[헵시바 3D프린팅 임상] 6편. 3D프린터 최적출력방안
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[헵시바 3D프린팅 임상] 6편. 3D프린터 최적출력방안
  • 제로 편집팀
  • 승인 2019.03.04 10:29
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치과계에 디지털화가 진행됨에 따라 3D프린터 및 관련 기술에 대한 관심은 높아지고 있지만 현재로서는 정보를 얻기 힘든 것도 사실이다. 변화하는 상황에 맞춰 새로운 먹거리 발굴 내지 정보 획득이 시급한 기공계인 만큼 치과계 디지털화로 인해 가장 기대되는분야 중 하나인 3D프린팅에 대한 정보를 헵시바주식회사(Veltz3D)로부터 전달받아 이번 호에서는 3D 프린터 최적출력방안에 대해 소개한다.

 
<지난호에 이어>

지난 호의 최적출력방안을 이어 이번에는 최근 관심이 커지고있는 임플란트용 수술가이드에 대해 좋은 품질을 얻을 수 있는 최적의 프린팅방법을 제안한다.  그리고 지난달 SCI저널 Dental Materials에 실린 3D프린터별 수술가이드 출력품질평가에 대한 내용을 간략히 소개하고자 한다.

 

3D프린터로 이처럼 출력품질을 높이기 위한 팁이 존재한다는 것은 바로 소재의 특성 때문이다.
동일한 도구라도 어떠한 기공사의 손에 맡겨지느냐에 따라 결과물이 달라지듯 3D프린터도 소재와 프린터의 특성을 잘 아는 사람일수록 더욱 훌륭한 품질을 얻어낼 수 있다는 것이다.

수술가이드는 2018년 하반기 식약처 2등급으로 행정예고되었기 때문에 기존의 1등급으로 인증된 제품은 1년 이내에 새로 등급을 받아야 한다.

임플란트수술에서 사용하는 드릴가이드는 인증에서 임플란트가이드라고 명명되어 있지만 본 지에서는 짧게 수술가이드라고 지칭한다.

수술가이드는 광중합방식의 3D프린팅에서 가장 균일한 품질을 얻기 어려운 소재인데 그 이유는 소재가 투명하기 때문이다.

광중합레진은 소재내에 함유된 광개시제가 빛을 받을 경우 중합(Polymerization)되는 메카니즘이다. 그래서 투명한 재료를 사용할 경우 지속적인 투과와 분산이 일어나기 때문에 균일한 에너지의 전달이 어렵게되고 에너지의 노출량에 따라 부분적으로 과경화가 일어날 수 있기 때문이다.

  ▲3D프린팅을 마친 수술가이드

과경화가 일어날 경우, 기 프린트된 부분과 액상레진이 접촉하고 있는 부분에서 추가적인 중합이 일어나면서 치수의 변형이 된다든지 불균일한 수축이 발생할 수 있다.

이를 조금이라도 줄이기 위해 보다 짧은 파장대역의 광원을 사용하는 제품도 있지만 제품의 수명이나 경제성을 고려하면 405nm파장대의 광학엔진을 장착한 제품이 범용적이다.

위 사진에서 보면 매우 투명하게 보인다.
하지만 뭍어있는 레진을 제거하기 위해 알코올에 세척을 거치게 되어있는데 세척을 마치면 아래와 같이 투명도가 떨어져 보이게 된다.

 

일반적으로 위 정도 수준이어도 광선투과율은 대부분 80~85%를 상회하게 되는데 실사용에서 타액과 혈액과 접촉될 경우 충분한 투과도가 나오게 된다.

보다 더 투명도를 높이고자 할 경우 외측에 후경화 전에 동일한 레진을 발라서 코팅을 완성하는 방법이 있다.

수술가이드는 임플란트제조사에 따라 메탈슬리브 있는 타입과 없는 타입 두가지로 구분된다. 메탈슬리브가 있는 수술가이드는 두께가 얇고 균일한 편이다.

두께가 균일한 것은 3D프린팅에서 매우 유리한 조건이다. 수축으로 인한 변형이 비교적 적기 때문에 우수한 치수안정성을 확보할 수 있기 때문이다. 치수안정성이 좋으면 내면적합도가 양호해 수술시 끼워맞춤이 좋다. 반면 두께차가 크다면 위치별로 수축차도 크기 때문에 변형이 커지게 된다.

  ▲메탈슬리브 삽입상태
위 상태는 3D프린팅 후 두개의 홀에 슬리브를 끼워본 것인데, 전혀 후가공을 하지 않은 홀인데도 슬리브의 피팅이 매우 훌륭하다.
  ▲다양한 슬리브형태
각 임플란트 사의 슬리브디자인에 맞는 피팅을 위해 3D프린터 제조사에 규격을 요구하면 정확한 규격을 지원받을 수 있다.

단 일반 데스트탑용 3D프린터를 사용할 경우, 치과디자인 소프트웨어에서 갭의 치수를 변경해가면서 적정한 값을 찾아내어야 한다.

하지만 전문 치과용 3D프린터가 아닌 경우, 광에너지가 불균일하기 때문에 적정값을 찾아도 배치하는 위치에 따라서 치수가 변하기 때문에 후가공이 불가피한 경우가 발생한다.

3D프린팅에서 위치와 방향을 배치하는 것을 오리엔테이션이라고 설명했다.
수술가이드의 오리엔테이션은 슬리브를 사용하는 경우 아래와 같이 제안한다.

  ▲수술가이드의 서포트배치방향
슬리브를 끼우는 방향이 위를 향하도록 배치한다. 즉, 슬리브를 끼우는 부분이 맨 마지막에 출력이 되도록 하는것인데 이렇게 할 경우 두가지 장점이 있다.
슬리브를 끼우는 부분에 서포트자국이 없기 때문에 후가공을 최소화 할 수 있고, 홀주변부를 깨끗하게 확보할 수 있다.
또 한가지 장점은 가이드 홀 부분이 맨 마지막에 생성되기 때문에 빛의 투과와 확산에 의한 과경화를 최소화함으로써 정확한 치수를 얻어 낼 수 있다.
이러한 원리에 입각해서 생각해보면 방향을 맞춘 후 더 나아가서 각도까지도 고려해볼 수 있다.

  ▲드릴홀의 각도와 위치 확인
위와 같이 슬리브의 높이는 다르더라도 홀의 방향이 일정하다는 것을 볼 수 있다.
서포트를 달기전에 오리엔테이션을 아래와 같이 조정하면 더 좋을것이다.

  ▲좌우 수평확인/정면뷰
위 정면뷰에서 좌우를 확인해서 노란색 검볼을 움직여 이와 같이 수평에 가깝게 조정하면 된다. 이렇게 신경을 쓰게되면 홀주변부를 단층없이 깨끗하게 얻어낼 수 있다.

  ▲회전하여 각도조정/측면뷰 / 소프트웨어: Veltz3D BP
측면각도가 많이 기울어져 있었는데 오른쪽 위의 파란색 화살표모양의 검볼을 움직여서 각도를 조정했다. 노란색 이점쇄선을 보면 모두 수평으로 바뀐것을 볼 수 있다. 이 경우 홀과 주변부는 슬리브를 위한 후가공이 거의 필요없게 된다.

위 그림에서 앵커핀(적색 이점쇄선표기)의 경우, 각도가 45도로 생성되는 케이스가 많은데, 홀크가 더 작고 각도가 크다보니 투명한 소재를 사용하는 수술가이드에서는 과경화의 영향으로 앵커핀의 홀이 원형으로 잘 구현되지 않는다. 크기 또한 작아지게 된다.
따라서 이부분은 진원도는 떨어지더라도 방향과 각도는 정확히 나오도록 3D프린터에서 구현되어야 한다. 프린팅을 마친다음 앵커핀 부분은 리밍을 하거나 전용 트리머를 사용하여 간단히 해결할 수 있다.

회전을 마친 후 서포트를 바닥에 생성하면 된다.

  ▲서포트 생성
서포트 생성은 수술가이드의 아랫쪽에 생성하게 되는데, 구강내 삽입시 내면적합도가 매우 중요하기 때문에 가능하면 내측에는 세우지 않는것이 좋다.
위 그림에서 보이는 파란색 점들은 서포트를 생성한 지점이다. 향후 서포트를 제거하는 후가공의 불편함을 고려하면 수동으로 이와같이 테두리에만 생성하면 작업량과 시간을 절약할 수 있다. 대략 3mm거리로 생성하면 되고, 서포트를 수동으로 생성하는것은 초보자의 경우20~30초 정도면 된다.
테두리에 쉽게 노출된 서포트는 매우 쉽게 제거가 되고 피니싱도 간편하다.

지금까지는 슬리브를 사용하는 수술가이드의 설명이었다.
슬리브를 사용하지 않는(Sleeveless) 가이드는 아래 그림에서 보듯 특히 드릴 홀 주변부의 두께가 두꺼운 편이다. 두께의 변화도 크기 때문에 수축의 영향도 많이 받게된다.

 

  ▲Sleeveless방식의 수술가이드
따라서 3D프린팅 할 때는 오리엔테이션을 최적화해서 문제를 최소화해야 한다.
가장 중요한 것은 슬리브방식과 다른방향으로 출력을 해야한다.

  ▲Sleeveless가이드의 오리엔테이션
이 처럼 드릴면이 출력베드를 향하도록 뒤집어서 배치해야한다. 모델을 보면서 주변 화살표를 움직이면 쉽게 배치할 수 있다. 각도를 입력하는 방법도 동시에 지원된다.
이 역시 드릴면을 수평에 가깝게 배치하는 것이 품질에 도움이 된다.

  ▲Sleeveless가이드의 서포트 생성
배치가 되고나면 위와 같이 서포트를 생성하면 된다.
삽입부가 위를 향하기 때문에 내면에 서포트는 생기지 않게되어 좋지만, 반대로 드릴면에 서포트를 붙여야 하기 때문에 드릴홀 주변에는 홀과의 거리를 두어 생성시키는 것이 좋다.

  ▲Sleeveless 가이드의 서포트생성
서포트의 자동생성도 가능하며, 생성 후 점검하여 드릴홀의 내부나 중요지점에 생성된것은 제거를 해주는 편이 좋다.

  ▲Sleeveless 가이드의 출력준비상태
Sleeveless 방식의 최종 오리엔테이션과 서포트생성을 마쳐서 프린팅 준비가 된 화면이다. 이 상태에서 100micron의 적층두께를 지정하면 간편하게 제작할 수 있다.

수술가이드의 평가시 슬리브의 사용여부와 상관없이 어떤 방식이든 구강내 삽입시 내면적합도를 중요하게 평가한다. 그리고 드릴홀의 직경과 각도를 주요지표로 평가하게 된다.

내면 적합도는3D프린터에서 충분한 품질이 반드시 나와야 한다.
홀직경의 공차가 잘 맞지 않는 경우, 기공소에서 후가공으로 해결을 하게 되는데 주로 sleeveless방식의 임플란트회사에서 제공하는 툴킷에 보면 후가공을 할 수 있는 드릴로 해결이 된다.

  ▲임플란트시술용 스톱퍼드릴 / 예로 특정브랜드와 상관없음
또는 전용 트리머를 제작하여 제공하는 임플란트 기업도 있다.
전용트리머를 사용할 경우 홀크기 뿐만 아니라 슬리브나 드릴의 스톱퍼의 면까지 정확하게 정리를 해주는 장점도 있다.

참고로 필자가 참여한 연구에서 수술가이드의 평가가 진행되었던 내용의 일부이다.

  ▲수술가이드의 치수품질평가
위 연구에서는 각 평가항목에 대해 리버스엔지니어링 소프트웨어를 사용해서 평가했으며 디지털팬텀과의 비교를 진행했다. 전반적인 치수와 좌표, 변형등은 소프트웨어에서 확인이 가능하며 판단하기 어려운 내면적합도의 정도는 실제 갭을 측정하기 위한 방법으로 실리콘 레플리카테크닉방식을 적용하여 갭을 측정했다.

최근 이와 관련된 내용으로SCI저널(Dental Materials)에 “3D프린터 제품별 수술가이드 평가논문”이 전자출간되었다.

  ▲Dental Materials / 3D프린팅 수술가이드 평가논문
내용은 슬리브없는 방식의 수술가이드를 3D프린팅하여 측정한 것으로 되어있다.

  ▲측정방법
이 방법에서도 갭에 대한 레플리카테크닉과 홀의 허용공차에 대해서는 가이드드릴을 활용한 DOD에 대한 평가방법이 진행되었다.

  ▲통제집단 CON과 5종의 실험집단
모델별로 6종류의 3D프린터가 사용되었고 각 10개씩 출력한 시료의 사진은 위와 같다.

표준시료를 제외한 5개 제품은 국내제품 3개사, 독일 1개사, 미국1개사 제품이 평가되었다.

  ▲gap측정을 위한 레플리카의 절단측정
절단면의 두께를 확인함으로써 내면적합도를 평가해 볼 수 있다.

 
  ▲최종평가된 측정치
위쪽의 내면적합도와 아랫쪽의 홀 공차를 보면 CON에 대한 D1은 통계적 유의수준에서 차이가 없었고 대부분의 실험집단에서 그룹간 통계적으로 유의미한 차이가 나타났다. 이는 치과용 3D프린터의 결과물이 일상적인 임상에 대한 사용 가능성이 입증된 것이고, 3D프린터에 따라 내면적합도와 홀의 허용공차가 크게 다르게 나타나는 것을 보여준다.
 


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