[TECH & INSIDE] 세코툴스, 임플란트 소재로 부상 중인 세라믹의 가공 세라믹의 고효율 가공 위해 PCD, CBN 공구 필요 최근 의료 임플란트 소재로 부상 중인 세라믹은 금속이나 폴리머와 비교했을 때 고강도, 내마모성, 매끄러움성 등의 특징을 갖고 있다. 이러한 세라믹을 가공하기 위해서는 특수제작된 절삭 인서트와 멀티태스킹 공작기계에 장착한 레이저의 활용이 필수적이며, 레이저 빔을 절삭 인서트 앞에 정밀하게 위치시켜 피삭재 재질에 열을 가해 연화시켜야 효과적인 가공이 가능하다. 최근 주요 의료 임플란트 OEM 업체들은 세라믹 재질을 사용한 보다 다양하고 일반적인 임플란트 생산 가능성에 주목하고 있다. 세라믹은 금속이나 폴리머와 비교했을 때 고강도, 내마모성, 매끄러움성 및 생체 적합성 등의 특성을 가지고 있어 임플란트 소재로 적합하다. 하지만 단 한가지 가공성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.대부분의 사람들은 세라믹을 단단한 바닥에 떨어지면 쉽게 깨져버리는 접시나 커피잔으로 떠올린다. 하지만 산업용 또는 의료 세라믹의 경우는 다르다. 이러한 세라믹은 훨씬 인성과 밀도가 높아 잘 깨지지 않지만 그만큼 기존 방식들로는 가공이 어렵다. 그러나 이 문제는 다행히 레이저 빔으로 해결이 가능하다. 현재 세라믹 임플란트는 매우 소량 생산되고 있다. 이들을 윤곽, 포켓 및 기타 복잡한 부품 형상을 가공하기에는 성능이 제한돼 있는 다이아몬드 휠 장착 연마기를 사용하여 생산하기 때문에 단순한 형상으로 제작된다. 여기에 느린 연마 공정, 높은 제조비용 때문에 결국 임플란트의 가격이 매우 비싸진다. 이러한 이유로 환자들은 비교적 가격이 저렴한 금속 임플란트를 선택하고 있어 세라믹 임플란트를 사용하는 환자 수는 극히 제한적이다. 요즘 대부분의 임플란트는 티타늄, 코발트 크롬, 또는 스테인리스강으로 제작한다. 이러한 일반 임플란트는 무릎 및 고관절 대치술에 폭넓게 사용되고 있으며 대퇴부, 관절 및 경골 부품으로도 사용되고 있다. 금속 임플란트의 평균 수명은 사용 용도에 따라 달라진다. 좀 더 활동적인 임플란트 이식자의 경우 더 빨리 마모될 것이다. 경우에 따라서 10년이 될 수도 있고 덜 활동적인 사람의 경우 25년이 될 수도 있다. 즉, 젊은 금속 임플란트 이식자의 초기 임플란트는 인간의 생애 주기를 기준으로 한두 번의 교체가 필요할 수 있음을 의미한다. 무릎이나 고관절 대치술과 같은 정형 외과적 수술에 따른 재활 치료는 상당한 고통이 따르며 장기적이라는 점을 염두해야 한다. 사람의 수명이라고 볼 수 있는 75년 동안 사용이 가능한 세라믹 임플란트를 생각해 보면, 임플란트 이식자는 한 번의 수술과 회복기만 견디면 된다. 게다가 세라믹 임플란트 이식 과정에서는 금속 임플란트 이식 결과에서 볼 수 있는 인체 내 이물질에 대한 주변 조직과의 찰과상이 발생하지 않을 것이다. 한편, 세라믹 임플란트의 이점들은 가공비용이 저렴해져 합리적인 가격으로 이용할 수 있게 되기 전까지는 활용하기 어렵다. 이것이 바로 제조업체, 대학 및 연구 기관들이 기존의 공작기계를 사용한 세라믹 가공법을 찾아내기 위해 다양한 접근법을 검토하고 테스트하는 이유다. 현재 레이저를 이용한 기술이 희망적인 연구 결과를 보여주고 있다.비용 효율적인 세라믹 가공 공정의 핵심 요소는 특수 제작된 절삭 인서트와 멀티태스킹 공작기계에 장착한 레이저의 탁월한 활용에 있다. 기계는 레이저 빔을 절삭 인서트의 앞에 정밀하게 위치시켜 피삭재 재질에 열을 가하여 연화시키는 방법으로 절삭을 용이하게 한다. 세라믹의 비용 효율적인 가공을 위해 발전된 커터 기술에는 다결정체 다이아몬드(PCD), 입방정 질화붕소(CBN) 등이 포함된다. CBN은 몇몇 세라믹 가공 작업에서 지대한 발전 가능성을 보여 줬다. 게다가 매우 높은 강도의 초경 공구가 세라믹 테스트에 사용됐다. 현재까지 레이저 보조 가공을 통해 질화규소, 지르코늄, 알루미나 등의 세라믹 재료를 성공적으로 선삭, 밀링 및 스레드 가공할 수 있었다. 하지만 가장 눈에 띄는 발전은 이러한 시스템이 절삭 공구 수명을 연장하고 세라믹 재료들의 가공 시간을 줄이며 이전에는 만들어내지 못했던 부품들을 생산할 수 있게 됐다는 점이다. 레이저 보조 가공 기술 발전을 연구하는 기관들은 끊임없이 세라믹 절삭 공정에 대한 폭넓은 이해를 얻기 위한 연구를 계속해 나갈 것이며 세라믹 사용은 의료 업계뿐 아니라 자동차 및 항공의 엔진 부품, 베어링과 같은 다른 응용 분야에서도 큰 발전을 이룰 것이다. 그러나 먼저 절삭공구의 인선 처리 및 절삭공구와 특정 세라믹 물질과의 화학반응을 보다 잘 이해하기 위해 더 많은 연구를 시행해야 한다. 앞으로의 테스트를 거쳐 세라믹 재료에 빠른 열전달을 위한 레이저의 효율적인 사용을 늘리고 가열이 필요한 피삭재 부분에 대한 정확성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.레이저 보조 가공법을 이용한 프로세스가 이러한 추세로 발전한다면 20여 년 전, 고경도 선삭 가공이 연삭 가공을 대체했던 것과 같이 세라믹 가공이 다이아몬드 휠 연삭 가공을 대체할 수 있으리라 예상된다. 그 방법에 대한 연구는 아직 시작 단계에 있지만, 산업용 세라믹을 재료로 하는 의료 임플란트와 부속품들의 제조비용을 절감하기 위한 주요 핵심 단계는 이미 진행 중에 있다.■글_ Don Graham, 세코툴스 교육 및 기술 서비스 담당 매니저

[TECH & INSIDE] 세코툴스, 임플란트 소재로 부상 중인 세라믹의 가공

세라믹의 고효율 가공 위해 PCD, CBN 공구 필요

기사입력 2014-02-23 00:01:42

최근 의료 임플란트용으로 세라믹 소재에 대한 관심이 증대되고 있다.

[산업일보]

최근 의료 임플란트 소재로 부상 중인 세라믹은 금속이나 폴리머와 비교했을 때 고강도, 내마모성, 매끄러움성 등의 특징을 갖고 있다. 이러한 세라믹을 가공하기 위해서는 특수제작된 절삭 인서트와 멀티태스킹 공작기계에 장착한 레이저의 활용이 필수적이며, 레이저 빔을 절삭 인서트 앞에 정밀하게 위치시켜 피삭재 재질에 열을 가해 연화시켜야 효과적인 가공이 가능하다.

최근 주요 의료 임플란트 OEM 업체들은 세라믹 재질을 사용한 보다 다양하고 일반적인 임플란트 생산 가능성에 주목하고 있다. 세라믹은 금속이나 폴리머와 비교했을 때 고강도, 내마모성, 매끄러움성 및 생체 적합성 등의 특성을 가지고 있어 임플란트 소재로 적합하다. 하지만 단 한가지 가공성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.

대부분의 사람들은 세라믹을 단단한 바닥에 떨어지면 쉽게 깨져버리는 접시나 커피잔으로 떠올린다. 하지만 산업용 또는 의료 세라믹의 경우는 다르다. 이러한 세라믹은 훨씬 인성과 밀도가 높아 잘 깨지지 않지만 그만큼 기존 방식들로는 가공이 어렵다. 그러나 이 문제는 다행히 레이저 빔으로 해결이 가능하다.

현재 세라믹 임플란트는 매우 소량 생산되고 있다. 이들을 윤곽, 포켓 및 기타 복잡한 부품 형상을 가공하기에는 성능이 제한돼 있는 다이아몬드 휠 장착 연마기를 사용하여 생산하기 때문에 단순한 형상으로 제작된다. 여기에 느린 연마 공정, 높은 제조비용 때문에 결국 임플란트의 가격이 매우 비싸진다. 이러한 이유로 환자들은 비교적 가격이 저렴한 금속 임플란트를 선택하고 있어 세라믹 임플란트를 사용하는 환자 수는 극히 제한적이다.

요즘 대부분의 임플란트는 티타늄, 코발트 크롬, 또는 스테인리스강으로 제작한다. 이러한 일반 임플란트는 무릎 및 고관절 대치술에 폭넓게 사용되고 있으며 대퇴부, 관절 및 경골 부품으로도 사용되고 있다.

금속 임플란트의 평균 수명은 사용 용도에 따라 달라진다. 좀 더 활동적인 임플란트 이식자의 경우 더 빨리 마모될 것이다. 경우에 따라서 10년이 될 수도 있고 덜 활동적인 사람의 경우 25년이 될 수도 있다. 즉, 젊은 금속 임플란트 이식자의 초기 임플란트는 인간의 생애 주기를 기준으로 한두 번의 교체가 필요할 수 있음을 의미한다. 무릎이나 고관절 대치술과 같은 정형 외과적 수술에 따른 재활 치료는 상당한 고통이 따르며 장기적이라는 점을 염두해야 한다.

세라믹 가공에 적합한 PCD 공구

사람의 수명이라고 볼 수 있는 75년 동안 사용이 가능한 세라믹 임플란트를 생각해 보면, 임플란트 이식자는 한 번의 수술과 회복기만 견디면 된다. 게다가 세라믹 임플란트 이식 과정에서는 금속 임플란트 이식 결과에서 볼 수 있는 인체 내 이물질에 대한 주변 조직과의 찰과상이 발생하지 않을 것이다.

한편, 세라믹 임플란트의 이점들은 가공비용이 저렴해져 합리적인 가격으로 이용할 수 있게 되기 전까지는 활용하기 어렵다. 이것이 바로 제조업체, 대학 및 연구 기관들이 기존의 공작기계를 사용한 세라믹 가공법을 찾아내기 위해 다양한 접근법을 검토하고 테스트하는 이유다. 현재 레이저를 이용한 기술이 희망적인 연구 결과를 보여주고 있다.

비용 효율적인 세라믹 가공 공정의 핵심 요소는 특수 제작된 절삭 인서트와 멀티태스킹 공작기계에 장착한 레이저의 탁월한 활용에 있다. 기계는 레이저 빔을 절삭 인서트의 앞에 정밀하게 위치시켜 피삭재 재질에 열을 가하여 연화시키는 방법으로 절삭을 용이하게 한다.

세라믹의 비용 효율적인 가공을 위해 발전된 커터 기술에는 다결정체 다이아몬드(PCD), 입방정 질화붕소(CBN) 등이 포함된다. CBN은 몇몇 세라믹 가공 작업에서 지대한 발전 가능성을 보여 줬다. 게다가 매우 높은 강도의 초경 공구가 세라믹 테스트에 사용됐다.

현재까지 레이저 보조 가공을 통해 질화규소, 지르코늄, 알루미나 등의 세라믹 재료를 성공적으로 선삭, 밀링 및 스레드 가공할 수 있었다. 하지만 가장 눈에 띄는 발전은 이러한 시스템이 절삭 공구 수명을 연장하고 세라믹 재료들의 가공 시간을 줄이며 이전에는 만들어내지 못했던 부품들을 생산할 수 있게 됐다는 점이다.

레이저 보조 가공 기술 발전을 연구하는 기관들은 끊임없이 세라믹 절삭 공정에 대한 폭넓은 이해를 얻기 위한 연구를 계속해 나갈 것이며 세라믹 사용은 의료 업계뿐 아니라 자동차 및 항공의 엔진 부품, 베어링과 같은 다른 응용 분야에서도 큰 발전을 이룰 것이다. 그러나 먼저 절삭공구의 인선 처리 및 절삭공구와 특정 세라믹 물질과의 화학반응을 보다 잘 이해하기 위해 더 많은 연구를 시행해야 한다. 앞으로의 테스트를 거쳐 세라믹 재료에 빠른 열전달을 위한 레이저의 효율적인 사용을 늘리고 가열이 필요한 피삭재 부분에 대한 정확성을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.

레이저 보조 가공법을 이용한 프로세스가 이러한 추세로 발전한다면 20여 년 전, 고경도 선삭 가공이 연삭 가공을 대체했던 것과 같이 세라믹 가공이 다이아몬드 휠 연삭 가공을 대체할 수 있으리라 예상된다. 그 방법에 대한 연구는 아직 시작 단계에 있지만, 산업용 세라믹을 재료로 하는 의료 임플란트와 부속품들의 제조비용을 절감하기 위한 주요 핵심 단계는 이미 진행 중에 있다.

■글_ Don Graham, 세코툴스 교육 및 기술 서비스 담당 매니저

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온라인 뉴스팀 kidd@kidd.co.kr

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