담당교수 : 신보성 교수님 종합설계발표 핸드피스 흡음제 201021437 신명호.

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1 담당교수 : 신보성 교수님 종합설계발표 핸드피스 흡음제 신명호

2 INDEX Ⅰ 배경 -신명호 Ⅰ 시행착오 -변효진 상황 및 계획 -최도정 Ⅲ

3 종합설계발표 핸드피스 흡음제 배경

4 1 핸드피스 흡음제 배경 다음의 답변들은 어떤 한 질문에 대한 네이버 지식인의 답변들입니다. 단서를 찾아보면 공통적인 단어로 ‘소리’를 찾아볼수 있는데 어떤 질문에 대한 답변이신지 아시겠습니까? 바로 치과가 무서운 이유 입니다.

5 1 핸드피스 흡음제 배경 다음의 기사를 보시면 20대 30대 여성 백명에게 치과가 무서운 이유는 어떤것일까라는 질문으로 설문조사를 해봤습니다. 결과를 보시면 치과를 가면 어쩔수 없이 느끼는 통증이 36%로 가장 많았고 그 다음으로 소리가 26%의 비율로 치과에서 무서운 것에 대한 결과가 나왔습니다. 그럼 치과에서 이 무서운 소리를 내는 기구가 무엇이 있는지 알아보겠습니다.

6 1 핸드피스 흡음제 배경 일반적으로 치과에서 느끼는 공포심을 유발하는 소리는 치과용 드릴 즉 치과용 헨드피스 에서 나는 소리입니다. 생긴 모양도 뾰족해서 시각적으로 두려움이 느껴지지만 그 소리는 여기계신 모든분들이 경험해 보셨듯이 매우 신경을 거슬리는 소리입니다.

7 1 저속 핸드피스 배경 핸드피스 흡음제 Scaling에 주로 사용됨 평균 22,000rpm으로 회전
충치치료에 사용되는 핸드피스의 종류는 크게 두가지로 나눌수 있습니다 먼저 저속 핸드피스입니다. 저속 핸드피스는 충치나 치아를 제거하기 보다는 치아표면을 다듬는것이 주 목적인 핸드피스입니다. 대략 22,000rpm으로 회전을 합니다.

8 1 고속 핸드피스 배경 핸드피스 흡음제 충치 제거에 사용 평균 250,000rpm으로 회전
다음으로 이제부터 저희가 중점적으로 다뤄야할 고속 핸드피스 입니다. 치과에서 들리는 거의 대부분의 기븐나쁜 소리는 이 고속 핸드피스에서 나는 소리라고 해도 무방할정도로 매우 큰 소리를 내는 기구입니다. 주로 충치 치료시 충치를 제거하는데 사용되는 용도로 사용되며 250,000rpm으로 회전합니다. 충치 치료시 드릴의 끝이 초당 4000회 회전을 한다고 보시면 됩니다.매우 빠른 속도로 회전을 하다보니 열이 날 수 도 있고 열로 인한 치아 손상을 예방하기 위해 물이 함께 나옵니다.

9 1 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 배경 핸드피스 흡음제 번호 명칭 기능 1 Head
내부에 모터가 내장되어 있으며 bur를 삽입하여 고정할 수 있는 부위 2 Push button Head에 bur를 탈착 시 사용하는 버튼 3 Elbow Head부분과 joint 부분을 연결하는 부분 4 Bur Head부분에 삽입하여 사용 5 Joint 핸드피스 사용시 손잡이에 해당하는 부분 6 커플링 핸드피스와 체어 본체를 연결하는 부분 간단히 핸드피스의 전체적인 메커니즘을 설명하자면 커플링의 공기관으로 압축공기가 들어와서 관을따라 joint elbow를 지나 모터를 돌립니다. 이 모터에는 bur가 부착되어있는데 250,000rpm으로 회전하게 됩니다. 고속으로 도는 bur와 이가 바로 만나면 열로인한 피해가 있기 때문에 물을 뿌려주는 것입니다. Bur를 돌리기위해 쓰였던 압축공기는 구멍을 통해서 다시 Elbow joint를 지나 커플리의 배기관으로 나가게 됩니다.

10 1 핸드피스 흡음제 배경 이 핸드피스 소음의 주 원인은 메카니즘에서 설명했듯이 고압축공기가 지나가면서 생기는 마찰음입니다. 가장 큰 소음은 bur를 돌릴때의 마찰음으로 예상되지만 매우 작은 공간이고 더구나 빈 공간도 없기 때문에 모터의 구조를 바꾸지 않는 이상 소음을 잡을수 없다고 판단했습니다. 그 부분보다는 bur를 돌리고 다시 되돌아가는 공기에 의한 마찰음을 줄이는데 초점을 맞췄습니다.. 저런 핸드피스 안에 앞에서 설명드린 관들이 들어가게 되는데 이를 모델링 파일로 만들어서 단면을 형상화 해봤습니다 그림을 보시면 이 핸드피스의 두께는 일정하지도 일자형으로 곧지도 않습니다. 입구부분의 지금은 80mm 출구부분의 지름은 120mm 길이는 700mm 정도 됩니다. 곧은 원뿔대라고 생각하면 내부의 부피는 약 5.6m^3이 됩니다. 내부의 관들을 지름이 5mm의 원기둥으로 본고 이 부피를 뺀다면 우리가 사용할수 있는 부피는 총 4.2m^3이 됩니다. 지금부터 이 공간을 이용하여 기분나쁜 핸드피스의 소음을 잡아보도록 하겠습니다.

11 종합설계발표 핸드피스 흡음제 시행착오

12 2 시행착오 핸드피스 흡음제 EPP foam Expanded Polypropylene의 약어
Epp Bead foam 은 steam chest molding process로 만들어진 재료로 흡음제로 널리 쓰이고 있습니다. 왼쪽 사진은 Epp bead foam의 사진이고 오른쪽은 expasion rate가 30인 epp폼을 sem으로 확대한 사진입니다. 사진에서 보시듯 폼에 미세 구멍이 있고 이 구멍은 폼이 생성되면서 생기는 구멍입니다. 그림에서 보시듯 저희는 epp bead foam에 레이저 가공을 통하여 마이크로한 채널을 생성하여 흡음효과를 더 높이며 핸드피스에 적절한 모양을 형성하는 것을 목표로 과제를 시행했습니다. EPP foam Expanded Polypropylene의 약어 범용 플라스틱인 Polypropylene을 물리적으로 발포한 구형태의 입자

13 2 시행착오 핸드피스 흡음제 실험 1 공기관 Foam 분해
핸드피스 내부의 공기의 움직임을 방해하지 않기 위해 공기관을 연결할 통로를 만든다. 앞서 설명한 핸드피스 내부 구조에서 3번은 공기관으로 핸드피스에서 공기가 움직이는 통로입니다. 흡음제를 넣으므로서 공기의 움직임을 방해하면 안되므로 먼저 연결 통로를 확보하고 실험을 수행하였습니다. 처음에는 왼쪽 사진과 같이 얇은 철망을 이용하여 관을 만들고 머플러효과를 주기 위한 모양을 손쉽게 만들 수 있을 것이라고 생각했는데 만들다보니 너무 약한 재질이라 분해하고 다시 조립하는 과정에서 모양이 망가져 사용하기 어려웠습니다. 그래서 오른쪽과 같이 얇고 긴 철관을 가공하여 통로를 만들고 Epp비드폼을 비드사이즈로 분해하여 핸드피스에 넣고 실험을 해보았습니다. 결과적으로는 높은 주파수는 잡았지만 소리크기가 크게 줄어들지 않았고, 핸드피스 작동시 비드가 함께 움직여 소음 크게 잡지 못하는 것으로 추측했습니다. 실험 1 Foam 분해 EPP Bead foam을 bead 사이즈로 분해하여 핸드피스 내부에 넣어 간단한 실험을 해본다.

14 2 시행착오 핸드피스 흡음제 실험 2 열선커터를 이용 EPP bead foam을 열선커터를 이용하여 컷팅.
방법 1. 원통형으로 폼을 절단. 가운데 구멍을 내서 공기가 지나갈 수 있도록 만든다. 방법 2. 얇게 절단하여 공기관을 감싸고, 남는 공간을 절단한 foam으로 채운다. 두 번째 실험에서는 열선커터를 이용하여 폼 원하는 형태로 절단해 보기로 했습니다. 처음에는 원통형으로 폼을 잘라 가운데 공기관의 구멍을 만들어 고정하려고 했으나 핸드피스 내부가 매우 작아 원통형의 폼을 세밀하게 만들어야 하는데 정밀한 작업에 비해 미숙한 작업기술과 도구의 불충분으로 원하는 형상을 만들기 어려워, 폼을 얇게 저미듯이 자른 후 공기관을 감싸고 주위를 채우려고 했으나 열선이 폼을 녹이며 절단하기 때문에 구멍을 막거나 변형시켜 열선커터기의 사용을 중단하게 되었습니다.

15 2 시행착오 핸드피스 흡음제 실험 3 오븐을 이용한 발포 알지네이트와 석고틀
PP 파우더를 발포제와 섞어 원하는 형상으로 발포하면 정밀한 모양의 핸드피스 내부 형상에 가장 알맞은 흡음제를 만들 수 있을 것이다. 핸드피스 내부가 매우 좁아 정밀한 형상 가공이 어려운 것으로 판단하여 PP파우더와 발포제를 이용해서 우리가 원하는 형상을 만들기로 해보았습니다. 논문을 통한 가정은 PP파우더를 180~200℃에서 녹이고 더 가열하여 발포제가 그 내부에서 터지면서 구멍을 만들며 벌크형상을 만들며 핸드피스 내부의 모양이 되는 것을 목적으로 실험하였습니다. 가열시 핸드피스를 직접 오븐에 넣을 수 없으므로 알지네이트를 이용하여 핸드피스 내부 모양을 따와 높은 온도에서도 버티는 석고로 틀을 만들었습니다. 알지네이트와 석고틀 발포시킬 때 핸드피스를 이용하여 가열 할 수 없으므로 알지네이트로 핸드피스 내부 형상을 만들고 석고틀을 만든다.

16 2 시행착오 핸드피스 흡음제 실험 3 – 방법 1 벌크형태를 위해 틀을 만들자 고온고압의 상태를 위해 틀을 이용.
유리관은 고온에서 깨져 채결 가능한 알루미늄 틀을 제작. 처음 실험 초기에는 논문과 같이 고온,고압 상태를 만들어주기 위해 틀을 구했다. 유리병은 뚜껑인 알루미늄이 구부러져 적절한 크기의 알루미늄 틀을 제작하였습니다. 분해 조립이 가능하고 고온에서 버틸 수 있지만 미세한 틈사이로 가스가 빠져나와 완전한 발포를 이루지 못한 점도 실패의 원인이였지만 계속되는 실험 속에 발포제가 원래 녹는점인 200도씨 이상보다 더 낮은 온도인 130~150도에서 발포를 시작해 피피파우더 보다 먼저 발포를 하는 점을 알아냈습니다 벌크사이즈의 실험에 앞서 이 부분을 해결하는 것이 더 중요하게 되었고 이 사진은 실험결과이며 문제점을 찾아 낼 수 있었던 자료입니다.

17 2 시행착오 핸드피스 흡음제 실험 3 – 방법 1 PDMS를 이용
앞에서 실패한 원인인 발포제가 먼저 녹는 점을 보완하기 위해 PP파우더 대신 발포제보다 먼저 녹는 PDMS를 사용하였습니다. 사진에서 보이는 오른쪽의 PDMS와 액상인 PDMS를 굳혀주는 물질을 2:8로 섞어서 발포제와 섞어 오븐에서 발포시키는 실험을 수행하였는데 이상하게 발포는 커녕 녹기만 하고 색깔 또한 발포제의 색인 노란색이 사라지고 투명해졌습니다. 계속되는 실험결과 PDMS를 굳혀주는 물질에 발포제가 녹아버려 제 기능을 하지 못하는 것이 였는데 발포제나 굳히는 물질이나 둘 다 필요한 것이였기 때문에 이 실험 또한 실패하게 되었습니다.

18 종합설계발표 핸드피스 흡음제 상황 및 계획

19 3 핸드 피스 흡음제 제작 단계 절단기 철사고정 장착

20 3 EPP폼 레이저 가공 실제 레이저 가공 사진

21 3 핸드피스 흡음제 • 레이저 간격 ① 0.1mm ② 0.2mm ③ 0.3mm 레이저 기본조건 Step size 100𝜇𝑚
3가지로 나누어 가공 레이저 기본조건 Step size 100𝜇𝑚 Mark delay 190𝜇𝑠𝑒𝑐 Duty 97% 레이저 가공한 흡음제 (0.1mm)

22 3 레이저 가공 후 폼 형상 0.1mm 0.2mm 0.3mm 레이저 간격

23 3 레이저가공 흡수효율 선행 논문 참조 레이저 가공한 흡음제의 소음 흡수율이 2000Hz ~ 4500Hz 까지는 증가함
레이저가공 흡수효율 선행 논문 참조 3 레이저 가공한 흡음제의 소음 흡수율이 2000Hz ~ 4500Hz 까지는 증가함 핸드 피스 평균 25만rpm 약 4200Hz 소음이 줄어 들 것을 예상 할 수 있다.

24 3 핸드피스 소음 측정 기준 한국산업표준 KS P ISO 13294
소음 측정 시험환경 측정은 2.5m X 2.5m X 2.5m 크기 이상의 방에서 측정하며, 원래 방의 소음은 65dB 이하여야 한다. 핸드 피스의 소음은 80dB이하여야 한다. 핸드 피스 1m 범위 이내에는 딱딱한 반사판이 없어야 한다. 시험 절차 핸드 피스를 중앙에 매달아 놓고 무 부하 상태에서 최대 정격 속도로 작동시킨다. 음량 측정계를 사용하여 모터의 중심부에서 0.45m 떨어진 거리에서 발생되는 소음을 측정한다.

25 3 소음측정 도구 콤프레셔 연결 호스 소음 측정기

26 3 핸드피스 소음 측정 컴프레셔 에어 건 연결 에어 호스 핸드피스 공기

27 3 핸드피스 소음 측정 데이터 일반 핸드 피스 dB 레이저 가공 일반 흡음제 흡음제가 들어간 핸드 피스가 dB이 낮게 측정 되었다. 레이저가공과 일반 흡음제의 차이는 뚜렷하게 나지 않는다.

28 3 고찰 & 보완점 1. 방음되지 않은 실험실에서 실험 소음측정 오차 발생
1. 방음되지 않은 실험실에서 실험 소음측정 오차 발생 2. 고무호스 + 컴프레셔 오차 적합한 치과기구로 실험 3. 소음을 줄일 수 있는 최적의 레이저 조건 찾기

29 PROPOSED BY 1조