수술용 전동 도구의 신뢰성 - 습기가 적

재사용 가능한 수술용 전동 도구의 신뢰성은 매우 중요합니다. 이러한 도구에는 부식에 약한 전자 부품과 재료가 포함되어 있어 종종 습기 때문에 제품 수명이 단축되며 특히 전자 모터가 습기에 약합니다. 설계자는 가능하면 습기가 침투할 수 있는 틈을 없애거나, 튼튼한 구성 요소를 선택하거나, 가장 민감한 구성 요소를 격리하는 등의 방법으로 염분, 스팀 멸균 또는 기타 오염원으로부터 생성되는 습기의 영향을 완화해야 합니다.

수술용 전동 공구는 피드백과 제어를 위해 다양한 센서와 전자 구성 요소를 사용하는 제품이며 점점 정밀해지고 있습니다. 이러한 기술적인 진보는 수술 시간 단축과 수술 후 환자의 경과 결과로 이어집니다. 하지만 공구가 복잡해지면 그에 따른 비용도 증가합니다. 장치 OEM을 위한 솔루션은 공구가 수년 동안의 수술과 세척, 멸균 작업에 버틸 수 있도록 설계하는 것입니다. 현장에서 공구가 고장 나지 않고 더 오래 버틸수록 수술당 평균 비용이 감소하고 장치가 더 복잡해져도 정당화할 수 있습니다.

수술용 공구의 모터는 고장날 수 있는 다양한 부분이 있습니다. 예를 들어 베어링 고장(예: 고정 장치 고장, 오염, 부식, 윤활제 손실), 기어 고장(예: 마모, 피로, 부식, 윤활제 손실), 정류 고장(예: 홀 스위치 기능 정지, 합선, 배선 불량) 또는 전자기 회로 고장(예: 자석 와이어 배선 불량/합선, 영구 자석의 에너지 손실) 등이 있습니다. 이 문서에서는 습기와 부식이 재사용 가능한 수술 공구에 미치는 영향과 이러한 영향을 줄이는 전략에 대해 알아보겠습니다.

습기 침투 방지
위에서 언급한 고장이 발생하는 근본적인 원인 중 하나는 습기 침투이며 보통 공구의 끝단에서 발생합니다. 흔한 습기 침투 방지 전략은 핸드 피스 본체와 모터의 샤프트 사이를 동적으로 봉인하는 것입니다. 동적인 봉인의 설계는 봉인 가장자리를 날카롭게 만들어 샤프트에 부착시키는 것입니다. 봉인은 온도와 마모에 저항하 록 설계된 특별한 고분자 물질을 사용하며 봉인 가장자리가 샤프트를 누르도록 하는 내부 스프링이 포함됩니다. 봉인 어셈블리에는 예를 들어 스테인리스 스틸 잠금 장치, O링 또는 축방향으로 압축되는 플랜지 섹션 등 봉인의 회전을 방지하는 메카니즘이 포함됩니다. 설계자는 어셈블리의 다른 구성 요소, 즉 봉인을 감싸는 하우징과 모터 샤프트도 고려해야 합니다. 봉인 고정이나 표면 마감을 확실하게 제어해야 단단하고 오래가는 봉인을 만들 수 있습니다. 샤프트 봉인은 샤프트로 습기가 침투하는 것을 방지할 수 있지만 단점도 있습니다. 결국에는 실 끝단과 샤프트 표면이 마모되므로 수명을 늘리려면 설계자는 결국 습기가 봉인을 뚫고 샤프트에 침투할 경우의 계획을 세워야 합니다. 또한 봉인은 마찰을 일으키고 공구의 작동 온도를 높입니다.

모터에 습기가 침투하는 경로는 공구의 끝단뿐만이 아닙니다. 모터와 기어 헤드 사이와 같은 모터 하우징의 결합 부위에도 쉽게 습기가 침투합니다. 밀봉 레이저 용접, 봉인된 스레드 또는 O링을 사용해 이러한 부위의 습기 침투를 막을 수 있습니다. 습기가 침투할 수 있는 또 다른 경로는 모터의 전기 연결부입니다. 나중에 다루겠지만 다양한 방법으로 이 부분의 습기 침투를 막을 수 있습니다. 습기와 액체에 강한 신뢰할 수 있는 공구를 설계하려면 공구 설계자가 모터 설계자와 협업하는 것이 좋습니다.

기계적인 구성 요소 고장
윤활제가 손실되면 다양한 기계적인 고장이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 기어 플랭크와 베어링 구성 요소 사이에서 부식이나 금속과 금속의 마찰을 방지하기 위해 윤활제를 사용합니다. 적절한 윤활제는 멸균 온도보다 훨씬 높은 온도에서도 작동할 수 있도록 해주고 물에 잘 씻겨나가지 않으며(ASTM D1264와 동일하거나 비슷함) 부식 테스트에서 더 좋은 결과(ASTM D5969와 동일하거나 비슷함)를 냅니다.

기어, 샤프트, 베어링 같은 기계적인 구성 요소를 위해서는 피로, 마모 및 부식으로 인한 고장에 저항하는 재료를 선택해야 합니다. 침수 저항이 강화된 재료 또는 오스테나이트 스테인리스 스틸로 만든 구성 요소는 염분 또는 스팀에 의한 부식에 잘 견디지만 모든 구성 요소에서 요구하는 마모 저항력은 부족할 수 있습니다. 오스테나이트 등급보다 크롬 성분이 더 적은 마텐자이트 스테인리스 스틸은 부식 저항력이 낮지만 강도와 표면 경도가 높아 베어링이나 기어처럼 금속과 금속의 마찰이 일어나는 구성 요소에 사용합니다. 질소, 니켈, 몰리브덴 같은 물질을 첨가하여 탄소 농도가 약간 낮은 새로운 재료 덕분에 부식 저항성이 개선된 마텐자이트 스테인리스 스틸을 만들 수 있었습니다. 따라서 스테인리스 스틸을 대체할 재료로 공구를 설계하여 내부식성과 내마모성을 모두 개선하는 것이 가능하게 되었습니다. 베어링 고정 장치와 같이 부하가 적은 구성 요소는 폴리에텔에텔 케톤(PEEK) 또는 폴리아미드이미드(PAI)로 제작할 수 있습니다. 초경합금 또는 세라믹 역시 고려할 수 있지만 이러한 재료는 내부식성과 내마모성이 뛰어나지만 비교적 깨지기 쉽습니다. 질화 규소 또는 지르코늄디옥사이드 세라믹으로 만든 베어링은 마텐자이트 스테인리스 스틸보다 내부식성이 훨씬 뛰어납니다.

전기적 고장
전기적 고장은 인쇄 회로 기판, 홀 센서 또는 관련 전기 연결 고장이 일어날 때 발생하며 이러한 고장의 근본 원인 역시 종종 습기입니다. 폿팅, 트랜스퍼 성형, 보호막은 습기에 저항하는 소재로 전자 부품을 감싸 보호하는 방법입니다.

폿팅 프로세스의 경우 구성 요소를 하우징 내부에 넣습니다. 실리콘이나 에폭시 수지 같은 액상 혼합물을 어셈블리에 붇고 채워 구성 요소를 덮습니다. 내부에 갇힌 공기를 빼내기 위해 진공 흡입을 사용할 수도 있습니다. 마지막으로 어셈블리를 양생해 액체가 굳도록 하면 구성 요소를 완전히 감싸게 됩니다. 하우징과 구성 요소 주변에서 경화된 혼합물은 최종 제품의 일부가 됩니다.

트랜스퍼 성형은 폿팅과 유사하지만 구성 요소를 감싸는 소재가 가열된 고체라는 점에서 차이가 있습니다. 구성 요소(하우징 유무와 관계 없음)를 가열된 거푸집에 넣고 이를 감쌀 소재를 압착해 구성 요소에 맞는 모양이 되도록 합니다. 거푸집이 가열되어 있기 때문에 소재가 액체 상태를 유지하며 틈을 완전히 메웁니다. 소재를 다 채우면 성형된 부분에 열경화 양생을 합니다. 폿팅과 트랜스퍼 성형 모두 습기 저항력을 제공할뿐만 아니라 장치가 온도에 민감하거나 내진동성/내충격성이 요구될 때 좋은 선택지입니다. 이들 방법은 또한 노출된 전선의 변형을 방지합니다.

폿팅 또는 트랜스퍼 성형을 진행하는 과정에서 성형된 어셈블리 내부로 이어지는 전선이 있으면 유출이 일어나는 경로가 될 수 있습니다. 많은 피복 물질, 특히 PTFE는 성형 소재와 잘 결합되지 않습니다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 피복을 식각해 접착력을 높이는 것입니다. 식각 작업은 화학 반응을 통해 PTFE 백본의 탄소에서 불소를 제거해 대신 접착력을 제공하는 유기 물질이 결합하도록 합니다. 식각된 표면은 습기와 자외선에 민감하므로 적절히 보관하고 빨리 사용해야 합니다. 일부의 경우 터미널 핀을 사용해 전선이 아예 통과하지 않도록 하는 것이 더 나은 해결책입니다. 터미널 핀은 접착력이 좋고 폿팅 또는 성형 소재 외부까지 확장되어 연결 장치를 통해 전선을 이을 수 있습니다.

파릴랜 같은 보호막은 기화된 가스 형태로 적용되며 현재 사용할 수 있는 습기 방지용 코팅 중 가장 얇은 코팅입니다. 이를 사용하면 미세 구멍이나 공동이 거의 생기지 않습니다. 하지만 내진동/내충격성을 제공하지 못하고, 전선의 변형을 방지하지 못하고, 조립 과정에서 쉽게 손상된다는 단점이 있습니다.

자기 회로 고장
모터 권선이 노출되거나 영구 자석이 고온 다습한 환경에 노출되면 자기 회로가 고장날 수 있습니다. 따라서고온에 버티는 모터 권선을 사용하고 모터를 철저히 단열해야 합니다. 성형 코일은 인쇄 회로 기판과 비슷한 방식으로 성형하거나 폿팅해야 합니다. 영구 자석은 온도나 습기 때문에 부식되거나 자성을 잃을 수 있습니. 소결 NdFeB 자석의 등급은 SH 또는 UH이어야 하며 전착되거나 에폭시로 코팅되어야 합니다. SmCo 자석을 사용해 부식과 자성 손실 문제를 피할 수도 있습니다.

결론
수술용 전동 도구는 점차 복잡해지고 있으며 핵심인 전기 모터는 수술 중 또는 세척 과정에서 존재하는 습기 때문에 다양한 고장을 일으킬 수 있습니다. 최근에 모터 설계자들은 결국에는 모터에 침식하는 습기에 저항하는 능력을 대폭 올린 제품을 만들고 있습니다. 습기에 대한 장치의 신뢰성을 최대화하려면 공구와 모터를 조화롭게 설계해야 합니다. 시장의 선두주자인 Portescap에서는 수술용 장치 OEM 업체와 수십 년 동안 협업해 고객의 특정 응용분야에 특화된 솔루션을 설계해 왔습니다. Portescap의 고온고압용 모터 솔루션은 업계 최고의 성능을 자랑하며 전 세계의 수많은 수술실에서 수천 번의 재처리/멸균 공정에 버틴다고 알려졌습니.

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관절경 셰이버
그림 1: 수술용 면도기
그림 2
척추 드릴
그림 3: 척추 드릴
무릎 관절경
그림 4: 무릎 관절경검사