치과분야에서 additive manufacturing의 진화
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치과분야에서 additive manufacturing의 진화
  • 덴포라인 편집팀
  • 승인 2014.10.28 15:58
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The evolution of additive manufacturing in dentistry

치과분야에서 additive manufacturing의 진화
The evolution of additive manufacturing in dentistry

 











Abstract

CAD/CAM system can be divided into two categories: Subtractive Manufacturing (SM) and Additive Manufacturing(AM). The goal of additive manufacturing is to be quickly fabricate complex-shaped, 3D parts directly from computer-aided design models. Additive manufacturing method has raised many attentions in dentistry especially in the field of surgery and implantology. It is also aimed to show the many benefits which can be achieved by using this new technology in various braches of dentistry.
Common technologies used in dentistry are stereolithography(SLA), Fused deposition modeling(FDM). inkjet-based system(3D printing-3DP) and selective laser sintering(SLS). Finally, Dental laboratories will be changed the digital technology by additive manufacturing.
* Corresponding author : kuc2842@korea.ac.kr

서론
CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing)시스템에서 Manufacturing 방법은 Subtractive Manufacturing(SM)과 Additive Manufacturing(AM)의 2가지로 분류 할 수 있다. Subtractive Manufacturing은 일반적으로 모형재료를 가다듬어가면서 가공하는 방법 즉, 전통적인 방식으로 재료를 원하는 형상으로 밀링하여 모형을 제작하는 방식이며, Additive m anufacturing은 모형의 재료를 원하는 형상으로 쌓아가면서 적층하는 방식이다.
Additive manufacturing의 가장 큰 장점은 제작사이즈 내에서는 기존 절삭가공 방식의 한계를 뛰어넘는 복잡한 모형의 형상일지라도 제작이 가능하다는 것이다. 이것은 바닥에서 위로 재료를 쌓아가는 방식이기 때문에 제품형상 구현에 한계 없다는 것이다.
1981년 나고야 시립연구소의 히데오 코다마가 additive m anufacturing 개발하였고, 최초로 상용화를 이룩한 사람은 미국 3D Systems를 창업한 Charles W.Hull로 알려졌다. 현재 이 기술의 공식적인 용어는 2009년 미국재료시험학회(ASTM)에서 적층가공(Additive M anufacturing, A M)이란 용어로 표준화되었으며, 또한 3D 프린팅도 동시에 공식화되었다.
종래에는 Rapid prototyping, Direct digital manufacturing, Solid freeform fabrication, A d d i t i v e f a b r i c a t i o n , A d d i t i v e l a y e r manufacturing, 3D printing으로 오랜 시간 불려오다가 공식화된 용어로 통일 된 것이다.
Ad d it i ve m a nu f ac t u r i ng기술은 재료압출(Mat e r i a l e x t r u s io n), 재료분사(Mat e r i a l jetting), 결합제 분사(Binder j etting), 액층 광중합(Vat photo-polymerization), 시트 적층조형법(Sheet l amination), 분말베드 용 융결합(Powder bed fusion), 지향에너지 퇴적(Direct energy deposition)으로 분류된다.
Additive m anufacturing은 제품의 C AD 데이터로부터 플라스틱, 종이, 광경화성수지 및 금속 등의 재료를 이용하여 제품을 만들 수 있는 새로운 개념의 공정이다. 쾌속조형 공정으로 만든 시제품은 제조업, 의료, 장신구에 이르기까지 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 이제 레이저로 분말을 녹여 쌓는 방법의 쾌속직접주형(Rapid tooling, RT)기술로 발전하여 다양한 방식으로 응용되고 있다.
또한 이러한 방식은 subtractive manufacturing 방식과 동일한 방법으로 3차원 CAD모델로부터 치아형상을 만들어서 표준파일형식인 STL(stereolithography)로 저장한다.
그 저장된 STL파일은 subtractive manufacturing과 동일하게 적용하여 적층하는 방식으로 치과 보철물을 제작하게 된다.STL 포맷(format)은 ASCⅡ 또는 2진 구조의 파일로 구성되어 있으며 C AD data와 R P의 중간 매개체가 STL 포맷이다.
본래 STereoLithography의 약어로 사용되고 있으나, 후에는 Standard Triangulated Language의 약어로 사용되는 경우도 있다.
본고에서는 치과에서 주로 사용하고 있는 additive manufacturing방식의 SLA, FDM, 3DP, SLS와 부가적인 내용을 설명하고자 한다.

본론

1. S.L.A
 
S.L.A는 미국 3D Systems사에서 처음 개발하였다. 광경화성 수지(photopolymer resin liquid)에 레이저 광선(UV)을 용기에 담긴 액체물질을 선택적으로 주사하면 경화되는 원리이며 조사되지 않은 부분은 액체 상태를 유지하게 된다.
레이저 광선을 이용하기 때문에 성형속도가 빠르며 성형정밀도가 높은 장점이 있으나, 장비와 재료가 고가이고 준비과정이 오래 걸리며, 재료에 독성이 있어 유독가스를 배출하므로 환기 시설을 갖추어야 한다.





2. F.D.M
 
FDM(Fused Deposition Modeling)은 열가소성 재료의 f ilament 형태를 발열판(heated)에서 녹인 후 압출하여 적층하는 방법이다. 형성된 제품은 실제 제품처럼 사용해서 실험하는 것이 가능할 정도로 강도도 있고 정밀도가 높지만 산업디자인에서 후가공을 위해 표면에 연마를 해야 한다는 것이 디자인 모형제품으로서의 단점을 갖고 있다.
그러나 레이저를 쓰지 않기 때문에 장치가 간단하며 서포트는 재료가 수용성이라 좁은 공간에 있어도 깨끗이 녹일 수 있다. 또한 견고하고 안정적인 결과물을 출력할 수 있으며, 재료의 가격이 낮다. 그리고 인체에해롭지 않고, 다양한 색상으로 염색이 되어 많은 색상표현이 가능하다.



3. 3DP
 
3DP(3D Printing)는 3차원 프린팅으로 녹말과 같은 분말을 얇게 도포한 뒤 그 위에액상의 접착제를 잉크젯 방식으로 분사하여 입체 형상을 제작하며 레이저를 사용하지 않아도 적층두께가 얇아서 미세한 제품을 만들 수 있다.








4. S.L.S
 
S .L .S (Selective Laser Sintering) 재료를 담는 큰 통에서 분말인 재료를 롤러를 이용하여 평평하게 만든 다음, CO₂레이저를 이용하여 선택적으로 부분들만 소결, 융합하여 적층하는 방식이다. 재료는 선택의 폭이 넓어 분말 형태의 금속, 왁스, 모래, 플라스틱 등을 사용할 수 있는 특징이 있다. 고분자 재료 분말을 사용하기 때문에 어느 정도 강도가 있어 기능성 부품을 직접 제작할 수 있고, 성형속도가 빠르다는 장점이 있다.






5. Additive manufacturing의 재료
 







 

7. 기타

 

결론
치과분야에서의 additive manufacturing는 점차적으로 보편화가 되어가고 있다.
이러한 시스템은 쉽고, 빠르면서도 정밀성이 우수하며, 복잡한 형상, 디테일한 표현, 재료의 낭비를 최소화할 수 있다.
기존 문헌에서는, 정밀도 및 표면거칠기 면에서 가장 좋은 값을 나타낸 것은 S.L.A공정으로 나타났다. 그러나 최근에는 계속적으로 장비 및 소재에 대한 정밀한 장비들이 무수히 출시되고 있기 때문에, 어떤 장비가 우수하다고는 할 수 없다. 앞으로 additive manufacturing분야에 더 많은 연구와 개발이 이루어져야 치과분야에서도 지금 보다 더 질 좋은 보철물을 제작할 수 있다고 본다.
치과분야에서도 3차 산업혁명은 시작되었고 기존 방식을 고수할 것인지 아니면 additive manufacturing의 거대한 흐름에 합류할 것인지 고민하여야 할 시기가 우리 앞에 다가왔다. 선택을 하지 않으면 불리한 상황에 처할 수 있는 상황이 우리 앞에 전개되고 있는 것이다.

참고문헌
1. D.L. Bourell, M.C. Leu, and D.W. Rosen, Ed.,Roadmap for Additive Manufacturing, University of Texas at Austin, Austin TX, 2009
2. Zari, A. and S. Nikzad. “The evolution of rapid prototyping in dentistry: a review.” Rapid Prototyping Journal 15(3): 216-225. 2009
3. Negi, S., et al. “Basics and applications of rapid prototyping medical models.” Rapid Prototyping Journal20(3): 256-267. 2014
4. 이병수, 김경훈, 김경환, 권혁천, 김원용, 3D 프린팅기술 해외 R&D 동향,대한금속재료학회, Vol.23,No.3,pp.13-19,2014
5. 장웅성 외(2013), ‘3D 프린터 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략’, KEIT PD Issue Report, Vol. 13-6,Cambell(2011),
6. 최 성권,3D 프 린팅 기 술과 건 축적 활 용,대한건축학회,Vol.58,No.2,pp.17-25, 2014
7. 산업디자이너를 위한 신속조형기술 RP활용가이드, 최성권 저, 혜지원, 2010
8. 곽기호,3D곽기호,3D 프린터 기술 및 산업 동향, 한국자동차산업연구소,Vol.473,pp.16-22,(2014)
9. 홍재근, 염종택: 정보마당: 3D 프린팅 소재기술 현황 및 개발 방향. 재료마당 26: 50-60, 2013.
10. http://3dways.co.kr


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