회전식 치과용 드릴의 소형 베어링 급경사의 정밀한 측정

팁의 드릴 부위에 사용되는 치과용 핸드피스 및 미니어처 베어링
 

애플리케이션 - 치과 핸드피스 미니어처 베어링의 표면 거칠기 계측

치과 핸드피스는 치과 치료 시 치아의 셰이빙, 절단, 드릴 작업에 사용되는 기구입니다. 핸드피스의 주요 성능 요건은 다음과 같습니다.

1. 견고한 치아를 부드럽게 절단하기 위해 드릴 부위가 분당 회전 수(rpm) 400,000~500,000 수준으로 회전하는 고속 회전
2. 경구 내부 안전을 위한 진동 최소화(저진동)
3. 절단 이후 반드시 진행해야 하는 소독 치료에 대한 저항(화학물 저항 및 고온 저항)
4. 환자를 불쾌하게 만들지 않는 조용한 회전(정숙성)

이러한 성능 요건 중 고속 회전은 핸드피스에 에어터빈을 적용하는 것으로 구현됩니다.
에어 터빈을 회전시키기 위해 압축 공기가 사용되며, 이 압축 공기는 부드러운 회전과 장치 냉각을 위해 일반적으로 오일 미스트를 함유합니다. 이에 더해 에어 터빈은 베어링에 의해 고정되기 때문에, 이 베어링 또한 상기 기술한 요건들을 모두 충족해야 합니다. 사용되는 소재는 마찰 마모에 대한 저항과 소독제 및 고열 환경에 대한 저항을 가져야 합니다. 그리고 베어링은 고속 회전 및 반복된 화학물 및 고온에 장기적으로 노출된 이후에도 낮은 진동 및 소음 수준을 유지할 수 있는 형체를 가져야 합니다.
베어링 구성부품의 표면 거칠기를 계측하여 실행하는 형체 평가는 해당 부품이 성능 기준을 충족하는지 여부를 확인하는 기술 중 하나입니다. 구성부품의 표면 거칠기 측정은 고속 회전으로 인한 마찰 마모가 디자인 기준값을 충족하는지 여부, 세척 후 슬라이드 속성이 저하되었는지 여부, 진동 없이 저소음으로 회전이 가능한지 여부 등 마찰 마모를 포함한 베어링의 품질을 정량적으로 평가할 수 있게 해줍니다.
그러나 핸드피스에 사용되는 베어링은 매우 작습니다. 가장 일반적으로 사용되는 베어링의 지름은 내경 3.175 mm, 외경 6.35 mm입니다. 이에 따라 표면 거칠기 계측이 필요한 베어링 볼, 내부 링, 외부 링 등 베어링으로 구성된 부품들 또한 매우 작습니다. 실제로 베어링 볼의 경우, 약 1 mm의 지름을 가지고 있습니다.
해당 부품들이 구형 형체를 가지고 있음에도 불구하고, 크기가 작기 때문에 계측 대상 면의 경사는 매우 급합니다. 이러한 이유로 프로브를 사용하여 표면 거칠기를 계측하는 접촉식 표면 거칠기 테스트 장비를 사용해 정밀한 계측을 실행하는 것은 매우 어렵습니다. 이에 더해 레이저 현미경과 같은 일부 비접촉 계측 방식은 렌즈의 성능과 반사광에 대한 탐상 민감도에 따라 계측이 제한되기도 합니다.

LEXT OLS5000 3D 레이저 현미경을 통해 소형 베어링 검사의 어려움 해결

[1] 4K 스캐닝 기술

시스템에 탑재된 4K 스캐닝 기술을 통해 X 방향으로 기존 해상도 대비 4배 높은 4,096 픽셀의 해상도를 가진 스캔을 실행할 수 있습니다. 이를 통해 수직에 가까운 급경사면의 표면 거칠기를 이미지 수정 없이 정확하게 계측하는 것이 가능합니다.

87.5° 경사면의 형체도 탐상할 수 있습니다.

[2] HDR 스캔

샘플 형체에 따라 탐상 민감도를 변경하는 것으로 사용자는 2개의 형체 데이터 세트를 바탕으로 자동으로 형성되는 정밀 이미지를 획득할 수 있습니다.

[3] 정확성 및 반복성* 보장

정확성은 계측값이 실제값에 얼마나 근접했는지를 표현하며, 반복성은 반복된 계측값의 가변성이 얼마나 작은지를 표현합니다. Olympus는 추적성 시스템 도해를 기반으로 정확성과 반복성을 보장합니다.

[4] 계측 화면 — 경사 수정 함수

아래의 베어링 볼, 외부 링, 내부 링의 3개 베어링 구성부품의 이미지는 LEXT OLS5000 현미경의 기능이 어떻게 표면 거칠기 평가 애플리케이션을 촉진하는지를 보여줍니다.

1. 베어링 볼

베어링 볼의 외관
 

베어링 볼의 컬러 이미지(배율: 2,337X)
볼의 매끄러운 표면 이미지

베어링 볼 표면 거칠기 계측 화면

선명한 계측 이미지는 작은 직경을 가진 볼에서도 노이즈가 없는 데이터를 얻을 수 있습니다.
 

2. 외부 링 (절단 샘플)

외부 링의 외관

외부 링의 궤도를 계측하기 위해 가운데를 절단했습니다.

외부 링 궤도 면의 컬러 이미지(배율: 4,674X)

베어링 분해 시 신품임에도 불구하고 궤도를 통과하는 볼의 흔적을 확인할 수 있습니다.

외부 링 궤도 부분의 표면 거칠기 계측 화면
계측된 영역은 오른쪽 상단 이미지에 어두운 사각형으로 표시되었습니다.
 

3. 내부 링

내부 링의 외관

궤도 부분을 따라 외부 표면이 눌린 것을 확인할 수 있습니다.

내부 링 궤도 부분의 컬러 이미지(배율: 4,674X)

외부 링보다 급한 경사면을 가지고 있음에도 불구하고 선명한 이미지 획득

내부 링 궤도 부분의 표면 거칠기 계측 화면

계측 영역이 급경사면인 경우에도 경사 수정 기능을 통해 평면과 동일한 정밀성을 가진 계측 결과를 얻을 수 있습니다.

* 상온(20 °C + 1 °C), 습도: 60% + 1% 환경에서 사용할 경우 보장됩니다. Olympus 인증 시스템에 따라 보장됩니다. 자세한 정보는 영업 담당자에게 문의하십시오.