티타늄 3D 프린팅으로 제작된 맞춤형 고관절 보형물이 사용 2년 만에 파손되었습니다. 환자는 관절 부위에 골절이 발생하여 수술적 재치료가 불가피했습니다. 현재 이 사례는 파손 원인이 소결 재료의 과도한 기공도(porosity) 때문인지, 생성 설계(generative design) 과정에서 충격 하중 시뮬레이션의 결함 때문인지 규명하기 위한 심층 기술 연구로 분석되고 있습니다.
미세 CT와 시뮬레이션: 파손 진단 🔬
조사팀은 VGSTUDIO MAX를 사용하여 골절된 보형물의 미세 CT 이미지를 처리했습니다. 분석 결과, 균열이 시작된 대퇴 경부(femoral neck)에서 상호 연결된 기공 영역이 발견되었습니다. 티타늄 Ti6Al4V의 선택적 레이저 소결(SLM) 공정에서 일반적으로 나타나는 이러한 공동(cavities)은 응력 집중기 역할을 했습니다. 동시에 Ansys Mechanical에서 원본 CAD 모델을 재현했습니다. 시뮬레이션 결과, 정상 보행 시의 주기적 하중에 최적화된 생성 설계는 미끄러짐이나 측면 충격과 같은 우발적 하중 시나리오를 고려하지 않은 것으로 나타났습니다. Materialise Magics의 생성 설계 소프트웨어는 예상치 못한 최대 하중에 대한 내구성보다 무게 감소를 우선시했습니다.
설계가 내구성을 해치지 않도록 방지하는 방법 ⚙️
이 사례는 3D 보형물 분야에 중요한 교훈을 제시합니다. 맞춤화는 단순히 해부학적 구조에 적응하는 것뿐만 아니라 환자의 생체역학적 위험까지 고려해야 한다는 점입니다. 시뮬레이션에는 낙상이나 급격한 움직임에 해당하는 충격 하중을 반드시 포함시켜야 합니다. 또한, 미세 CT를 이용한 출력 후 품질 관리는 필수이며, 최대 기공도 임계값을 설정해야 합니다. KeyShot과 같은 도구를 사용하여 파손 분석에 대한 시각적 보고서를 외과의에게 제시함으로써 임플란트 재설계에 대한 의사 결정을 용이하게 할 수 있습니다.
티타늄 3D 고관절 보형물 설계 시 유한 요소 시뮬레이션을 통해 임계 기공도를 예측하여 사용 2년 후 피로 파괴를 방지할 수 있을까요?
(참고: 3D 보형물은 너무나 맞춤화되어 지문까지 있습니다.)