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정화 하
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1 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 9, pp ISSN (Print), ISSN (Online) September 2016 / 임플란트용 실링 어버트먼트의 개발 및 구조해석을 통한 성능분석 Development of a Sealing-Type Abutment for Implant and the Performance Evaluation via Structural Analysis 김정민 1, 홍대선 2, Jeong Min Kim 1 and Dae Sun Hong 2, 1 창원대학교기계설계공학과 (Department of Mechanical Design and Manufacturing, Changwon National University) 2 창원대학교기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National University) Corresponding author: dshong@changwon.ac.kr, Tel: Manuscript received: / Revised: / Accepted: Currently, dental implants are widely used as artificial teeth due to their good chewing performance and long life cycle. Generally, a dental implant consists of an abutment as the upper part and a fixture as the lower part. When chewing forces are repeatedly applied to a dental implant, a gap is often generated at the interfacial surface between the abutment and the fixture, and it results in some deterioration such as loosening of the fastening screw, dental retraction and fixture fracture. To enhance the sealing performance for coping with such problems, this study proposes a new sealing-type abutment having a number of grooves along the conical surface circumference, and it carries out finite element analysis in consideration of the external chewing force and pretension between the abutment and the fixture. The result shows that the proposed sealing-type abutment shows an enhanced sealing performance in terms of the contact pressure in comparison with a conventional abutment. KEYWORDS: Dental implant ( 치과임플란트 ), Sealing-Type abutment ( 실링어버트먼트 ), Finite element analysis ( 유한요소해석 ), Fixture ( 고정체 ) 기호설명 d = Depth of the groove in the sealing abutment h = Spacing between grooves 1. 서론 치과임플란트는 1969 년에스웨덴의룬트대학 의정형외과의사인 Branemark교수에의해생체와금속간의직접적인결합인골유착의개념이보고된이후많은실험과임상적적용을통해발전을거듭하여현재는신뢰할수있는치아치료의한방법으로널리사용되고있다. 1,2 Fig. 1은치과임플란트를구성하는어버트먼트 (Abutment) 와고정체 (Fixture), 그리고보철크라운 (Crown) 의형상을나타내는데, 고정체는임플 Copyright C The Korean Society for Precision Engineering This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp. 769-775 September 2016 / 770 Fig. 1 Constitution of a dental implant 란트의매식체로서뼈안에식립되는치근역할을하고, 어버트먼트의한쪽은고정체에나사체결에의해연결되는기둥으로써임플란트의지대주기능을한다. 그리고어버트먼트의다른반대편에는크라운이고정된다.

기존의일반어버트먼트에서풀림 (Loosening) 이발생하는근본원인을보면어버트먼트와고정체는서로원추형상으로면접촉하고있는데, 실제로이접촉면간의완벽한면접촉은불가능하고또한치아에반복적으로걸리는저작력에의해접촉면이변형을일으켜어버트먼트와고정간간에틈이발생하는데기인한다.

2 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 770 Fig. 1 Constitution of a dental implant 란트의매식체로서뼈안에식립되는치근역할을하고, 어버트먼트의한쪽은고정체에나사체결에의해연결되는기둥으로써임플란트의지대주기능을한다. 그리고어버트먼트의다른반대편에는크라운이고정된다. 이치과임플란트는특수한환경인구강내에식립되어치아의역할을대신하여정하중및동하중을지속적으로받게되므로생체역학과연관하여많은문제점들이발생될수있다. 이러한문제점중가장흔한현상은나사의이완, 보철물의풀림현상, 임플란트고정부의파절및경부부위의골손실등을들수있으며, 3,4 특히풀림현상은보철물사이로이물질이개입됨에따라임플란트의기능을현저하게상실시키는원인을일으킨다. 기존의일반어버트먼트에서풀림 (Loosening) 이발생하는근본원인을보면어버트먼트와고정체는서로원추형상으로면접촉하고있는데, 실제로이접촉면간의완벽한면접촉은불가능하고또한치아에반복적으로걸리는저작력에의해접촉면이변형을일으켜어버트먼트와고정간간에틈이발생하는데기인한다. 이러한틈이나풀림현상이발생하면이물질이끼며이로인한세균막의침착은물론치아의함몰, 고정부의파단을가져오며환자는벌어진틈을다시조여줄필요가있어서교정시술을받아야하는불편함이있다. 이와같은문제점을해결하고자여러연구가진행되고있는데, 임플란트부품에대해서는어버트먼트 (Abutment) 및나사산의크기와형태, 5,6 저작력 (Chewing Force) 및조임력 (Pretension) 7-9 등에대해연구를들수있다. 본연구에서는어버트먼트에서풀림현상을해결하기위한방법으로서어버트먼트의원주상에여러개의홈형상을갖는실링어버트먼트를개 Fig. 2 Gap occurrence in an abutment against external force Fig. 3 Mechanism of loosening occurrence 발하고또한이와고정체간의접촉상태를고려한유한요소해석을수행한다. 그리고여러가지격자의개수에따른해석결과를비교분석하여본요소모델에대한해석신뢰성을검증한다. 최종적으로해석결과를종래의어버트먼트에대한해석결과와비교하여본실링어버트먼트의성능을분석한다. 2 실링어버트먼트의개발 2.1 기본개념일반어버트먼트의경우 Fig. 2 에나타나있는바와같이저작력이반복적으로계속작용하면어버트먼트와고정체사이에틈이발생하게되고이로인해어버트먼트와고정체간에풀림현상이발생한다. 이풀림이발생하는원인을보면첫번째로는 Fig. 3 에나타나있는바와같이체결나사의길이가늘어나는경우이다. 이경우어버트먼트나사에추가인장력이발생을하는데이로인한영구변형이발생하게되면풀림현상이발생한다. 두번째로는나사가회전되는경우로서외부요인

한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp. 769-775 September 2016 / 771 에의해체결되어있는어버트먼트수나사와고정체암나사간의마찰력이감소되면풀림현상이발생할수있다.

3 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 771 에의해체결되어있는어버트먼트수나사와고정체암나사간의마찰력이감소되면풀림현상이발생할수있다. 이와같은풀림현상을최소화시키기위하여본연구에서는어버트먼트의원추형외면에여러개의홈을만들고, 이결과로접촉되는돌출면의접촉압력을보다더고르게분포되게하여나사의풀림이나어버트먼트의흔들림을최소화시키고자한다. 이는돌출부위에외력이가해되면홈부위에변형이생기고이로인해접촉면사이에보다높은실링 (Sealing) 효과를볼수있기때문이다. 이와같은원리는실생활이나산업현장에서자주볼수있다. 대표적인예로타이어의경우트레드의돌출된부분이지면에닿으면서변형이발생하고, 이로인해접촉면적이넓어지면서압력이보다더균등하게분포되게되어운전안정성이향상된다. 또한자동차엔진의피스톤링과신발밑창의경우도역시돌출된부분의접촉압력이상대적으로균등하게분포되는현상을이용한것들에속한다. 2.2 실링어버트먼트형상및홈규격위에서설명한원리를이용하여본연구에서는 Fig. 4 에나타나있는바와같이기존어버트먼트의원추면에여러개의홈형상을갖는새로운형태의실링어버트먼트를개발하였다. 여기서홈의개수는어버트먼트의치수및홈가공방법등을고려하여 6 개로정했다. 본연구에적용된어버트먼트의전체길이는 mm 이고직경은 4.06 mm 이다. 그리고홈의형상은사다리꼴로하였고, Fig. 5 에이홈의형상을나타낸다. 여기서홈의깊이 d 는 0.05 mm 이고, 홈간의간격 h 는 1.71 mm 로하였다. Fig. 4 Groove shape of the sealing abutment Table 1 Mechanical property of Ti6A14V Density 4430 kg/m -3 Poisson s ratio Tensile yield strength 880 MPa Tensile ultimate strength 950 MPa Compressive yield strength 970 MPa Fig. 5 Groove shape and dimensions 3. 실링어버트먼트의유한요소해석 3.1 모델링및해석조건앞절에서설명한바와같이기존일반어버트먼트의외주면에 6 개의홈을갖는실링어버트먼트에대하여 3D 모델링을생성하였고, 이를 Fig. 6 에나타낸다. 여기서어버트먼트와고정체의재질은티타늄합금 (Ti6A14V) 을사용하고, 그물성치를 Table 1 에나타낸다. 구조해석툴은 ANSYS Workbench 10 를이용하고, 경계조건으로는 Fig. 7 에나타나있는바와같이 Fig. 6 3D modeling of the sealing abutment 고정체의외부를고정 (Fixed Support) 하고대칭조건을부여하며, 어버트먼트외면과고정체내면은서로면접촉을이루도록한다. 이러한티타늄합금간의면접촉및미끄럼발생시에는마찰력이발생하므로여기에서접촉조건으로마찰계수는 0.2 로설정하였다. 11

139,437 (a) Fixed support (b) Contact surface Fig.

Pretension (b) Chewing force Fig. 8 Force conditions 한편어버트먼트는고정체에나사체결로고정시켜서사용하는데, 이때사용되는조임토크는 0.35 Nm 이다. 이경우에체결되는어버트먼트나사부위에인장력이발생하게되므로, 이를나사의회전력과토크에관한관계식 12 을이용하여환산하면 177.

유한요소해석을위해 Fig. 9 와같이일반어버트먼트와실링어버트먼트의유한요소모델의격자를생성하였다. 본연구에서유한요소해석결과에대한신뢰성을검증하기위하여격자크기를 6 단계로증가시켜각각에대한해석결과를얻고이를비교분석하고자한다. Tables 2 와 3 은각격자크기에대한노드와요소의개수를나타낸다.

4 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 772 Table 2 Statistics of meshes for the conventional model Case Nodes 52,111 83, ,727169,065211,589331,453 Elements 11,676 18,758 41,842 71,763 86, ,437 (a) Fixed support (b) Contact surface Fig. 7 Boundary conditions Table 3 Statistics of meshes for the sealing model Case Nodes 52,111 83, ,727169,065211,589331,453 Elements 14,096 22,278 55,405 96, ,325180,876 (a) Pretension (b) Chewing force Fig. 8 Force conditions 한편어버트먼트는고정체에나사체결로고정시켜서사용하는데, 이때사용되는조임토크는 0.35 Nm 이다. 이경우에체결되는어버트먼트나사부위에인장력이발생하게되므로, 이를나사의회전력과토크에관한관계식 12 을이용하여환산하면 N 의조임력 (Pretension) 이구해지고, 이조임력을 Fig. 8(a) 에나타낸다. 해석시어버트먼트에가해지는외부하중조건으로서는임플란트피로시험규격인 ISO 의방법을따른다. 이규격에서는어버트먼트끝단에 250 N 의힘을 30 경사로가하도록되어있고, 이를 Fig. 8(b) 에나타낸다. 이상과같이하중조건으로서조임력과외부저작력을고려한다. 유한요소해석을위해 Fig. 9 와같이일반어버트먼트와실링어버트먼트의유한요소모델의격자를생성하였다. 본연구에서유한요소해석결과에대한신뢰성을검증하기위하여격자크기를 6 단계로증가시켜각각에대한해석결과를얻고이를비교분석하고자한다. Tables 2 와 3 은각격자크기에대한노드와요소의개수를나타낸다. 이표들에나타나있는바와같이노드개수최대값대최소값비율은약 6 배이고, 요소개수의경우는약 12 배이다. 여기서격자의형상을일정하게생성하기위하여어버트먼트의격자형태는 Sweep Method 를적용하고고정체는 Multi-Zone Method 를적용하였다. 14 Fig. 9 Meshing 3.2 유한요소해석결과앞에서경계조건및하중조건을기준으로본실링어버트먼트에대한유한요소해석을수행한다. 여기서본유한요소모델에대한해석신뢰성을검증하고자여러가지격자의개수에따른해석결과를비교분석하고, 또한해석결과를종래의어버트먼트에대한해석결과와비교하여본실링어버트먼트의성능을분석한다. 해석결과로서격자의수에따른어버트먼트에서발생하는최대응력과최대접촉압력을얻었고, 일반어버트먼트에대한결과는 Table 4 에, 그리고실링어버트먼트에대한결과는 Table 5 에각각나타낸다. 먼저 Table 4 에나타나있는최대응력에대해서는두모델모두격자가증가함에따라결과값이증가또는감소를반복하고있음을볼수있다. 여기서, 실링어버트먼트의경우에발생하는최대응력은 CASE 2 에서 348 MPa 으로가장크게발생하고 CASE 1 에서 241 MPa 로가장작게발생한다. 이표를보면어버트먼트두모델모두 CASE 4 이후에는그값이그다지큰차이가나지않음을

280 311 316 339 Max Table 5 Maximum contact pressure according to various mesh sizes CASE 1 2 3 4 5 6 Maximum Conventional 483 328 447 389 378 443 contact pressure (MPa) Sealing 742 508 438 425 400

5 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 773 Table 4 Maximum equivalent stress according to various mesh sizes CASE Maximum Conventional equivalent stress (MPa) Sealing Max Table 5 Maximum contact pressure according to various mesh sizes CASE Maximum Conventional contact pressure (MPa) Sealing Fig. 10 Stress distribution in the sealing abutment Max 알수있다. 다음으로 Table 5 에나타나있는접촉압력에대한결과를보면, 일반어버트먼트의경우는최대응력의결과와유사한경향을보이고있고실링어버트먼트의경우 CASE 1 에서 742 MPa 로가장크게발생하고 CASE 5 에서 400 MPa 으로가장작게발생하는것을볼수있다. 그리고최대응력의경우와마찬가지로본최대접촉압력값도 CASE 4 이후에는그다지큰차이가나지않음을알수있다. 이상과같은결과를종합하면격자수변화에따른본유한요소해석결과상대적으로격자수가작은 CASE 1 과 CASE 2 의경우의해석결과는약간불안정하게나타나고있으나, 상대적으로격자수가큰 CASE 4 부터 CASE 6 까지는비교적안정한값을보이고있다. 여기서 CASE 4 의격자수는 CASE 1 의약 3 배이다. (Tables 2 와 3 참조 ) 따라서격자수변화에따른본유한요소해석에서 CASE 4 부터 CASE 6 의해석결과는신뢰성이있음을보인다. 다음으로위의해석결과를바탕으로실링어버트먼트와일반어버트먼트간의성능을비교한다. 여기서해석결과는비교적안정한결과를보이고있는 CASE 5 를기준으로한다. 먼저최대응력을보면실링어버트먼트에서 316 MPa 이고, 일반어버트먼트에서는 281 MPa 로서실링어버트먼트에서발생하는최대응력이약간더큰값을보인다. 소재의항복응력이 880 MPa 이므로두경우모두모두탄성영역내에서 (a) Conventional abutment Max (b) Sealing abutment Fig. 11 Contact pressure on the contact surface 변형이발생하고있음을알수있고, 이응력에대한안전율은각각 3.1 과 2.8 로서그다지큰차이는나지않는다. 한편, 실링어버트먼트에걸리는응력분포를 Fig. 10 에나타낸다. 이그림을보면최대응력은어버트먼트와고정체간의접촉면의최상단부에서발생함을알수있다. 다음으로각어버트먼트에발생하는접촉압력을 Fig. 11 에나타낸다. Fig. 11(a) 는일반어버트먼트에대한결과이고, Fig. 11(b) 는실링어버트먼트의결과이다. 이결과들을보면실링어버트먼트에서발생하는최대접촉압력은 400 MPa 로서이는일반어버트먼트의경우의최대접촉압력인 378

6 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 774 MPa 보다약간더큰값을보인다. 한편, 접촉압력분포를보면, Fig. 11(a) 에나타나있는일반어버트먼트의경우좌상부와우하부에국부적으로높은접촉압력이발생하고있음을보인다. 그렇지만 Fig. 11(b) 에나타나있는실링어버트먼트경우에는일반어버트먼트의경우에비해접촉압력이각돌출부에비교적고르게분포되어있음을볼수있고, 특히실링어버트먼트의중간아래부분에서매우고르게접촉압력이발생함을보인다. 이상과같이두종류어버트먼트에대한해석결과들을보면해석시격자의수가어느정도증가한이후에는 ( 위의해석에서 CASE 4 부터 CASE 6 까지 ) 비교적안정한결과를얻을수있었고, 이로부터본유한요소모델에대한해석신뢰성을검증하였다. 그리고응력해석결과를보면두가지모델모두탄성변형이발생하고있으며제품내에서발생하는최대응력은그다지큰차이가없음을알수있다. 그리고최대접촉압력의크기는실링어버트먼트가일반어버트먼트에비해약간더큰값을보이고있고, 특히이접촉압력분포를보면실링어버트먼트의돌출부에비교적고르게잘분포되어있음을알수있다. 이러한결과는실링어버트먼트가일반어버트먼트에비해고정체와의접촉이더잘되어있어밀폐성능이보다더향상되었음을의미한다. 4. 결론 본연구에서는어버트먼트와고정체간의밀폐효과를극대화시켜그결과로어버트먼트의풀림현상을완화시키고자어버트먼트외주면에여러개의홈을갖는실링어버트먼트를개발하였고, 유한요소해석을통하여이제품에대한성능을분석하였다. 어버트먼트와고정체는서로조립된상태에서외력이가해지면그사이에서마찰접촉이발생하는데, 이외력및어버트먼트와고정체간의초기조임력을고려하여해석을수행하였다. 또한해석시격자의수변화에따른해석결과를비교분석하였는바, 격자의수가어느정도증가한이후에는비교적안정한결과가나오는것을확인함으로써본유한요소모델에대한해석신뢰성을검증하였다. 해석결과를보면제안한실링어버트먼트가기존의일반어버트먼트에비해고정체간에발생하 는최대접촉압력이약간더높고, 특히접촉압력이돌출부에보다더고르게분포되어있음을알수있다. 이러한결과는개발한새로운실링어버트먼트의밀폐성능이보다더향상되었음을의미한다. 후기 이논문은 2015, 2016 년도창원대학교자율연구과제연구비지원으로수행된연구결과임. REFERENCES 1. Brånemark, P.-I, Breine, U., Adell, R., Hansson, B. O., Lindstrom, J., et al., Intra-Osseous Anchorage of Dental Prostheses: I. Experimental Studies, Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery, Vol. 3, No. 2, pp , Gaviria, L., Salcido, J. P., Guda, T., and Ong, J. L., Current Trends in Dental Implants, Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons, Vol. 40, No. 2, pp , McGlumphy, E. A., Mendel, D. A., and Holloway, J. A., Implant Schew Mechanics, Dental Clinics of North America, Vol. 42, No. 1, pp , Carlson, B. and Carlsson, G. E., Prosthodontic Complications in Osseointegrated Dental Implant Treatment, International Journal of Oral and Maxillofacial Implants, Vol. 9, No. 1, p. 90, Siamos, G., Winkler, S., and Boberick, K. G., The Relationship between Implant Preload and Screw Loosening on Implant-Supported Prostheses, Journal of Oral Implantology, Vol. 28, No. 2, pp , Haack, J. E., Sakaguchi, R. L., Sun, T., and Coffey, J. P., Elongation and Preload Stress in Dental Implant Abutment Screws, International Journal of Oral and Maxillofacial Implants, Vol. 10, No. 5, p. 529, Martin, W. C., Woody, R. D., Miller, B. H., and Miller, A. W., Implant Abutment Screw Rotations and Preloads for Four Different Screw Materials and Surfaces, The Journal of Prosthetic Dentistry, Vol. 86, No. 1, pp , Lee, M.-Y., Heo, S.-J., Park, E.-J., and Park, J.-M., Comparative Study on Stress Distribution around Internal Tapered Connection Implants according to

7 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 / 775 Fit of Cement-and-Screw-Retained Prosthesis, The Journal of Advanced Prosthodontics, Vol. 5, No. 3, pp , Kim, N., Choi, K. H., and Oh, H. S., The Evaluation of Fitness on Implant Bolt Joints as Tightening Torques, Proc. of the Korean Society of Mechanical Engineers Autumn Conference, pp , ANSYS Inc., ANSYS Mechanical APDL Structural Analysis Guide, com/umy/ /ansys13_structural%20guide.pdf, (Accessed 13 December 2015) 11. Koak, J. Y., Kim, H. W., Lee, K. R., and Heo, S. J., DLC-Coated Dental Titanium Implant and The Method of Processing Thereof, KOR Patent, No , Hong, J. P., Mechanical Design, BooksHill, pp , ISO 14801, Dentistry-Implants-Dynamics Fatigue Test for Endosseous Dental Implants, ANSYS Inc., Workbench Training Manual, WB Mechanical Mesh, pp , 2015.

8 한국정밀공학회지제 33 권제 9 호 pp September 2016 /

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7-2È£ original article OA A comparative study on accuracy of the implant torque devices for screw tightening Hi-Chan Jung 1, Chang-Mo Jeong 2 1 Graduate student, DDS,MSD Dept of Prosthodontic Dentistry, College