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Journal of Technologic Dentistry 2023; 45(2): 39-47

Published online June 30, 2023

https://doi.org/10.14347/jtd.2023.45.2.39

© Korean Academy of Dental Technology

3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 자동바렐연마공정에 따른 표면 거칠기 및 연마도 관찰

박유진, 정안나

부산가톨릭대학교 치기공학과

Received: May 15, 2023; Revised: June 8, 2023; Accepted: June 13, 2023

Observation of surface roughness and grinding angle by automatic barrel finishing process of dental 3D printed resin

Yu-Jin Park , An-Na Jung

Department of Dental Laboratory Science, Catholic University of Pusan, Busan, Korea

Correspondence to :
Yu-Jin Park
Department of Dental Laboratory Science, Catholic University of Pusan, 57 Oryundaero, Geumjeong-gu, Busan 46252, Korea
E-mail: parkyj@cup.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-8909-7416

Received: May 15, 2023; Revised: June 8, 2023; Accepted: June 13, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Purpose: This study aimed to confirm the applicability of gloss polishing using automatic barrel finishing with respect to three-dimensional (3D)-printed resin specimens. The surface roughness and grinding angle of the 3D-printed resin specimens were observed with respect to gloss polishing time using automatic dental barrel finishing.
Methods: Herein, experiments were conducted on four types of 3D-printed resin specimens. The specimens, with a thickness of 100 μm each, were printed using a 3D printer. Subsequently, light polymerization was performed on these specimens for 15 min. Post this surface treatment, the specimens underwent grinding for 25 min. This process was followed by gloss polishing at 5-min intervals for up to 25 min using automatic dental barrel finishing. The specimens were photographed using a 3D optical microscope, and their surface roughness and grinding angle were measured.
Results: The Ra (centerline average roughness) values of all the specimens, except for crown & bridge 10 group and those in the control group that were not polished using automatic barrel finishing, were <0.2 μm. However, polishing time needs to be controlled to realize the desired surface roughness and grinding amount considering the hardness of the resin used.
Conclusion: Gloss polishing of 3D-printed resin can be realized using automatic dental barrel finishing. However, polishing time needs to be controlled to realize the desired surface roughness and grinding amount considering the hardness of the resin used.

Keywords: Barrel finishing, Gloss polishing, Surface roughness, Three-dimensional printed resin

치과 보철물의 제작방법이 캐드캠(CAD/CAM, computer-aided design/computer-aided manufacturing) 시스템으로 보편화되고 있다[1]. 치과용 캐드캠 시스템을 이용한 보철물의 가공방식은 적층가공(additive manufacturing)과 절삭가공(subtractive manufacturing)으로 분류되며, 3D (three-dimensional) 프린팅은 적층가공에 포함된다[2]. 3D 프린팅은 스캔이나 모델링 된 형상을 원하는 적층 두께만큼 분할한 횡단면 데이터를 이용하여 선택된 소재를 한 층씩 쌓아 3D 형상을 제작하는 기술로[3], 축에 대한 한계가 없어 다양하고 복잡한 형태를 소량의 재료 소모로 제작 가능한 장점이 있다[4].

치과용으로 사용되고 있는 3D 프린터는 광경화 레진, 금속, 세라믹 등 다양한 소재를 출력할 수 있다[5]. 광중합 기술을 기반으로 하여 감광성 액체 레진을 소재로 하는 3D 프린터는 패턴 형성 원리와 제어 시스템에 따라 DLP (digital light processing), stereolithography, multi-jet printing, LCD (liquid crystal display) 등으로 다양하게 개발되었다[6]. 최근에는 액정 디스플레이가 이미징 시스템으로 사용되어 해상도가 높고 저렴한 비용의 장점을 가지는 LCD 방식이 치과 분야에 응용되어 치과보철물의 제작에 활용되고 있다[7]. 3D 프린터를 이용하여 출력된 치과용 광경화 레진은 임시치아, 교정장치, 의치상 등의 제작에 활용되고 있으며, 그 외에도 다양한 용도로 레진 상품이 개발되어 적용 범위가 더욱 넓어지고 있다[8].

레진 치과보철물은 3D 프린터로 출력되어 제작 과정이 단순화되고 가공시간이 단축되어 생산성을 높일 수 있는 환경으로 변화하고 있다[9]. 그러나 레진 보철물의 연마 과정은 많은 시간과 노동력이 필요하여 대량 생산이 불가능한 단점이 있으며, 술자에 따라 다르게 적용되는 연마 과정으로 품질의 균일성이 떨어지는 문제가 발생한다[10]. 레진 보철물은 연마과정을 마치면 표면이 매끄럽고 높은 광택도를 보이지만, 광택단계를 생략한 마무리 방법으로 연마된 레진의 표면거칠기는 Bollen 등[11]이 제시하는 생물학적 표면거칠기인 0.2 μm에 미치지 못하는 것으로 나타났다[12]. 이에 자동바렐연마기를 대체 기술로 제안하여 연마된 치과보철물의 균일성과 안정성을 높이기 위한 방법으로 적용하고자 하였으며[13], 바렐연마(barrel finishing)공정을 표준화하기 위한 다양한 연구가 이어지고 있다[9,14,15].

바렐연마는 소재의 연마에 적절한 연마재(media), 물, 컴파운드(compound)의 비율을 맞추어 연마조(barrel) 내에 가공품과 함께 혼합하여 연마하는 가공법이다. Barrel의 회전 시 발생하는 원심력, 연마석과 가공품의 낙차를 일으키는 중력, 그리고 회전하는 동안 발생하는 마찰력과 같은 힘의 상대 운동력 차이로 표면거칠기가 향상된다[16]. 선행연구에서 Jung [14]과 Ko 등[15]은 자동바렐연마기를 이용한 레진과 금속의 연마 시 연마시간과 표면거칠기의 상관관계를 확인하고, 연마시간의 제한이 필요함을 보고하였다. 또한 Singh과 Singh [17]은 바렐연마 시 연마시간이 20분에서 40분으로 길어질 경우 가공체의 삭제량이 증가한다고 보고하여 연마시간과 가공도의 상관관계를 확인하였다.

Jung [14]은 자동바렐연마기를 이용한 연마를 시행하였을 때 표면거칠기가 0.2 μm보다 낮은 값을 확인하여 레진 연마의 적용가능성이 높음을 보고하였다. 그러나 선행연구에서는 연삭연마 단계만 시행되어 연마공정에 한계가 있으므로 자동바렐연마기를 레진의 연마에 적용하기 위해서는 최종 마무리 단계인 광택연마가 시행된 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 그리고 추가된 연마공정에 의해 길어진 연마시간과 가공도의 상관관계 확인이 필요할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 바렐연마 공정에 따른 표면 특성 및 연마각의 변화를 관찰하여 레진 가공체의 최종 연마공정 선택을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

1. 실험 재료

본 연구에서는 3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 자동바렐연마공정에 따른 표면특성 및 연마를 관찰하기 위해 다음과 같은 실험장비와 소재를 사용하였다. 시편은 레진 3D 프린터(SLASH 2; UNIZ)를 사용하여 제작하였으며, 시편 제작에 사용된 3D 프린팅 레진은 의치상용 레진 1종(Tera Harz THD P-1000; Graphy), 투명교정장치(clear aligner)용 레진 1종(Tera Harz TC-85DAC; Graphy), 관교의치용 레진 1종(Tera Harz TC-80DP; Graphy), 플렉시블 덴쳐용 레진 1종(Tera Harz TFDH; Graphy)이다(Table 1). 그리고 시편의 연마공정에는 치과용 자동바렐연마기(Snow barrel; DK Mungyo)를 사용하였다.

Table 1 . Information about 3D printed resin used in study

MethodApplicationGroupProduct nameManufacturerShore hardness (D)
LCD 3D printingDenture baseDBTera Harz THDGraphy≥85
Clear alignerCATera Harz TC-85DAC≥85
Crown & bridgeCBTera Harz TC-80DP≥90
Flexible dentureFDTera Harz TFDH≥80

LCD: liquid crystal display, 3D: three-dimensional.



2. 시편 제작

시편은 CAD 프로그램(Creo 4.0; PTC)을 이용하여 설계하였고, 판형태로 10 mm×10 mm×5 mm 크기로 제작하였다(Fig. 1A). 설계된 시편은 슬라이싱 소프트웨어(UNIZ Dental; UNIZ)를 이용하여 출력 레이어를 100 μm로 설정하고, 지지대의 두께는 1 mm, 간격은 2 mm로 설정하여 바닥면에 부착하였다(Fig. 1B). 치과용 3D 프린터(SLASH 2)를 이용하여 시편을 출력하고, 출력된 가공체는 광중합기(Tera Harz Cure; Graphy)를 이용하여 15분 동안 광중합한 후 지지대를 제거하였다. 각 그룹당 시편은 10개씩 제작하였다.

Fig. 1.Specimens of study. (A) Shape of specimens, (B) formation of specimen supports.

준비된 시편은 #400~#800 grit의 SiC 연마지(Silicone Carbide Grinding Paper; Struers)를 이용하여 습식으로 경면연마를 시행하고, 스팀클리너를 이용하여 세척한 후 건조하였다. SiC 연마지를 이용하여 표면연마된 시편을 대조군으로 분류하였다. 그리고 이를 제외한 모든 시편은 치과용 자동바렐연마기(Fig. 2A)를 450 rpm의 회전속도로 설정한 후 연삭용 연마재(Fig. 2B) 150 g, 물 100 g, 컴파운드(compound) 5 g의 비율로 barrel에 넣고 25분간 연삭연마하였다. 그 후 광택용 연마재(Fig. 2C), 물, 컴파운드를 연삭연마 단계와 동일한 비율로 혼합하여 시편과 함께 barrel에 넣고 5분 간격으로 25분간 광택연마하였다. 연마 후 초음파 세척기를 이용하여 5분간 세척하고 스팀클리너로 세척한 후 건조하였다. 레진의 종류에 따라 표면연마된 시편군을 대조군, 연삭연마만 시행된 시편군을 ‘0’ 그룹, 광택연마가 시행된 시편군을 연마시간에 따라 ‘5’, ‘10’, ‘15’, ‘20’, ‘25’ 그룹으로 나누어 Table 2와 같이 분류하였다.

Table 2 . Classification of specimens according to procedure time

CodeProcedure time (min)Number


DBCACBFDGrindingGloss polishing
DBCCACCBCFDC0010
DB0CA0CB0FD0250
DB5CA5CB5FD55
DB10CA10CB10FD1010
DB15CA15CB15FD1515
DB20CA20CB20FD2020
DB25CA25CB25FD2525

C: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.



Fig. 2.Media used in barrel finishing machine. (A) Barrel finishing machine, (B) grinding media, (C) gloss polishing media.

3. 표면형상 관찰 및 표면거칠기 측정 실험

표면형상을 관찰하고 표면거칠기를 측정하기 위해 3D 광학실체현미경(RH-2000; Hirox Korea)으로 광택연마된 4종 레진 시편의 표면을 2,500 배율로 촬영하였다. 획득된 3D 이미지를 이용하여 표면형상을 관찰하고, 표면거칠기를 나타내는 Ra (centerline average roughness) 값은 시편의 정중앙이 촬영된 3D 이미지를 이용하여 4개의 방향에서 값을 측정하고 평균값을 산출하였다. 컷 오프(cut off) 값은 0.08 μm로 설정하였다.

4. 연마각 관찰 실험

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 광택연마된 4종 레진 시편의 연마각을 관찰하기 위하여 시편의 모서리를 3D 광학실체현미경으로 촬영하고(x35), 획득된 2차원 이미지를 이용하여 시편의 연마공정에 따른 각의 변화를 관찰하였다. 시편의 모서리에 형성되는 원호와 만곡도가 동일한 원을 그린 후, 원의 중심과 원호의 양 끝점을 연결하여 만들어지는 각을 측정하였다(Fig. 3).

Fig. 3.Grinding angle measurement.

5. 통계 분석

본 연구 결과 얻어진 데이터는 정규성 검정을 실시하여 정규성을 충족하였다. 각 그룹에서 측정된 표면거칠기와 연마각의 데이터가 통계적으로 유의한 차이가 있는지 검증을 하기 위해 IBM SPSS Statistics ver. 28.0 (IBM)을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 시행하였다. 그리고 사후검정을 위해 95% 유의 수준에서 Tukey’s honestly significant difference 분석을 실시하였다.

1. 표면형상 관찰 및 표면거칠기 측정 실험

자동바렐연마기에서 연마된 4종 레진 시편의 표면형상을 3D 광학실체현미경(RH-2000)으로 촬영하여 3D 표면형상 이미지를 획득하였다. 표면거칠기를 나타내는 Ra 값은 모든 그룹에서 대조군 시편인 denture base control (DBC) 0.74±0.15 μm, clear aligner control (CAC) 0.52±0.08 μm, crown & bridge control (CBC) 0.46±0.11 μm, flexible denture control (FDC) 0.86±0.09 μm가 가장 높게 측정되었고, 각 그룹에서 Ra 값이 가장 낮게 측정된 시편은 DB15 0.12±0.05 μm, CA10 0.09±0.01 μm, CB15 0.13±0.03 μm, FD10 0.13±0.02 μm로 나타났다(Table 3, Fig. 4). 연삭연마와 광택연마를 시행한 각 그룹내의 시편 중 CB10 시편군을 제외한 모든 시편이 0.2 μm 이하의 Ra 값을 나타내었다. 따라서 표면형상 관찰 비교는 대조군, 연삭연마(광택연마 전) 시편군, 광택연마 시편군 내에서 가장 낮은 Ra 값을 나타내는 DB15, CA10, CB15, FD10 시편의 이미지로 이루어졌다(Fig. 5).

Table 3 . Mean and standard deviation of surface roughness (n=10) (unit: μm)

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON0.74±0.15b0.52±0.08e0.46±0.11h0.86±0.09j
00.14±0.03a0.18±0.04d0.14±0.03f0.15±0.05i
50.15±0.06a0.13±0.02c0.15±0.04fg0.15±0.03i
100.20±0.01a0.09±0.01cd0.21±0.01g0.13±0.02i
150.12±0.05a0.15±0.04d0.13±0.03fg0.14±0.02i
200.20±0.03a0.17±0.04d0.14±0.06fg0.14±0.03i
250.17±0.05a0.13±0.03cd0.17±0.02fg0.13±0.03i
p-value*0.001*0.001*0.001*0.001*

Values are presented as mean±standard deviation.

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. c,d,eLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. f,g,hLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. i,jLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group.

*p<0.05.



Fig. 4.Surface roughness of specimens. Ra: centerline average roughness. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

Fig. 5.Surface topography of specimens. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x2,500). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

2. 연마도 관찰 실험

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 광택연마된 4종 시편의 연마도를 관찰하기 위하여 광학실체현미경을 이용하여 연마된 시편의 각을 측정하고, 연마공정에 따른 각의 변화를 관찰하였다. 대조군 시편의 모서리 각도는 모두 90°로 측정되었으며, 연마공정이 시행된 모든 시편에서 연마가 나타났다. 연마시간이 증가할수록 연마로 인해 나타나는 원호에 맞추어 그린 원의 반경은 커지고, 원호의 양 끝점과 원의 중심을 연결해서 만들어지는 연마각의 크기는 감소하는 것으로 나타났다(Table 4, Fig. 6, 7).

Table 4 . Mean and standard deviation of grinding angle (n=10) (Unit: °)

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON90.46±0.27g90.40±0.29n90.45±0.36p90.45±0.26w
086.30±0.56f86.82±0.51m87.05±0.59p86.90±0.40v
584.40±0.67e84.04±0.63l85.84±0.30p84.06±0.56u
1082.14±0.51d83.25±0.32k84.50±0.34op81.55±0.64t
1579.11±0.55c82.06±0.58j83.27±0.39op78.94±0.61s
2077.10±0.64b80.25±0.48i81.55±0.31op77.24±0.36r
2575.06±0.43a76.53±0.42h80.32±0.48o74.15±0.47q
p-value*0.001*0.001*0.0040.001*

Values are presented as mean±standard deviation.

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

a,b,c,d,e,f,gLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. h,i,j,k,l,m,nLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. o,pLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. q,r,s,t,u,v,wLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group.

*p<0.05.



Fig. 6.Variation of grinding angle according to polishing time. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

Fig. 7.Grinding angle measurement. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x35). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

3. 통계 분석

표면거칠기와 연마각의 측정결과를 각 시편군별로 one-way ANOVA와 사후 검증으로 분석하였다. 표면거칠기의 일원배치 분산분석 결과 DB 시편군, CA 시편군, CB 시편군, FD 시편군 모두 시편군 간에 유의차가 나타났다(p<0.05). 그리고 사후검정 결과 DB 시편군, CA 시편군, CB 시편군, FD 시편군 모두 대조군과 모든 시편 사이에 유의차가 나타났다.

연마각의 일원배치 분산분석 결과 DB 시편군, CA 시편군, FD 시편군에서는 시편군 간에 유의차가 나타났으며(p<0.05), CB 시편군에서는 유의차가 나타나지 않았다(p<0.05). 그리고 사후검정 결과 DB 시편군, CA 시편군, FD 시편군에서는 대조군과 모든 시편 사이에 유의차가 나타났고, CB 시편군에서는 대조군과 CA 25 시편 사이에만 유의차가 나타났다.

본 연구에서는 치과용 자동바렐연마기를 이용한 3D 프린팅용 레진의 연마 공정에 따른 변화를 확인하고, 현재 상용화된 다양한 용도의 치과용 3D 프린팅 레진을 선택하여 자동바렐연마기를 이용한 광택연마의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 시편 제작에 사용된 4종의 레진은 종류에 따라 보철물의 제작 용도가 다르고, 경도의 차이가 있어 그에 따른 표면거칠기나 가공도의 상관관계를 확인하고자 하였다.

바렐연마 시 발생하는 마찰열에 의한 레진 시편의 변형이 없도록 시편의 두께를 5 mm로 설계하였다. 그리고 본 실험은 표면이 동일하게 연마된 시편의 바렐연마 후 표면거칠기와 모서리 각도의 변화를 관찰하는 실험으로 출력각도를 90°로 설정하고 적층 간격을 100 μm로 설정하여 출력하였다.

Jung 등[18]의 연구에서는 출력된 시편의 지지대를 제거한 후 표면의 전처리 없이 바렐연마하여 표면거칠기를 측정하였으나, 본 연구에서는 바렐연마를 시행하기 전에 SiC 연마지를 이용하여 경면연마한 시편을 대조군으로 선정함으로써 균일한 표면과 각도가 형성된 상태에서 실험하여 비교함으로써 실험결과의 오차를 줄이고자 하였다.

본 연구에서는 비접촉식 3D 광학현미경을 사용하여 표면거칠기를 측정하였다. 접촉식 표면형상 측정기는 측정 대상에 직접 접촉하여 신뢰성이 높으나 촉침이 갖는 선단의 특성에 따라 촉침과 시료면의 접촉에 의한 정보 손실이 발생하고 결과적으로 측정오차가 존재하게 된다[19]. 그에 반해 비접촉식 표면형상 측정은 면과 선의 고속스캔으로 측정속도가 빠르고 레이저의 직경이 매우 작아 요철이 심한 부드러운 대상 물체도 손상없이 측정이 가능한 장점이 있어[19] 실험장비로 선택하였다.

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 연마된 시편의 표면거칠기를 측정하였을 때 Ra 값은 대조군에서 가장 높게 측정되었고, 연삭연마와 광택연마를 시행한 모든 시편 중 CB10 시편군을 제외한 나머지 시편 모두 0.2 μm보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 Bollen 등[11]이 제시한 생물학적 표면거칠기에 부합하는 것으로 4종의 레진 모두 자동바렐연마기를 이용한 연삭연마와 광택연마의 적용이 가능할 것으로 보인다.

Won 등[20]은 바렐연마시 가공시간이 증가하면 연마재에 의해 긁힘 현상이 발생하여 연마된 표면의 거칠기가 크게 감소하지 않고 일정해진다고 보고하였고, Lee [16]와 Jung 등[18]은 가공재의 소재에 따라 연마시간의 제한이 필요하다고 보고하였다. 본 연구에서는 25분간 연삭연마 후 광택연마를 시행하였고, 광택연마 공정에서 DB 군과 CD 군은 10분 후, CA 군과 FD 군은 15분 후에 가장 낮은 Ra 값을 나타내었다. 그러나 광택연마가 계속되어도 표면의 Ra 값은 확연히 개선된 결과를 보이지 않았고, 0.2 μm 이하의 값으로 증가와 감소를 반복하여 선행연구와 일치하는 결과를 나타냈다.

본 연구에서 4종 시편의 표면형상 이미지를 관찰했을 때, 4종 시편 모두 대조군이 가장 거친 형태를 나타내는 것으로 관찰되었고, 다른 시편군의 이미지와 비교했을 때 고도차가 높은 것을 확인할 수 있었다. 바렐연마 후 대조군 외 대부분의 시편군이 0.2 μm 이하의 Ra 값이 측정되었으나 광택연마를 시행하지 않은 0분 그룹과 광택연마를 시행하여 가장 낮은 Ra 값이 측정된 시편의 이미지를 비교했을 때 광택연마가 시행된 시편이 더 평탄하고 깨끗한 표면을 갖는 것으로 관찰되어 바렐연마 시 연삭연마 후 광택연마 공정을 시행했을 때 더 나은 결과물을 얻을 수 있을 것으로 보인다. 그러나 광택연마를 시행한 그룹 내에서 DB10과 DB15의 Ra 값의 차이는 0.08 μm로 높은 차이를 보였으나 시편의 표면형상을 비교했을 때 두 시편군 모두 평탄한 표면을 가지며 충분히 연마된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 값의 차이는 Won 등[20]의 보고와 같이 가공시간의 증가에 따라 연마재의 긁힘 현상이 발생하였고 그에 따라 Ra 값이 높게 측정된 것으로 보인다.

사용된 시편 재료의 제조사에 따르면 실험에 사용된 4종 레진의 쇼어 경도(Shore hardness, D)는 DB 군 85 Sh D, CA 군 85 Sh D, CB 군 90 Sh D, FD 군 80 Sh D로 CB 군이 가장 높고, FD 군이 가장 낮다. 경면연마 후 측정된 대조군 시편의 Ra 값은 CB 군 0.46±0.11 μm, DB 군 0.74±0.15 μm, CA 군 0.52±0.08 μm, FD 군 0.86±0.09 μm으로 경도가 낮을수록 표면이 더 많이 거칠어지는 결과를 나타내거나 레진의 표면이 연마재에 의해 짓눌리는 현상이 발생할 수 있으므로 연마재의 선택 시 경도를 고려해야 할 것 이다.

연마도를 관찰했을 때 연마시간이 길어질수록 모서리 원호의 만곡도가 줄어들고, 원의 반경은 크게 그려진다. 그로 인해 원의 중심과 원호가 이루는 연마각은 감소하고 연마도가 증가한 것으로 관찰되며 불필요한 연마가 계속해서 일어나게 된다. 최종 연마 후 측정된 연마각은 CB 군이 80.32°±0.48°로 가장 높게 측정되었고, FD 군(74.15°±0.47°)이 가장 낮게 측정되어 경도가 높을수록 연마량이 적은 것을 확인하였다. 바렐을 이용한 레진의 광택연마 시 연마시간이 길어질 경우 불필요한 연마량이 증가되고 연마석에 의해 다시 표면거칠기가 거칠어져 개선효과가 미흡하다. 따라서 연삭연마 공정에서 표면 조도가 개선된 후에 시행되는 광택연마 공정에서 적절한 양의 연마를 위해서는 소재의 경도에 따라 연마시간을 제한해야 할 것이다.

본 연구에서 표면거칠기와 연마각의 측정 내용을 각 시편군별로 one-way ANOVA 시행한 결과 모든 시편군 간에 유의차가 나타났으나(p<0.05), 연마각의 one-way ANOVA 결과에서 CB 시편군 내의 유의차가 나타나지 않았다(p>0.05). CB 시편군의 경우 나머지 시편보다 D의 값이 크고 연마정도가 다른 시편에 비해 작아 시편군 간에 값의 차이가 크지 않아서 유의차가 나타나지 않은 것으로 생각한다. 따라서 시편군 간의 정확한 연마도의 차이를 확인하기 위해서는 무게의 측정 등과 같은 추가 실험을 진행하여 연마도를 확인하는 연구가 필요할 것으로 보인다.

본 연구에서는 자동바렐연마기를 이용한 광택연마공정 시 시간의 변화에 따른 표면거칠기 및 연마각의 변화를 관찰하여 적용가능성을 확인하였으나, 가공체의 소재에 따른 연마재의 크기와 종류, 연마재의 장입량과 혼합비율 등의 다양한 연마 조건이 가공체의 결과물에 영향을 미치게 되므로 적절한 연마 공정 선택을 위한 연구가 계속 이어져야 할 것이다.

3D 프린터로 출력된 치과용 광중합 레진 자동바렐연마공정에 따른 표면거칠기와 연마도를 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 3D 프린터로 출력된 치과용 광중합 레진의 광택연마를 시행할 수 있으며, 사용되는 레진의 경도에 따라 표면거칠기와 연마량이 달라지므로 연마시간의 제한이 필요하다.

This paper was supported by RESEARCH FUND offered from Catholic University of Pusan in 2022.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

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Article

Original Article

Journal of Technologic Dentistry 2023; 45(2): 39-47

Published online June 30, 2023 https://doi.org/10.14347/jtd.2023.45.2.39

Copyright © Korean Academy of Dental Technology.

3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 자동바렐연마공정에 따른 표면 거칠기 및 연마도 관찰

박유진, 정안나

부산가톨릭대학교 치기공학과

Received: May 15, 2023; Revised: June 8, 2023; Accepted: June 13, 2023

Observation of surface roughness and grinding angle by automatic barrel finishing process of dental 3D printed resin

Yu-Jin Park , An-Na Jung

Department of Dental Laboratory Science, Catholic University of Pusan, Busan, Korea

Correspondence to:Yu-Jin Park
Department of Dental Laboratory Science, Catholic University of Pusan, 57 Oryundaero, Geumjeong-gu, Busan 46252, Korea
E-mail: parkyj@cup.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-8909-7416

Received: May 15, 2023; Revised: June 8, 2023; Accepted: June 13, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Purpose: This study aimed to confirm the applicability of gloss polishing using automatic barrel finishing with respect to three-dimensional (3D)-printed resin specimens. The surface roughness and grinding angle of the 3D-printed resin specimens were observed with respect to gloss polishing time using automatic dental barrel finishing.
Methods: Herein, experiments were conducted on four types of 3D-printed resin specimens. The specimens, with a thickness of 100 μm each, were printed using a 3D printer. Subsequently, light polymerization was performed on these specimens for 15 min. Post this surface treatment, the specimens underwent grinding for 25 min. This process was followed by gloss polishing at 5-min intervals for up to 25 min using automatic dental barrel finishing. The specimens were photographed using a 3D optical microscope, and their surface roughness and grinding angle were measured.
Results: The Ra (centerline average roughness) values of all the specimens, except for crown & bridge 10 group and those in the control group that were not polished using automatic barrel finishing, were <0.2 μm. However, polishing time needs to be controlled to realize the desired surface roughness and grinding amount considering the hardness of the resin used.
Conclusion: Gloss polishing of 3D-printed resin can be realized using automatic dental barrel finishing. However, polishing time needs to be controlled to realize the desired surface roughness and grinding amount considering the hardness of the resin used.

Keywords: Barrel finishing, Gloss polishing, Surface roughness, Three-dimensional printed resin

INTRODUCTION

치과 보철물의 제작방법이 캐드캠(CAD/CAM, computer-aided design/computer-aided manufacturing) 시스템으로 보편화되고 있다[1]. 치과용 캐드캠 시스템을 이용한 보철물의 가공방식은 적층가공(additive manufacturing)과 절삭가공(subtractive manufacturing)으로 분류되며, 3D (three-dimensional) 프린팅은 적층가공에 포함된다[2]. 3D 프린팅은 스캔이나 모델링 된 형상을 원하는 적층 두께만큼 분할한 횡단면 데이터를 이용하여 선택된 소재를 한 층씩 쌓아 3D 형상을 제작하는 기술로[3], 축에 대한 한계가 없어 다양하고 복잡한 형태를 소량의 재료 소모로 제작 가능한 장점이 있다[4].

치과용으로 사용되고 있는 3D 프린터는 광경화 레진, 금속, 세라믹 등 다양한 소재를 출력할 수 있다[5]. 광중합 기술을 기반으로 하여 감광성 액체 레진을 소재로 하는 3D 프린터는 패턴 형성 원리와 제어 시스템에 따라 DLP (digital light processing), stereolithography, multi-jet printing, LCD (liquid crystal display) 등으로 다양하게 개발되었다[6]. 최근에는 액정 디스플레이가 이미징 시스템으로 사용되어 해상도가 높고 저렴한 비용의 장점을 가지는 LCD 방식이 치과 분야에 응용되어 치과보철물의 제작에 활용되고 있다[7]. 3D 프린터를 이용하여 출력된 치과용 광경화 레진은 임시치아, 교정장치, 의치상 등의 제작에 활용되고 있으며, 그 외에도 다양한 용도로 레진 상품이 개발되어 적용 범위가 더욱 넓어지고 있다[8].

레진 치과보철물은 3D 프린터로 출력되어 제작 과정이 단순화되고 가공시간이 단축되어 생산성을 높일 수 있는 환경으로 변화하고 있다[9]. 그러나 레진 보철물의 연마 과정은 많은 시간과 노동력이 필요하여 대량 생산이 불가능한 단점이 있으며, 술자에 따라 다르게 적용되는 연마 과정으로 품질의 균일성이 떨어지는 문제가 발생한다[10]. 레진 보철물은 연마과정을 마치면 표면이 매끄럽고 높은 광택도를 보이지만, 광택단계를 생략한 마무리 방법으로 연마된 레진의 표면거칠기는 Bollen 등[11]이 제시하는 생물학적 표면거칠기인 0.2 μm에 미치지 못하는 것으로 나타났다[12]. 이에 자동바렐연마기를 대체 기술로 제안하여 연마된 치과보철물의 균일성과 안정성을 높이기 위한 방법으로 적용하고자 하였으며[13], 바렐연마(barrel finishing)공정을 표준화하기 위한 다양한 연구가 이어지고 있다[9,14,15].

바렐연마는 소재의 연마에 적절한 연마재(media), 물, 컴파운드(compound)의 비율을 맞추어 연마조(barrel) 내에 가공품과 함께 혼합하여 연마하는 가공법이다. Barrel의 회전 시 발생하는 원심력, 연마석과 가공품의 낙차를 일으키는 중력, 그리고 회전하는 동안 발생하는 마찰력과 같은 힘의 상대 운동력 차이로 표면거칠기가 향상된다[16]. 선행연구에서 Jung [14]과 Ko 등[15]은 자동바렐연마기를 이용한 레진과 금속의 연마 시 연마시간과 표면거칠기의 상관관계를 확인하고, 연마시간의 제한이 필요함을 보고하였다. 또한 Singh과 Singh [17]은 바렐연마 시 연마시간이 20분에서 40분으로 길어질 경우 가공체의 삭제량이 증가한다고 보고하여 연마시간과 가공도의 상관관계를 확인하였다.

Jung [14]은 자동바렐연마기를 이용한 연마를 시행하였을 때 표면거칠기가 0.2 μm보다 낮은 값을 확인하여 레진 연마의 적용가능성이 높음을 보고하였다. 그러나 선행연구에서는 연삭연마 단계만 시행되어 연마공정에 한계가 있으므로 자동바렐연마기를 레진의 연마에 적용하기 위해서는 최종 마무리 단계인 광택연마가 시행된 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 그리고 추가된 연마공정에 의해 길어진 연마시간과 가공도의 상관관계 확인이 필요할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 바렐연마 공정에 따른 표면 특성 및 연마각의 변화를 관찰하여 레진 가공체의 최종 연마공정 선택을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

MATERIALS AND METHODS

1. 실험 재료

본 연구에서는 3D 프린터로 출력된 치과용 레진의 자동바렐연마공정에 따른 표면특성 및 연마를 관찰하기 위해 다음과 같은 실험장비와 소재를 사용하였다. 시편은 레진 3D 프린터(SLASH 2; UNIZ)를 사용하여 제작하였으며, 시편 제작에 사용된 3D 프린팅 레진은 의치상용 레진 1종(Tera Harz THD P-1000; Graphy), 투명교정장치(clear aligner)용 레진 1종(Tera Harz TC-85DAC; Graphy), 관교의치용 레진 1종(Tera Harz TC-80DP; Graphy), 플렉시블 덴쳐용 레진 1종(Tera Harz TFDH; Graphy)이다(Table 1). 그리고 시편의 연마공정에는 치과용 자동바렐연마기(Snow barrel; DK Mungyo)를 사용하였다.

Table 1 . Information about 3D printed resin used in study.

MethodApplicationGroupProduct nameManufacturerShore hardness (D)
LCD 3D printingDenture baseDBTera Harz THDGraphy≥85
Clear alignerCATera Harz TC-85DAC≥85
Crown & bridgeCBTera Harz TC-80DP≥90
Flexible dentureFDTera Harz TFDH≥80

LCD: liquid crystal display, 3D: three-dimensional..



2. 시편 제작

시편은 CAD 프로그램(Creo 4.0; PTC)을 이용하여 설계하였고, 판형태로 10 mm×10 mm×5 mm 크기로 제작하였다(Fig. 1A). 설계된 시편은 슬라이싱 소프트웨어(UNIZ Dental; UNIZ)를 이용하여 출력 레이어를 100 μm로 설정하고, 지지대의 두께는 1 mm, 간격은 2 mm로 설정하여 바닥면에 부착하였다(Fig. 1B). 치과용 3D 프린터(SLASH 2)를 이용하여 시편을 출력하고, 출력된 가공체는 광중합기(Tera Harz Cure; Graphy)를 이용하여 15분 동안 광중합한 후 지지대를 제거하였다. 각 그룹당 시편은 10개씩 제작하였다.

Figure 1. Specimens of study. (A) Shape of specimens, (B) formation of specimen supports.

준비된 시편은 #400~#800 grit의 SiC 연마지(Silicone Carbide Grinding Paper; Struers)를 이용하여 습식으로 경면연마를 시행하고, 스팀클리너를 이용하여 세척한 후 건조하였다. SiC 연마지를 이용하여 표면연마된 시편을 대조군으로 분류하였다. 그리고 이를 제외한 모든 시편은 치과용 자동바렐연마기(Fig. 2A)를 450 rpm의 회전속도로 설정한 후 연삭용 연마재(Fig. 2B) 150 g, 물 100 g, 컴파운드(compound) 5 g의 비율로 barrel에 넣고 25분간 연삭연마하였다. 그 후 광택용 연마재(Fig. 2C), 물, 컴파운드를 연삭연마 단계와 동일한 비율로 혼합하여 시편과 함께 barrel에 넣고 5분 간격으로 25분간 광택연마하였다. 연마 후 초음파 세척기를 이용하여 5분간 세척하고 스팀클리너로 세척한 후 건조하였다. 레진의 종류에 따라 표면연마된 시편군을 대조군, 연삭연마만 시행된 시편군을 ‘0’ 그룹, 광택연마가 시행된 시편군을 연마시간에 따라 ‘5’, ‘10’, ‘15’, ‘20’, ‘25’ 그룹으로 나누어 Table 2와 같이 분류하였다.

Table 2 . Classification of specimens according to procedure time.

CodeProcedure time (min)Number


DBCACBFDGrindingGloss polishing
DBCCACCBCFDC0010
DB0CA0CB0FD0250
DB5CA5CB5FD55
DB10CA10CB10FD1010
DB15CA15CB15FD1515
DB20CA20CB20FD2020
DB25CA25CB25FD2525

C: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..



Figure 2. Media used in barrel finishing machine. (A) Barrel finishing machine, (B) grinding media, (C) gloss polishing media.

3. 표면형상 관찰 및 표면거칠기 측정 실험

표면형상을 관찰하고 표면거칠기를 측정하기 위해 3D 광학실체현미경(RH-2000; Hirox Korea)으로 광택연마된 4종 레진 시편의 표면을 2,500 배율로 촬영하였다. 획득된 3D 이미지를 이용하여 표면형상을 관찰하고, 표면거칠기를 나타내는 Ra (centerline average roughness) 값은 시편의 정중앙이 촬영된 3D 이미지를 이용하여 4개의 방향에서 값을 측정하고 평균값을 산출하였다. 컷 오프(cut off) 값은 0.08 μm로 설정하였다.

4. 연마각 관찰 실험

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 광택연마된 4종 레진 시편의 연마각을 관찰하기 위하여 시편의 모서리를 3D 광학실체현미경으로 촬영하고(x35), 획득된 2차원 이미지를 이용하여 시편의 연마공정에 따른 각의 변화를 관찰하였다. 시편의 모서리에 형성되는 원호와 만곡도가 동일한 원을 그린 후, 원의 중심과 원호의 양 끝점을 연결하여 만들어지는 각을 측정하였다(Fig. 3).

Figure 3. Grinding angle measurement.

5. 통계 분석

본 연구 결과 얻어진 데이터는 정규성 검정을 실시하여 정규성을 충족하였다. 각 그룹에서 측정된 표면거칠기와 연마각의 데이터가 통계적으로 유의한 차이가 있는지 검증을 하기 위해 IBM SPSS Statistics ver. 28.0 (IBM)을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 시행하였다. 그리고 사후검정을 위해 95% 유의 수준에서 Tukey’s honestly significant difference 분석을 실시하였다.

RESULTS

1. 표면형상 관찰 및 표면거칠기 측정 실험

자동바렐연마기에서 연마된 4종 레진 시편의 표면형상을 3D 광학실체현미경(RH-2000)으로 촬영하여 3D 표면형상 이미지를 획득하였다. 표면거칠기를 나타내는 Ra 값은 모든 그룹에서 대조군 시편인 denture base control (DBC) 0.74±0.15 μm, clear aligner control (CAC) 0.52±0.08 μm, crown & bridge control (CBC) 0.46±0.11 μm, flexible denture control (FDC) 0.86±0.09 μm가 가장 높게 측정되었고, 각 그룹에서 Ra 값이 가장 낮게 측정된 시편은 DB15 0.12±0.05 μm, CA10 0.09±0.01 μm, CB15 0.13±0.03 μm, FD10 0.13±0.02 μm로 나타났다(Table 3, Fig. 4). 연삭연마와 광택연마를 시행한 각 그룹내의 시편 중 CB10 시편군을 제외한 모든 시편이 0.2 μm 이하의 Ra 값을 나타내었다. 따라서 표면형상 관찰 비교는 대조군, 연삭연마(광택연마 전) 시편군, 광택연마 시편군 내에서 가장 낮은 Ra 값을 나타내는 DB15, CA10, CB15, FD10 시편의 이미지로 이루어졌다(Fig. 5).

Table 3 . Mean and standard deviation of surface roughness (n=10) (unit: μm).

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON0.74±0.15b0.52±0.08e0.46±0.11h0.86±0.09j
00.14±0.03a0.18±0.04d0.14±0.03f0.15±0.05i
50.15±0.06a0.13±0.02c0.15±0.04fg0.15±0.03i
100.20±0.01a0.09±0.01cd0.21±0.01g0.13±0.02i
150.12±0.05a0.15±0.04d0.13±0.03fg0.14±0.02i
200.20±0.03a0.17±0.04d0.14±0.06fg0.14±0.03i
250.17±0.05a0.13±0.03cd0.17±0.02fg0.13±0.03i
p-value*0.001*0.001*0.001*0.001*

Values are presented as mean±standard deviation..

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..

a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. c,d,eLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. f,g,hLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. i,jLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group..

*p<0.05..



Figure 4. Surface roughness of specimens. Ra: centerline average roughness. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

Figure 5. Surface topography of specimens. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x2,500). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

2. 연마도 관찰 실험

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 광택연마된 4종 시편의 연마도를 관찰하기 위하여 광학실체현미경을 이용하여 연마된 시편의 각을 측정하고, 연마공정에 따른 각의 변화를 관찰하였다. 대조군 시편의 모서리 각도는 모두 90°로 측정되었으며, 연마공정이 시행된 모든 시편에서 연마가 나타났다. 연마시간이 증가할수록 연마로 인해 나타나는 원호에 맞추어 그린 원의 반경은 커지고, 원호의 양 끝점과 원의 중심을 연결해서 만들어지는 연마각의 크기는 감소하는 것으로 나타났다(Table 4, Fig. 6, 7).

Table 4 . Mean and standard deviation of grinding angle (n=10) (Unit: °).

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON90.46±0.27g90.40±0.29n90.45±0.36p90.45±0.26w
086.30±0.56f86.82±0.51m87.05±0.59p86.90±0.40v
584.40±0.67e84.04±0.63l85.84±0.30p84.06±0.56u
1082.14±0.51d83.25±0.32k84.50±0.34op81.55±0.64t
1579.11±0.55c82.06±0.58j83.27±0.39op78.94±0.61s
2077.10±0.64b80.25±0.48i81.55±0.31op77.24±0.36r
2575.06±0.43a76.53±0.42h80.32±0.48o74.15±0.47q
p-value*0.001*0.001*0.0040.001*

Values are presented as mean±standard deviation..

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..

a,b,c,d,e,f,gLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. h,i,j,k,l,m,nLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. o,pLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. q,r,s,t,u,v,wLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group..

*p<0.05..



Figure 6. Variation of grinding angle according to polishing time. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

Figure 7. Grinding angle measurement. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x35). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.

3. 통계 분석

표면거칠기와 연마각의 측정결과를 각 시편군별로 one-way ANOVA와 사후 검증으로 분석하였다. 표면거칠기의 일원배치 분산분석 결과 DB 시편군, CA 시편군, CB 시편군, FD 시편군 모두 시편군 간에 유의차가 나타났다(p<0.05). 그리고 사후검정 결과 DB 시편군, CA 시편군, CB 시편군, FD 시편군 모두 대조군과 모든 시편 사이에 유의차가 나타났다.

연마각의 일원배치 분산분석 결과 DB 시편군, CA 시편군, FD 시편군에서는 시편군 간에 유의차가 나타났으며(p<0.05), CB 시편군에서는 유의차가 나타나지 않았다(p<0.05). 그리고 사후검정 결과 DB 시편군, CA 시편군, FD 시편군에서는 대조군과 모든 시편 사이에 유의차가 나타났고, CB 시편군에서는 대조군과 CA 25 시편 사이에만 유의차가 나타났다.

DISCUSSION

본 연구에서는 치과용 자동바렐연마기를 이용한 3D 프린팅용 레진의 연마 공정에 따른 변화를 확인하고, 현재 상용화된 다양한 용도의 치과용 3D 프린팅 레진을 선택하여 자동바렐연마기를 이용한 광택연마의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 시편 제작에 사용된 4종의 레진은 종류에 따라 보철물의 제작 용도가 다르고, 경도의 차이가 있어 그에 따른 표면거칠기나 가공도의 상관관계를 확인하고자 하였다.

바렐연마 시 발생하는 마찰열에 의한 레진 시편의 변형이 없도록 시편의 두께를 5 mm로 설계하였다. 그리고 본 실험은 표면이 동일하게 연마된 시편의 바렐연마 후 표면거칠기와 모서리 각도의 변화를 관찰하는 실험으로 출력각도를 90°로 설정하고 적층 간격을 100 μm로 설정하여 출력하였다.

Jung 등[18]의 연구에서는 출력된 시편의 지지대를 제거한 후 표면의 전처리 없이 바렐연마하여 표면거칠기를 측정하였으나, 본 연구에서는 바렐연마를 시행하기 전에 SiC 연마지를 이용하여 경면연마한 시편을 대조군으로 선정함으로써 균일한 표면과 각도가 형성된 상태에서 실험하여 비교함으로써 실험결과의 오차를 줄이고자 하였다.

본 연구에서는 비접촉식 3D 광학현미경을 사용하여 표면거칠기를 측정하였다. 접촉식 표면형상 측정기는 측정 대상에 직접 접촉하여 신뢰성이 높으나 촉침이 갖는 선단의 특성에 따라 촉침과 시료면의 접촉에 의한 정보 손실이 발생하고 결과적으로 측정오차가 존재하게 된다[19]. 그에 반해 비접촉식 표면형상 측정은 면과 선의 고속스캔으로 측정속도가 빠르고 레이저의 직경이 매우 작아 요철이 심한 부드러운 대상 물체도 손상없이 측정이 가능한 장점이 있어[19] 실험장비로 선택하였다.

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 연마된 시편의 표면거칠기를 측정하였을 때 Ra 값은 대조군에서 가장 높게 측정되었고, 연삭연마와 광택연마를 시행한 모든 시편 중 CB10 시편군을 제외한 나머지 시편 모두 0.2 μm보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 Bollen 등[11]이 제시한 생물학적 표면거칠기에 부합하는 것으로 4종의 레진 모두 자동바렐연마기를 이용한 연삭연마와 광택연마의 적용이 가능할 것으로 보인다.

Won 등[20]은 바렐연마시 가공시간이 증가하면 연마재에 의해 긁힘 현상이 발생하여 연마된 표면의 거칠기가 크게 감소하지 않고 일정해진다고 보고하였고, Lee [16]와 Jung 등[18]은 가공재의 소재에 따라 연마시간의 제한이 필요하다고 보고하였다. 본 연구에서는 25분간 연삭연마 후 광택연마를 시행하였고, 광택연마 공정에서 DB 군과 CD 군은 10분 후, CA 군과 FD 군은 15분 후에 가장 낮은 Ra 값을 나타내었다. 그러나 광택연마가 계속되어도 표면의 Ra 값은 확연히 개선된 결과를 보이지 않았고, 0.2 μm 이하의 값으로 증가와 감소를 반복하여 선행연구와 일치하는 결과를 나타냈다.

본 연구에서 4종 시편의 표면형상 이미지를 관찰했을 때, 4종 시편 모두 대조군이 가장 거친 형태를 나타내는 것으로 관찰되었고, 다른 시편군의 이미지와 비교했을 때 고도차가 높은 것을 확인할 수 있었다. 바렐연마 후 대조군 외 대부분의 시편군이 0.2 μm 이하의 Ra 값이 측정되었으나 광택연마를 시행하지 않은 0분 그룹과 광택연마를 시행하여 가장 낮은 Ra 값이 측정된 시편의 이미지를 비교했을 때 광택연마가 시행된 시편이 더 평탄하고 깨끗한 표면을 갖는 것으로 관찰되어 바렐연마 시 연삭연마 후 광택연마 공정을 시행했을 때 더 나은 결과물을 얻을 수 있을 것으로 보인다. 그러나 광택연마를 시행한 그룹 내에서 DB10과 DB15의 Ra 값의 차이는 0.08 μm로 높은 차이를 보였으나 시편의 표면형상을 비교했을 때 두 시편군 모두 평탄한 표면을 가지며 충분히 연마된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 값의 차이는 Won 등[20]의 보고와 같이 가공시간의 증가에 따라 연마재의 긁힘 현상이 발생하였고 그에 따라 Ra 값이 높게 측정된 것으로 보인다.

사용된 시편 재료의 제조사에 따르면 실험에 사용된 4종 레진의 쇼어 경도(Shore hardness, D)는 DB 군 85 Sh D, CA 군 85 Sh D, CB 군 90 Sh D, FD 군 80 Sh D로 CB 군이 가장 높고, FD 군이 가장 낮다. 경면연마 후 측정된 대조군 시편의 Ra 값은 CB 군 0.46±0.11 μm, DB 군 0.74±0.15 μm, CA 군 0.52±0.08 μm, FD 군 0.86±0.09 μm으로 경도가 낮을수록 표면이 더 많이 거칠어지는 결과를 나타내거나 레진의 표면이 연마재에 의해 짓눌리는 현상이 발생할 수 있으므로 연마재의 선택 시 경도를 고려해야 할 것 이다.

연마도를 관찰했을 때 연마시간이 길어질수록 모서리 원호의 만곡도가 줄어들고, 원의 반경은 크게 그려진다. 그로 인해 원의 중심과 원호가 이루는 연마각은 감소하고 연마도가 증가한 것으로 관찰되며 불필요한 연마가 계속해서 일어나게 된다. 최종 연마 후 측정된 연마각은 CB 군이 80.32°±0.48°로 가장 높게 측정되었고, FD 군(74.15°±0.47°)이 가장 낮게 측정되어 경도가 높을수록 연마량이 적은 것을 확인하였다. 바렐을 이용한 레진의 광택연마 시 연마시간이 길어질 경우 불필요한 연마량이 증가되고 연마석에 의해 다시 표면거칠기가 거칠어져 개선효과가 미흡하다. 따라서 연삭연마 공정에서 표면 조도가 개선된 후에 시행되는 광택연마 공정에서 적절한 양의 연마를 위해서는 소재의 경도에 따라 연마시간을 제한해야 할 것이다.

본 연구에서 표면거칠기와 연마각의 측정 내용을 각 시편군별로 one-way ANOVA 시행한 결과 모든 시편군 간에 유의차가 나타났으나(p<0.05), 연마각의 one-way ANOVA 결과에서 CB 시편군 내의 유의차가 나타나지 않았다(p>0.05). CB 시편군의 경우 나머지 시편보다 D의 값이 크고 연마정도가 다른 시편에 비해 작아 시편군 간에 값의 차이가 크지 않아서 유의차가 나타나지 않은 것으로 생각한다. 따라서 시편군 간의 정확한 연마도의 차이를 확인하기 위해서는 무게의 측정 등과 같은 추가 실험을 진행하여 연마도를 확인하는 연구가 필요할 것으로 보인다.

본 연구에서는 자동바렐연마기를 이용한 광택연마공정 시 시간의 변화에 따른 표면거칠기 및 연마각의 변화를 관찰하여 적용가능성을 확인하였으나, 가공체의 소재에 따른 연마재의 크기와 종류, 연마재의 장입량과 혼합비율 등의 다양한 연마 조건이 가공체의 결과물에 영향을 미치게 되므로 적절한 연마 공정 선택을 위한 연구가 계속 이어져야 할 것이다.

CONCLUSIONS

3D 프린터로 출력된 치과용 광중합 레진 자동바렐연마공정에 따른 표면거칠기와 연마도를 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

치과용 자동바렐연마기를 이용하여 3D 프린터로 출력된 치과용 광중합 레진의 광택연마를 시행할 수 있으며, 사용되는 레진의 경도에 따라 표면거칠기와 연마량이 달라지므로 연마시간의 제한이 필요하다.

ACKNOWLEDGEMENTS

None.

FUNDING

This paper was supported by RESEARCH FUND offered from Catholic University of Pusan in 2022.

CONFLICT OF INTEREST

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Fig 1.

Figure 1.Specimens of study. (A) Shape of specimens, (B) formation of specimen supports.
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Fig 2.

Figure 2.Media used in barrel finishing machine. (A) Barrel finishing machine, (B) grinding media, (C) gloss polishing media.
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Fig 3.

Figure 3.Grinding angle measurement.
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Fig 4.

Figure 4.Surface roughness of specimens. Ra: centerline average roughness. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.
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Fig 5.

Figure 5.Surface topography of specimens. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x2,500). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.
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Fig 6.

Figure 6.Variation of grinding angle according to polishing time. DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.
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Fig 7.

Figure 7.Grinding angle measurement. (A) DB group, (B) CA group, (C) CB group, (D) FD group (x35). DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture.
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Table 1 . Information about 3D printed resin used in study.

MethodApplicationGroupProduct nameManufacturerShore hardness (D)
LCD 3D printingDenture baseDBTera Harz THDGraphy≥85
Clear alignerCATera Harz TC-85DAC≥85
Crown & bridgeCBTera Harz TC-80DP≥90
Flexible dentureFDTera Harz TFDH≥80

LCD: liquid crystal display, 3D: three-dimensional..


Table 2 . Classification of specimens according to procedure time.

CodeProcedure time (min)Number


DBCACBFDGrindingGloss polishing
DBCCACCBCFDC0010
DB0CA0CB0FD0250
DB5CA5CB5FD55
DB10CA10CB10FD1010
DB15CA15CB15FD1515
DB20CA20CB20FD2020
DB25CA25CB25FD2525

C: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..


Table 3 . Mean and standard deviation of surface roughness (n=10) (unit: μm).

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON0.74±0.15b0.52±0.08e0.46±0.11h0.86±0.09j
00.14±0.03a0.18±0.04d0.14±0.03f0.15±0.05i
50.15±0.06a0.13±0.02c0.15±0.04fg0.15±0.03i
100.20±0.01a0.09±0.01cd0.21±0.01g0.13±0.02i
150.12±0.05a0.15±0.04d0.13±0.03fg0.14±0.02i
200.20±0.03a0.17±0.04d0.14±0.06fg0.14±0.03i
250.17±0.05a0.13±0.03cd0.17±0.02fg0.13±0.03i
p-value*0.001*0.001*0.001*0.001*

Values are presented as mean±standard deviation..

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..

a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. c,d,eLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. f,g,hLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. i,jLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group..

*p<0.05..


Table 4 . Mean and standard deviation of grinding angle (n=10) (Unit: °).

Polishing time
(min)
Group

DBCACBFD
CON90.46±0.27g90.40±0.29n90.45±0.36p90.45±0.26w
086.30±0.56f86.82±0.51m87.05±0.59p86.90±0.40v
584.40±0.67e84.04±0.63l85.84±0.30p84.06±0.56u
1082.14±0.51d83.25±0.32k84.50±0.34op81.55±0.64t
1579.11±0.55c82.06±0.58j83.27±0.39op78.94±0.61s
2077.10±0.64b80.25±0.48i81.55±0.31op77.24±0.36r
2575.06±0.43a76.53±0.42h80.32±0.48o74.15±0.47q
p-value*0.001*0.001*0.0040.001*

Values are presented as mean±standard deviation..

CON: control, DB: denture base, CA: clear aligner, CB: crown & bridge, FD: flexible denture..

a,b,c,d,e,f,gLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of DB group. h,i,j,k,l,m,nLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CA group. o,pLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of CB group. q,r,s,t,u,v,wLetters indicate statistical significance (p<0.05) by Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05) of FD group..

*p<0.05..


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Journal of Technologic Dentistry

eISSN 2288-5218
pISSN 1229-3954
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