A Study on the Fabrication Process
and Accuracy Evaluation of RPD Framework
Using SLM-type 3D Metal Printer
and Accuracy Evaluation of RPD Framework
Using SLM-type 3D Metal Printer
In this study, we describe the RPD Framework manufacturing process using SLM method using 3D Metal printer and examine how to evaluate accuracy. For the method of evaluating the accuracy of the RPD Framework, it is considered that three-dimensional evaluation, which measures the overall accuracy, is appropriate rather than two-dimensional evaluation. Understand the importance of goodness of fit of the RPD Framework and the merits of the SLM process and expect more research on the three-dimensional fit.
서론
CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) System의 지속적인 발전으로 치과보철물 제작 공정이 단순화되고, 공정에서 발생하는 오차를 체계적으로 줄일 수 있게 돼 보다 정확한 보철물의 제작 가능성이 열리게 됐다. 이러한 디지털 기술은 인레이, 포세린, 크라운과 브릿지, 임플란트 구조물 뿐 아니라 RPD(착탈식 부분 의치) Framework와 Complete Denture 등으로 치과 캐드캠의 적용 범위가 확대되어가고 있다.
현재 국내 치과기공소에서 RPD Framework 제작에 활용되는 CAD/CAM 방식을 살펴보면 CAD 프로그램을 이용한 스캔 및 디자인 과정은 동일하지만 결과물 제작방식에 따라 다양하다. 레진 패턴으로 3D 프린팅하거나 왁스 블록을 밀링해 제작된 구조물을 주입선 부착 후 매몰 & 주조하는 방법, 메탈 블록을 밀링하는 방법, 3D 메탈 프린터로 프린팅하는 방법 등 다양하게 사용되고 있다. 이러한 다양한 방법 중 3D 메탈 프린터를 이용한 SLM(Selective Laser Melting)방식은 CAD로 보철물을 디자인한 후 도포된 금속분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 용융시키고, 한 층씩 쌓아 올려 형상을 제작하는 방식이다. 기존에 진행되었던 많은 연구에 의하면 SLM 방식으로 제작된 Co-Cr RPD Framework이 구강 내에서 착용감이 우수하고, 반복적인 착탈에도 clasp가 영구 변형되지 않았다고 보고되었다.
보철물의 정확도를 평가하는 방법에는 여러 가지가 있다. 기존의 2차원적인 정확도 평가 방법은 몇몇 대표 지점을 선정하고, 그 거리를 측정해 비교했으나 이는 부분적으로 비교할 수밖에 없어 RPD framework의 정확도를 평가하기에는 한계가 있다. 3차원 평가방법은 먼저 기준이 되는 대조군과 실험군의 평가 부위를 스캔해 STL 파일로 만든 다음 이 기준 데이터와 실험 데이터를 3차원으로 중첩해 그 편차를 정량적/정성적으로 분석하는 방법으로, 그 편차는 RMS 값(실효값)으로 나타나고 컬러 맵핑을 통해 형상 차이를 확인할 수 있다.
이러한 3차원 평가방법을 통해 모델이나 Framework의 손상 없이 Framework의 전체적인 적합도를 평가할 수 있다.
SLM 방식을 이용한 RPD Framework 제작과정
1. 모델 스캔
디지털 RPD Framework를 제작하기 위해서 기본베이스가 되는 작업 모델을 모델 스캐너(E3, 3shape, Denmark)로 스캔해 디지털화한다.<Fig. 1>
디지털 RPD Framework를 제작하기 위해서 기본베이스가 되는 작업 모델을 모델 스캐너(E3, 3shape, Denmark)로 스캔해 디지털화한다.<Fig. 1>
2. 디자인
서베이와 블록아웃
작업 모델을 디지털화한 데이터를 디자인 프로그램(3Shape Dental Designer, 3Shape A/S)의 Partial Framework 기능을 이용해 서베이한다. 기본 서베이가 설정되면 작업자가 삽입방향을 여러 각도에서 확인한 후 최적화된 서베이를 설정하고 블록아웃하게 된다.<Fig. 2> 이 후 Clasp tip 부위를 형성한다.
서베이와 블록아웃
작업 모델을 디지털화한 데이터를 디자인 프로그램(3Shape Dental Designer, 3Shape A/S)의 Partial Framework 기능을 이용해 서베이한다. 기본 서베이가 설정되면 작업자가 삽입방향을 여러 각도에서 확인한 후 최적화된 서베이를 설정하고 블록아웃하게 된다.<Fig. 2> 이 후 Clasp tip 부위를 형성한다.
고정 그리드(Saddle)
좌측 모니터에 고정 그리드를 선택하고 하위메뉴인 윤곽선에서 Saddle의 종류를 선택하고 포인트를 찍어 Saddle 범위를 형성해 준다.
좌측 모니터에 고정 그리드를 선택하고 하위메뉴인 윤곽선에서 Saddle의 종류를 선택하고 포인트를 찍어 Saddle 범위를 형성해 준다.
기본 컨넥터(Major connector)
아날로그에서와 동일한 디자인 및 두께로 주연결장치를 설정한다.
상악의 기본 컨넥터는 Palatal 부위이고 하악은 Lingual Bar이다.
아날로그에서와 동일한 디자인 및 두께로 주연결장치를 설정한다.
상악의 기본 컨넥터는 Palatal 부위이고 하악은 Lingual Bar이다.
Clasp
모니터 좌측 Clasp를 선택하고 하위 메뉴요소에서 Clasp 모양을 결정하고 포인트를 찍어 Clasp를 형성한다. Clasp의 폭이나 두께도 설정 가능하다.
모니터 좌측 Clasp를 선택하고 하위 메뉴요소에서 Clasp 모양을 결정하고 포인트를 찍어 Clasp를 형성한다. Clasp의 폭이나 두께도 설정 가능하다.
조각(다듬기)
일반 아날로그 방식의 조각에서 왁스 패턴을 연결해 주고 왁스를 추가해서 토치로 부드럽게 해주는 작업에 속한다. 조각 하위 메뉴인 왁스 나이프에서 ‘+’는 왁스를 추가하고, ‘-’는 왁스를 삭제하며 물방울 그림은 첨가나 삭제면을 부드럽게 해주는 기능이다.
일반 아날로그 방식의 조각에서 왁스 패턴을 연결해 주고 왁스를 추가해서 토치로 부드럽게 해주는 작업에 속한다. 조각 하위 메뉴인 왁스 나이프에서 ‘+’는 왁스를 추가하고, ‘-’는 왁스를 삭제하며 물방울 그림은 첨가나 삭제면을 부드럽게 해주는 기능이다.
마침선(Finish line)
Metal Framework의 외부 경계선을 형성하는 것으로서 좌·우측의 외부 경계선의 방향을 잘 확인해야 한다.
Metal Framework의 외부 경계선을 형성하는 것으로서 좌·우측의 외부 경계선의 방향을 잘 확인해야 한다.
완성 단계
이 단계에서 최종적으로 완성된 디자인에 대한 보강이나 Stopper를 형성하고 상악의 곰보 왁스 모양을 선택해 형성해준다. 이러한 순서로 디자인해 완성한다.<Fig. 3>
이 단계에서 최종적으로 완성된 디자인에 대한 보강이나 Stopper를 형성하고 상악의 곰보 왁스 모양을 선택해 형성해준다. 이러한 순서로 디자인해 완성한다.<Fig. 3>
3. 메탈 프린팅
디자인된 Framework STL 파일을 슬라이스 프로그램(Autofab Software)을 이용해
Hatch style(Z path 30um, power 100W)을 적용한다. 3D 메탈 프린터 (NCL-2150)을 이용해 Framework용 Co-Cr Powder(전용파우더)를 축성했다. 축성이 진행될 때 금속의 산화막을 방지를 위해 프린터 챔버 내부에는 비활성 가스가 주입되어야 한다. 이 비활성 가스로는 99.999% 질소가 사용되고, 이는 고순도 질소 발생기를 통해 생성된다.<Fig. 4>
디자인된 Framework STL 파일을 슬라이스 프로그램(Autofab Software)을 이용해
Hatch style(Z path 30um, power 100W)을 적용한다. 3D 메탈 프린터 (NCL-2150)을 이용해 Framework용 Co-Cr Powder(전용파우더)를 축성했다. 축성이 진행될 때 금속의 산화막을 방지를 위해 프린터 챔버 내부에는 비활성 가스가 주입되어야 한다. 이 비활성 가스로는 99.999% 질소가 사용되고, 이는 고순도 질소 발생기를 통해 생성된다.<Fig. 4>
4. 열처리
3D 메탈 프린터에서 출력된 결과물은 각각의 레이어의 접착과 안정성 추구를 위해 별도의 열처리가 진행된다. 99.999 % 질소를 주입시키면서 800℃ 퍼네스(LongKou, SA2-4 -14TP , Yantai, China)에서 1시간 동안 계류 후 실온까지 로냉한다.<Fig. 5>
3D 메탈 프린터에서 출력된 결과물은 각각의 레이어의 접착과 안정성 추구를 위해 별도의 열처리가 진행된다. 99.999 % 질소를 주입시키면서 800℃ 퍼네스(LongKou, SA2-4 -14TP , Yantai, China)에서 1시간 동안 계류 후 실온까지 로냉한다.<Fig. 5>
5. 연마
서포트를 제거한 이후의 연마 작업은 기존의 아날로그 방식과 동일하게 진행한다.
다듬고 샌드 블라스팅하고 전해 연마 후 High Polishing한다.<Fig. 6>
서포트를 제거한 이후의 연마 작업은 기존의 아날로그 방식과 동일하게 진행한다.
다듬고 샌드 블라스팅하고 전해 연마 후 High Polishing한다.<Fig. 6>
결론
착탈식 부분의치(RPD)에 있어 필요한 지지, 안정 및 유지력을 제공하기 위해 메탈 Framework와 지대치 및 조직부 사이의 긴밀한 접촉은 중요하다. 이는 Framework의 정확도와 직결되는데, 이론적으로 CAD 기술. 특히 선택적 레이저 용융 (SLM)기술을 사용한 직접 인쇄는 공정을 최소화 할 수 있고, 공정 과정에서의 오차를 줄여 기존의 Framework 보다 더 정확할 가능성이 있다. 또한, 공정마다 계측화되고 수치화 할 수 있다. 여기에 3D 표면 스캔의 디지털 중첩을 사용하는 3차원 정확도 평가 방식에 관한 연구가 더해져 공정 과정에서의 오차를 더욱 줄여나간다면 보다 더 정확한 SLM 방식의 Framework 제작이 가능할 것이다.
3D 메탈 프린터 장비의 높은 가격, 시스템 유지 및 보수, 작업 공간 등의 제약이 있긴 하지만, 소재의 개발과 작업 공정마다의 오차를 줄여나가, 정확도 높은 보철물을 빨리 또한 간편하게 더 적은 인건비로 대량 생산할 수 있다면 SLM 방식을 이용한 Framework 제작의 미래는 긍정적일 것이라고 생각한다. 이에 앞으로 이 분야에 더 많은 연구가 진행되어야 할 것이다.
착탈식 부분의치(RPD)에 있어 필요한 지지, 안정 및 유지력을 제공하기 위해 메탈 Framework와 지대치 및 조직부 사이의 긴밀한 접촉은 중요하다. 이는 Framework의 정확도와 직결되는데, 이론적으로 CAD 기술. 특히 선택적 레이저 용융 (SLM)기술을 사용한 직접 인쇄는 공정을 최소화 할 수 있고, 공정 과정에서의 오차를 줄여 기존의 Framework 보다 더 정확할 가능성이 있다. 또한, 공정마다 계측화되고 수치화 할 수 있다. 여기에 3D 표면 스캔의 디지털 중첩을 사용하는 3차원 정확도 평가 방식에 관한 연구가 더해져 공정 과정에서의 오차를 더욱 줄여나간다면 보다 더 정확한 SLM 방식의 Framework 제작이 가능할 것이다.
3D 메탈 프린터 장비의 높은 가격, 시스템 유지 및 보수, 작업 공간 등의 제약이 있긴 하지만, 소재의 개발과 작업 공정마다의 오차를 줄여나가, 정확도 높은 보철물을 빨리 또한 간편하게 더 적은 인건비로 대량 생산할 수 있다면 SLM 방식을 이용한 Framework 제작의 미래는 긍정적일 것이라고 생각한다. 이에 앞으로 이 분야에 더 많은 연구가 진행되어야 할 것이다.
저작권자 © 제로(Zero) 무단전재 및 재배포 금지
