다중 홀을 갖는 의료용 카테타 튜빙 압출의 컴퓨터 해석 :Computer simulation for the extrusion of multi-lumen catheter tubing for medical procedure

이민아

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이민아 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 류민영

발행연도: 2016

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

다중 홀을 갖는 의료용 카테타 튜빙 압출의 컴퓨터 해석

이민아 제품설계금형공학과 2016.01 학위논문

2015

의료용 카테타 튜빙의 압출을 위한 다이내의 수지 흐름해석

이민아 , 류민영 , 신동진 외 1명 소성·가공 2015.04 학술저널

2014

의료용 카테타 튜빙의 압출을 위한 다이내의 흐름해석

이민아 , 신동진 , 김태균 외 1명 금형가공 심포지엄 2014.08 학술대회자료

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과거에는 외과수술의 대부분을 개복수술로 진행하였다. 하지만 개복수술의 많은 단점으로 인해 현재는 최소침습시술을 이용한다. 최소침습시술은 수술이 필요한 최소 부위만 절개하고 절개한 부위에 플라스틱 관을 삽입하여 환부에 접근하는 수술이다. 이러한 수술에 사용되는 플라스틱 관을 의료용 카테타 튜빙이라 부르며 식도, 위, 혈관, 기관 등에 삽입되는 일회용 의료기구이다. 수술 목적에 따라 의료용 카테타 튜빙 내부를 통해 내시경카메라 및 센서를 삽입하거나 각종 수술도구들을 삽입한다. 여러 수술도구들의 삽입과 동시에 약물을 주입하거나 노폐물을 배출해야 되기 때문에 의료용 카테타 튜빙은 여러 홀로 이루어져 있으며 각각의 홀을 루멘이라 부른다. 이러한 의료용 카테타 튜빙은 압출공정을 통해 생산된다. 압출 다이는 튜빙의 형상을 결정짓는 초기 단계이며 직경과 두께가 정밀한 제품을 생산하기 위해서는 다이에서 안정된 재료의 흐름이 요구된다. 따라서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 의료용 카테타 튜빙의 압출해석을 수행하였다.
본 연구에서는 상용 CFD 프로그램인 POLYFLOW를 이용한 등온해석을 통해 1-Lumen, 2-Lumen, 3-Lumen 튜빙의 점성흐름 해석과 1-Lumen 튜빙의 점탄성흐름 해석, 그리고 다이스웰 예측 해석을 하였다. 압력분포, 속도분포, Streamline, 전단변형률, 전단응력, 다이스웰 경향을 확인하였다. 점성흐름 해석에서는 원활한 압력강하 현상이 나타났다. 1, 2-Lumen 튜빙의 다이입구에서 요구압력은 유사하였으며 3-Lumen 튜빙에서 가장 크게 발생하였다. 또한 속도는 다이 랜드로 갈수록 증가하는 경향을 보였다. 1-Lumen 튜빙에서는 약 220mm3/s 유량, 2-Lumen 튜빙에서는 약 120mm3/s 유량, 3-Lumen 튜빙에서는 약 42.5mm3/s 유량이 적용된다면 Flow Instability와 Melt Fracture가 발생하지 않을 것으로 판단된다. 점탄성흐름 해석에서 다이 입구의 요구압력은 점성흐름의 결과보다 약 2.25배 더 높게 나타났으며 흐름이 불안정한 구간은 없었다. 유량에 상관없이 다이스웰 경향은 비슷하게 나타났다. 다이출구 이후부터 튜빙의 외경은 증가하다가 일정해지는 것을 확인할 수 있었으며 루멘의 직경은 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 점탄성 성질에 의한 메모리효과 때문이라 판단된다. 유량이 커질수록 튜빙의 외경, 내경, 두께의 다이스웰 비는 증가하는 경향을 보였다. 유량이 증가할수록 점탄성 특성이 크게 나타난 것으로 판단하였다.

In the past, most of the surgical procedures were performed by open surgery. However, open surgery had many disadvantages and it has turned into minimally invasive surgery. This surgery aim is to access to the diseased areas by inserting a plastic tube with a minimum incised site. The plastic tube is called catheter tubing for medical procedure and it is used in minimally invasive surgery. This is disposal plastic devise inserted in the blood vessel, ureter, airway and esophagus. Inside the catheter tubing for medical procedure is inserted endoscopic camera, sensors and various surgical instruments according to the purpose of the operation. Catheter tubing for medical procedure has several holes for the emission of body wastes, polypus’s removal and drug’s injection. Those holes are called lumens. The catheter tubing for medical procedure is manufactured by extrusion process. The extrusion die is the key point to determine the tube’s shape. And in order to produce a good product in diameter and thickness, the flow’s stability of the material is required in the die. Therefore, extrusion study of the catheter tubing for medical procedure is performed by computer simulation.
In this study, analysis of viscous flow is performed to 1-lumen, 2-lumen and 3-lumen tubing. The analysis of the viscoelastic flow for the die swell prediction are performed to 1-lumen tubing through the isothermal analysis using the commercial CFD program POLYFLOW. Pressure distribution, velocity distribution, streamline, shear strain, shear stress and die swell were analyzed to examine the stability of the flow. In the analysis of the viscous flow, pressure drop smoothly appeared. Pressure at the die entrance of the 1 and 2-lumen tubing were similar and it was the largest occurred in 3-lumen tubing. Velocity gradually increase toward the die land. About 220mm3/s flow rate in 1-lumen tubing, 120mm3/s flow rate in 2-lumen tubing and 42.5mm3/s flow rate in 2-lumen tubing is applied. Therefore the flow instability and melt fracture will not occur. In the analysis of viscoelastic flow, pressure at the die entrance of the 1-lumen tubing is higher about 2.25 times than the result of analysis of viscous flow. It is not observed in the region of unstable flow. The die swell shows a similar trend regardless the flow rate. The outer diameter of the tubing increases and becomes constant through die exit. The inner diameter of the tubing decreases and finally increases. It is judged to be due to the memory effect caused by the viscoelastic properties. The more the flow rate’s increases, the more the outer, inner and thickness die swell ratio of tubing increases. It is judged to be due to the increasement of viscoelastic properties.

I. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 4
II. 이론적 배경 5
2.1 압출 표면결함 5
2.2 다이스웰 6
2.3 점탄성 재료의 흐름 거동 및 다이스웰 주요 연구 동향 7
III. 재료의 물성 측정 8
3.1 의료용 카테타 튜빙의 재료 8
3.2 재료의 유변물성 측정 9
3.3 Curve Fitting 13
IV. 의료용 카테타 튜빙의 압출해석 16
4.1 의료용 카테타 튜빙의 점성흐름 해석 16
4.2 의료용 카테타 튜빙의 점탄성흐름 해석 30
4.3 의료용 카테타 튜빙의 다이스웰 예측 해석 34
V. 결 론 45
참고문헌 47
영문초록(Abstract) 50

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