가늘고 긴 shoulder 인공관절부 stem의 절삭 제조용 지그 개발에 관한 연구
A Study on the Development of a Jig for Machining of a Long and Slender Shoulder Prosthesis Stem
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초록
본 논문은 경량화를 목적으로 슬립화한 어깨 인공관절 모형 및 가공에 관한 연구이다. 구체적으로 길고 가는 어깨 인공관절 모형에 대하여 공진 범위를 구하고 이를 바탕으로 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 소재의 스템 모델에 대하여 절삭 가공 중에 발생하는 변형 및 진동 문제를 해결하고자 새로운 지그 메커니즘을 제안하고 그 성능을 평가하였다. 구조 해석 결과, 제안된 지그는 다양한 고정 위치 및 이송 속도 조건에서 스템의 변형과 응력을 효과적으로 제어하여 가공 안정성을 입증했다. 특히, 고정 위치가 60mm 이하인 조건에서는 변형량과 응력의 증가 폭이 비교적 작고 안정적인 수준을 유지하여, 이 구간의 고정 위치가 고정밀 가공에 가장 효과적임을 입증하였다. 진동 해석을 통해 지그 시스템의 고유 진동수가 공구 회전 주파수보다 현저히 높아 공진 위험이 낮음을 확인했다. 또한 시제품 제작으로 실현 가능성을 보여주었으며, 해석과 실험 데이터 간 평균 약 10%대 오차율로 모델 신뢰성을 확보했다. 본 연구 결과는 경량화된 어깨 인공관절 스템의 가공 정밀도와 제품 품질을 향상시켜 환자에게 더 안전하고 효과적인 인공관절을 제공하는 데 기여할 것으로 기대된다.
Abstract
This study addresses severe machining deformation and vibration issues in slender, lightweight titanium shoulder prosthetic stems, arising from their low stiffness. To resolve this, a novel jig mechanism was developed and its performance evaluated through Finite Element Analysis (FEA) and prototype testing. Structural analysis revealed the proposed jig effectively controlled stem deformation and stress across varying fixing positions and feed rates, demonstrating machining stability. Notably, stability was confirmed for fixing positions up to 60mm. Vibration analysis showed the jig system's high natural frequency, significantly exceeding tool rotation frequency, ensuring low resonance risk. Prototype fabrication confirmed feasibility, with experimental data validating FEA results with an average error rate of approximately 10%. This research significantly contributes to enhancing the machining precision and quality of lightweight shoulder prosthetic stems, providing safer and more effective prostheses for patients.