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[최신 치의기공임상학술논문] Polymer 기반의 Additive Manufacturing 방식에 관한 고찰Consideration of Polymer-based Additive Manufacturing Method
제로 편집팀  |  zero@dentalzero.com
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승인 2019.11.25  14:11:06
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Traditional dental prosthesis manufacturing methods are evolving with the introduction of the dental CAD / CAM system. Dental CAD / CAM methods can be classified into two categories: Subtractive Manufacturing (SM) and Additive Manufacturing. The additive manufacturing method, called 3D printing method, is bringing a lot of changes in the dental field. Additive manufacturing has the advantages of processing complex phenomena, low material consumption and fast production speed. Due to these advantages, Additive Manufacturing can be applied to fixed and removable prosthetics, implant sugical guides, Zirconia, and maxillofacial prostheses. Commonly used polymer based 3D printing methods include stereolithigraphy (SLA), digital light processing (DLP), fused deposit modeling (FDM), material jetting (MJ), and continuous liquid interface production (CLIP). Therefore, the purpose of this review is to consider polymer-based additive manufacturing.

서론
치과분야에서 CAD/CAM System은 1970년대 Duret과 Preston에 의해 소개되었다. CAD/CAM System은 3가지 요소로 이루어진다. 첫째, Data Scanning, 둘째, Computer Aided Design, 셋째, Computer Assisted Manufacturing이다. 치과 CAD/CAM의 도입으로 시간 단축 및 고품질, 높은 정확성, 제작단계의 간소화, 대량생산의 가능성으로 인해 많은 변화를 가져왔다.
치과 CAD/CAM 가공 방식은 2가지로 분류할 수 있다. Additive Manufacturing(적층 가공)과 Subtractive Manufacturing(절삭 가공) 방식이 대표적인 방식이다. 현재 치과분야에서 사용되는 대부분의 CAD/CAM 방식은 Subtractive Manufacturing 방식이다. Subtractive Manufacturing 방식은 CNC(컴퓨터 수치 제어)기계를 통해 부분 소결 및 완전 소결 Zirconia 블록, Hybrid Nano 세라믹, Lithium Disilicate 세라믹, PMMA 블록을 절삭 가공하는 방식이다. Subtractive Manufacturing 방식은 높은 정확도(10㎛)와 균일한 재료를 가공할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 재료소모 및 복잡한 구조를 가진 보철물을 가공하는데 어려움 및 밀링 버의 직경이 미세한 곳까지 도달하지 못하는 단점을 가지고 있다.
Subtractive Manufacturing 방식의 단점을 보완하기 위해 등장한 가공 방식이 Additive Manufacturing 방식이다. Additive Manufacturing 방식은 Solid Freeform Fabrication, Rapid Prototyping, 3D Printing의 동의어로, STL파일에 기초해 재료를 레이어별로 적층 가공하는 방식을 말한다. Additive Manufacturing 방식은 구조물의 복잡성 및 수량에 관계없이 제조가 가능하고 불필요한 재료 낭비가 적으며 미세한 부위를 재현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. AM 방식은 치과분야 뿐만 아니라 항공우주, 자동차, 에너지, 생물의학 분야에서 많이 사용되고 있다.
Additive Manufacturing 방식은 미국 ASTM(American Society for Testing and Materials) 분류에 의해 재료압축 방식(Material Extrusion, ME), 광중합 방식(Photo Polymerization, PP), 재료분사 방식(Material Jetting, MJ), 접착제분사 방식(Binder Jetting, BJ), 분말적층용융 방식(Powder Bed Fusion, PBF), 고에너지 직접조사 방식(Direct Energy Deposition, DED), Sheet Lamination 방식으로 분류된다.
따라서, 본론에서는 치과분야에 주로 사용되고 있는 Polymer 기반의 Additive Manufacturing 방식인 SLA, DLP, FDM, PJ, CLIP 방식을 설명하고자 한다.

   
 
SLA(Stereolithography)방식은 1984년 Charles Hull에 의해 개발됐으며 1986년 3D Systems에서 시판됐다. SLA 방식은 광경화성 수지(Photopolymer resin liquid)가 담긴 용기에 레이저 광선(UV)이 조사되면서 최종 구조물을 적층 가공하는 방식이다. 이 때 Z축이 상하로 반복적으로 움직이면서 최종 구조물이 완성될 때까지 이 과정을 반복한다. SLA 방식은 레이저 광선(UV)을 이용함으로 인해 높은 정확성, 매끄러운 표면 형성과 높은 기계적 강도, 높은 미세부위 재현성 및 낮은 오차가 장점이지만, 장비가 비싸고, 높은 재료 값, 광경화성 수지만 가공이 가능하다는 것이 단점이다.

   
 
DLP(Digital Light Processing) 방식은 1987년 Larry Hornbeck에 의해 개발됐다. DLP방식의 제작 공정은 SLA 방식과 유사하나, 차이점은 최종 구조물이 아크램프나 디지털 마이크로 미러 장치(DMD)에 의해 생성되는 광원으로 제작하는 방식이다. 이 방식은 쉽게 말해서 흔히 일상에서 볼 수 있는 빔 프로젝터의 광원으로 최종 구조물을 생산하는 방식이다. DLP 방식은 빠른 제작 속도가 장점이지만 SLA 방식에 비해 해상도가 떨어지는 것이 단점이다.

   
 
FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 1990년 초 Scott Crump에 의해 설립된 Stratasys 회사에서 처음 출시되었다. FDM 방식에서 열가소성 재료인 Filament는 노즐을 통해 추출되어 가열된 후 레이어 별로 적층 가공된다. 이 때 노즐을 수평으로 움직이고, Platform은 수직적으로 움직이며 최종 구조물이 완성될 때까지 반복된다. FDM 방식은 다양한 소재의 재료가 출력이 가능하고 기계적 강도가 우수하며 장비의 유지 및 보수가 저렴한 편이지만, 열가소성 소재를 용융 후 증착하기 때문에 수축이 많고, 높은 공차 값으로 인해 변형 및 매끄럽지 못한 표면으로 인해 출력물 퀄리티가 낮아진다는 단점을 가지고 있다.

   
 
MJ(Material Jetting) 방식은 액체 수지가 수백개의 노즐을 통해 선택적으로 분사되고 UV광으로 중합되는 방식이다.  MJ방식은 다른 말로 Polyjet Printing(PP)이라고도 한다. 이 방식은 Wax, Filament Polymer, Resin, Ceramic 및 Zirconia slurry 재료를 가공할 수 있다.

   
 
CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 방식은 미국의 Carbon 3D사가 발표한 기술이다. 이 방식의 특징은 액체 재료가 담긴 수조 바닥에 부착된 산소투과창(Oxygen Permeable Window)이 핵심기술이다. 산소투과창에 의해 콘텍트렌즈처럼 산소와 자외선(UV)이 모두 투과돼 자유롭게 조절할 수 있다. 제작 공정은 Projector에서 형태에 따라 UV 광원을 조사하여 액체 재료는 경화되고, 빈 공간에는 산소로 경화를 제어해 제작이 된다. 액체 재료가 담긴 수조에는 Dead zone이 생성되어 Dead zone 위로는 UV가 투과되지 않는다. Dead zone 아래로는 액체 상태를 유지하면서 경화가 진행되어 기존의 Recoat 과정 없이 연속적인 적층 가공이 가능하다. 또한 CLIP 방식은 적층 가공 중 Z축이 하강하지 않는다는 점과 제작 시간이 기존의 3D 프린팅 방식에 비해 절반이라는 것이 특징이다.

결론
현재 치과분야에서는 Additive Manufacturing 방식이 많이 보급되어있다. Additive Manufacturing 방식은 최소한의 재료 소모와 높은 미세부위 재현성 및 높은 정밀성으로 많이 각광받고 있다.
그러나 제작시간이 길다는 단점과 최종구조물의 표면에 나타나는 계단현상 및 후처리 과정 중의 수축은 아직까지 해결해야 할 과제로 남아있다.
하지만 최근 연구에서는 3D 프린팅 방식으로 제작된 치과보철물 및 치과용 모형이 더 우수하다는 연구가 많이 존재한다. 또한 최근에 각광받고 있는 CLIP 방식에 관한 연구가 추가적으로 필요하다. 앞으로 다가올 4차 산업혁명에 대비해 기존의 방식을 선택할 것인지 새로운 방식을 받아들일지에 대한 선택의 기로에 놓여 있는 상황이 오고 있다.

   
 

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