Purpose: This study aimed to evaluate the accuracy (trueness) of the three-unit bridges manufactured by the 3D-printing technology of the LCD method and the milling method.

Materials and methods: A dental model with a missing maxillary right first molar was scanned with a model scanner and designed in the anatomic contour three-unit bridge using a CAD software. 3-unit bridges were produced each with LCD-type 3D printer and milling machine. STL files were obtained by scanning the internal surfaces of six specimens with a model scanner, respectively. Using a three-dimensional evaluation program, STL files were divided into two parts: the internal surface, and the pontic base, and the Root Means Square value was obtained by superimposing the reference data and the scan data of the specimens.

Results: The internal and pontic base of trueness mean values of 3-unit temporary bridges fabricated by subtractive manufacturing were 32.70㎛, 20.77㎛. Those of 3-unit temporary bridges fabricated by additive manufacturing(liquid crystal displays) were 29.93㎛, 15.37㎛.

Conclusion: Trueness of the 3-unit temporary bridges fabricated by the additive manufacturing method was higher than the subtractive manufacturing method, but Trueness value was within the clinically acceptable range.
Keyword: 3d print, Accuracy, Liquid crystal displays(LCD) 

 

서론
4차 산업혁명의 핵심 기술로 대두되는 3D 프린팅 기술은 일반 산업뿐만 아니라 치과분야에도 도입되었다. 아날로그 형식의 제작과정에서 컴퓨터 기술을 이용하여 설계가 가능한 CAD(Computer-Aided Design)와 장비를 이용한 제조 CAM(Computer-Aided Manufacturing) 시스템으로 이루어진 디지털 제작과정으로 발전하였다. 
3D 프린팅 기술은 재료를 마이크로(μm) 단위로 층층이(layer-by-layer) 쌓아 올려 보철물을 출력하는 적층 제조 방식이다. 구강 스캐너를 사용하여 환자의 구강을 직접 채득하거나 모형 스캐너로 지대치가 포함된 석고 상태의 작업 모형을 스캔하여 3차원 데이터를 획득한 후 CAD 프로그램을 통해 보철물을 디자인 한 뒤 STL(Standard Triangle Language) 형태의 파일로 저장한다. 전용 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 층별로 분할된 다중 슬라이스 이미지로 변환한 후에 3D 프린터를 사용하여 제조한다. 
치과분야에서 활용되고 있는 3D 프린팅 기술은 DLP(Digital Light Processing), LCD(Liquid Crystal Displays), SLA(Stereolithography), MJ(Material Jetting) 등이 있다. 위와 같은 3D 프린팅 기술은 광중합 레진에 UV light를 조사한 후 출력하는 과정을 기반으로 한다. DLP 기술의 경우 Digital Micromirror Device(DMD)를 사용하여 광경화성 레진이 담긴 수조에 UV light를 조사하여 슬라이싱된 이미지를 한 층씩 적층하는 방식이다. DLP와 유사한 LCD 방식은 liquid crystal을 사용하며 LCD 패널을 사용하여 출력하려는 이미지 외의 부분을 차단하는 마스크를 만들어 UV light를 조사하여 보철물을 제작한다. 
점점 인기를 얻고 있는 3d 프린팅 기술이 빠르게 발전하면서 시중에 수많은 재료와 장비들이 출시되고 있다. 임상에서는 각 재료나 장비에 따른 보철의 정확도가 어느 정도 수준인지 판단할 수 있는 정보가 요구된다. 따라서 본 연구는 LCD 방식의 3D 프린팅 방식이 기존에 사용되고 있는 밀링 제조 방식에 비교하여 밀링 방식을 대체 가능한 수준인지 정확도를 측정하고 비교, 평가하기 위하여 연구를 진행하였다.  

연구 방법 및 재료
1. 주모형 선정 및 시편 디자인
상악 좌측 제2소구치와 제2대구치가 프랩되어 있고 상악 좌측 제1대구치가 상실된 치아 모형(D85DP-500B.1, Nissin Dental, Japan)을 모델 스캐너(E4, 3-Shape, Copenhagen, Denmark)로 스캔하였다. 스캔한 데이터를 CAD 프로그램(3Shape, Copenhagen, Denmark)를 이용하여 해부학적형태의 3본 교의치 형태로 디자인하였다. 

2.  시편 제작 
LCD군은 LCD 방식의 3D 프린터(Ondemand3D 4K Printer, Cybermed, Seoul, Korea)로 ML군은 밀링 장비 (K5, VHF camfacture AG, Germany)로 3본 교의치를 각각 3개씩 제작하였다(Fig 1). 

 

3. 3차원 평가 
3차원 진실도 평가를 위하여 총 6개의 시편을 모델 스캐너(E4, 3Shape, Copenhagen, Denmark)로 내면과 외면을 각각 스캔하였다. 스캔 데이터를 STL 형태로 저장하였다. 3차원 평가 프로그램(Geomagic control X, Geomagic Gmbh, Germany)을 사용하여 불필요한 부분은 삭제한 후 내면과 인공치 기저면의 2가지 부분으로 구분하여 편집하였다. Reference CAD 데이터와 시편의 스캔 데이터를 자동 정렬한 후 Best fit 옵션으로 최적 맞춤 정렬하였다. Difference images로 3차원 비교를 시행한 후 데이터 간 편차를 Root Means Square (RMS) 값으로 나타내었다. RMS 값은 아래의 계산식으로 계산되었다. 이때, Xi은 Reference CAD 데이터의 측정 포인트이며 X2는 시편의 스캔 데이터의 측정 포인트이고, n은 측정 포인트의 총 수를 의미한다. 

 

결과
진실도 평가 결과, LCD 군의 진실도는 내면 29.93㎛ , 인공치 기저면 15.37㎛으로 나타났고 ML 군의 진실도는 내면 32.7㎛, 인공치 기저면 20.77㎛로 나타났다(Table 1). 3본 교의치의 내면과 인공치 기저면의 진실도는 모두 LCD 군이 각각 29.9㎛와 15.37㎛로 ML 군의 진실도보다 높았다. 이때, 낮은 RMS값은 높은 정확도를 의미한다. 

3D 편차는 Color-difference map으로 나타내었다. 양(+)의 편차는 빨간색으로 나타나고 음(-)의 편차는 파란색으로 나타나며 편차가 0에 가까울수록 녹색으로 나타난다. Figure 2와 Figure 3의 내면 Color-difference map을 살펴보면 ML군보다 LCD군에서 비교적 넓은 부위의 녹색 영역을 관찰할 수 있었고 LCD군은 양의 편차, ML군은 음의 편차가 주를 이루었다. 인공치 기저면의 Color-difference map는 두 군 모두 대체적으로 녹색 영역이였으나 내면과 마찬가지로 LCD군은 파란색의 음의 편차, ML군은 빨간색의 양의 편차가 나타나는 것을 관찰할 수 있다. 이는 적층 가공과 절삭 가공 방식의 특성에 따른 차이로 보인다.      

 

결론 및 고찰
본 연구에서는 LCD (Liquid Crystal Displays) 3D 프린팅 기술로 제작한 레진 3본 교의치의 내면과 인공치 기저면의 정확도를 평가하였다. 연구 결과, LCD 프린터로 제작한 레진 3본 교의치의 내면과 인공치 기저면의 RMS 값이 임상에서 널리 활용되고 있는 밀링 장비의 RMS값보다 낮아 결과적으로 높은 정확도를 보였으나 두 군 모두 임상적으로 허용 가능한 수치내에 존재하였다. 
적층 가공 방식인 3D 프린터는 절삭 가공 방식에 비해 언더컷 부분과 미세한 부위의 재현이 가능하고 제작 속도가 빠르며 남은 재료를 재사용 할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 현재 임상에서는 치아 모형, 임시 보철물, 수술 가이드, 스플린트 등을 제작하며 3D 프린터의 활용 분야가 넓어지고 있다. 새로운 3D 프린터 장비와 소재가 개발되고 있는 현황에 맞추어 이를 바탕으로 한 정확도 평가가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.