 피가공물을 절단하거나, 픽스쳐 외형을 가공하는 단계를 수행하는 것도 가능할 수 있다.

여기서 본 발명의 가장 핵심적인 사항은 다각형부 형성을 위해 펀칭을 수행함으로써 모재에 극심한 소성변형이 초래된 영역을 보링 구간으로 제거한다는 것으로서, 상기 다각형부의 하단과 어버트먼트 결합용 내부 나사부 상단 사이에 펀칭에 의해 형성된 다각형부의 저면부를 포함하여 상기 다각형부의 다각형에 외접하는 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 영역을 원형의 보링 구간으로 제거하는 것이다.

보다 상세하게는 도 7 a) 및 b)에 나타낸 바와 같이, 펀칭 공정으로 형성된 다각형부의 하부를 다각형부의 저면부를 포함하여 보링 공구로 제거하여 보링 구간을 형성하되, 보링 구간은 제1 수직부(131)와 라운드부(132)로 가공될 수 있으며, 보링 구간의 반경은 다각형부 가공 공정에서 사용되는 펀칭 툴의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이(결과적으로 이 길이는 다각형부 외접원의 반경에 해당함)보다 크게 설정하여야 한다.

이와 같이 보링 구간을 가공함으로써 본 발명에 의한 다각형부 하부의 피로 파괴에 대한 특성은 현저히 향상될 수 있는 바, 도 7 b) 도면 중 다각형부가 펀칭에 의해 가공된 직후의 상태를 나타낸 가운데 도면은 다각형부의 모서리에 모재의 피가공물이 상부에서 진입하는 펀칭 툴에 의해 아래쪽으로 소성 변형되며 우겨 넣어지는 상황을 나타내며, 도 4 a)에서 확인된 바와 같이 metal flow line이 심하게 변형되고, 아울러 균열핵의 존재 가능성이 높은 영역을 보여주는 것이나, 도 7 b)의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 본 발명의 방법에 의하면 문제의 다각형부의 저면부를 포함한 피가공 부위가 보링 가공으로 제거되는 것이므로, 앞서 살펴본 기존 기술의 문제점이 제거될 수 있다.

본 발명의 보링 구간은 상기한 역할을 수행할 수만 있다면 그 형상에 크게 구애 받지는 않으나, 보다 바람직하게는 상기 보링 구간은 제1 원형수직부(131)와 제1 원형수직부 아래 쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부(132)로 이루어진다.

또한 상기 보링 구간의 제1 원형수직부(131)의 반경은 상기 다각형부를 가공하기 위하여 사용된 펀칭 툴(10)의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이보다 큰 것일 수 있다.

상기 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 보다 바람직하게는 105% 이상 115% 이하, 보링 구간의 전체 높이는 0.1~1.5mm로 설정될 수 있다.

아울러 상기 (e) 단계에서 보링 구간을 가공하는 경우, 보링 구간의 전체 높이 중 50% 이하는 상기 가공된 다각형부의 저면부 아래 쪽을 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

그리고 본 발명에서의 보링 구간은 내측 경사부의 상부에 위치하는 수직구간 바로 위에 형성된다.

이와 같은 구성에 의해 펀칭 툴에 의해 소성 변형되는 상측 경사부의 모재가 기존 기술의 헥사부 아래 쪽으로 몰려 압축 잔류 응력과 균열핵이 집중되는 영역이 제거되어, 균열핵의 존재로 인한 피로 파괴 가능성을 현저히 감소시킬 수 있게 된다.

아울러 상기 다각형부의 평면 형상은 정다각형이며, 보다 바람직하게는 도 5내지 도 7에 나타낸 바와 같은 정6각형일 수 있으며, 또는 정8각형, 정12각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다.

다음으로 도 8은 이상 설명된 본 발명의 구성을 본 출원인의 제품에 적용시키고자 마련된 구체적인 실시 예로서, 축선에 대한 회전 동작에 따라 치조골 조직에 삽입되어 인공치근을 형성하는 치과용 임플란트 픽스쳐로서, 픽스쳐 상단으로부터 하단까지의 외주면에 나사(210, 220)가 형성되고, 픽스쳐 내부에는 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈(100)이 형성되되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부(110)로 형성되고, 상기 상측 경사부의 아래쪽으로는 단면 형상이 다각형인 다각형부(120)가 형성되며, 다각형부의 일정 깊이 아래쪽으로는 상기 다각형부의 다각형에 내접하는 원보다 작은 직경을 갖는 어버트먼트 결합용 나사산이 형성된 어버트먼트 결합용 내부 나사부(160)가 형성되되, 상기 다각형부의 하단과 상기 어버트먼트 결합용 내부 나사부 상단 사이에는 상기 다각형부의 다각형에 외접하는 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형의 보링 구간(130)이 다각형부 펀칭 공정 후에 형성되어 있는 것이다.

상기 원형의 보링구간(130)은 보다 바람직하게는 1 원형수직부(131)와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부(132)로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경보다 크게 형성될 수 있다.

또 다른 실시예로서 상기 원형의 보링 구간은 제1 원형수직부(131)와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부(132) 그리고 수평부(133)로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경보다 큰 것일 수 있다.

그리고 상기 원형의 보링 구간의 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하인 것이 바람직하며, 도 8과 도 9에 나타낸 도면은 보링 구간의 제1 원형수직부(131)의 직경(d1)이 다각형부(120)의 외접원 직경(dp)의 110% 인 경우를 나타낸 것이다. 상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이(h1)는 0.1~1.5mm로 설정 형성될 수 있다.

또한 상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이 중 50% 이하는 펀칭 공정으로 형성된 다각형부의 저면부의 아래 쪽을 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 제1 원형수직부(131)의 직경(d1)을 다각형부(120)의 외접원 직경(dp) 보다 지나치게 크게 설정하면, 이 경우 보링 구간에서의 픽스쳐 두께의 감소로 인해, 픽스쳐의 구조적 강도 측면에서는 상대적으로 불리한 조건을 갖게 되는 것이므로, 보링 구간의 제1 원형수직부(131)의 직경(d1)을 너무 크게 설정하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 상기 원형의 보링 구간의 제1 원형수직부 직경(d1)은 다각형부의 외접원 직경(dp)에 대한 비율의 상한을 115% 이하로 설정하였다.

다음으로 도 10과 도 11은 본 발명의 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법으로서 상기 (e)단계에서 보링 구간을 가공하는 경우, 보링 구간의 크기를 정하는 또 다른 기준을 제시하기 위한 것으로서, 도 10 a)은 내부 형상 가공 단계인 (c)단계 이후 획득된 형상 데이터에서 다각형부 펀칭 단계인 (d)단계 이후 획득된 형상 데이터 부분을 제거한 상태를 나타낸 도면이며, 도 10 b)는 보링 구간 가공 단계인 (e)단계 이후 획득된 형상 데이터에서 다각형부 펀칭 단계인 (d)단계 이후 획득된 형상 데이터 부분을 제거한 상태를 나타낸 도면이다.

즉, 도 10 a)의 우측에 나타낸 형상은 바로 다각형부 펀칭으로 없어진 부분(이하 왕관 형상이라 함)의 체적인 것이며, 도 10 b)의 우측에 나타낸 형상은 보링 구간 가공에 의해 없어진 부분(이하 반지 형상이라 함)의 체적인 것이다.

도 10 a)에서 확인할 수 있는 바와 같이 펀칭 툴 모서리에 의해 다각형부가 형성되는 과정에서 모서리 부분이 주로 소성 가공되며, 펀칭 과정을 통해 이 모서리 부분이 소성 변형되어 압밀되거나 일부는 떨어져 나가게 된다는 것을 알 수 있다.

앞서도 살펴본 바와 같이 본 발명은 과도하게 소성 변형되고 압밀된 영역을 보링 가공으로 제거하는 것으로서, 특히 다각형부의 정다각형 꼭지점 모서리 영역을 제거하는 것이 중요하고, 이 부분을 얼마만큼 제거하는 것이 바람직한 것인지에 대해서도 면밀한 검토가 이루어져야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 도 11 a)에 나타낸 바와 같이 앞서 살펴본 왕관 형상(펀칭 과정을 통해 소성 변형되어 없어지는 형상)을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 α/2 각도 만큼 부위의 체적을 v1으로 하고, 도 11 b)에 나타낸 바와 같이 앞서 살펴본 반지 형상(보링 구간 가공을 통해 제거되는 형상)을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 β각도 만큼 부위의 체적을 v2로 하여, α와 β각도가 각각 30도인 경우, 보링 구간으로 제거되는 체적 v2는 체적 v1의 70% 이상에서 130% 이하인 것을 제안한다.

이와 같은 한정은 보링 구간으로 제거하고자 하는 체적이 다각형부 펀칭 단계에서 소성 변형으로 모재에 매립되는 체적에 대응되도록 하는 것으로서, 보링 구간을 너무 작게 설정하여 균열핵을 미쳐 제거하지 못하거나, 보링 구간을 너무 크게 설정하여 픽스쳐 자체의 구조적 강성에 영향이 미쳐지는 것을 최소화하기 위한 것이다.

그리고 이와 같은 체적의 계산은 AUTOCAD 등의 일반적인 CAD 프로그램에서 제공되는 기능으로 수행이 가능한 것이므로 위와 같은 한정 사항을 토대로 보링 구간의 높이와 직경 그리고 라운드를 조절함으로써 본 발명의 기술분야에 속하는 자가 용이하게 산출 가능함은 물론이다.

본 발명의 일 실시예로서 상기 다각형부의 평면 형상에 대응되는 정다각 형상으로 앞서 살펴본 도면들은 모두 정6각형을 도시하고 있으나, 상기 다각형부의 평면 형상은 정6각형, 정8각형, 정12각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다.

그리고 일 실시예로서의 본 발명의 임플란트 픽스쳐는 도 12에 나타낸 바와 같이 픽스쳐 상단으로부터 하단까지의 외주면에 형성된 나사는 픽스쳐 상단으로부터 하단까지 단일 피치(P)의 나사로 형성하되, 픽스쳐 상단으로부터 일정 높이까지는 얕은 높이의 외부 상단 나사산(212)이 형성된 외부 상단 나사산 구간(210)으로 구성하고, 상기 얕은 높이의 나사산 아래쪽으로는 깊은 높이의 외부 하단 나사산(222)이 형성된 외부 하단 나사산 구간(220)으로 구성하며, 상기 외부 상단 나사산의 나사산 정점과 상기 외부 하단 나사산의 나사산 정점을 잇는 선은 픽스쳐 상단으로부터 하단까지 연속되는 것일 수 있다.

이 경우 상기 외부 상단 나사산은 픽스쳐의 상단면을 기준으로 볼 때, 도 13에 나타낸 바와 같이 상기 보링 구간의 라운드부 하단면으로부터 2개 내지 4개 산만큼 아래 쪽까지 형성되는 것이 더욱 바람직 한데, 이와 같이 구성하면, 보링 구간으로 인해 얇아진 벽체 두께 부분을 직접 보강한 것은 아니지만, 보링 구간 하단부 쪽으로 구조적 강성을 더욱 증대시킬 수 있어, 피로 파절 상황에 대한 보다 양호한 방어 수단으로 기능할 수 있다.

10: 펀칭 툴
100: 내부 홈
110: 상측 경사부
120: 다각형부
130: 보링 구간
131: 제1 원형수직부
132: 라운드부
133: 수평부
140: 제2 원형수직부
150: 내측 경사부
160: 내부 나사부 (어버트먼트 결합용)
210: 외부 상단 나사산 구간
212: 외부 상단 나사산
220: 외부 하단 나사산 구간
222: 외부 하단 나사산

Claims (18)

1. (a) 피가공물인 봉재를 일정 길이로 절단하는 단계;
   (b) 픽스쳐 외형을 가공하는 단계;
   (c) 픽스쳐 내부 형상을 가공하는 단계로서, 픽스쳐 내부에 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈을 가공하되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부 그리고 그 아래로 나사가 가공될 구멍을 가공하는 단계;
   (d) 상기 가공된 상측 경사부를 향해 펀칭 툴을 타격하여 다각형부를 가공하는 단계;
   (e) 상기 나사가 가공될 구멍에 내부 나사부를 가공하는 단계;
   (f) 상기 가공된 다각형부의 저면부를 포함한 하부에 보링 구간을 가공하는 단계;
   를 포함하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
2. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래 쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부로 가공되는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
3. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서의 보링 구간은 상기 다각형부를 가공하기 위하여 사용된 상기 펀칭 툴의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이보다 큰 반경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
4. 제2항에 있어서, 상기 보링 구간의 제1 원형수직부의 반경은 상기 다각형부를 가공하기 위하여 사용된 상기 펀칭 툴의 횡단면상 기하학적 중심에서 모서리까지의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
5. 제4항에 있어서, 상기 보링 구간의 상기 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하, 보링 구간의 전체 높이는 0.1~1.5mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
6. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 보링 구간을 가공하는 경우, 보링 구간의 전체 높이 중 50% 이하는 상기 가공된 다각형부의 저면부 아래 쪽을 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
7. 제1항에 있어서, 상기 다각형부의 평면 형상은 정다각형인 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
8. 제7항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 보링 구간을 가공하는 경우, 다각형부 펀칭 공정으로 소성 변형되어 없어지는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 α/2 각도 만큼 부위의 체적을 v1으로 하고, 보링 구간을 통해 제거되는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 β각도 만큼 부위의 체적을 v2로 하여, α와 β각도가 각각 30도인 경우, 보링 구간으로 제거되는 체적 v2는 체적 v1의 70% 이상에서 130% 이하가 되도록 보링 구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐의 다각형부 가공 방법
   
9. 축선에 대한 회전 동작에 따라 치조골 조직에 삽입되어 인공치근을 형성하는 치과용 임플란트 픽스쳐로서, 픽스쳐 상단으로부터 하단까지의 외주면에 나사가 형성되고, 픽스쳐 내부에는 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈이 형성되되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부로 형성되고, 상기 상측 경사부의 아래쪽으로는 단면 형상이 다각형인 다각형부가 형성되며, 다각형부의 일정 깊이 아래쪽으로는 상기 다각형부의 다각형에 내접하는 원보다 작은 직경을 갖는 어버트먼트 결합용 나사산이 형성된 어버트먼트 결합용 내부 나사부가 형성되되, 상기 다각형부의 하단과 상기 어버트먼트 결합용 내부 나사부 상단 사이에는 상기 다각형부의 다각형에 외접하는 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형의 보링 구간이 형성되고,
   상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이는 0.1~1.5mm로 설정되는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
   
10. 제9항에 있어서, 상기 원형의 보링 구간은 다각형부 펀칭 공정 후에 형성된 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
11. 제9항에 있어서, 상기 원형의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
12. 제9항에 있어서, 상기 원형의 보링 구간은 제1 원형수직부와 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부 그리고 수평부로 형성되고, 제1 원형수직부의 직경이 다각형부의 외접원의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
13. 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 원형의 보링 구간의 제1 원형수직부 직경의 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하인 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
14. 삭제
15. 제9항에 있어서, 상기 원형의 보링 구간의 축선 방향을 따른 전체 높이 중 50% 이하는 펀칭 공정으로 형성된 다각형부의 저면부의 아래 쪽인 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
16. 제9항에 있어서, 상기 다각형부의 평면 형상은 정다각형인 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
17. 제16항에 있어서, 다각형부 펀칭 공정으로 소성 변형되어 없어지는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 α/2 각도 만큼 부위의 체적을 v1으로 하고, 보링 구간을 통해 제거되는 형상을 평면상에서 보아 정다각형 꼭지점 중 하나를 기준으로 원주 방향 전후로 β각도 만큼 부위의 체적을 v2로 하여, α와 β각도가 각각 30도인 경우, 보링 구간으로 제거되는 체적 v2는 체적 v1의 70% 이상에서 130% 이하가 되도록 보링 구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    
18. 축선에 대한 회전 동작에 따라 치조골 조직에 삽입되어 인공치근을 형성하는 치과용 임플란트 픽스쳐로서, 픽스쳐 상단으로부터 하단까지의 외주면에 나사가 형성되고, 픽스쳐 내부에는 보철물 지지를 위한 어버트먼트가 결합될 수 있도록 상단면에 내부 홈이 형성되되, 상기 내부 홈은 상단면 입구부에서는 단면이 원형이며 아래쪽으로 갈수록 내경이 좁아지는 상측 경사부로 형성되고, 상기 상측 경사부의 아래쪽으로는 단면 형상이 다각형인 다각형부가 형성되며, 다각형부의 일정 깊이 아래쪽으로는 상기 다각형부의 다각형에 내접하는 원보다 작은 직경을 갖는 어버트먼트 결합용 나사산이 형성된 어버트먼트 결합용 내부 나사부가 형성되되, 상기 다각형부의 하단과 상기 어버트먼트 결합용 내부 나사부 상단 사이에는 상기 다각형부의 다각형에 외접하는 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형의 보링 구간이 형성되고,
    상기 원형의 보링 구간은 다각형부 펀칭 공정 후에 형성되며,
    상기 원형의 보링 구간은 상기 다각형부의 하단 바로 아래의 제1 원형수직부와 상기 제1 원형수직부 아래쪽의 일정 곡률을 갖는 라운드부로 형성되고, 상기 제1 원형수직부의 직경의 상기 다각형부의 외접원 직경에 대한 비율은 105% 이상 115% 이하인 것을 특징으로 하는 임플란트 픽스쳐
    

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