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Journal of Technologic Dentistry 2022; 44(2): 31-37

Published online June 30, 2022

https://doi.org/10.14347/jtd.2022.44.2.31

© Korean Academy of Dental Technology

DLP 방식의 3D 프린터로 제작된 임시 보철물의 변연 및 내면 정확도 평가

노미준1,2, 이하빈1,2, 김지환1,2

1고려대학교 대학원 보건과학과 치의기공학전공, 2고려대학교 4단계 BK21 러닝헬스시스템융합사업단

Received: February 11, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: April 11, 2022

Evaluation of marginal and internal accuracy of provisional crowns manufactured using digital light processing three-dimensional printer

Mi-Jun Noh1,2 , Ha-Bin Lee1,2 , Ji-Hwan Kim1,2

1Department of Dental Laboratory Science and Engineering, Graduate School, Korea University, Seoul, Korea
2BK21FOUR R&E Center for Learning Health Systems, Korea University, Seoul, Korea

Correspondence to :
Ji-Hwan Kim
Department of Dental Laboratory Science and Engineering, Graduate School, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Korea
E-mail: kjh2804@korea.ac.kr
https://orcid.org/0000-0003-3889-2289

Received: February 11, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: April 11, 2022

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

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Purpose: The aim of this study was to evaluate the accuracy of provisional crowns manufactured using a milling machine and a digital light processing (DLP) printer.
Methods: A full-contour crown was designed using computer-aided design software. Provisional crowns of this design were manufactured using a milling machine and using a DLP three-dimensional (3D) printer (N=20). The provisional crowns were digitized with an extraoral scanner, and 3D deviation analysis was applied to the scanned data to confirm their accuracy. An independent t-test was performed to detect the significant differences, and the Kolmogorov-Smirnov test was used for analysis (α=0.05).
Results: No significant differences were found among the precision of marginal surface between the printed and milled crowns (p=0.181). The trueness of marginal and internal surfaces of the milled crowns were statistically higher than those of the printed crowns (p=0.024, p=0.001; respectively).
Conclusion: The accuracy of provisional crowns manufactured using a milling machine and a 3D printer differed significantly except with regards to the precision of the internal surface. However, all the crowns were clinically acceptable, regardless of the manufacturing method used.

Keywords: Accuracy, Computer-aided design, Computer-aided manufacturing, Digital light processing, Provisional crown, Three-dimensional printer

INTRODUCTION

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임시 보철물은 구강 내에서 저작, 발음, 심미 등의 필수적인 기능들을 수행한다. 지대치에 발생할 수 있는 화학적 자극, 온도 변화, 지대치 마모와 플라크(plaque)의 축적을 방지하고 세균의 침투를 최소화하는 역할을 한다[1,2]. 또한 인접치나 대합치와의 공간을 유지시켜 치수 조직과 치아를 보호한다[3].

최근, 디지털 치과 분야에서는 컴퓨터를 이용한 설계 및 생산을 의미하는 CAD/CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) 시스템을 도입하여 절삭 가공 방식과 적층 가공 방식으로 여러 종류의 보철물을 제작하고 있다[4-6]. 또한 Three-dimensional (3D) 프린터를 이용한 적층 가공 방식으로 치아 모형, 임시 보철물, 수술 가이드, 스플린트 등을 활발하게 제작하고 있다[7-12]. 그 중, 임시 보철물 제작에 사용되고 있는 적층 가공 방식은 stereolithography (SLA)와 digital light processing (DLP), liquid crystal display (LCD) 등이 있다[13,14]. SLA 방식은 광중합 개시제가 포함된 광경화성 액상 레진이 담긴 수조 안에서 한 층마다 선(line) 단위로 ultraviolet (UV) light를 조사하여 적층하는 방식이다[15]. DLP 방식은 광경화성 액상 레진을 사용하여 빔 프로젝터를 통해 면(surface) 단위로 UV light를 한 층씩 조사하며 출력물을 제조한다[16]. LCD 방식은 liquid crystal을 사용하여 스크린에 전체적으로 광원을 조사하고 출력하고자 하는 면을 제외한 부분을 마스킹하여 빛을 차단하여 적층 제조한다[17].

기존의 절삭 가공 방식에 비해서 남은 재료를 재사용할 수 있고 제작 속도가 월등히 빠르기 때문에 3D 프린터의 사용이 계속적으로 증가하고 있다[18]. 그리고 그 쓰임이 증가함에 따라 새로운 3D 프린터 장비와 재료가 지속적으로 출시되고 있다[19,20]. 이러한 현황에 맞추어 3D 프린터가 기존의 밀링 방식과 비교하여 대체가능한 수준인지, 얼마나 정확한지에 대한 평가 연구가 요구된다[21,22].

CAM 시스템으로 가공하는 보철물 제작 과정에서 오차가 발생하게 되면, CAD 프로그램에서 보철물 내면 및 변연의 ‘술자가 의도한 일정 공간의 시멘트(cement) 공극’과 ‘제작된 보철물의 시멘트 공극’이 달라지게 된다[23,24]. 따라서 가공 정확도가 높다면 술자가 CAD 프로그램에서 설정한 시멘트 공극이 일정한 수치로 제작되어 보철물 적합 시 문제가 발생하지 않고, 정확도가 낮다면 이 시멘트 공극이 불균일하기 때문에 적합에 악영향을 끼칠 우려가 있다[25]. 본 연구는 임시 보철물의 변연 및 내면에 대한 3D 중첩 평가 방법을 사용하여 정확도를 평가하였다. ISO 5725-1에 따르면 정확도를 진실도(trueness)와 정밀도(precision)로 밝히고 있다[26]. 진실도는 기준 데이터와 스캔 데이터가 얼마나 근접한지에 대한 정도를 수치로 나타낸다. 정밀도는 제작된 보철물 간의 스캔 데이터가 얼마나 유사한지 알아보기 위해서 스캔 데이터끼리 중첩을 진행하여 오차를 분석한다.

본 연구에서는 DLP 방식의 3D 프린터가 기존의 밀링 장비를 대체할 수 있는 수준의 정확도를 만족하는지 알아보기 위하여 임시 보철물의 내면 및 변연의 정확도 평가 연구를 진행하였다.

MATERIALS AND METHODS

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본 연구는 Fig. 1과 같은 과정으로 진행되었다.

Fig. 1.Digital workflow.

1. 실험 재료 및 시편 제작

임시 보철물을 제작하기 위한 주 모형으로 상악 우측 제1대구치가 프랩된 치아 모형(D85DP-500B.1; Nissin Dental, Kyoto, Japan)을 사용하였다(Fig. 2).

Fig. 2.A typodont model of maxillary right first molar.

치아 모형(D85DP-500B.1)을 모델 스캐너(Identica Blue; MEDIT, Seoul, Korea)로 스캔하여 3D 형상 데이터를 획득하였다. 이를 사용하여 CAD software (3Shape Dental System; 3Shape, Copenhagen, Denmark)에서 임시 보철물을 디자인하였다. 디자인 파일을 STL 형태로 저장한 뒤, 각각의 가공 방식에 따라 임시 보철물을 제작하였다. 밀링 장비(K5+; Vhf, Ammerbuch, Germany)와 polymethyl methacrylate (PMMA) block (PMMA Disc Block; Huge Dental, Rizhao, China)을 이용한 10개의 시편, 3D 프린터(Asiga Max; Asiga, Alexandria, Australia)와 liquid type resin (Labotech; Hanjin Dental, Seoul, Korea)을 사용한 10개의 시편, 총 20개의 시편을 제작하였다. 밀링 장비를 사용한 시편의 그룹을 milled crown (ML)군, 3D 프린터를 사용한 시편의 그룹을 printed crown (PR)군으로 명명하였다.

2. 3D 중첩 평가

3D 분석을 위하여 시편의 내면을 모델 스캐너(Identica Blue)로 스캔하여 총 20개의 스캔 데이터를 획득하였다. 스캔 데이터는 STL 형태로 저장하였고, 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 보철물의 내면과 변연의 진실도(trueness)와 정밀도(precision)를 비교 평가하기 위하여 3D 평가 프로그램(Geomagic Verify 2015; Geomagic, Morrisville, NC, USA)을 이용하였다. 정확한 중첩을 위해 내면과 변연을 제외한 불필요한 부분을 삭제하고 내면과 변연으로 나누어 저장하였다.

진실도 평가를 위하여 참조 데이터에는 레퍼런스 데이터를 참조값으로 가져오고 측정 데이터에는 각 그룹의 임시 보철물의 스캔 데이터를 가져왔다. 정밀도 평가를 위하여 참조 데이터와 측정 데이터에 각 그룹의 임시 보철물의 스캔 데이터를 가져왔다. 레퍼런스 데이터와 임시 보철물의 스캔 데이터는 자동 정렬하고 ‘Best fit alignment’로 최적화 정렬하여 모든 시편의 편차를 root mean square (RMS) 값으로 계산하였다[27]. 최대 및 최소 편차 값은 ±50 μm로 설정하였고 공차 범위는 ±10 μm로 설정하였다. 3D 편차는 color-difference map으로 나타내었다[28].

3. 통계 분석

정량 분석을 위한 모든 RMS 값은 SPSS statistical software (IBM SPSS ver. 22.0; IBM, Armonk, NY, USA)를 사용하여 계산되었다. RMS는 두 데이터 간의 편차가 0에서 얼마나 떨어져 있는지의 정도를 나타내고 낮은 RMS 값은 중첩된 데이터의 정확도가 높다는 것을 의미한다[29]. 측정된 데이터의 정규성 검정을 위하여 Kolmogorov-Smirnov를 시행하였고 정규성을 충족하여 모수적인 통계 방법을 사용하였다. 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 수복물의 내면 및 변연의 진실도와 정밀도의 통계 분석을 위하여 독립표본 t 검정(independent t-test)을 시행하였고 통계적 유의수준은 0.05로 설정하였다(α=0.05).

RESULTS

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밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 수복물의 내면 및 변연의 진실도와 정밀도의 평균과 표준편차를 구하였다(Table 1, 2).

Table 1 . Trueness based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm)

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML31.04±3.69–0.4800.02425.82±3.29–3.8970.001
PR35.91±5.0133.83±5.60

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group.

Table 2 . Precision based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm)

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML12.62±1.32–2.4850.02330.66±9.71–1.4370.181
PR16.05±3.6829.04±17.20

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group.

진실도의 경우, ML군의 내면 RMS 값의 평균은 31.04±3.69 µm이었고 PR군은 35.91±5.01 µm이었다. 두 그룹의 내면의 진실도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.024). ML군의 변연 RMS 값의 평균은 25.82±3.29 µm이었고 PR군의 변연 RMS 값의 평균은 33.83±5.60 µm이었다. 두 그룹의 변연의 진실도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.001).

정밀도의 경우, ML군의 내면 RMS 값의 평균은 12.62±1.32 µm이었고 PR군의 내면 RMS 값의 평균은 16.05±3.68 µm이었다. 두 그룹의 내면의 정밀도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.023). ML군의 변연 RMS 값의 평균은 30.66±9.71 µm이었고 PR군의 변연 RMS 값의 평균은 29.04±17.20 µm이었다. 두 그룹의 변연의 정밀도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p=0.181).

Fig. 3은 정성적 분석을 위해 두 그룹의 내면과 변연의 진실도를 color-difference map으로 나타낸 것이다. 양(+)의 편차는 빨간색으로 나타나고 음(–)의 편차는 파란색으로 나타나게 된다. 두 그룹의 진실도 3D 분석 결과, ML군 내면은 넓은 파란 부분이 관찰되며 음의 편차가 두드러지는 것을 볼 수 있다. 양의 편차인 빨간 부분이 내면의 외벽 부분에 나타났고 ML군의 변연에는 녹색이나 빨간 부분보다 파란 부분을 비교적 많이 관찰할 수 있었다. PR군의 내면은 밀링 장비로 제작된 임시 보철물보다 더 빨간색에 가깝고 넓은 범위의 양의 오차를 보였고 PR군의 변연은 ML군보다 넓은 범위의 음의 편차를 보였다.

Fig. 3.Color-difference maps for trueness analysis of internal and marginal discrepancies. (A) Milling, (B) printing.

Fig. 4는 두 그룹의 내면과 변연의 정밀도를 color-difference map으로 나타낸 것이다. ML군의 내면에서 3D 프린터로 제작한 보철물에 비해 넓은 범위의 우수한 정밀도를 나타내는 녹색 부분을 관찰할 수 있다. PR군의 내면은 녹색 부분이 존재하였지만 ML군에 비해 넓은 범위의 파란 부분을 관찰할 수 있다. 변연에서는 두 군 모두 녹색 부분이 주를 이루었다.

Fig. 4.Color-difference maps for precision analysis of internal and marginal discrepancies. (A) Milling, (B) printing.

DISCUSSION

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본 연구의 목적은 밀링 장비와 3D 프린터로 제작한 임시 보철물의 내면 및 변연의 정확도를 비교 평가하는 것이다. 디지털 기반 작업 방식으로 변화하고 있는 치과 분야의 추세에 따라 새로운 재료와 기계가 개발되고 있는 시점에서 3D 프린터를 사용하여 제작한 임시 보철물이 밀링 장비를 사용하여 제작한 임시 보철물을 대체할 수 있는지에 대한 평가 및 검증이 필요하다고 판단되어 3D 중첩 평가를 통해 밀링 장비(ML군)와 3D 프린터(PR군)로 제작한 임시 보철물의 정확도를 평가하였다.

그 결과, ML군의 내면과 변연이 PR군에 비해 진실도가 높았고 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.024, p=0.001). 정성적 지표인 color-difference map에서는 PR군의 내면과 변연 부분에서 ML군보다 넓은 범위의 양의 오차가 두드러진 것을 확인할 수 있다. 또한 ML군의 내면이 PR군보다 정밀도가 높아 통계적으로 유의한 차이가 발생하였으나(p=0.023), 변연의 경우는 두 군의 정밀도에 차이가 미세하여 통계적으로 유의한 차이가 발생하지 않았다(p=0.181). Color-difference map에서도 두 군 모두 녹색부분으로 매우 오차가 적은 것으로 분석되었다.

임시 보철물의 정확도를 평가한 선행연구를 살펴보면, Kang과 Lee [30]의 연구에서 임시 보철물의 협측 치경 1/3 부위에서 음의 오차를 살펴볼 수 있다고 보고되었다. 이는 임시 보철물의 변연 부분이 보철물의 다른 부분에 비해 상대적으로 얇아 광경화성 레진의 적층 가공 과정에서 일어나는 중합 수축에서 변수로 작용한 것으로 보이는데 본 연구에서도 PR군의 color-difference map에서 임시 보철물의 협설 측에서 음의 오차가 관찰되었다[31]. 또한 PR그룹의 내면 부위에서 양의 오차가 두드러지는 것을 확인할 수 있는데 이는 층층이 제작되는 가공 방식에 따른 특성에 따라 오차가 발생하는 것으로 보인다[32].

적층 가공 방식으로 제작한 보철물의 정확도는 다양한 요소들에 의해 영향을 받을 수 있다. 보철물 출력 후의 세척 단계나 curing 단계에서 변형이 일어날 수 있으며 광원을 사용하여 광경화성 레진을 중합시키기 때문에 3D 프린터의 빛의 양, 산란, 회절 현상과 사용하는 레이저의 속도와 적층 방향, 적층하는 층의 높이 등에 의해 오차가 발생할 수 있다[33]. 절삭가공의 경우 버를 사용하여 블록 형태의 재료를 절삭한다. 이미 중합이 되어있는 블록을 절삭하기 때문에 적층가공에 비해 경화 후 수축률이 낮고 광경화성 레진에 비해 높은 기계적 강도와 낮은 다공성을 지니는 장점이 있지만 절삭 가공 시 이용하는 버의 직경과 수, 밀링 기계의 축에 의해 오차가 발생할 가능성이 있다[34,35]. 본 연구에서는 앞서 언급한 전반적인 제작 과정 중에 발생할 수 있는 오차를 줄이고자 한 명의 숙련된 술자가 진행하였다.

본 연구는 다음과 같은 한계점이 존재한다. 시편의 개수가 많지 않고 적층 가공 방식 중 DLP 방식에 대한 평가만 진행하였으며 보철물의 정확도 평가 범위가 내면과 변연 부분으로 한정되어 있다는 것이다. 그러나 3D 프린터를 사용하여 제작한 임시 수복물의 정확도를 평가함으로써 기존의 밀링 방식과 비교하여 대체 가능한 수준의 정확도를 가지고 있는 것을 확인하였고, 정확도가 어느 수준인지 확인한 것에 의의가 있다. 그러므로 추후 연구에서는 다양한 적층 가공 방식의 3D 프린터를 활용하여 평가하고, 내면과 변연뿐만 아니라 그 외 평가 범위를 넓혀 전체적으로 측정하는 것이 필요하고 굴곡 강도나 파절 강도, 색 안정성 등 여러 평가가 요구된다[36-40].

CONCLUSIONS

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본 연구는 현재 임상에서 활발하게 사용하고 있는 밀링 장비와 DLP 방식의 3D 프린터로 제작한 임시 보철물의 내면과 변연의 정확도를 3D로 평가하였다. 3D 프린터보다 밀링 장비가 내면 및 변연에서 높은 가공 정확도(진실도, 정밀도)를 보였고 통계적으로 유의하였으나 변연의 정밀도에서만 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 따라서, 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 보철물은 내면 및 변연 모두 임상적으로 허용 가능한 범위의 정확도를 보여 임상에서의 사용에 무리가 없을 것으로 생각된다.

CONFLICT OF INTEREST

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

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Original Article

Journal of Technologic Dentistry 2022; 44(2): 31-37

Published online June 30, 2022 https://doi.org/10.14347/jtd.2022.44.2.31

Copyright © Korean Academy of Dental Technology.

DLP 방식의 3D 프린터로 제작된 임시 보철물의 변연 및 내면 정확도 평가

노미준1,2, 이하빈1,2, 김지환1,2

1고려대학교 대학원 보건과학과 치의기공학전공, 2고려대학교 4단계 BK21 러닝헬스시스템융합사업단

Received: February 11, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: April 11, 2022

Evaluation of marginal and internal accuracy of provisional crowns manufactured using digital light processing three-dimensional printer

Mi-Jun Noh1,2 , Ha-Bin Lee1,2 , Ji-Hwan Kim1,2

1Department of Dental Laboratory Science and Engineering, Graduate School, Korea University, Seoul, Korea
2BK21FOUR R&E Center for Learning Health Systems, Korea University, Seoul, Korea

Correspondence to:Ji-Hwan Kim
Department of Dental Laboratory Science and Engineering, Graduate School, Korea University, 145 Anam-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Korea
E-mail: kjh2804@korea.ac.kr
https://orcid.org/0000-0003-3889-2289

Received: February 11, 2022; Revised: March 23, 2022; Accepted: April 11, 2022

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: The aim of this study was to evaluate the accuracy of provisional crowns manufactured using a milling machine and a digital light processing (DLP) printer.
Methods: A full-contour crown was designed using computer-aided design software. Provisional crowns of this design were manufactured using a milling machine and using a DLP three-dimensional (3D) printer (N=20). The provisional crowns were digitized with an extraoral scanner, and 3D deviation analysis was applied to the scanned data to confirm their accuracy. An independent t-test was performed to detect the significant differences, and the Kolmogorov-Smirnov test was used for analysis (α=0.05).
Results: No significant differences were found among the precision of marginal surface between the printed and milled crowns (p=0.181). The trueness of marginal and internal surfaces of the milled crowns were statistically higher than those of the printed crowns (p=0.024, p=0.001; respectively).
Conclusion: The accuracy of provisional crowns manufactured using a milling machine and a 3D printer differed significantly except with regards to the precision of the internal surface. However, all the crowns were clinically acceptable, regardless of the manufacturing method used.

Keywords: Accuracy, Computer-aided design, Computer-aided manufacturing, Digital light processing, Provisional crown, Three-dimensional printer

INTRODUCTION

임시 보철물은 구강 내에서 저작, 발음, 심미 등의 필수적인 기능들을 수행한다. 지대치에 발생할 수 있는 화학적 자극, 온도 변화, 지대치 마모와 플라크(plaque)의 축적을 방지하고 세균의 침투를 최소화하는 역할을 한다[1,2]. 또한 인접치나 대합치와의 공간을 유지시켜 치수 조직과 치아를 보호한다[3].

최근, 디지털 치과 분야에서는 컴퓨터를 이용한 설계 및 생산을 의미하는 CAD/CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) 시스템을 도입하여 절삭 가공 방식과 적층 가공 방식으로 여러 종류의 보철물을 제작하고 있다[4-6]. 또한 Three-dimensional (3D) 프린터를 이용한 적층 가공 방식으로 치아 모형, 임시 보철물, 수술 가이드, 스플린트 등을 활발하게 제작하고 있다[7-12]. 그 중, 임시 보철물 제작에 사용되고 있는 적층 가공 방식은 stereolithography (SLA)와 digital light processing (DLP), liquid crystal display (LCD) 등이 있다[13,14]. SLA 방식은 광중합 개시제가 포함된 광경화성 액상 레진이 담긴 수조 안에서 한 층마다 선(line) 단위로 ultraviolet (UV) light를 조사하여 적층하는 방식이다[15]. DLP 방식은 광경화성 액상 레진을 사용하여 빔 프로젝터를 통해 면(surface) 단위로 UV light를 한 층씩 조사하며 출력물을 제조한다[16]. LCD 방식은 liquid crystal을 사용하여 스크린에 전체적으로 광원을 조사하고 출력하고자 하는 면을 제외한 부분을 마스킹하여 빛을 차단하여 적층 제조한다[17].

기존의 절삭 가공 방식에 비해서 남은 재료를 재사용할 수 있고 제작 속도가 월등히 빠르기 때문에 3D 프린터의 사용이 계속적으로 증가하고 있다[18]. 그리고 그 쓰임이 증가함에 따라 새로운 3D 프린터 장비와 재료가 지속적으로 출시되고 있다[19,20]. 이러한 현황에 맞추어 3D 프린터가 기존의 밀링 방식과 비교하여 대체가능한 수준인지, 얼마나 정확한지에 대한 평가 연구가 요구된다[21,22].

CAM 시스템으로 가공하는 보철물 제작 과정에서 오차가 발생하게 되면, CAD 프로그램에서 보철물 내면 및 변연의 ‘술자가 의도한 일정 공간의 시멘트(cement) 공극’과 ‘제작된 보철물의 시멘트 공극’이 달라지게 된다[23,24]. 따라서 가공 정확도가 높다면 술자가 CAD 프로그램에서 설정한 시멘트 공극이 일정한 수치로 제작되어 보철물 적합 시 문제가 발생하지 않고, 정확도가 낮다면 이 시멘트 공극이 불균일하기 때문에 적합에 악영향을 끼칠 우려가 있다[25]. 본 연구는 임시 보철물의 변연 및 내면에 대한 3D 중첩 평가 방법을 사용하여 정확도를 평가하였다. ISO 5725-1에 따르면 정확도를 진실도(trueness)와 정밀도(precision)로 밝히고 있다[26]. 진실도는 기준 데이터와 스캔 데이터가 얼마나 근접한지에 대한 정도를 수치로 나타낸다. 정밀도는 제작된 보철물 간의 스캔 데이터가 얼마나 유사한지 알아보기 위해서 스캔 데이터끼리 중첩을 진행하여 오차를 분석한다.

본 연구에서는 DLP 방식의 3D 프린터가 기존의 밀링 장비를 대체할 수 있는 수준의 정확도를 만족하는지 알아보기 위하여 임시 보철물의 내면 및 변연의 정확도 평가 연구를 진행하였다.

MATERIALS AND METHODS

본 연구는 Fig. 1과 같은 과정으로 진행되었다.

Figure 1. Digital workflow.

1. 실험 재료 및 시편 제작

임시 보철물을 제작하기 위한 주 모형으로 상악 우측 제1대구치가 프랩된 치아 모형(D85DP-500B.1; Nissin Dental, Kyoto, Japan)을 사용하였다(Fig. 2).

Figure 2. A typodont model of maxillary right first molar.

치아 모형(D85DP-500B.1)을 모델 스캐너(Identica Blue; MEDIT, Seoul, Korea)로 스캔하여 3D 형상 데이터를 획득하였다. 이를 사용하여 CAD software (3Shape Dental System; 3Shape, Copenhagen, Denmark)에서 임시 보철물을 디자인하였다. 디자인 파일을 STL 형태로 저장한 뒤, 각각의 가공 방식에 따라 임시 보철물을 제작하였다. 밀링 장비(K5+; Vhf, Ammerbuch, Germany)와 polymethyl methacrylate (PMMA) block (PMMA Disc Block; Huge Dental, Rizhao, China)을 이용한 10개의 시편, 3D 프린터(Asiga Max; Asiga, Alexandria, Australia)와 liquid type resin (Labotech; Hanjin Dental, Seoul, Korea)을 사용한 10개의 시편, 총 20개의 시편을 제작하였다. 밀링 장비를 사용한 시편의 그룹을 milled crown (ML)군, 3D 프린터를 사용한 시편의 그룹을 printed crown (PR)군으로 명명하였다.

2. 3D 중첩 평가

3D 분석을 위하여 시편의 내면을 모델 스캐너(Identica Blue)로 스캔하여 총 20개의 스캔 데이터를 획득하였다. 스캔 데이터는 STL 형태로 저장하였고, 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 보철물의 내면과 변연의 진실도(trueness)와 정밀도(precision)를 비교 평가하기 위하여 3D 평가 프로그램(Geomagic Verify 2015; Geomagic, Morrisville, NC, USA)을 이용하였다. 정확한 중첩을 위해 내면과 변연을 제외한 불필요한 부분을 삭제하고 내면과 변연으로 나누어 저장하였다.

진실도 평가를 위하여 참조 데이터에는 레퍼런스 데이터를 참조값으로 가져오고 측정 데이터에는 각 그룹의 임시 보철물의 스캔 데이터를 가져왔다. 정밀도 평가를 위하여 참조 데이터와 측정 데이터에 각 그룹의 임시 보철물의 스캔 데이터를 가져왔다. 레퍼런스 데이터와 임시 보철물의 스캔 데이터는 자동 정렬하고 ‘Best fit alignment’로 최적화 정렬하여 모든 시편의 편차를 root mean square (RMS) 값으로 계산하였다[27]. 최대 및 최소 편차 값은 ±50 μm로 설정하였고 공차 범위는 ±10 μm로 설정하였다. 3D 편차는 color-difference map으로 나타내었다[28].

3. 통계 분석

정량 분석을 위한 모든 RMS 값은 SPSS statistical software (IBM SPSS ver. 22.0; IBM, Armonk, NY, USA)를 사용하여 계산되었다. RMS는 두 데이터 간의 편차가 0에서 얼마나 떨어져 있는지의 정도를 나타내고 낮은 RMS 값은 중첩된 데이터의 정확도가 높다는 것을 의미한다[29]. 측정된 데이터의 정규성 검정을 위하여 Kolmogorov-Smirnov를 시행하였고 정규성을 충족하여 모수적인 통계 방법을 사용하였다. 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 수복물의 내면 및 변연의 진실도와 정밀도의 통계 분석을 위하여 독립표본 t 검정(independent t-test)을 시행하였고 통계적 유의수준은 0.05로 설정하였다(α=0.05).

RESULTS

밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 수복물의 내면 및 변연의 진실도와 정밀도의 평균과 표준편차를 구하였다(Table 1, 2).

Table 1 . Trueness based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm).

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML31.04±3.69–0.4800.02425.82±3.29–3.8970.001
PR35.91±5.0133.83±5.60

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group..

Table 2 . Precision based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm).

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML12.62±1.32–2.4850.02330.66±9.71–1.4370.181
PR16.05±3.6829.04±17.20

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group..

진실도의 경우, ML군의 내면 RMS 값의 평균은 31.04±3.69 µm이었고 PR군은 35.91±5.01 µm이었다. 두 그룹의 내면의 진실도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.024). ML군의 변연 RMS 값의 평균은 25.82±3.29 µm이었고 PR군의 변연 RMS 값의 평균은 33.83±5.60 µm이었다. 두 그룹의 변연의 진실도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.001).

정밀도의 경우, ML군의 내면 RMS 값의 평균은 12.62±1.32 µm이었고 PR군의 내면 RMS 값의 평균은 16.05±3.68 µm이었다. 두 그룹의 내면의 정밀도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.023). ML군의 변연 RMS 값의 평균은 30.66±9.71 µm이었고 PR군의 변연 RMS 값의 평균은 29.04±17.20 µm이었다. 두 그룹의 변연의 정밀도 사이에는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p=0.181).

Fig. 3은 정성적 분석을 위해 두 그룹의 내면과 변연의 진실도를 color-difference map으로 나타낸 것이다. 양(+)의 편차는 빨간색으로 나타나고 음(–)의 편차는 파란색으로 나타나게 된다. 두 그룹의 진실도 3D 분석 결과, ML군 내면은 넓은 파란 부분이 관찰되며 음의 편차가 두드러지는 것을 볼 수 있다. 양의 편차인 빨간 부분이 내면의 외벽 부분에 나타났고 ML군의 변연에는 녹색이나 빨간 부분보다 파란 부분을 비교적 많이 관찰할 수 있었다. PR군의 내면은 밀링 장비로 제작된 임시 보철물보다 더 빨간색에 가깝고 넓은 범위의 양의 오차를 보였고 PR군의 변연은 ML군보다 넓은 범위의 음의 편차를 보였다.

Figure 3. Color-difference maps for trueness analysis of internal and marginal discrepancies. (A) Milling, (B) printing.

Fig. 4는 두 그룹의 내면과 변연의 정밀도를 color-difference map으로 나타낸 것이다. ML군의 내면에서 3D 프린터로 제작한 보철물에 비해 넓은 범위의 우수한 정밀도를 나타내는 녹색 부분을 관찰할 수 있다. PR군의 내면은 녹색 부분이 존재하였지만 ML군에 비해 넓은 범위의 파란 부분을 관찰할 수 있다. 변연에서는 두 군 모두 녹색 부분이 주를 이루었다.

Figure 4. Color-difference maps for precision analysis of internal and marginal discrepancies. (A) Milling, (B) printing.

DISCUSSION

본 연구의 목적은 밀링 장비와 3D 프린터로 제작한 임시 보철물의 내면 및 변연의 정확도를 비교 평가하는 것이다. 디지털 기반 작업 방식으로 변화하고 있는 치과 분야의 추세에 따라 새로운 재료와 기계가 개발되고 있는 시점에서 3D 프린터를 사용하여 제작한 임시 보철물이 밀링 장비를 사용하여 제작한 임시 보철물을 대체할 수 있는지에 대한 평가 및 검증이 필요하다고 판단되어 3D 중첩 평가를 통해 밀링 장비(ML군)와 3D 프린터(PR군)로 제작한 임시 보철물의 정확도를 평가하였다.

그 결과, ML군의 내면과 변연이 PR군에 비해 진실도가 높았고 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p=0.024, p=0.001). 정성적 지표인 color-difference map에서는 PR군의 내면과 변연 부분에서 ML군보다 넓은 범위의 양의 오차가 두드러진 것을 확인할 수 있다. 또한 ML군의 내면이 PR군보다 정밀도가 높아 통계적으로 유의한 차이가 발생하였으나(p=0.023), 변연의 경우는 두 군의 정밀도에 차이가 미세하여 통계적으로 유의한 차이가 발생하지 않았다(p=0.181). Color-difference map에서도 두 군 모두 녹색부분으로 매우 오차가 적은 것으로 분석되었다.

임시 보철물의 정확도를 평가한 선행연구를 살펴보면, Kang과 Lee [30]의 연구에서 임시 보철물의 협측 치경 1/3 부위에서 음의 오차를 살펴볼 수 있다고 보고되었다. 이는 임시 보철물의 변연 부분이 보철물의 다른 부분에 비해 상대적으로 얇아 광경화성 레진의 적층 가공 과정에서 일어나는 중합 수축에서 변수로 작용한 것으로 보이는데 본 연구에서도 PR군의 color-difference map에서 임시 보철물의 협설 측에서 음의 오차가 관찰되었다[31]. 또한 PR그룹의 내면 부위에서 양의 오차가 두드러지는 것을 확인할 수 있는데 이는 층층이 제작되는 가공 방식에 따른 특성에 따라 오차가 발생하는 것으로 보인다[32].

적층 가공 방식으로 제작한 보철물의 정확도는 다양한 요소들에 의해 영향을 받을 수 있다. 보철물 출력 후의 세척 단계나 curing 단계에서 변형이 일어날 수 있으며 광원을 사용하여 광경화성 레진을 중합시키기 때문에 3D 프린터의 빛의 양, 산란, 회절 현상과 사용하는 레이저의 속도와 적층 방향, 적층하는 층의 높이 등에 의해 오차가 발생할 수 있다[33]. 절삭가공의 경우 버를 사용하여 블록 형태의 재료를 절삭한다. 이미 중합이 되어있는 블록을 절삭하기 때문에 적층가공에 비해 경화 후 수축률이 낮고 광경화성 레진에 비해 높은 기계적 강도와 낮은 다공성을 지니는 장점이 있지만 절삭 가공 시 이용하는 버의 직경과 수, 밀링 기계의 축에 의해 오차가 발생할 가능성이 있다[34,35]. 본 연구에서는 앞서 언급한 전반적인 제작 과정 중에 발생할 수 있는 오차를 줄이고자 한 명의 숙련된 술자가 진행하였다.

본 연구는 다음과 같은 한계점이 존재한다. 시편의 개수가 많지 않고 적층 가공 방식 중 DLP 방식에 대한 평가만 진행하였으며 보철물의 정확도 평가 범위가 내면과 변연 부분으로 한정되어 있다는 것이다. 그러나 3D 프린터를 사용하여 제작한 임시 수복물의 정확도를 평가함으로써 기존의 밀링 방식과 비교하여 대체 가능한 수준의 정확도를 가지고 있는 것을 확인하였고, 정확도가 어느 수준인지 확인한 것에 의의가 있다. 그러므로 추후 연구에서는 다양한 적층 가공 방식의 3D 프린터를 활용하여 평가하고, 내면과 변연뿐만 아니라 그 외 평가 범위를 넓혀 전체적으로 측정하는 것이 필요하고 굴곡 강도나 파절 강도, 색 안정성 등 여러 평가가 요구된다[36-40].

CONCLUSIONS

본 연구는 현재 임상에서 활발하게 사용하고 있는 밀링 장비와 DLP 방식의 3D 프린터로 제작한 임시 보철물의 내면과 변연의 정확도를 3D로 평가하였다. 3D 프린터보다 밀링 장비가 내면 및 변연에서 높은 가공 정확도(진실도, 정밀도)를 보였고 통계적으로 유의하였으나 변연의 정밀도에서만 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 따라서, 밀링 장비와 3D 프린터로 제작된 임시 보철물은 내면 및 변연 모두 임상적으로 허용 가능한 범위의 정확도를 보여 임상에서의 사용에 무리가 없을 것으로 생각된다.

Acknowledgements

None.

FUNDING

None to declare.

CONFLICT OF INTEREST

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

Fig 1.

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Fig 2.

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Fig 3.

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Fig 4.

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Figure 4.Color-difference maps for precision analysis of internal and marginal discrepancies. (A) Milling, (B) printing.
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Table 1 . Trueness based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm).

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML31.04±3.69–0.4800.02425.82±3.29–3.8970.001
PR35.91±5.0133.83±5.60

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group..

Table 2 . Precision based on mean±SD root mean square values for internal and marginal discrepancies (n=10, unit: µm).

GroupInternal surfaceMarginal surface
Mean±SDtp-valueMean±SDtp-value
ML12.62±1.32–2.4850.02330.66±9.71–1.4370.181
PR16.05±3.6829.04±17.20

SD: standard deviation, ML: milled crown group, PR: printed crown group..

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Journal of Technologic Dentistry

eISSN 2288-5218
pISSN 1229-3954
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