최근 고령화 및 젊은 경제활동인구 증가로 인하여 인공관절 시장이 증가하고 있는 추세이다. 퇴행성 관절염, 염증성 관절염, 무혈성 괴사증 등 심한 통증을 동반한 무릎관절 질환을 가진 환자에게 통증 없이 높은 수준의 일상 생활로 복귀 할 수 있도록 해주는 정형 외과적 치료 방법으로 슬관절 전 치환술이 시행된다. 그러나 인체 내에 인공관절을 삽입 시 기존의 시멘트 고정법을 사용할 경우 시멘트에 의한 질병문제가 발생하여 무시멘트형 고정법의 기술이 주목 받고 있다. 무시멘트형 고정법은 인공관절의 표면에 다공성 구조를 형성시켜 골들이 다공성 구조로 성장해 가며 골 유합을 유도시켜 고정하는 방법이다. 효과적인 골 유합을 위해서는 정밀한 다공성 구조의 구현이 중요하다. 따라서 Bead Sintering, Titanium Plasma Spray 등의 기존 기술 보다 상당히 높은 정밀도를 가지는 금속적층기술로 다공성 구조 및 인공관절을 제작하는 것에 대한 관심이 집중되고 있다. 하지만, 금속적층기술에는 금속의 공정 중 발생하는 용융과 응고에서 높은 온도구배와
빠른 냉각속도에 의한 높은 잔류응력, 내부 결함 발생, 강한 집합조직 형성 등의 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 Thermal Mechanical 해석과 실제 제작 및 평가를 통하여 Powder Bed Fusion 방식 금속적층기술기반 무시멘트형 경골기저판 제작을 위한 제조 공정 방향을 제시하였다.
Voronoi 기법으로 설계된 다공성 구조와 초기 고정력을 높이며, 응력 차폐 현상을 최소화할 수 있는 2개의 Spike와 Keel 형태의 무시멘트형 경골기저판을 설계하였다. 무시멘트형 경골기저판의 실제 출력에 앞서 Cantilever 모델로 공정 범위를 축소하고, 축소된 공정조건으로 무시멘트형 경골기저판 모델의 Thermal Mechanical 해석을 수행하였다. 이후 6가지 에너지 밀도의 차이를 가지는 공정조건으로 무시멘트형 경골기저판을 제작하고 형상 정밀도, 밀도, 미세조직 및 피로시험 평가를 수행하였다.
설계된 무시멘트형 경골기저판의 Thermal Mechanical 해석에서 응력 및 변위는 Keel 부위에 집중이 되며 변형이 일어나는 결과를 보였다. 실제 출력물의 3D 스캐너를 활용한 형상 정밀도는 77.5-88.5%로 낮은 형상 정밀도를 보였으며, 서포터를 제거한 위치인 PE Insert 삽입부에서의 정밀도가 다른 위치에 비하여 현저히 낮기 때문이다. 그리고 60.76-104.16 J/mm3의 에너지 밀도 범위에서 제조된 모든 무시멘트형 경골기저판에서 유사한 분포의 침상 α＇마르텐사이트가 지배적인 미세구조가 나타났다. 하지만 104.16 J/mm3의 에너지 밀도에서 높은 온도에 의하여 Al과 V의 일부가 기화되어 Ti-6Al-4V ELI의 성분 범위에 해당되지 않는 성분 함량이 나타나며, 부분적으로 α＇마르텐사이트가 아닌 다른 형태의 Lamella 미세구조가 나타났다. 그리고 형상 정밀도와 밀도 측면에서 우수하였던 81.01 J/mm3과 86.80 J/mm3의 에너지 밀도의 출력물 피로시험결과 ASTM-F1800 기준에 81.01 J/mm3의 에너지 밀도의 출력물이 만족하는 결과를 보였다. 따라서 본 연구를 통해 Powder Bed Fusion기반의 무시멘트형 경골기저판의 제작시 Laser Power는 250-350 W, Scan Speed는 1000-1200 mm/s의 범위의 제조 공정이 최적의 제조 공정이라 판단된다. 또한, 제시한 제조 공정 범위를 바탕으로 추가적인 공정 변수들을 고려한다면 최적의 제조 공정을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.