KR20240104850A - 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 타이타늄 합금 분말 및 바인더를 혼합하여 피드스탁을 형성하는 단계; 몰드에 상기 피드스탁을 주입하여 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 탈지하는 단계; 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 성형체는, 제1 성형체부; 및 상기 제1 성형체부보다 더 큰 최대직경을 가지는 제2 성형체부를 포함하고, 상기 성형체를 소결하는 단계에서, 상기 제1 성형체부는 중력 방향으로 연장되도록, 상기 제2 성형체부가 지지되는, 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 관한 것이다.
치과에서 행해지는 임플란트 시술은 인공으로 만든 치아(임플란트)를 구강에 이식하는 것을 말한다. 임플란트 시술은 드릴을 사용하여 식립 위치를 천공한 후, 임플란트를 치조골에 식립하여 뼈에 골융합시킨 다음, 임플란트에 지대주(Abutment)를 결합시킨 후에, 지대주에 최종 보철물을 씌움으로써 완료된다.
상술한 드릴 비트는 굴곡이나 홈을 가지는 형상으로 형성될 수 있다. 종래 방식에 따르면, 스테인리스 재료의 봉재를 생산, 선삭 가공, 열 처리 및 연삭 가공을 거쳐 드릴 비트가 제조되었다. 필요 시 연삭 가공 전에 홀 가공을 거칠 수도 있다.
이러한 종래 방식은 과정이 복잡하고 가공의 난이도가 높다.
이에, 본 발명의 발명자는 제조가 용이한 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 제조가 용이한 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 공정 과정을 단축시킬 수 있는 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 인체의 생체에 친화적인 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 타이타늄 합금 분말 및 바인더를 혼합하여 피드스탁을 형성하는 단계; 몰드에 상기 피드스탁을 주입하여 성형체를 형성하는 단계; 상기 성형체를 탈지하는 단계; 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 성형체는, 제1 성형체부; 및 상기 제1 성형체부보다 더 큰 최대직경을 가지는 제2 성형체부를 포함하고, 상기 성형체를 소결하는 단계에서, 상기 제1 성형체부는 중력 방향으로 연장되도록, 상기 제2 성형체부가 지지되는, 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법이 제공된다.
상기 성형체를 소결하는 단계 이후에, 상기 성형체에 등방 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 성형체를 소결하는 단계 이후에, 상기 제2 성형체부를 제거하고, 상기 제1 성형체부를 연삭 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 성형체부는 상기 제1 성형체의 말단에 형성될 수 있다.
상기 성형체를 소결하는 단계는 소결장치에서 이루어지고, 상기 소결장치는, 상기 제2 성형체부가 지지되는 거치부; 및 상기 거치부의 내측에는 상기 제1 성형체부가 통과하는 개구부를 구비할 수 있다.
상기 타이타늄 합금 분말은, Mo, Mn, Al, V, Zr, Nb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 타이타늄 합금 분말은, 하기 조성으로 형성될 수 있다.
Ti-aMo-bX-cY (a+b+c≤ 30 wt.%, X 및 Y는 불순물)
상기 중공형의 성형체를 형성하는 단계는, 1000~5000 psi의 압력, 100~500 ℃의 온도 하에서 이루어질 수 있다.
상기 성형체를 탈지하는 단계는, 상기 성형체를 헥산을 포함하는 용매에 접촉시키는 제1 탈지 단계; 및 상기 성형체를 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 기설정된 탈지온도까지 승온시키는 제2 탈지 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 성형체부는 임플란트 시술용 드릴 비트의 유사실형상(Near-Net-Shape)으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 의하면, 제조 생산 비용과 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 의하면, 인체 친화적인 타이타늄 중간재가 제공될 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다.
도 3(b) 및 도 3(c)는 도 3(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다.
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다.
도 5(b) 및 도 5(c)는 도 5(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 소결 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 탈지 단계에서의 온도 변화 예시를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 등방 가압 단계를 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다.
도 3(b) 및 도 3(c)는 도 3(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다.
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다.
도 5(b) 및 도 5(c)는 도 5(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 소결 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 탈지 단계에서의 온도 변화 예시를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 등방 가압 단계를 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법을 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다. 도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다. 도 3(b) 및 도 3(c)는 도 3(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 분말사출성형 단계를 나타낸 도면이다. 도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법에 따라 형성된 유사실형상의 성형체를 나타낸 도면이다. 도 5(b) 및 도 5(c)는 도 5(a)의 유사실형상의 성형체를 소결 후 후가공한 것을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 소결 단계를 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 탈지 단계에서의 온도 변화 예시를 나타낸 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법의 등방 가압 단계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법은, 피드스탁 형성 단계(S10), 분말사출성형 단계(S20), 탈지 단계(S30), 소결 단계(S40)를 포함할 수 있다. 설명의 편의 상, 분말사출성형을 통해 제조된 것을 '성형체'라 칭하기로 한다. 성형체는 분말사출성형 단계(S20) 이후에 탈지 단계(S30)와 소결 단계(S40)를 거치게 된다. 그 결과물은 임플란트 시술용 드릴 비트의 중간재로서 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법은, 등방 가압 단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
피드스탁 형성 단계(S10)는 타이타늄 합금 분말과 바인더를 혼합하여 피드스탁(feedstock)을 형성하는 단계이다.
타이타늄 합금 분말은 Ti와 다른 금속으로 이루어지는 합금 분말이며, Mo, Mn, Al, V, Zr, Nb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
타이타늄 합금 분말은 Ti-Mo 합금 분말을 포함할 수 있다. Ti-Mo 합금은 세포독성이 낮을 수 있다. 타이타늄 합금 분말은 Ti-aMo-bX-cY의 조성으로 형성되고, X 및 Y는 불순물(금속)일 수 있다. a+b+c≤30% (w%)일 수 있다. 30%를 초과하면 고용되지 않은 합금원소가 편석 및 석출되어 가공성 높은 합금 제조가 어려울 수 있다.
타이타늄 합금에 Mo가 사용되는 경우, Mo은 강력한 β안정화 원소이기 때문에, Mo의 첨가로 β타이타늄 합금이 제조될 수 있다. Mo에 의하면 강도, 인성, 피로저항성이 향상될 수 있다. 다만, Mo의 비율이 30%를 넘게되면 성형체의 무게가 지나치게 커질 수 있다.
어느 실시예에서, 타이타늄 합금 분말은, Ti-Mn 합금, Ti-6Al-4V, Ti-Zr-Nb 초탄성 합금 중 하나를 포함하는 합금의 분말일 수 있다.
타이타늄 합금 분말의 입도는 100~3000 메쉬(mesh)일 수 있다. 이러한 입도에서 분말의 충진성이 높을 수 있다.
타이타늄 합금 분말은 타이타늄 분말과 합금원소 분말의 혼합으로 형성될 수 있다. 합금원소는 Mo, Mn, Al, V, Zr, Nb 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
타이타늄 분말과 합금원소 분말의 크기 비율은 7:1 이상, 바람직하게는 9:1 이상으로 조절할 수 있다. 이에 따르면, 타이타늄 분말 사이에 크기가 작은 합금원소 분말이 충진되어 결과적으로 소결체의 밀도가 향상될 수 있다. 두 분말의 크기가 동일한 경우에 비해 크기 비율이 증가할수록 충진 밀도도 증가하며, 약 7:1의 비율까지 급격히 증가하고 약 9:1 이상에서는 큰 변화가 없다.
바인더는 유동성을 확보하기 위해 첨가될 수 있다. 바인더는 유기바인더를 포함할 수 있다.
구체적으로, 바인더로는 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), EVA(Ethylene-vinyl acetate), PEG(Polyethylene glycol), PMMA(Polymethyl methacrylate), POM(Polyoxymethylene), PW(paraffin wax), SA(Stearic acid) 중에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.
바인더의 혼합 비율은 25~50 vol%일 수 있다. 25 vol% 미만인 경우 사출성형 시 요구되는 유동성을 확보하기 어렵고, 50 vol%를 초과하는 경우 높은 밀도의 합금재(중간재) 구현이 어렵고, 합금재(중간재)의 형태 유지가 어려울 수 있다.
바인더 외에 다른 첨가제가 함께 혼합될 수 있으며, 혼합 과정을 거쳐 분말 사출 성형 공정에 투입하기 위한 공급 원료, 피드스탁이 마련될 수 있다.
분말사출성형 단계((S20)는 사출 성형기를 이용하여 성형체를 형성하는 단계이다. 사출 성형기는 몰드(40)를 포함할 수 있다. 본 단계에서는, 몰드(40)에 피드스탁이 주입되고 몰드(40) 형상에 대응하는 성형체가 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 사출 성형기는 호퍼(10), 실린더(20), 몰드(40), 열공급부(30)를 포함할 수 있다. 피드스탁은 호퍼(10)에 투입되고, 실린더(20)를 따라 이동하여, 몰드(40) 내로 주입될 수 있다. 호퍼(10)는 실린더(20)의 일단에 형성되고, 실린더(20)의 타단에 몰드(40)가 결합될 수 있다. 열공급부(30)는 기설정된 사출온도에 따라 피드스탁 측으로 열을 공급할 수 있다. 열공급부(30)는 실린더(20)에 열을 공급할 수 있다. 사출온도는 100~500℃사출 압력은 1000~5000psi 일 수 있다. 사출온도는 100~500℃사출 압력은 1000~5000psi의 조건 하에서 성형체의 형태가 효과적으로 유지될 수 있다.
몰드(40)는 통형상으로 형성될 수 있다. 몰드(40)는 복수의 유닛을 포함할 수 있다. 몰드(40)는 상금형(41)과 하금형(42)을 포함할 수 있다. 상금형(41)과 하금형(42)이 서로 결합되어 몰드(40) 내부의 공간이 마련될 수 있다.
분말사출성형을 위해 피드스탁(F)을 몰드(40) 내부 공간으로 충전시키는 경우에는 상금형(41)과 하금형(42)이 서로 결합되되, 성형체를 탈거시킬 때에는 상금형(41)과 하금형(42)이 서로 분리될 수 있다. 다만, 본 발명에서 몰드(40)의 형태가 한정되는 것은 아니다.
몰드(40)의 내부 공간은 임플란트 시술용 드릴 비트에 대응되는 형태를 포함하도록 형성될 수 있다. 즉, 임플란트 시술용 드릴 비트의 전반적인 형태를 포함하도록 내측면이 굴곡질 수 있다. 예를 들어, 전체적으로 통형상이되 길이방향을 따라 직경이 달라질 수 있다.
몰드(40) 내에 피드스탁(F)이 충전되어 사출되면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 임플란트 시술용 드릴 비트에 대응되는 유사실형상의 성형체가 형성될 수 있다. 유사실형상은 최종 제품과 가까운 3차원 형상을 포함하는 형상으로, 최종 제품에 대응되는 굴곡 및/또는 홈을 포함할 수 있다. 다만, 전체적인 크기는 최종 제품보다는 클 수 있다.
유사실형상의 성형체를 형성하면, 소결 단계 및/또는 등방 가압 단계 이후, 성형체를 후가공함에 있어, 성형체는 이미 최종 제품(임플란트 시술용 드릴 비트)에 대응되는 형태를 갖추었기 때문에, 후가공의 공정량이 줄어들 수 있다.
예를 들어, 성형체가 유사실형상으로 제조되는 경우, 선삭 공정이 별도로 요구되지 않고, 연삭 공정만을 통해 임플란트 시슬용 드릴 비트가 제조될 수 있다.
이에 따르면, 타이타늄과 같은 가공성이 좋지 않은 금속 소재의 가공도 비교적 짧은 시간 내에 수월하게 진행할 수 있고, 가공 중에 발생하는 폐소재의 양도 크게 줄어든다.
임플란트 시술용 드릴 비트의 유사실형상인 성형체(200)는 임플란트 시술용 핸드피스에 결합되기 위한 연결부(B)를 구비할 수 있다. 성형체(200)는 실질적으로 드릴링을 수행하는 부분으로서 연삭 가공 대상이 되는 절삭부(C)를 구비할 수 있다. 즉, 분말사출성형 단계를 통해, 연결부(B), 절삭부(C)를 모두 구비한 성형체가 제조될 수 있다. 또한, 임플란트 시술용 드릴 비트의 최종 제품에 대응되는 굴곡이나 홈을 모두 포함할 수 있다.
유사실형상으로 제조된 성형체(200)는 두 개의 파트를 포함할 수 있다. 유사실형상으로 제조된 성형체(200)는 제1 성형체부(210)와 제2 성형체부(220)를 포함할 수 있다. 제2 성형체부(220)는 제1 성형체부(210)의 말단에 위치하며, 제1 성형체부(210)보다 더 큰 직경으로 형성될 수 있다. 제2 성형체부(220)는 제1 성형체부(210)보다 더 큰 최대직경을 가질 수 있다.
제1 성형체부(210)는 최종 제품과 유사한 형상으로 형성되고, 제2 성형체부(220)는 원통형상으로 형성될 수 있다.
탈지 단계(S30)는 성형체를 탈지하여 바인더 및 기타 불순물을 제거하는 단계이다. 탈지 단계는 복수의 공정을 포함할 수 있다. 즉, 탈지가 다양한 방식으로 여러 번 수행될 수 있다. 탈지 단계는 용매를 이용한 제1 탈지 단계와 열을 이용한 제2 탈지 단계를 포함할 수 있다.
제1 탈지 단계는 성형체를 헥산(hexane)을 포함하는 용매에 접촉시키는 단계(용매탈지)이다. 이에 따라, 바인더 내 파라핀 왁스가 제거될 수 있다. 제1 탈지온도는 10~80 ℃일 수 있다. 용매는 용기에 수용되고, 성형체는 용매에 침지될 수 있다. 또는, 용매가 성형체에 분무될 수 있다.
제2 탈지 단계는 성형체에 열을 가하는 단계(열탈지)이다. 제2 탈지 단계는 기설정된 탈지온도까지 승온시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 '기설정된 탈지온도'는 제1 탈지 단계에서 제공되는 환경의 온도보다 높을 수 있다.
제2 탈지 단계는 성형체가 탈지장치(탈지챔버)에 수용되어 이루어질 수 있다. 탈지장치 내부 온도는 조절될 수 있다.
제2 탈지 단계는 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 이루어질 수 있다. 불활성 분위기는 아르곤, 질소 중 적어도 하나를 포함하는 기체에 의해 형성될 수 있다. 진공 분위기는 10-1~10 torr의 저진공 상태 또는 10-3~10-6 torr의 고진공 상태일 수 있다. 즉, 탈지장치 내부는 불활성 기체로 채워지거나 진공 상태일 수 있다. 이에 따라, 성형체의 산화가 방지될 수 있다.
제2 탈지 단계는 복수의 승온 단계를 포함할 수 있다. 제2 탈지 단계는 승온 단계과 유지 단계를 교대로 반복하여 이루어질 수 있다. 승온 단계는 일정한 속도로 온도를 높이는 것이고, 유지 단계는 온도를 유지시키는 것이다.
제2 탈지 단계는, 1차 승온 단계, 1차 유지 단계, 2차 승온 단계, 2차 유지 단계를 포함할 수 있다.
1차 승온 단계는 300 ℃까지 0.5~2 ℃으로 승온시키는 것이고, 1차 유지 단계는 300 ℃에서 1~5 h 동안 유지시키는 것이고, 2차 승온 단계는 300~900 ℃까지 0.5~2 ℃/min으로 승온시키는 것이고, 2차 유지 단계는 900 ℃에서 1~5 h 동안 유지시키는 것일 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 처음 1차 승온 단계에서 300 ℃까지 2 ℃의 속도로 승온될 수 있다. 100분 동안 200℃만큼 증가할 수 있다. 1차 유지 단계에서 200분(3시간 20분) 동안 300 ℃로 유지될 수 있다. 2차 승온 단계에서 300 ℃까지 2 ℃의 속도로 승온될 수 있다. 300분 동안 600℃만큼 증가할 수 있다. 2차 유지 단계에서 200분(3시간 20분) 동안 900 ℃로 유지될 수 있다.
이와 같이, 제2 탈지 단계는 승온과 온도 유지를 반복하여 이루어질 수 있고, 이에 따라 바인더 및 불순물 제거가 효과적으로 이루어질 수 있다.
소결 단계(S40)는 탈지된 성형체를 고온에서 열처리하여 소결하는 단계이다. 소결 단계는 고온 고진공에서 열처리되어 이루어질 수 있고, 그 결과 성형체의 조직이 치밀해질 수 있다. 소결 단계의 온도(소결온도)는 탈지 단계에서 제공되는 환경의 온도(탈지온도)보다 높을 수 있다.
소결 단계는 성형체가 소결장치(소결챔버)에 수용된 후 이루어질 수 있다.
소결 단계는 진공 분위기에서 이루어질 수 있다. 진공 분위기는 10-3~10-6 torr의 고진공 상태일 수 있다. 소결장치 내부는 불활성 기체로 채워지거나 진공 상태일 수 있다. 이에 따라, 성형체의 산화가 방지될 수 있다.
소결 단계는 승온 단계를 포함할 수 있다. 소결온도는 700~1300 ℃일 수 있다. 소결 승온 속도는 700~1300℃까지 1~5 ℃일 수 있다. 소결 시간은 1~5 h일 수 있다.
700℃미만에서는 성형체가 충분히 소결되지 않으며, 1300℃를 넘으면 성형체 조직의 화학적 활성에 의해 물성을 저하시키는 산화반응이 촉진될 수 있다. 소결 시간이 1시간보다 짧으면 소결이 충분히 이루어지지 않고, 5시간을 초과하면 산화반응이 촉진될 수 있다.
한편, 소결 단계에서, 성형체는 축소될 수 있다. 예를 들어, 성형체는 소결 전보다 약 80%로 축소될 수 있으나, 제한되지 않는다. 소결 단계에서의 축소 비율을 고려하여 분말사출성형 단계에서 사출되는 성형체의 크기가 결정될 수 있다. 예를 들어, 소결 단계에서 전체적으로 균일하게 소결 전보다 80%로 축소된다고 하면, 분말사출성형 단계에서 사출되는 성형체의 크기는, 최종 제품 대비 125%의 크기로 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 소결 단계 전후로 성형체의 축소가 일어나지 않을 수도 있으며, 균등하지 않게 축소될 수도 있다.
등방 가압 단계(S50)는 소결된 성형체를 등방으로 가압하는 단계이다. 등방 가압 단계에 의하여 성형체의 밀도가 높아질 수 있다.
성형체가 제조되는 과정에서 성형체 내부에는 기공, 크랙 등이 형성될 수 있다. 예를 들어, 피드스탁에 혼합된 바인더 또는 유동성 용매가 제거됨에 따라, 성형체 내부에 기공이 생길 수 있다.
등방 가압 단계(S50)에서는 성형체를 가압하여 상술한 기공, 크랙 등이 제거되고 성형체의 밀도가 높아질 수 있다. 이에 따라, 성형체의 강도도 향상될 수 있다.
등방 가압 단계(S50)는 HIP(Hot Isostatic Pressing, 열간 등방압 가압) 공정을 포함할 수 있다. HIP 공정, 고온의 조건에서 성형체에 등방적인 압력을 가하는 방식이다. 성형체의 모든 방향에서 일정한 압력이 가해지기 때문에, 성형체의 전체적인 형상이 변화하지 않고 유지될 수 있다. HIP 공정은 HIP장치(HIP챔버)에서 이루어질 수 있다.
HIP 공정은 2000℃이하의 온도, 2000 bar 이하의 압력 조건 하에서 이루어질 수 있다. HIP 공정은 진공 분위기에서 이루어질 수 있고, 구체적으로 10-1 내지 10-3 torr의 진공 상태에서 이루이루어질 수 있다.
HIP 공정은 상기 소결 단계에서의 온도보다 낮은 온도에서 이루어질 수 있다. 구체적으로, 600 내지 900 ℃의 온도에서 이루어질 수 있다. 또한, 최대 2000 bar 압력에서 이루어질 수 있다. 또한, 1 내지 3시간 동안 이루어질 수 있다.
도 8을 참조하면, 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 사출 성형 및 소결되어 성형체(1000)가 제공되는데, 성형체(1000) 내부에는 기공이나 크랙(1001)이 형성될 수 있다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 성형체(1000)는 HIP챔버(400) 내에 수용되고 고온의 환경에서 등방으로 가압(화살표 참조)될 수 있다. 이에 따라, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 성형체(1000) 내 기공이나 크랙(1001)이 제거되고 성형체(1000)는 고밀도화 및 고강도화될 수 있다.
한편, 성형체는 HIP 공정을 거친다 하더라도 사출 성형 단계에서 사출 성형된 성형체의 형태를 그대로 유지할 수 있다. 소결 단계와 HIP 공정의 등방 가압 단계를 거쳐 성형체의 크기만 축소될 수 있다. 따라서, 사출 성형 단계에서는 최종 제품보다 큰 크기로 사출될 수 있다.
한편, 등방 가압 단계(S50)는 CIP(Cold Isostatic Pressing, 냉간 등방압 가압) 공정을 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 소결 단계에서 제1 성형체부(210)가 중력 방향으로 연장되게 배치될 수 있다. 여기서, 제2 성형체부(220)는 제1 성형체부(210)의 위치를 고정시킬 수 있다. 즉, 제2 성형체부(220)의 직경이 크기 때문에 스토퍼 역할을 할 수 있다. 제2 성형체부(220)는 외부 구조물에 의해 지지될 수 있고, 제1 성형체부(210)는 중력 방향으로 길게 배치될 수 있다.
이에 따라, 소결 단계에서의 제1 성형체부(210)의 직진성이 확보될 수 있다. 제1 성형체부(210)가 중력 방향으로 길게 배치되면, 제1 성형체부(210)는 전체에 있어서 중력 방향으로 균등한 힘을 받고 소결 단계에서 균등하게 수축할 수 있다.
소결장치(소결챔버)(300)에는 거치부(310)가 마련되고, 제2 성형체부(220)는 상기 거치부(310)에 의해 지지될 수 있다. 거치부(310)는 판상으로 형성될 수 있다. 거치부(310)는 복수로 형성될 수 있다.
거치부(310) 내측에는 제1 성형체부(210)가 통과할 수 있는 개구부(320)가 마련될 수 있다.
예를 들어, 거치부(310)가 판상으로 형성되고, 개구부(320)는 거치부(310)를 관통하도록 형성될 수 있다. 거치부(310)가 복수로 형성되는 경우, 복수의 거치부(310)는 제1 성형체부(210)의 둘레를 따라 배치될 수 있다. 복수의 거치부(310) 내측에는 제1 성형체부(210)가 통과할 수 있는 개구부(320)가 마련될 수 있다.
이에 따라, 제1 성형체부(210)는 개구부(320)를 통해 일자로 세워지고, 제2 성형체부(220)의 의해 더 이상 아래쪽으로 빠지지 않고 고정될 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 성형체(200)의 소결 단계 및/또는 등방 가압 단계 이후에 제2 성형체부(220)는 제거될 수 있다. 제2 성형체부(220)는 절단될 수 있다. 이에 따라, 제1 성형체부(210)만 남을 수 있다. 이러한 제1 성형체부(210)는 최종 제품에 대응되는 형상을 갖고 있기 때문에, 후가공을 통해 바로 최종 제품이 될 수 있다.
도 3(c)를 참조하면, 제2 성형체부(220) 제거 후에 제1 성형체부(210)가 후가공될 수 있다. 여기서, 후가공은 도 3(b)의 절삭부(C)에 대해 이루어지는 연삭 공정을 포함할 수 있다.
연삭 가공은 날세우기 가공으로서, 연삭 가공에 의해 드릴링을 위한 날부(D)가 형성될 수 있다. 날부(D)의 형태는 기설정된 디자인에 따라 달라질 수 있다. 이러한 날부(D)는 임플란트 시술 시 천공에 참여할 수 있다.
성형체가 유사실형상으로 제조되는 경우, 선삭 공정이 별도로 요구되지 않고, 연삭 공정만을 통해 임플란트 시슬용 드릴 비트가 제조될 수 있다.
이에 따르면, 타이타늄과 같은 가공성이 좋지 않은 금속 소재의 가공도 비교적 짧은 시간 내에 수월하게 진행할 수 있고, 가공 중에 발생하는 폐소재의 양도 크게 줄어든다.
연삭 공정 이후, 버(burr) 제거, 그라인딩(grinding), 표면 처리 등의 마무리 가공을 선택적으로 거칠 수 있다. 표면 처리는 내구성 및 내식성을 향상시키기 위한 표면층을 형성하는 단계일 수 있고, 예를 들어 산화피막처리로 방식층을 형성하는 단계일 수 있다. 방식층은 양극산화피막(아노다이징) 처리 또는 플라즈마 전해산화 처리, 부동태 처리 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상술한 마무리 가공을 거쳐 임플란트 시술용 드릴 비트 제조가 완료될 수 있다.
도 4를 참조하면, 몰드(40)의 내부에는 일방향으로 연장된 핀 구조물(50)이 위치할 수 있다. 몰드(40) 내부 공간의 중심에 핀 구조물(50)이 위치할 수 있다. 몰드(40)는 핀 구조물(50)을 중심으로 대칭으로 형성될 수 있다. 핀 구조물(50)은 가느다란 원통형상으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 몰드(40)는 봉상(원통형상)이고, 중심에 핀 구조물(50)이 위치할 수 있다. 핀 구조물(50)은 몰드(40)의 길이방향으로 길게 연장될 수 있다. 핀 구조물(50)의 길이는 몰드(40)의 길이와 동일할 수 있다. 핀 구조물(50)의 길이는 하금형(42)(또는 상금형(41))의 길이와 동일할 수 있다.
몰드(40) 내에 피드스탁(F)을 주입하게 되면, 몰드(40)의 형태에 대응하여 피드스탁(F)이 충전될 수 있다. 몰드(40) 내 핀 구조물(50)은 피드스탁의 충전을 막기 때문에, 성형체에서 핀 구조물(50)만큼 빈 공간이 마련된다. 이에 따라, 중공형의 성형체가 형성될 수 있다. 즉, 통형상의 성형체에 중심을 따라 중공(A)이 형성된 성형체가 형성될 수 있다.
몰드(40)가 원통형상이고, 중심에 핀 구조물(50)이 위치하는 경우, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 중심에 중공(A)이 형성된 유사실형상의 성형체(200)가 형성될 수 있다. 중공(A)의 단면은 원형일 수 있다.
핀 구조물(50)의 직경(외직경)은 0.8mm 내지 1.2 mm 일 수 있다. 이에 따라, 사출되어 나온 성형체(소결 전 성형체)(200)의 중공(A) 직경(내직경) 역시 0.8mm 내지 1.2 mm 일 수 있다. 예를 들어, 핀 구조물(50)의 직경은 1mm이고, 이에 따라 사출되어 나온 성형체(소결 전 성형체)(200)의 중공(A) 직경은 1mm일 수 있다.
임플란트 시술 중 드릴링 작업 시 치조골과 드릴 간 마찰에 의해 발생된 열(44 ℃내지 70 ℃의 온도 영향)은 임플란트 골유착 실패의 원인(충혈, 괴사, 섬유화, 골세포의 변성 등의 이유)이 되므로 냉각수 주수를 통한 충분한 냉각이 필수적이다.
상술한 중공(A)은 주수용으로 사용될 수 있다. 이에 따라, 임플란트 시술용 드릴 비트는 내부 주수법을 가능케 할 수 있다. 즉, 드릴 비트와 골이 접촉하는 부위로 냉각수를 공급하여 직접적으로 냉각을 시킬 수 있다.
여기서, 냉각뿐만 아니라, 드릴 비트의 날에 피삭재(골세편)가 막히는 것 또한 방지될 수 있다. 골와동 깊이와 상관없이 계속해서 드릴의 날카로움을 유지될 수 있고, 효과적인 골삭제가 이루어져 간접적인 온도 상승을 예방할 수 있다.
한편, 임플란트 시술용 드릴 비트가 타이타늄 합금으로 형성되는 경우, 타이타늄은 인체 친화적인 금속이기 때문에, 알러지 반응이 줄어들고, 환자에게 고통을 경감시킬 수 있다. 또한, 타이타늄은 스테인리스 금속에 비해 바닷물 및 산성 환경에서의 내식성/부식성이 우수하다. 체액 분위기는 바닷물과 유사하므로, 타이타늄은 스테인리스에 비해 생체 적합성이 뛰어날 수 있다.
또한, 스테인리스(예를 들어, SUS402J)를 사용하는 경우, 물성 만족을 위한 열처리 가공(quenching, tempering)이 필요하나, 본 발명에서는 타이타늄 합금을 사용하기 때문에 이러한 열처리 가공을 거치지 않더라도 물성이 기준에 적합할 수 있다.
상술한 중공(A)은 분말사출성형 단계에서 이미 형성되기 때문에, 본 발명에서는 주수용 중공(A)을 위한 별도의 홀 가공이 불필요하다.
종래 기술에서는, 중공이 없는 봉재를 제조한 후 주수용 중공(A)을 위한 별도의 홀 가공을 하게 되는데, 슈퍼드릴을 이용하는 경우, 가공 열 발생 및 축적으로 인한 공구 마모 및 손상 방지를 위해서는 50 mm 높이를 가공하는 동안 드릴 비트(성형체)를 넣었다 빼는 것을 반복하면서 오랜 시간 동안 천천히 가공하여야 한다. 또한, 레이저 홀 가공의 경우, 약 50 mm 높이의 홀을 레이저로 조사하여 가공하기 때문에 가공 시간이 길다. 더욱이, 성형체 하나 하나에 직접 홀 가공을 해야하므로 생산성이 아주 떨어진다.
하지만, 본 발명에 따르면, 분말사출성형 시 중공(A)이 미리 만들어진 채로 성형체가 형성되기 때문에, 이러한 슈퍼드릴이나 레이저의 사용이 불필요하여 리드타임이 현저히 줄어들 수 있다. 또한, 몰드(40)의 개수(또는 몰드(40)의 내부 공간의 개수)를 조절하여 대량생산이 가능하므로 생산성이 매우 향상될 수 있다.
한편, 종래에 스테인리스재를 사용한 것과 달리 본 발명에서는, 타이타늄 합금을 사용하며, 타이타늄 합금의 경우, 가공 난이도가 높아 작업자의 숙련도가 요구되며, 가공 중 공구의 마모, 손상이 심할 수 있는데, 본 발명에 따라 타이타늄 합금 분말을 이용하여 분말사출성형을 하게 되면, 숙련도가 낮은 작업자도 용이하게 생산할 수 있으며, 생산 단가가 현저히 낮아질 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 성형체(200)의 소결 단계 및/또는 등방 가압 단계 이후에 제2 성형체부(220)는 제거될 수 있다. 제2 성형체부(220)는 절단될 수 있다. 이에 따라, 제1 성형체부(210)만 남을 수 있다. 이러한 제1 성형체부(210)는 최종 제품에 대응되는 형상을 갖고 있기 때문에, 후가공을 통해 바로 최종 제품이 될 수 있다.
도 5(c)를 참조하면, 제2 성형체부(220) 제거 후에 제1 성형체부(210)가 후가공될 수 있다. 여기서, 후가공은 도 5(b)의 절삭부(C)에 대해 이루어지는 연삭 공정을 포함할 수 있다. 연삭 공정을 통해 날부(D)가 형성될 수 있다. 이러한 날부(D)는 임플란트 시술 시 천공에 참여할 수 있다.
또한, 후가공은 버 제거 공정, 그라인딩 공정, 표면 처리 공정 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 임플란트 시술용 드릴 비트 제조가 완료될 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
10: 호퍼
20: 실린더
30: 열 공급부
40: 몰드
50: 핀 구조물
200: 성형체
A: 중공
210: 제1 성형체부
220: 제2 성형체부
B: 연결부
C: 절삭부
D: 날부
300: 소결챔버
310: 거치부
320: 개구부
1000: 성형체
20: 실린더
30: 열 공급부
40: 몰드
50: 핀 구조물
200: 성형체
A: 중공
210: 제1 성형체부
220: 제2 성형체부
B: 연결부
C: 절삭부
D: 날부
300: 소결챔버
310: 거치부
320: 개구부
1000: 성형체
Claims (10)
- 타이타늄 합금 분말 및 바인더를 혼합하여 피드스탁을 형성하는 단계;
몰드에 상기 피드스탁을 주입하여 성형체를 형성하는 단계;
상기 성형체를 탈지하는 단계;
상기 성형체를 소결하는 단계를 포함하고,
상기 성형체는,
제1 성형체부; 및
상기 제1 성형체부보다 더 큰 최대직경을 가지는 제2 성형체부를 포함하고,
상기 성형체를 소결하는 단계에서,
상기 제1 성형체부는 중력 방향으로 연장되도록, 상기 제2 성형체부가 지지되는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 단계 이후에,
상기 성형체에 등방 가압하는 단계를 더 포함하는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 단계 이후에,
상기 제2 성형체부를 제거하고, 상기 제1 성형체부를 연삭 가공하는 단계를 더 포함하는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제2 성형체부는 상기 제1 성형체의 말단에 형성되는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형체를 소결하는 단계는 소결장치에서 이루어지고,
상기 소결장치는,
상기 제2 성형체부가 지지되는 거치부; 및
상기 거치부의 내측에는 상기 제1 성형체부가 통과하는 개구부를 구비하는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 타이타늄 합금 분말은, Mo, Mn, Al, V, Zr, Nb 중 적어도 하나를 포함하는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 타이타늄 합금 분말은, 하기 조성으로 형성되는,
Ti-aMo-bX-cY (a+b+c≤ 30 wt.%, X 및 Y는 불순물)
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 중공형의 성형체를 형성하는 단계는,
1000~5000 psi의 압력, 100~500 ℃의 온도 하에서 이루어지는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 성형체를 탈지하는 단계는,
상기 성형체를 헥산을 포함하는 용매에 접촉시키는 제1 탈지 단계; 및
상기 성형체를 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 기설정된 탈지온도까지 승온시키는 제2 탈지 단계를 포함하는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 성형체부는 임플란트 시술용 드릴 비트의 유사실형상(Near-Net-Shape)으로 형성되는,
임플란트 시술용 드릴 비트의 타이타늄 합금 중간재 제조 방법.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240104850A true KR20240104850A (ko) | 2024-07-05 |
Family
ID=
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