정형외과 기기 측정에 에어 게이징 사용

정밀 정형외과 구성품은 개별 제조 단계(절단을 시작으로 최종 가공이 끝날 때까지)가 일관되게 안정적일 경우에만 필요한 고품질 표준을 충족할 수 있습니다. 이를 위해서는 특성에 대한 프로세스 중심의 검사, 공차를 초과했을 때 빠른 피드백, 모든 프로세스 데이터의 문서화가 필요합니다.

일반적으로 부품이 원료에서 최종 제품까지 제조 프로세스를 이동할 때 치수 공차, 표면 마감 및 기하구조 특성이 더 중요해집니다. 정형외과 기기 제조 프로세스가 끝날 때 측정되는 치수 특성 중 하나는 부품을 함께 맞추는 데 사용되는 테이퍼에서 아주 작은 공차입니다. 예를 들어, 대부분 고관절 및 무릎 임플란트는 최적의 정렬 상태를 제공하고 구성품을 제위치에 “고정”하기 위해서 테이퍼를 사용합니다. 이러한 기기의 제조 중 테이퍼와 크기 모두의 통제에 따라 수명 시간 동안 정형외과 임플란트의 성능이 결정됩니다.

에어 게이징이 가장 효과적인 방법인 이유

공차이 폭이 좁을수록 게이지가 더 튼튼하고 최적의 설계 특성을 갖추어야 부품을 제대로 고정할 수 있고, 적절한 해상도와 정확도가 구현되어야 필요한 공차를 측정할 수 있습니다. 에어 게이징은 이러한 중요 파라미터를 통제하기 위한 검사 툴로써 채택률이 날로 높아지고 있습니다. 에어 게이징은 매우 정밀하고 높은 분해능을 제공합니다. 이 방법은 일반적으로 공차가 상당히 작은 분야에 사용되며 보통 ±0.001 in 미만입니다. 표면 거칠기는 50 µin 미만입니다. Ra. 이러한 조건이 존재할 때 정밀 의료 테이퍼의 경우, 에어 게이징은 종종 이 분야에서 최상의 솔루션이 됩니다.

또한 에어 게이징은 치수 관계를 검사할 때 특히 적합합니다. 뿐만 아니라 에어 게이지는 빠르고, 사용이 쉬우며, 가장 혹독한 작업 조건에서도 수백만 개의 부품을 측정할 수 있도록 오랜 기간 동안 지속 가능합니다. 심지어 일부 경우에는 한 부품에서 특정 형상 특징을 검사하여 예측하는 데 에어 게이징을 사용할 수도 있습니다.

게이지를 형성하는 물리적 프로세스를 시작하기 위해 공기를 방출하는 작은 구멍에 해당하는 에어 제트는 정형외과 테이퍼를 측정하기 위해 에어 게이징이 아주 유용한 이유가 됩니다. 어떤 게이징 센서도 이보다 작을 수 없고, 여러 지름 또는 기하구조 형상을 측정할 때 이렇게 근접해서 배치할 수 없습니다. 소형 전자 센서 또는 와전류 타입의 센서가 에어 제트 크기에 근접할 수 있지만, 경제적 측면이나 제조 시점에 작업 환경에서 사용할 수 있는 기능은 충족할 수 없습니다.

전자 센서 또는 좌표 측정기기(CMM)와 터치 프로브를 조합해서 지름과 테이퍼를 측정할 수 있습니다. 그러나 에어 제트는 제조 시점에 부품을 제조할 때 사용할 수 있는 정밀 툴 안에 구성할 수 있습니다. 이는 작업자가 거의 개입하지 않고 한 번의 빠른 측정에서 수행될 수 있습니다. CMM 또는 광학 게이징은 작업장의 부품을 100% 측정하는 데 필요한 속도와 정밀도를 지원하지 못하며, 프로세스 성능에 대한 즉각적인 피드백을 제공할 수도 없습니다.

올바른 게이지 설계 선택

다수의 테이퍼 구성품 제조업체가 존재하듯이, 테이퍼 요구 사항을 지정하기 위한 방법도 다양합니다. 기준면은 제조사마다 다를 수 있고, 공차를 여러 가지 방식으로 지정할 수 있습니다.

어셈블리가 진행되는 방식에 따라 공차가 지름에서보다 테이퍼에서 더 작거나 그 반대일 수 있습니다. 또는 하나의 지름에만 테이퍼 공자 조합이 존재할 수도 있습니다. 따라서 프린트 사양은 사용할 에어 테이퍼 게이지 설계를 선택하는 데 있어 최상의 가이드가 됩니다. 에어 게이징에서는 각각의 테이퍼 애플리케이션에 맞게 특별히 툴링이 제작되므로 수반되는 요구 사항을 적절히 이해하는 것이 매우 중요합니다.

그럼에도 불구하고 유연성과 이점을 이길 수는 없습니다. 에어 게이징은 매우 높은 분해능을 제공하며, 0.050인치보다 작은 센서를 사용합니다. 이 센서는 서로 0.10인치 안에 배치할 수 있고 여러 센서를 결합해서 작업장에서 바로 얼마든지 치수 및 기하구조 결과를 생성할 수 있습니다.

에어 테이퍼 게이지의 타입

의료 임플란트는 아주 튼튼하고 내구성이 뛰어나야 하므로 암, 수 구성품 사이에 테이퍼가 잘 맞아야 합니다. 두 부품을 함께 고정시켜 올바른 높이에 장착해야 합니다. 제조 과정에서 부품의 100%를 검사하여 두 구성품의 정확도를 확인하는 것이 일반적입니다. 이 작업은 일반적으로 차동 에어 게이징을 사용해 수행되며, 에어 게이징은 작업장에서 요구되는 높은 분해능, 정확도와 속도, 사용 편이성, 견고성을 모두 갖추고 있습니다.

에어 게이지 테이퍼 툴링의 가장 일반적인 타입은 서로 마주보는 공기 회로에서 두 제트 쌍을 포함하며, 부품과 공구 사이에 "꽉 맞게 들어가도록" 설계됩니다(그림 1 참조). 테이퍼의 간격이 너무 클 경우, 테이퍼의 작은 끝면에서 두 표면 사이에 지나친 이격 거리가 발생합니다. 테이퍼의 간격이 너무 작을 경우, 테이퍼의 큰 끝면에서 지나친 이격 거리가 발생합니다.

어떤 상황이든 연결 강성을 낮출 수 있고, 시간이 흐름에 따라 느슨해지거나 돌아가서 “고정”이 실패할 수 있습니다. 테이퍼 각도가 올바르지만 크기가 잘못된 경우, 정형외과 어셈블리의 전체 길이가 틀려지고 이식 후 예기치 않은 결과를 가져옵니다.

잼핏 툴링은 부품 지름을 측정하지 않습니다. 대신, 마스터에서 동일한 두 점과 비교해서 측정물의 두 점에서 지름 차이를 표시합니다. 테이퍼의 큰 끝면에서 지름 차이가 작은 끝면에서 지름 차이보다 클 경우, 상부 제트에 하부 제트보다 배압이 더 크게 나타납니다. 이는 음의 테이퍼 또는 더 큰 테이퍼 각도를 반영합니다. 작은 끝면에서 지름 차이가 더 클 경우, 반대의 결과가 해당되고 게이지에서 양의 테이퍼가 나타납니다.

그러나 차등 공기 미터는 지름 차이만 표시하기 때문에 어느 위치에서나 부품의 지름은 표시되지 않습니다. 따라서 이 에어 툴링 타입이 테이퍼의 마모를 적절히 반영하고 연결의 강성 손실을 허용하지만, 이러한 예측이 테이퍼 구성품의 위치 이동 정확도에 관해서는 알려주는 바가 없습니다.

이를 위해서는 전체 테이퍼 부품을 수용하도록 에어 테이퍼 링 캐비티의 크기가 조정되는 이격 거리 스타일(숄더 스타일이라고도 함) 에어 툴이 필요합니다. 부품의 기준 표면에 따라 부품이 테이퍼 끝면 또는 부품의 상단면을 기준으로 플랜지(숄더)에서 참조될 수 있습니다. 이로써 알려진 높이에서 지름 측정이 가능하게 됩니다(잼핏 타입에서처럼 이격 거리의 변화 이외에). 벨 마우스 및 배럴 형상을 검사하기 위해 또 다른 제트 세트를 추가할 수 있으며, 둘 이상의 조건이 암/수 구성품 간의 접촉 영역을 축소시킵니다.

세 번째 에어 테이퍼 게이지의 타입은 앞서 언급한 스타일 사이의 교차입니다. 이를 동시 피팅 테이퍼 게이지라고 합니다. 본질적으로 데이텀 표면을 참조하는 표시기를 포함한 잼핏 에어 툴입니다. 이는 에어 툴이 측정할 부품으로 어느 정도까지 들어가는지를 나타냅니다.

에어 게이지가 테이퍼 각도의 판독값을 제공하지만, 표시기는 지름의 크기를 나타냅니다. 암 테이퍼 부품을 측정할 때 테이퍼 지름이 너무 크면 게이지가 부품으로 더 들어갑니다. 지름이 너무 작으면 예상만큼 깊이 부품으로 들어가지 않습니다.
 

표면 고려

에어 게이징은 정밀하고 고분해능을 갖기 때문에 부품의 표면 마감 처리에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 일부 부품은 일반적으로 에어 게이징에 도움이 되지 않는 독특한 표면 마감을 포함합니다. 예를 들어, 인공 대퇴골 스템의 측정에는 스템의 근위부에 있는 연마된 부위의 걸치기가 포함됩니다. 이 부위는 정형외과 의사가 근접 육안 검사로 거칠기를 확인해야 합니다. 테이퍼의 표면 및 파상도 품질을 검증하기 위해 윤곽선 게이지를 사용해 동일 측정에서 테이퍼를 추적합니다.

양호한 표면을 이용해야 하기 때문에 에어 게이징의 적용이 복잡해집니다. 일반적인 사용 중, 에어 제트의 에어 커튼이 부품의 표면에서 해당 부위를 가립니다. 이 에어 커튼은 표면의 제한을 받아 배압을 형성하는데, 이 압력은 측정을 수행하기 위해 필요합니다. 매끈한 표면에서 평균 표면 및 피크 사이의 차이는 그다지 중요하지 않습니다(ID 부품의 경우 최소한의 이격 겨리). 하지만 표면이 매우 거친 경우, 배압이 증가하는 부위 또는 점이 크게 다를 수 있습니다. 이 수치는 에어 게이지 표시에 등록되고 표시된 지름에 영향을 줄 수 있습니다.

그러나 표면 마감 문제가 있을 때 특수 단계를 고려할 수 있습니다. 표면 마감이 50 마이크로인치 미만이라면 일반적으로 옵셋이 무시될 수 있습니다. 그렇지 않더라도 프로세스 개발 중 효과가 발견된 경우, 기계 작업자에게 표시된 유효 지름에 대해 오차를 보정할 수 있습니다. 표면의 특성과 개방 에어 제트에 어떻게 반응하는지를 이해한다면 전자 증폭기 및 게이징 컴퓨터가 평균 또는 최대 지름에 대해 뛰어난 계산값을 제공할 수 있습니다.

결론

정밀 정형외과 구성품은 대단히 높은 수준의 품질 표준을 일관되게 충족해야 합니다. 정형외과 기기 제조 프로세스 중 측정되는 중요 치수 특성 중 하나는 부품을 함께 맞추는 데 사용되는 테이퍼에서 아주 작은 공차입니다. 공차이 폭이 좁을수록 게이지가 더 튼튼하고 최적의 설계 특성을 갖추어야 부품을 제대로 고정할 수 있고, 적절한 해상도와 정확도가 구현되어야 필요한 공차를 측정할 수 있습니다. 에어 게이징은 이러한 중요 파라미터를 통제하기 위한 검사 툴로써 채택률이 날로 높아지고 있습니다.

이 기사는 George Schuetz(Mahr Inc. 정밀 게이지 담당 이사, Providence, RI)가 작성한 내용입니다.