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Hip joint 설계(인공고관절 설계)

HIP Joint 설계 박상하 박두산 임준섭 서창우문제 정의 HIP JOINT 를 설계하여 보고 현재 사용되어 지고 있는 HIP JOINT 와 어떤차이가 있는지 , 실제 발생하는 응력을 견딜 수 있는지 확인하여 보아라 .개 요 고관절에 대해 알아보자 고관절 이란 ? 고관절치환술이란 ? 인공 고관절의 발전 최근 경향 발생하중 설계 시 가정사항 발생하중과 허용응력의 비교 재료의 선택 참고문헌고관절 이란 ? • 고관절은 공과 같이 생긴 대퇴골의 골두와 이 공 부분을 감싸고 있는 컵 모양의 비구로 구성되어 있는 관절이다 . 고관절은 큰 근육들과 힘줄들에 의해 둘러싸여 매우안정되어 있다 . 그러나 퇴행성 관절염 , 류마티스 관절염 , 외상에 의한 관절염 , 대퇴골두 무혈성 괴사 , 감염등은 고관절 연골을 녹여 없애 버린다 . 이렇게 되면 공과 소켓의 표면은 바로 거칠어지고 뼈가 노출되어서 서로 마찰이 일어나고 붙게 되어 심한 통증과 운동 제한이 일어난다 . 이 공과 컵 표면은 부드럽고 빛나는 , 진주빛의 물렁뼈로 덮여 있고 , 물렁뼈는 쿠션의 기능을 하여 관절에 주어지는 압력 또는 힘을 완충시키는 역할을 한다 . 이 관절은 관절막으로 둘러 싸여 있고 , 이 관절막의 내면은 관절액을 분비하는 활액막으로 덮여 있다 .고관절 치환술이란 ? • 인공관절 치환술이란 관절이 파괴되어 동통 및 관절운동제한을 초래하고 이로 인한 일상생활에의 불편함 등을 초래할 경우 동통없이 움직일 수 있는 관절을 만들기 위해 시행하는 수술로 인체의 파괴된 관절을 사람들이 인위적으로 만든 인공 관절로 바꾸어 주는 수술이다 .인공고관절의 발전 19c 말 ~20c 초 근육 , 근막 , 지방 , 피부 등 여러 조직을 고관절내 삽입 가동성 관절을 만드는 개재 관절성형술을 시도 1950 년대 초 스텐레스강 으로 된 대퇴스템과 테플론의 비구컵으로 된 고관절 인공관절로 골시멘트를 이용하여 고정 이후 시술 결과가 급속도로 발전하여 인공관절 역사상 가장 위대한 업적을 이룸 . 1980 년대 이후 가장 큰 문제점은 인공관절의 마모 에 의한 골용해 문제를 해결하는 것 2000 년대 이후 마모로 인한 해결을 티타늄 으로 최대한 해결 . 하지만 가격이 비싸다는 단점 .최 근 경 향 가교상태 (Cross-linked) 폴리에틸렌의 사용 금속 대 금속 (metal to metal) 관절 세라믹 대 세라믹 (ceramic to ceramic) 관절가교상태 (Cross-linked) 폴리에틸렌의 사용 인공관절의 베어링 (bearing) 으로 초고밀도 중합체 (ultra high molecular weightpolyethylene ) 가 사용되었으나 초고밀도 중합체도 장기간 사용시에 마모를 초래 폴리에틸렌을 만드는 방법을 개선할 뿐만 아니라 가교상태 (cross-linking) 등을 이용한 물성을 증가시키는 방법이 시도되고 있다 .금속 대 금속 (metal to metal) 관절 금속 대 금속 관절의 경우 마모의 양이나 마모의 미립자 수가 적어 조직 반응이 경미하게 되고 골용해 또한 감소하게 되는 장점이 있어 최근에 많이 사용되고 있고 그 결과도양호하게 보고되고 있다 . 1997 년부터 금속 대 금속 관절의 인공고관절을 시술해 본 결과 현재까지는 아주 만족스러운 결과를 보이고 있다 .세라믹 대 세라믹 (ceramic to ceramic) 관절 세라믹은 표면 경도가 높아 즉 표면이 아주 매끄러워 마모의 발생이 적고 긁힘에 대한 저항도 매우 높을 뿐 아니라 마찰계수가 낮고 오랜 기간 인체 내에 있어도 표면이 안정된다는 장점이 있다 . 반면에 제작시 좋은 품질을 만드는 것이 힘들고 미세한 선이나 흠이발생하면 바로 부서진다는 점이나 탄성계수가 커서 충격흡수 능력이 낮다는 점 등은 아직도더 많은 연구가 필요하다 .발생 하중 걷거나 달릴 때 순간적으로 한쪽 발에 몸의 하중이 모두 작용한다 . : 둔부 외전근에 작용한 합력의 크기 : 골반에 의해 대퇴골에 작용한 조인트 반력의 크기 : 다리의 무게 : 전체 체중 구하는 것 :발생 하중 다리의 자유물체도 이용 - 근육의 합력은 수평축과 를 이루는 작용선을 가짐 . 따라서 , (1) ( 2) - 가 주어졌기 때문에 의 크기만 미지수 - 는 크기와 방향이 모두 미지수 , - 는 수직성분 의 모멘트 팔길이 , 는 는 는 의 모멘트 팔길이가 된다 .발생 하중 문제의 형상으로부터 (3) (4) (5) (6) 모멘트 평형 방정식 ( 시계방향으로 회전을 양으로 하고 O 점에 대해 ) 식 (1) ～ (6) 을 대입하면발생 하중 힘의 평형 방정식 따라서 고관절에 작용하는 힘은 ◎ 한 예로 사람의 키를 h 라 하고 체중을 W 라 하면 a=0.05h, b=0.20h, c=0.52h, α=47.5°, β=80°, θ=70°, 때 Fm=2.6 W, Fj =3.4 W Fj 와 수평선 사이의 각설계 시 가정사항설계 시 가정사항 평균키 몸무게 30 대 170.9 71.4 40 대 168.8 70.8 50 대 166.1 68.4 Materials Modulus of Elasticity E ( GPa ) Yeild Strength ( MPa ) Titanium alloy [Ti-6A1-4 V] 120 924 Steel alloy Stuctural A36 200 250 알파 = 47.5 도 , 베타 = 80 도 , 세타 = 70 도 고관절은 일체형으로 설계한다 .설계 시 가정사항 비구부의 지름을 크게하여 최대응력의 최소화 (σ = F/A) 할 수 있다 . 하지만 !! 대부분의 수입산 인공 고관절은 좌식생활에 익숙한 한국인의 체형에 부적합하다 . 실제로 탈구현상이 서양인보다 많이 발생한다 . 그렇기 때문에 Stem 부분을 실제 사람의 골격과 비슷하게 하여 운동반경을 크게 만들어 자유로운 운동이 가능하도록 한다 . 즉 , 응력집중 + 운동반경을 동시에 고려하여야 한다 .설계 시 가정사항발생 응력과 허용응력의 비교발생 응력과 허용응력의 비교 structural A36 의 항복강도 250 MPa 고관절에 걸리는 하중 (N) stem 에 걸리는 최대응력 ( MPa ) 30 대 2595.5 213 40 대 2573.8 211 50 대 2486.5 204 Ti-6A1-4V 의 항복강도 924 MPa 고관절에 걸리는 하중 (N) stem 에 걸리는 최대응력 ( MPa ) 30 대 2595.5 184 40 대 2573.8 182 50 대 2486.5 176재료의 선택 실제적으로 사용되어지고 있는 재료는 Ti 합금 십수년간 인체에 무해함을 증명 인체 거부반응이 없다 . 부식 ( 독성과 기계적성질 저하 ) 과 마모 ( 마찰계수가 낮다 ) 에 강하다 . 낮은 탄성계수로 응력차폐현상을 방지한다 . 응력차폐현상을 방지한다 . 충격흡수능력이 좋다 . 국내 생산이 불가능하여 전량 수입하여야 한다 해도 완제품에서 재료비가 차지하는 비중은 10% 내외이다 .참고 문헌 Development of Artifical Joint based on Biomechanics – 한국과학기술 연구원 대한기계학회 ’94 년도 논문집 page 335~339 cementless 인공고관절 대퇴골부위의 2 차원 유한요소해석{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2010.11.06| 22페이지| 2,000원| 조회(436)

고관절, 인공고관절, 기계요소설계, 인공고관절설계, Hip joint, Hip j..

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피아노메커니즘

Kookmin university피아노 메커니즘과목명공학설계입문교수명차주헌교수님학 과기계자동차공학부학 번이 름서 창 우서 론오랜 역사 속에서 수많은 사건들의 과학적인 변화는 호기심에 이은 관심을 창조적인 형태로 변환하여 발달해 왔다. 현 예비 엔지니어로서의 그러한 관심을 일상생활 속에 접목 시켜 보기로 한다. 그 중 기계적으로 복잡하여 풍부한 소리를 내어 줄 수 있는 ‘악기의 대들보‘ 피아노의 구조(메카니즘)에 대해서 알아 볼 필요가 있다. 일상 주위에서 많이 보며, 사용하기도 하는 이것을 예비 엔지니어로서 앞으로의 있을 모든 구조적 시스템의 좋은 연습 상대가 되어 줄 수 있음에 확신한다. 그리고 현재보다 더 나은 피아노의 변화를 위해 지식을 기반으로 한 창의성을 발현하는 개선방안을 모색하여 문제 해결능력을 고양 시킨다.피아노는 대표적인 건반악기로서 피아노포르테의 준말이다. 1709년에 이탈리아 사람인 쳄발로 제작가 바르톨로메오 크리스토포리가 쳄발로의 몸통을 써서 Pianoforte라 이름붙인 악기를 만들었는데, 이것이 피아노의 효과적인 최초의 고안 이었다. 이 Pianoforte는 현을 펠트로 된 해머로 쳐서 음을 내고, 댐퍼(펠트세로 음향을 정지시키는 것)를 붙인 것으로 거의 오늘날의 피아노와 다름이 없는 것이었다. 그 뒤 많은 개량이 가해졌고 지금의 피아노에 이르렀다.온고지신이란 사자성어가 있다. 옛것을 익히고 그것을 미루어서 새것을 안다는 뜻이다. 공학자가 창조의 출발로 기존의 것을 알고 모방하는 것과 일맥상통 하는 말이라고 할 수 있겠다. 피아노의 액션부위는 약 300백년이라는 시간이 지났음에도 불구하고 그 구조가 현재와 거의 비슷할 정도로 완성도 높은 메카니즘을 가지고 있는데, 이런 피아노를 개선시키기에는 많은 노력이 요구된다. 그러면 지금부터 피아노의 재료와 부품, 매커니즘을 알아보고, 개선사항을 생각해 보자.본 론1. 피아노 사용 부품/재료분석제 목 :- 건반피아노 구조의 주 연주부로서 흰 건반과 검은 건반으로 나누어진다. 흰 건반은 폭 2.3c 52개와 검은 건반 36개로 총 88개로 구성되어 있다. 이같이 피아노 건반이 88개로 이루어져 있는 이유를 보면 피아노가 낼 수 있는 음역이 27.5Hz~4186Hz이며 소리로는 그 4배음까지 들을 수 있지만 사람이 들을 수 있는 음의 최대 가청범위는 20Hz~20000Hz이기에 그 이상 건반수를 늘려도 음악적으로는 의미가 없기 때문이다. 주재료는 초창기에는 상아였으나 새로운 재료의 발견과 기술의 개발로 인해서 제작비용을 고려한 현재 가공목재나 아크릴이 주로 사용되고 있다. 목재(특히 튼튼한 단풍나무와 같은)를 사용함으로써는 터치감을 증대 시키고 아크릴을 사용하면서는 내마모성, 내변형성, 인체에 무해라 는 이점으로 인해 재료로 선정되는 것이다.- 액션건반에서 전달된 동력을 해머의 운동으로 전환시키는 장치로서 피아노의 수뇌부와 같은 역할은 한다. 액션은 힘을 전달하는 위펜, 해머로 현을 때려 소리를 내는 밧트, 현의 떨림을 조절하는 댐퍼 3부분으로 이루어져 있다. 주 골격은 목재로 이루어져 있으며 그 연결부위에는 스프링이나 나사와 같은 금속재료로 구성되어있다. 또한 완충부분에는 섬유재료가 사용되며 특히 해머부분에는 양털을 압축시켜 섬세한 공정을 통해 만든다. 액션에 사용되는 재료들은 각 그 역할에 따라 자유로이 경도, 두께, 탄력성을 조절해 가며 만들어야 기능상 문제가 생기지 않는다..- 현 :피아노소리의 근원이 되는 부분으로 해머가 현을 때리면 일정한 주파수로 진동하여 소리를 낸다. 특히 현은 피아노의 음색, 음량, 음률 등 피아노의 음질과 밀접한 관계가 있는 부분이다. 약 230개의 현(음당 2~3줄, 최저음은 1줄)이 한 줄당 약80Kg, 전체 약18톤의 힘이 걸려있다. 이렇게 강한 장력으로 인해 깨끗하며 풍부한 피아노 소리가 나올 수 있지만 시간이 지남에 따라 피로 누적으로 인해서 늘어지게 되어 현의 조율이 필요한 시점이 온다.음에 높이나 울림은 단순히 현의 길이뿐 아니라 굵기에 따라서도 결정된 다. 다시 말하면 현은 고음부가 가늘고 짧으며 저음부는 있고 유연성이 있는 현(권선:windding wire)이 사용되며, 고음부는 상대 적으로 얇은 강철단선인 현(나선:bare wire)으로 이루어진다. 지속적인 해머의 충격에도 이러한 철제링 프레임을 사용함으로써 더 많은 충격을 견딜 수 있게 해 주었다.- 페달음의 다양성을 위한 장치이며 4종류가 있다. 전체 음을 지속하는 댐퍼페달, 해머와 현 사이에 천이 내려와 음량을 작게하는 머플러페달, 한 음만을 지속하고 다른 음을 지우는 소스테누토페달이 있고, 마지막으로 소프트페달이 있다. 이 소프트 페달은 업라이트와 그랜드피아노 형이 있는데 업라이트는 타현 거리를 짧게하여 음량을 감소시킨다면 그랜드 피아노용은 해머가 때리는 현의 수와 타현점을 바꿔 음량이 작아짐과 동시에 음색도 부드럽게 만드는 효과를 가져온다.- 기타피아노의 현선 밑에 댄 널빤지로 소리를 울리어 크게하는 장치인 향판이 있다. 이 향판은 가볍고 탄력성이 좋으며 진동을 잘 전달하는 추운 지방에서 자라는 스프르스(소나무) 로 주로 재작된다.피아노를 감싸고 있는 번체와 현의 장력을 가감할 수 있는 튜닝 핀과 피아노의 뼈대가 되는 철골프레임이 있다. 기타 브릿지를 포함한 크기가 작은 수많은 부품들이 있다.☞ 피아노를 구성하는 재료는 크게 나무 70%, 섬유 20%, 금속10%였고, 부품들은 그 기능의 따라 적합한 재료로 설정이 되어 있다. 전체적으로 피아노가 요구하는 오랜 수명, 확실한 음 전달, 풍성한 소리, 인체학적 편의를 고려하여 재료를 선정하였고, 간혹 건반에 코끼리 상아와 같은 것이 대체 되었던 경우도 있는데 제작비용에 문제를 안고 있는 특수한 경우도 있었다.여기서 묵과할 수 없는 것이 있는데 메카니즘은 오랜 세월을 두고 변화 하지만 그에 비해 재료는 빠른 개발로 인해 언제든지 대체 될 수 있다는 것을 인지하여야 한다.2. 작동원리 분석, 소리발생 메커니즘위 그림은 소리발생의 전체 매커니즘이다.피아노 액션 매커니즘1. 건반을 누름2. 건반선단하강(max 10mm)3. 건반 후반부 상승4. 건반 후반부회전1. 윕펜의 반시계방향 회전2. 윕펜의 Jack flange와 Jack 상승3. Hammer butt 반시계방향 회전4. 해머생크 반시계방향 회전5. 해머가 타현 후 잭은 잭 아래쪽 ‘ㄴ’부분이 Letoff button에 눌려지며 잭은 시계방향으로 회전6. 건반에 주는 힘을 제거하면 윕펜이 다시 제자리로 돌아오고, 잭은 스프링의 반동으로 시계방향으로 회전윕펜의 반시계방향 회전Damper Spoon 반시계방향 회전Damper lever 시계방향으로 회전1. 해머생크 반시계방향 회전2. 원심력에 의해 해머는 현에 접촉3, 현울림4. 해머는 현에 잠깐 접촉했다가 다시 하강 (잭이 상승하면서 잭의 아래쪽 'ㄴ‘자 부분이 Letoff button에 의해 눌려져서 잭이 시계방향으로 회전하면서 바트는 제자리로 돌아오고, 해머는 현에서 떨어진다.)건반을 놓으면 정상적으로 다시 타건준비(※Back check 와 Hammer rail 은 Hammer shank와 Catcher를 잡아줌으로써 Hammer shank와 Catcher를 충격으로 보호할 뿐 아니라 빠른 타건을 준비.)1. Damper lever 시계방향으로 회전2. Damper가 현으로부터 떨어짐3. 건반을 놓으면 다시 Damper가 현으로 접촉페달을 밟음 → Sustaining pedal connecting rod 상승Sustaining pedal connecting rod 상승 → Damper lift rod 시계방향으로 회전 →Damper lever 시계방향으로 회전Damper lever 시계방향으로 회전 → Damper가 현으로부터 떨어짐 → 페달을 떼면 다시 Damper가 현으로 접촉개선사항피아노의 단점을 바탕으로 개선사항을 찾아보았다. 오랜 기간 동안 피아노를 다뤄온 사용자의 말에 따르면 피아노 건반을 빠르게 연타할 때 소리가 누르는 만큼 모두 표현되지 않는다고 하였다. 그래서 우리는 그 이유를 찾아보았다.(1) 액션의 구조/재료 변경빠른 연타 시 해머가 현의 타현 후 해머바트 부분이 제자리로 돌아오는 지 못한 잭이 다시 힘을 받아도 해머바트에게 힘을 전달해 주지 못한다.그래서 잭의 단점을 보안하기 위해 잭의 기능을 백체크에게 부여함으로써 이런 단점을 해결해 보았다.잭의 기능과 관련된 모든 부위를 제거하여 보았다. 그리고 그 기능을 백체크가 하게하였는데 그 원리는 순간적인 타격으로 백체크부분이 캐쳐부위를 직접 밀어올려 해머가 타현되는 방법을 생각해 보았다.그러기 위해 백체크 부위의 각도를 조정하여 백체크가 캐쳐를 원활히 밀어 올릴 수 있도록 그림을 그려보았다.그런데 백체크와 캐쳐부위의 접합부가 현재 섬유재료로 이루어져 있어 큰 마찰이 발생해 밀어올리지 못하는 것을 보았다. 그래서 캐쳐부위의 접합부는 보존하고, 백체크 부위의 접합부 부분의 재료를 찾아보았다.이 재료는 마찰계수가 작고 강도가 뛰어나야 한다는 생각을 하게 되었다. 그래서 재료를 찾아보았는데, 기계재료학 시간에 공부한 PPO (Poly Phenylene Oxide)가 우수한 역학적 성질을 가지고 있어 재료로 적합하다고 생각하여 선택해 보았다.백체크의 직접적인 힘의 전달로 전보다 과부하가 걸릴 Catcher shank의 두께를 조정해 주었다.원래 백체크의 기능이었던 타현 후 해머의 충격흡수와 받침 기능이 재료의 변화로 인해 그 기능을 상실하여 그 부분을 보완해 보았다. 1차 타현 후 백체크가 충격을 흡수 해주지 못하므로 반동으로 인해 다시 2차 타현이 될 가능성이 있다.그러므로 우리는 해머의 내부나무재료 끝부분에 자성을 띄는 물체를 달고 현 뒤편에 같은 극을 띄는 자성물체를 달아 반발력을 발생시켜 의도하지 않은 2차 타현을 방지해 보았다. 부위에 기대면서 다시 건반을 누를시 빠른 재 타현을 가능하게 해준다.새로운 형태의 메카니즘을 도입함으로써 구조의 단순화를 생각해 보았다.(2) 가명 : 새로운 액션구조 개발타현 후 현에서 멀어지던 해머를 단순한 중력의 힘으로 해머를 제자리로 돌아오게 함으로써 많은 부위의 부품의 필요성이 없어져서, 제거할 수 있었다.새로운 구조의 메카니즘을 살펴보자.1) 건반을 누름)

공학/기술| 2010.11.06| 11페이지| 2,000원| 조회(311)

피아노, 공학설계입문, 피아노메커니즘, 피아노메카니즘, 피아노원리

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인공고관절설계

기계요소설계 설계과제 Artificial Hip Joint 박윤순 윤동진 서창우 김태희조index Artificial Hip Joint( 인공 고관절 ) 현황 인공 고관절의 설계 접근방향 ( 허용 vs 발생 ) 분석 결론 및 고찰 Reference1. Artificial Hip joint ( 인공 고관절 )1. Artificial Hip joint( 인공 고관절 ) 스템 베어링 라이너 캡2. 현황현재 인공관절은 정착단계 한계점 인공관절의 영구적 사용 불가 현재 인공관절 수명 약 15 년 최소 20 년 이상 사용할 수 있는 인공관절 개발 필요 . 수술 후 운동 범위가 정상관절과 달리 제한된 범위에서만 안전 하다는 점 . 베어링과 라이너 사이의 마모 인공관절 필요성 증가 고령화 시대 접어들고 있는 사회환경 요인과 더불어 관절염 , 류마티스 , 골다공증 등의 환자가 증가하여 인공관절의 필요성이 점차 증가 할 것으로 보임 . 인공관절 대체상품 조직공학적으로 만들어지는 바이오 인공 뼈 및 인공 관절 의 개발도 지속될 전망 . 2. 연구현황3. 인공고관절의 설계와 적용고려사항 인체 내 거부반응 부식 체중 및 운동의 유지 미끄럼 면에서의 마모 및 마찰 밀도 , 비용 기타 열팽창 , 열 전도도 , 전기 / 자기적 성질 , … 3. 인공고관절의 설계제작 과정 환자의 테이터에서 특정한 이식 장치 디자인 선택 환자로부터 얻은 다양한 종류의 데이터를 통합하는 특수 소프트웨어와 컴퓨터를 사용 하여 디자인을 짜맞춘다 재료를 선택 하고 적절한 가공공정을 선택하여 설계 3. 인공고관절의 설계적용과정 3. 인공고관절의 설계 결합4. 접근 방향4. 접근 방향 Hip joint Stem 부분5. 분석5. 분석 σ 발생 AutoCAD HyperMesh ™5. 분석 하중조건 체중은 68kg 으로 가정 한쪽다리로 서있는 경우 계단을 올라가는 경우3 차원 유한 요소해석 이용 5. 분석 MARC ™5. 분석 응력방패현상 탄성계수가 비슷할 수록 좋음5. 분석 응력방패현상 뼈의 물성치 대퇴부 응력분포 변화 대퇴부가 받는 응력 감소 응력방패현상 대퇴골 골 흡수 해리현상 발생 뼈의 기계적 성질 길이방향 수직방향 탄성계수 [ GPa ] 17.4 11.7 인장강도 [MPa] 135.0 61.8 압축강도 [MPa] 196.0 135.0 Poisson 비 0.46 0.58 파단시 연신율 3~4% -σ 허용 인장강도 이외의 허용 재료 물성치 연신율 : 8% 이하 피로한도 : 400MPa/10 7 cycles 이상 [ 일반인은 연평균 10 6 회 반복응력 ] 5. 분석 종류 탄성계수 [ Gpa ] 0.2% 항복강도 [ MPa ] 인장강도 [ MPa ] 연신율 [%] 피로한도 10 7 회 [ MPa ] 부식율 [10 -3 in./yr] 316L ( 냉간가공 ) 196 700 875 12 383 0.001-0.002 MP35N ( 열간단조 ) 230 1,000 1,200 13 500 0.0012-0.002 Ti-6Al-4V ( 열간단조 ) 120 950 1,075 13 580 0.007-0.046. 결론 및 고찰결론 σ 허용 Ti-6Al-4V ( 열간단조 ) : S y =1,075 MPa σ 발생 σ ’=280MPa (Von Mises Stress) 직선형 스템 곡선형 스템 직선형 스템이 곡선형 스템보다 응력방패현상이 더 크다 곡선형이 더 적합 6. 결론 및 고찰 σ 허용 σ 발생 직선형 곡선형 모두에 적합고찰 윤홍준 : Hip Joint 에 대해 전반적인 지식을 알게되고 인체 내에서 어떤 역할을 하는지 그리고 한계점이 어떤지에 대해 알 수 있었습니다 . 의료학적인 측면에서 이렇게 발전할 것이 많은 것을 보고 공대생인 저로서도 공학분야의 한 분야에서 이바지하고 싶다는 생각을 하게 되었습니다 . 6. 결론 및 고찰Reference Biomechanical Characteristics of a Straight and a Curved Femoral Stem in Cementless Artificial Hip Joint Soo -Won Chae , Jung-Hwan Jeong and Sung- Kon Kim Mechanical Engineering 2006 년 10 월 순천향대학교 기계공학과 엄태준 교수 Web 상의 공개 PPT 금속구조와 가공특성 II 주문형 인공 고관절 설계 시스템 http://cafe.naver.com/mctnet.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=2825 Reference공대생 멋있다 ♡ 감사합니다{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2010.11.06| 24페이지| 2,000원| 조회(574)

설계, 고관절, 인공고관절, 기계요소설계, 인공고관절설계, Artificial H..

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LED방열기구 설계

LED 방열기구 설계 0.3 → ∞ 김태우 서창우 윤종혁 이상훈contents 1.Identifying Opportunities 2.Clarifying Objectives 3.Establishing Functions 4.The Performance Specification Method 5.Determining Characteristic 6.Generating Alternatives 7.Evaluating Alternatives 8. The product 9. Q A1. Identifying OpportunitiesDealing with LED Heat LED 의 장점 적은 전력으로 많은 빛을 생산할 수 있다 . 수명이 길다 . ∴ LED 수요의 급격한 증가 LED 의 단점 비싸다 . 열에 의한 영향 수명이 짧아 진다 . 밝기와 색상에 문제 발생 . 전류와 전력의 극대화로 인해 열 처리가 필요LED 는 실내외 조명으로 각광 기존 가로등 320W 메탈할라이드 램프 초기광속 21,000(lm), 약 2 만시간의 수명 LED 램프 가로등 150W ~ 200W 급 고출력 LED 초기광속 12,000~16,000(lm), 약 5 만 ~6 만시간의 수명 20% 광효율 , 80% 열에너지 전환 → 수명저하 및 효율에 직접적인 영향Goal 안정적 , 경제적 이며 관리 하기 쉽고 효율이 높은 가로등용 LED 방열기구 설계2. Clarifying ObjectivesThe objectives Tree Method Brain storming 안정적 광도유지 전기적 응답속도 일정 규격품 사용 안전한 열 손실이 적어야 호환성 긴 수명 냉각시스템 고장 적어야 LED 효율 극대화 추가 Energy 최소화 조절 가능 ( 주위 환경에 따라 ) 과부하 자동차단 물리적 응답 속도 일정 공정의 최소화 교체가 쉬운 평균작동시간 일정 ( 수명 ) 냉각 성능 우수 조작이 쉬운 견고함 부품 수 적절한 공차 크기가 작은 열 및 충격에 강한 , 정밀가공 설치가 쉬운 밝기 유지 에너지최소화 동일한 응답속도 색상ng Functions방열기구 Material Energy Signal 열을 식힌다 . Material’ Energy’ Signal’Inputs Outputs Inputs Material 유체 Energy LED 에서 발생하는 고열 Signal 온도신 호 Outputs Material’ 고온의 유체1. 열을 흡수한다 . 2. 온도를 감지한다 . 1. 유체를 이용한다 . 2. 온도 신호를 인지한다 . 필수적인 부분기능 부분기능 달성수단SYSTEM BOUNDARY 유체 고온의 유체 유체를 활용한다 . ( 통로 , 발전창치 ) 온도를 인지한다 . 열을 흡수한다 . 전기 에너지 열 에너지 LED 에 서 발생한 열 먼지 습기 벌레 날씨 소음 Material Energy Signal4. Setting Requirements제품 대안 조절 가능한 방열 - 신호 인지 가능 - remote control 조절 불가능한 방열 - 신호 인지 불가능제품 유형 조절 가능한 방열 대류 이용한 방열기구 유체 이용한 방열기구 조절 불가능한 방열 표면적을 이용한 방열 재료를 이용한 방열제품 특징 1) 조절 가능한 방열 대류 유체 이용한 방열기구 수냉식 - 파이프 - 유량조절 - 냉매종류 ( 물 , 냉각수 등 ) - 펌프 - 유량 속도 조절 공랭식 - fan - 공기 순환량 조절제품 특징 2) 조절 불가능한 방열 표면적을 이용한 방열 냉각 핀 (fin) 사용 - 핀의 형상 - 핀의 구조 재료를 이용한 방열 열전도도 크기 고려 가격 고려Requirement List 변경 D /W 요 구 사 항 확인 1. 재원 D 1) 질량 2 ~ 3 kg 이하 D 2) 크기 600mm × 300mm 이하 D 3) 두께 250mm 이하 W 4) 정밀가공 D 5) 전기를 사용Requirement List 변경 D /W 요 구 사 항 확인 2. 재료 D 1) 열에 강한 재료 D 2) 침식에 강한 재료 D 3) 규격품 사용 D 4) 저렴한 재료 D 5) 과부하에 대한 내성Requirement List 변경 D /W 있는 상용화된 LED 에 적용가능한 저렴한 가격 긴 수명 고객의 요구사항 파악고객의 요구사항 파악 조원속성평가 태우 상훈 창우 종혁 total 백분위수 전력소비가 적은 6 10 9 7 32 12 LED 가 일정온도 이상 올라감을 차단 (T MAX 60˚C) 8 7 11 9 35 13 신호에 따른 작동 1 5 1 5 12 5 조작이 편함 5 4 7 2 18 7 누수방지 2 3 2 4 11 4 화재방지 3 6 6 6 21 8 이물질차단 4 2 3 3 12 5 누구나 쉽게 교체할 수 있는 7 1 5 1 14 5 상용화된 LED 에 적용이 가능한 10 8 4 10 32 12 저렴 한 가격 11 9 10 8 38 14 긴 수명 ( 반 영구적 장치 ) 9 11 8 11 39 15상대적인 중요도 결정 효율적 전력소모가 적은 12 LED 가 일정온도 이상 올라감을 차단 (T MAX 60˚C) 13 관리적 신호에 따른 작동 5 조작이 편함 7 안정적 누수방지 4 화재방지 8 이물질 차단 5 경제적 누구나 쉽게 교체할 수 있는 5 상용화된 LED 에 적용가능한 12 저렴한 가격 14 긴 수명 15상대적인 중요도 결정공학적 특성 질량 크기 형상 유체속도 케이스 크기 유체의 온도 응답속도 팬 속도 부품 설치방법 설치시간 공구가 필요한 물 차단공학적 특성 과 고객요구사항 속성 관계 파악 (EC) (CA) 가중치 질량 크기 형상 유체 속도 케이스의 크기 유체의 온도 응답 속도 팬 속도 부품 설치 방법 설치 시간 공구가 필요한 물 차단 전력소비가 적은 12 △ ● △ ● ● LED 가 일정온도 이상 올라감을 차단 (T MAX 60˚C) 13 ● ● △ ● △ ● ○ 신호에 따른 작동 5 ○ ● ○ 조작이 편함 7 ○ 누수방지 4 ○ ● 발화점 이하에서 차단 8 ○ ● △ 이물질차단 5 ● △ △ 누구나 쉽게 교체할 수 있는 5 ● ● ○ 상용화된 LED 에 적용이 가능한 12 ○ ● ● △ △ 저렴한 가격 14 ● ○ △ ● △ △ △ 긴 수명 ( 반 영구적 장치 ) 15 ○ ● △ △nativesMorphological Chart Method - 필수적인 특징 / 기능 온도를 감지 유체를 유입 열원에 노출 유체를 배출 에너지를 활용Morphological Chart Method - 수단 온도감지 IC 온도센서 , 열전대 , 서미스터 , 저항온도센서 유체유입 펌프 , 부채 , 제트기류 , 자연대류 , 팬 3 개 열원노출 핀 1( 원뿔형 ), 핀 2( 삼각형 ), 핀 3( 평면벽 ), 핀 4( 원통형 1), 핀 5( 원통형 2) 유체순환 , 배출 통로 , 팬 유체활용 디지털시계 , 벤치 , 아날로그시계 , 라디에이터1 2 3 4 5 6 온도감지 유체유입 열원노출 유체순환 배출 통로 터빈 유체활용 Morphlogial Chart Method - 도표 열전대 저항온도센서 IC 온도센서 서미스터열전대 저항온도센서 IC 온도센서 서미스터 ∙ 열전대 , 서미스터 : 높은 온도 측정에 사용 ∙ IC 온도센서 : 광범위한 온도 측정 가격이 비쌈 ∙ 저항온도센서 : 안정성과 반복성 발생 열 감소에 도움부채 팬 1 팬 2 팬 3 제트기류 펌프 효율 활용성 호환성 부채 Ⅹ Ⅹ ○ 팬 1 Ⅹ △ △ 팬 2 ○ ○ △ 팬 3 Ⅹ △ △ 제트기류 △ ○ Ⅹ 펌프 △ △ △핀 1 핀 2 핀 3 핀 4 핀 5 경제성 효율성 핀 1 Ⅹ ○ 핀 2 Ⅹ △ 핀 3 ○ △ 핀 4 △ ○ 핀 5 Ⅹ ○디지털시계 벤치 아날로그시계 라디에이터 방출 유체에 대한 실현 가능성 디지털시계 △ 벤치 Ⅹ 아날로그시계 ○ 라디에이터 Ⅹ1 2 3 4 5 6 온도감지 유체유입 열원노출 유체순환 배출 통로 터빈 유체활용 Morphlogical Chart Method- 조합 측온저항온도센서 팬 , 제트기류 핀 2 통로 , 터빈 아날로그 시계Variant 온도감지 유체유입 열원노출 유체순환 배출 유체활용 V1 통로 , 터빈 V2 통로 , 터빈 V3 통로 , 터빈 V4 통로 , 터빈7. Evaluating alternatives가중치 목표법 ( Weighted Objectives Method ) 설계 관리성 경제성 0.23 0.23 0.09 0.09 긴 수명 규격품사용 0.4 0.092 0.5 0.045 설치 교체 용이 크기최소화 0.2 0.046 0.3 0.027 재료 공급 용이 공정최소화 0.1 0.023 0.2 0.018 저렴한 재료 0.3 0.069 냉각 시스템 고장 X 0.6 0.0768 견고함 안전함 0.4 0.128 0.6 0.192 외부이물질차단 0.3 0.0576 0.0512 0.023각 목표들에 대한 성능 파라미터 정립 가중치 V1 V2 V3 V4 1. 효율에 영향 X 0.072 2 2 2 2 2. 냉각 성능 우수 0.144 2 3 3 4 3. 조작이 용이 0.036 2 2 2 2 4. 에너지 최소화 0.108 3 3 1 1 5. 전류 차단 0.1344 2 2 2 2 6. 이물질 차단 0.0576 2 2 1 1 7. 냉각 시스템 고장 X 0.0768 2 2 1 1 8. 과부하에 대한 내성 0.0512 2 2 2 2 9. 규격품사용 0.092 2 2 2 2 10. 크기 최소화 0.046 2 2 1 1 11. 공정 최소화 0.023 4 2 1 0 12. 저렴한 재료 0.069 4 2 1 0 13. 긴 수명 0.045 2 2 1 1 14. 설치 교체 용이 0.027 3 3 2 2 15. 재료 공급 용이 0.018 3 3 2 24) 각 목표들에 대한 성능 파라미터 정립 가중치 V1 V2 V3 V4 1. 효율에 영향 X 0.072 0.144 0.144 0.144 0.144 2. 냉각 성능 우수 0.144 0.144 0.216 0.216 0.288 3. 조작이 용이 0.036 0.144 0.144 0.144 0.144 4. 에너지 최소화 0.108 0.216 0.216 0.072 0.072 5. 전류 차단 0.1344 0.144 0.144 0.144 0.144 6. 이물질 차단 0.0576 0.144 0.144 0.072 0.072 7. 냉각 시스템 고장 X 0.0768 0.144 0.144 0.072 0.072 8. 과부하에 대한 내성 0.0512ow}

공학/기술| 2010.11.06| 67페이지| 2,500원| 조회(621)

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투석기(투척기)설계

Kookmin university투척기 설계과목명공학설계입문교수명차주헌교수님학 과기계자동차공학부학 번이 름서 창 우목 차1.제 작 목 표2.제 한 사 항3.조 원 역 할 / 분 담4.시 작 품 최 초 설 계5.시 작 품 작 동 원 리6.제 작 과 정 / 보 완 사 항7.최 종 작 품 설 명8.제 작 비 용 / 영 수 증9.고 찰10.제 품 포 스 터11.참 고 문 헌1. 제작목표최소 5m에서 최대 10m까지 어떤 거리든 투척물을 투사하여 표적을 맞힐 수 있는 투척기에 대한 설계, 해석, 제작 및 발표 등을 수행하고 투척물을 가장 높은 정확도로 표적을 맞히게 하는 것이다.5분 동안 6개 공을 5m~10m 범위의 일직선 상에 위치한 3개의 표적(통)에 넣기(테니스 공 사용) (단, 표적 당 2개만 인정)2. 설계 시 제한사항1. 발사 메카니즘아래 제한 사항을 제외한 어떠한 형태의 발사장치도 가능함.- 전기적, 화학적 에너지 이용한 발사장치는 사용할 수 없음.- 새총, 석궁, 활 등 형태 불가- 발사 장치를 사람이 잡거나, 기타 보조물을 이용하여 고정할 수 없음.2. 구조물 재료1) 재활용품 활용 권장2) 재료비40,000원3. 구조물 크기 제한 없음4. 무게제한 : 구조물 무게10kg5. 1인 조종 “트리거” 설치 필수6. 구조물 재활용품 사용(적어도 1개 성분은 재활용품 사용 필수)7. 분해조립이 용이한 체결방법 사용(나사못, 볼트/너트 등 사용)8. 작동 시 구조물 성분이탈 여부 철저 점검9. 작동 시 보안경(goggle), 헬멧 사용10. 제작공구 사용(톱/드릴/드라이버/스패너/플라이어/클램프/가위 등)참고 : 표적은 바닥에 위치시키고 최초 떨어진 지점을 기준으로 측정 후 점수를 부여한다.3. 조원 역할/분담구 분이 름학 번역 할비 고조 장서창우20051782제작 지휘 및 구상 스케치 작업조 원박규현20041668도면제작이호진20051854공학적 원리 조사윤규섭20061835PPT제작 및 최종 보고서 작성공 동 작 업물품 구입, 투척기 제작, 시험 투척4. 천을 방문하여 필요부품을 구입하였다.(베어링, 도르레, 각종철물 등)?11월 2일서창우, 박규현, 이호진은 목재상에 방문 제작에 필요한 목재를 구입 하였으며 공대 뒤편의 공사현장에서 사용할 수 있는 각종 재활용품을 수집하였다.(마대자루, 스펀지, 합판 등)?11월 4일팀 전원은 머신 샾 에서 제작을 시작했으며 투석기의 Body부분을 제작 하였고, Body 무게가 6Kg이 측정 되었다.Body 제작Body 완성?11월 5일공학설계입문 수업에서 제안서를 발표하였다.수업 후 앞으로의 진행상황과 트리거 등 아직 제작하지 못한 부품에 대한논의를 하였다.?11월 7일팀 전원은 투석기의 트리거 제작 등, 투석기 전체를 제작 완료 하였다.전일 제작상태트리거 제작과정초기 완성품발사실험초기 완성품을 제작 했으나, 실험결과 동력부족으로 테니스공이 최대 투척거리인 10M에 도달하지 못하였다.(아래 표1 참조)표 1) 초기 완성품 실험결과단위 : ㎝실험횟수12345678평균차이고리번호*************30*************.3827.**************************7327.6327.62*************35*************.2531.25*************3*************6.5027.*************16*************14.1327.8764454*************9443440442.0029.3874754*************7474470471.3826.128494*************95499500497.50고리번호12345678축에서의 거리62.567.572.577.582.587.592.597.5팀원 모두 토의해 본 결과 제한 무게인 10Kg이내에서는 더 이상 투척거리를 늘리지 못한다는 것에 결론을 내리고 고무줄의 탄성력을 추가하기로 결정 하였다.보완사항 토의구조 보완새로운 동력원최종 완성품동력원을 변경한 뒤 실시한 발사실험에서 10M이상의 투척거리가 나왔고,간단한 발사실험으로 4개의 고무줄이 가장 적절한 것트리거가 단순하나 비교적 다른 트리거보다 안정적이고 일정한 투척이가능하다는 것을 확인 토요일 머신샾이 닫는 시간인 5시 30분경 실험과 보완을 중지하고 철수하였다.?11월 9일팀 전원은 공대에서 투석기 발사실험을 하였고 각각의 O-고리에 고무줄을걸었을 때 투척거리를 측정하였다.(아래 표2 참조)표 2) 최종 완성품 실험결과단위 : ㎝실험횟수12345678평균차이고리번호1500*************95498501499.0084.2525*************2580582583583.2587.0*************3670667669670670.2583.2547567557547*************3753.5087.6*************0*************41.1383.0069279289269259*************4.1379.**************************010049981003.590.00*************1*************9210891093.5고리번호12345678축에서의 거리62.567.572.577.582.587.592.597.5발사 실험투척 실험결과 이번 발사 목표에 이상적인 고리는 1번, 4번, 7번의 고리라는 결과가 나왔고, 투척 결과를 토의한 결과 일정한 간격으로 O-고리를 놓는 것 보다 1번, 4번, 7번의 고리를 중심으로 고리의 간격을 더 좁게 하는것이 효율적이라는 판단에 O-고리의 위치를 변경 하였고, O-고리의 위치 변경 후 다시 투척거리를 측정하였다.(아래 표3 참조)표 3) O-고리 변경후 실험결과단위 : ㎝실험횟수12345678평균차이고리번호14*************7455453459456.3843.*************01502497495503499.63167.036666696686*************5666.6340.*************06*************07.1343.3*************57*************0.50207.8695895795995696096품명 : S.S.S.(Triple S, Strong/Simple/Slim)2) 실물사진3) 제품기능?제품크기 : 90×20×140cm?제품무게 : 8.8Kg4) 제품도면(Catia)5) 주요기능명 칭사 진설 명도르래주 동력인 고무줄을 받쳐주며베어링을 사용하여 마찰로 인한에너지의 소모를 최소화 시켜준다.트리거장전 시 팔이 앞으로 튀어 나가지 않도록 하여 고무줄의 탄성을 유지하게 하는 장치.이 부분과 팔을 철심으로 고정하여이 철심을 빼면 발사가 되도록 하였다.클립/O-고리이 클립을 사용하여 많은 수의 고무줄을 사용할 수 있게 하였다.O-고리로 투척거리를 안정적이고자유롭게 조정할 수 있다.베어링투석기의 본체와 팔을 부드럽게 움직이게 도와주는 역할을 한다.공바구니재활용품(페트병)을 이용함.공이 날아가는 각도를 조정하기 위해 위 아래가 비대칭이 되도록 잘라내었다.명 칭사 진설 명추고무줄의 탄성력을 유지시켜 주며 마지막 순간에 운동에너지로 팔에 임팩트를 가하게 해준다.칠 판지우개추가 직접적으로 본체에 떨어지는 충격을 완화시켜 발사 시 투석기의 흔들림을 막아주고 내구성을 강하게 해준다.stopper투석기의 팔이 고무줄의 탄성으로 발사될 때 팔이 받는 충격을 완화해 주고 공의 발사 각도를 일정하게 유지해준다.추받침추가 떨어질 때 팔과 베어링에 타격을 막아주는 장치.추의 길추가 떨어질 때 어떠한 방해도 없이 항상 같은 방향으로 떨어지도록 도와주는 보조장치.나 사투석기의 모든 제작은 모두 나사를 이용하여 분해, 조립이 수월하다.8. 제작비용/영수증1) 제작비용번 호물 품 명수 량(개)단 가(원)금 액(원)1목재(2x8x360)42,50010,0002나사··Machine shop 협찬3베 어 링42,50010,0004도르레17,0007,0005철심21(재활용)2,0004,0006스폰지1·재활용7고무줄201002,0008덤벨2·재활용9페트병5·재활용10칠판지우개1·재활용11마대자루봉1·재활용12O-링103003,00013후크41,0004,000합 계40,0001) 영수증9. 고 찰게가 상당하여 ‘가벼운 테니스공 정도야...’라는 생각을 했었다. 하지만 실제로 시작품을 만들어 테니스공을 날려보니 생각만큼 거리도 나오지 않았고, 힘도 약하였다.machine shop에 계시는 기사님께 자문을 구해보니 테니스공이 가벼워 회전을 하는 봉의 속도가 빨라야 원하는 거리를 얻을 수 있다고 조언을 해 주셨다. 또 고무줄을 써 보라는 말씀도 해 주셨다. 우리의 시작품은 추로부터 에너지를 얻는 것이므로, 추를 버리고 고무줄의 탄성에너지만으로 동력을 받기엔 아쉬움이 있었다. 그래서 추의 위치에너지와 함께 고무줄의 탄성에너지를 사용할 수 있는 모습으로 생각을 해 보았다. 고무줄을 뒤쪽으로도 달아 보고 앞쪽으로도 달아 보며 많은 고민과 회의 끝에 최종 작품의 모형이 드러나기 시작했지만, 이 작품도 많은 실수와 좌절 끝에 완성된 것이었다.몇 가지 나열하여 보면 보완품에는 stopper가 없어서 회전 봉이 바로 도르래에 충돌 하였다. 이로 인해 공 투척시 투척각이 없어 포물선 운동을 하지 않아 표적물(쓰레기통)에 넣기가 힘들었다. 이뿐만 아니라 회전봉이 도르래에 충돌하면서 양쪽 모두에 상당한 stress를 받았다. 그래서 버려진 스티로폼을 사용해 stopper를 만들게 되었다. 그리고 충격이 받는 부분이 하나 더 있었는데, 우리는 추의 위치에너지를 사용하다보니. 추가 떨어지는 목재 부분에 상당한 stress가 쌓였다. 그래서 그곳에는 버려진 칠판 지우개를 이용하여 충격을 줄여 주었다. 고무줄 또한 우리에게 많은 시련을 주었다. 추에 고무줄을 달고 실험을 하다보니 고무줄에 탄성이 줄어들어 몇 번 투척을 한 후 휴식하고를 반복 할 수밖에 없었다. 그래서 예비 고무줄을 3개를 만들어 번갈아 가며 데이터를 측정 하였다.그 밖에도 여러 가지 힘든 일이 많았지만, 수십번의 보완과 실험으로 지금의 정확도를 얻을 수 있었다. 그 노력의 결과가 오늘 좋은 성과로 돌아올 것을 믿는다. 힘들었지만 보람을 느끼게 해준 4주였다고 생각된다. 모두 각기 성격이 다른 팀원이 모여 때론 서로.

공학/기술| 2010.11.06| 17페이지| 2,500원| 조회(1,997)

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