[Manufacturing(생산)] 프레스 금형, 사출 금형과 소프트웨어 등으로 살펴보는 의료기기

[Manufacturing(생산)] 프레스 금형, 사출 금형과 소프트웨어 등으로 살펴보는 의료기기

 2018-10-03

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도도(Dodo)

 

의료기기를 만드는 방법과 프레스 금형 및 사출 금형 그리고 소프트웨어 등으로 살펴보는 생산 기술을 소개하려고 한다.

하나 만들기 위해서 소요되는 품목은 다양하다고 할 수 있다.

프레스 금형과 사출 금형의 특색을 자세히 살펴보면, "철(Steel)판을 대상으로 생산한다"와

"사출 금형은 원료의 배합에 의해서 생산한다"의 차이가 있다고 할 수 있다.

의료기기는 매우 고가에 형성되는 기기라고 할 수 있다.

그래서, 구체적으로 이 기기를 제작하는 기본적인 프레임워크(이하 "구조")에 대해서 몇 가지 기술적인 이슈를
통해서 소개하려고 한다.

 

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1. Abstract(개요, 초록 등으로 다양하게 번역됨)

 

완벽하진 않을 수 있으나 의료기기 하나를 기계공학적인 관점에서 설계하는 방법에 대해서 소개하려고 한다.

 

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2. 제작 목표 - 의료기기 제작하기

 

의료기기 제작의 목표는 아래의 그림처럼 설계했다고 가정하자.

 

 

그림 1) 의료기기의 예 - 도도(Dodo)

 

그림 1은 의료기기의 예이다.

구체적으로 어떻게 제작하는지 소개하려고 한다.

 

교과서: 동역학, 정역학, 영상처리(CV), 선형대수학, 공업수학계통(있어도 되고 없어도 무방), 물리 교과서, 수학 교과서, 의학 교과서,
             회로 관련 책(전자회로, 전기회로 등), 진동(세부주제 중 하나 / 없어도 무방한데 정밀하게 진동 취급하려고 하면 있으면 좋고) 등.
필요장비: 금형(프레스, 사출 등의 머신, 3D 프린터 등)
필요부품: 광학렌즈, 광학 투시 카메라 렌즈, 적외선 등.
개발 프로그램: 소프트웨어(MS Visual Studio, Java, Gnome Development(그놈), Anjuta 등 언어 무관)
구체적으로: 형상 뽑아내려면 MCT(머시닝센터)나 3D프린터 등.
                   철제 구멍 뚫고 등도 요구된다.
                   나사 등은 기계요소설계라는 교과서가 요구된다.
필요재료: 많이 들어감. (예: 철판, 소재, 화학 미세한 가루, 흙, 모래, OO 등).

 

[첨부(Attachment)]

medicalMachine.7z

 

[Apache License v2.0을 적용받는다.]

 

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3. CAD로 설계도 그리기

 

구현하는 방법은 의외로 어렵진 않다.

3D 모델링 프로그램으로 그리면 된다.

그림 2. 설계도 작성하기의 예 - 도도(Dodo)

 

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3-1. 움직이게 만들기(동역학의 적용) 

부품 등을 잘 결합하면 된다.

그리고 컴퓨터 프로그래밍으로 몇 가지 명령을 주면, 로봇 팔("정식 명칭은 로봇 팔이 아님. 컴퓨터 + 기계의 팔")이라고 불리는
동역학의 "팔"을 구현할 수 있다.

 

# ifndef <>

# region

class Camera;

// 기계
class Machine{

private:
      Camera * cameraDevice;
public:
      leftArm ( x, y, z, ObjectData );
      rightArm ( x, y, z, ObjectData );
      bodyArm ( x, y, z, ObjectData );
}

// 카메라
class Camera{
      cameraPower ( Object device, int command );
      cameraPosition ( Object device, int x, int y, int z );
}

#endregion

 

# include <>

# include ""

main(){
         Machine* machine = new Machine();
         Camera* camera = new Camera();

         machine.leftArm ( x, y, z, ObjectData ) ;      // 동적 제어의 예

         machine.rightArm ( x, y, z, ObjectData ) ;    // 동적 제어의 예

         machine.bodyArm ( x, y, z, ObjectData ) ;   // 동적 제어의 예
} 

 

 

 

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3-2. 금형 - 프레스, 사출

철판을 다루려면, 찍어내야 한다.

"붕어빵" 틀이라고 불린다. 소량으로 제작하면, 단가가 매우 높아지는 특징을 가지고 있다.

대량으로 찍어내면, 단가의 리스크 분산은 충분히 가능하다.
공학(Engineering)의 특징은 단가 산정도 할 수 있어야 한다. 무척 어려운 주제이다.

과학(Science)은 돈이 안 돼도, 한참을 쏟아부어야 한다.

 

	사람이 들 수 있는 무게인가?  = 아님. 깔리면,    즉각, 발, 뼈 등에    매우 심각한 데미지를 입을 수 있음.    금형 틀 무게는? = 최소 500kg ~ 톤 단위이다.
그림 3. 프레스 금형(사출 금형)의 모습 예 - 도도(Dodo)

 

알기 쉽게 소개하면, "붕어빵" 틀을 찍어내는 것이다.

그림 3의 금형 틀을 머신에 넣는다.

물론 완제품을 조립해도 실패할 확률이 현저히 높다. 수차례 "재작업"을 해야 한다.

설계도가 완성되어도 문제는 현장에서 찍어냈을 때, 도저히 찍어낼 수 없는 것들이 있다.

 

그림 4. 도면 작성 및 해석 등을 했을 때의 모습(예) - 도도(Dodo)

 

그림 4는 도면 작성 및 해석 등을 완료했을 때의 모습이다.

설계상에서는 "적격"이라고 판정되었다.

그러나 기계에 넣고 샘플 양산을 해 보면, 수많은 불량이 생긴다.

 

여기에서 "몸 고생(재작업)"한다는 용어가 생긴다.
조립도 해야 하고, 부품 등을 전부 해체도 해야 한다.

재료 소재가 "철"인 경우, "소재" 등인 경우에도 매우 많은 문제가 생기고 있다.

 

그림 5. 프레스 기기에 투입의 모습	그림 6. 사출 기기에 투입의 모습

 

 

참고하면 도움이 되는 것: 뿌리 산업(매우 초기 단계의 저차원(Low)의 일)

 

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3-1. 프레스 기기의 수직 왕복 운동, 사출기기의 주입

 

프레스 기기를 통해서 수행할 수 있는 일은 "철판" 등을 형상으로 찍어낼 때 사용된다.

 

영상 1) 프레스 머신에서 금형 틀 그리고 재료에 대한 것 - 도도(Dodo)

그림 2) 사출 머신에서 금형 틀 그리고 재료에 대한 것 - 도도(Dodo)

교과서에는 사출 머신(Injection Machine)을 사용하고 났을 때 일어나는 인체적인 반응에 대해서 소개하고 있지 않다.  사출 머신을 동작시켜보면, 온도가 내려가지 않는다. 열은 계속 반응한다. (100~150도 이상의 고열)  원료 등으로 인하여 인체에 "구토" 등의 현상이 발생한다.  "페인트 통"에 가까운 신나 냄새가 마스크를 착용했음에도 몸에 반응한다.  먹었던 음식 등도 즉각적으로 구토로 배설될 수 있다.  교과서에는 사출 머신에 사다리가 있는지는 적혀있지 않다. 사다리를 타고 화학 원료를 대량으로 주입한다.

그림 3) 사출 머신에서 노동을 하였을 때, 발생하는 문제점의 예 - 도도(Dodo)

화학 원료 가루를 주입하는 모습이다.

영상 2. 사출기기의 작업 모습 예 - 도도(Dodo)

 

사출 작업을 하고 나면, 무슨 일이 있냐면 사상 작업을 해야 한다.

제품의 온도는 최소 체감온도 90도 이상 욱박하다.
(예1: "목장갑 두 개 착용해도 손가락이 매우 뜨겁다.",
(예2: 장갑이 녹는다. (뭔가 착용하고 장시간 작업하면, 체감에는 녹는 느낌이 있다.) 
(예3: 장갑이 찢어진다.)

 

[첨부(Attachment)]

pressMachine.7z

injectionMachine.z01

injectionMachine.zip

[Apache License v2.0을 적용받는다.]

 

 

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 3-2. 나사, 이음부(Joint) 등은 어떤 기계로 만드는가?

머시닝센터 등의 기계가 있다. 기계에 놓고 수치 및 형상 도면을 보고 동작시키면 된다.

테두리 등이 다듬어진 형상도 만들 수 있다.

 

선반(Lathe)으로 만들 수 있는 것은 아래의 그림과 같은 것을 만들 수 있다. 선반(Lathe)으로 철도 깎아낼 수 있다.

머시닝센터 또한 마찬가지로 철(Steel)도 깎아낼 수 있다.

 

그림 1. 선반으로 제작한 아이템의 예 - 도도(Dodo)	그림 2. 머시닝센터로 제작한 아이템의 예 - 도도(Dodo)

 

 

 

 

그림 6. 부품들의 조립으로 완성된 의료기기 - 도도(Dodo)	그림 7. 금형으로 찍어낸 부품의 예 - 도도(Dodo)