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Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(3): 73-83

Published online September 30, 2024

https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.73

© Korean Academy of Dental Technology

적층 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 미치는 영향

함건희1, 김지환1,2

1고려대학교 일반대학원 보건과학과 치의기공학전공, 2고려대학교 L-HOPE 공동체-기반 토탈 러닝헬스시스템 교육연구단

Received: August 1, 2024; Revised: September 5, 2024; Accepted: September 19, 2024

Effect of build orientation on the accuracy and internal porosity of removable partial denture metal frameworks

Geon Hee Ham1 , Ji-Hwan Kim1,2

1Department of Dental Laboratory Science and Engineering, College of Health Science, Korea University Graduate School, Seoul, Korea
2L-HOPE Program for Community-Based Total 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: August 1, 2024; Revised: September 5, 2024; Accepted: September 19, 2024

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 investigate whether the accuracy and internal porosity of removable partial denture frameworks differ depending on the build direction in the selective laser melting method.
Methods: A partially edentulous maxillary study model was scanned, and the anterior–posterior palatal bar was then digitally designed. The angles formed between the z-axis and the path of the insertion and removal were divided into five groups: –60°, –30°, 0°, 30°, and 60°. For each group, three removable partial denture metal frameworks were fabricated and used as specimens. The inner surface of each sample was scanned and superimposed on the design file to obtain the root mean square (RMS) value, and the average RMS value of each group was measured. One sample was randomly selected from each group, and the equivalent diameter and sphericity of the pores were analyzed using industrial X-ray three-dimensional computed tomography. To compare statistical differences between groups, the Kruskal–Wallis test of SPSS Statistics ver. 27.0 (IBM) was used (α=0.05).
Results: The average RMS values of the whole inner surface accuracy of the specimens were in the order of –60°<0°<–30°<30°<60° (p<0.05). The equivalent diameter and sphericity of internal pores were significantly different among groups (p<0.001).
Conclusion: The build orientation of the selective laser melting method influences the accuracy and internal porosity of removable partial denture frameworks.

Keywords: Accuracy, Porosity, Removable partial denture, Selective laser melting

선택적 레이저 용융 방식(selective laser melting, SLM)은 레이저의 고에너지 빔으로 일정한 두께의 금속 분말을 선택적으로 용융시켜 트랙별, 층별 융합을 통해 입체 금속 구조물을 형성하게 된다[1]. 일정한 두께의 층을 쌓아서 생기는 계단효과는 설계된 표면과 출력된 금속 구조물의 표면 사이에 기하학적 오차가 생기게 하며, 표면 품질을 떨어뜨린다[2]. 반복적인 금속의 용융과 응고로 인해 생긴 높은 열 변화는 잔류 응력을 형성하고, 뒤틀림이나 균열을 발생시킬 수 있다[2]. 레이저 빔이 조사되면 일정 두께로 도포된 상단의 금속 분말과 함께 하단인 이전 층의 일부가 녹아 용융풀(molten pool)을 형성한다[3]. 용융풀은 하부가 분말로 지지되는지, 이미 용융되어 응고된 고체로 지지되는지에 따라 열이 전달되는 속도가 다르고 흡수되는 열에너지의 양이 다르다[2,4]. 분말로 지지될 경우 열이 하부로 잘 전달되지 않아, 용융풀에 흡수되는 열에너지의 양이 과도해 질 수 있다. 이로 인해 용융풀의 크기가 커지면 용융물이 분말 속으로 가라앉거나, 부분 용융된 금속 분말 입자가 부착되는 드로스(dross)가 형성된다[2]. 금속 구조물이 빌드 플랫폼(build platform; 금속 구조물이 축성되는 금속판)이나, 이미 용융되어 응고된 고체 층으로 지지되지 않고 분말로 지지되는 경사진 면이나 평평한 면의 돌출된 부분을 오버행(overhang)이라고 하고, 돌출된 형상을 오버행 구조(overhang structure)이라고 한다[2]. 인접한 두 층 사이의 돌출된 길이가 길수록 수평면과 이루는 경사각이 작아지고, 뒤틀림이나 드로스가 생기는 정도가 더 심해진다[5]. 뒤틀림과 드로스를 방지하기 위해 지지대를 설치하지만, 이 지지대는 연마 과정에서 제거해야 하며 흔적을 남기게 된다[2]. 이러한 뒤틀림, 균열, 드로스, 지지대 제거 흔적, 계단 효과 등은 금속 구조물의 형상 정확도를 낮추고, 표면을 거칠게 하는 원인이 된다[2]. 거친 표면은 하중을 받았을 때 응력이 집중되고, 균열의 시작점으로 작용할 수 있어 기계적 성질에도 영향을 미친다[6]. 기계적 성질에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요인은 내부 기공이며, 다양한 크기와 모양을 갖는 기공을 비교하기 위해서는 기공과 유사한 체적, 표면적을 갖는 구의 지름을 의미하는 ‘등가 직경’과 얼마나 구형에 가까운지를 나타내는 ‘구형도’를 지표로 사용한다[7,8]. 오버행 구조의 경우 용융풀의 흐름이 불안정해져 기공이 생길 가능성이 커진다[4]. 금속 구조물은 빌드 플랫폼에서 어떠한 방향으로 축성되느냐(build orientation)에 따라 오버행 구조 여부와 오버행 정도가 달라지므로 빌드 방향에 따라 정확도나 표면 거칠기, 내부 다공성에 차이를 보인다[2,4,5,7].

SLM 방식의 제조 공정상의 고유 특성으로 인해 발생하는 형상 오차나 내부 기공 결함은 완성된 금속 구조물의 품질을 확신할 수 없어 SLM 방식을 채택하여 사용하는데 있어 큰 장벽으로 작용하였다[7]. 하지만 최근에는 3차원(three-dimensional, 3D) 중첩 소프트웨어나 X-ray 3D computed tomography (CT)를 이용하여 완성된 금속 구조물의 손상이나 파괴 없이도 정확도나 내부 결함을 측정할 수 있을 뿐만 아니라[8,9], 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램을 통해 출력을 준비하는 과정에서 결함을 예측하고 보완하여 제작하는 단계로까지 발전하고 있다[10]. SLM 방식으로 제작된 가철성 국소의치 금속 구조물 또한 임상적으로 적용된 연구가 보고되고 있으며[11], 관련 연구들도 점차 늘고 있다[11-16].

가철성 국소의치 금속 구조물은 잔존 치아나 치은 조직에 위해 없이 제 기능을 발휘하고, 잦은 착∙탈과 저작 시 발생하는 반복하중에 저항할 수 있는 적절한 강도나 피로 강도를 지니기 위해서는 구성 요소들이 설계한 대로 정확히 제작되어야 하며[5], 내부 기공이 적고 밀도가 높아야 한다[8]. 주연결장치(major connector)가 넓고 얇으며, 클래스프나 레스트가 많은 복잡한[12] 오버행 구조인 가철성 국소의치 금속 구조물은 이러한 요구 조건을 충족하기 위해 빌드 방향이 더욱 중요하며, 이와 관련된 선행 연구들은 다음과 같다. Xie 등[13]의 연구에서는 빌드 방향에 따른 Ti-6Al-4V 클래스프 내면의 표면 거칠기, 적합성, 피로 저항성의 차이를 비교하기 위해 하악 우측 제 1대구치에 원형 클래스프를 설계하고, z축을 기준으로 클래스프 암의 종축(longitudinal axis)이 0°, 45°, 90°가 되게 기울여 세 개의 그룹을 나누어 비교한 결과 90°로 제작된 클래스프 군의 내면 표면 거칠기가 가장 낮고, 적합성과 피로 저항성이 가장 우수했다. 이때 기준이 된 종축은 교합면 방향에서 보았을 때 클래스프를 4등분하는 두 개의 축 중에 긴 축(치아의 근∙원심 방향, 클래스프의 기저부에서 유지부 방향)을 종축으로 생각한 것으로 보인다. 같은 기준의 빌드 방향 조건으로 Co-Cr-Mo 합금 클래스프의 피로 강도를 비교한 Kajima 등[6]의 연구에서도 90°로 제작된 클래스프 군의 피로 강도가 가장 높았다. Hwang 등[14]의 연구에서는 빌드 플랫폼에 횡방향(transverse-oriented)과 종방향(longitudinal)으로 제작된 상악 국소의치 금속 구조물을 석고 모형 상에 적합도를 비교한 결과는 횡방향으로 제작된 군의 적합도가 좋다고 보고하고 있으며, 그 차이는 너무 커서 정량적으로 분석하지 않았다고 하였다. 빌드 방향의 기준에 대한 더 자세한 설명은 없으나 횡방향은 플랫폼에 넓은 범위로 위치시킨 것이고, 이를 전치부를 빌드 플랫폼 쪽으로, 구치부는 상방으로 향하게 기울인 것을 종방향으로 표현하고 있다. 얼마나 기울였는지에 대한 기준은 제시되어 있지 않았다. Chen 등[15]의 연구에서는 빌드 방향이 상악 국소의치 금속 구조물의 내면 정확도에 미치는 영향을 알아보기 위해 z축을 기준으로 착∙탈로가 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°로 기울어진 5개 그룹을 비교하였으며, 주연결장치의 경우 0°군, 클래스프의 경우 0°군과 90°군에서 정확도가 높았다. 하지만 이 연구에서 사용된 연구 모형은 평면, 원뿔, 원통으로 구강 형태를 단순화한 비교평가(벤치마크) 모형이었으며, 전치 부위가 하방, 구치부가 상방을 향하는 한 방향의 기울기에서만 비교되었다.

이러한 선행 연구들을 통해 빌드 방향에 따라 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도, 표면 거칠기, 피로 강도는 이방성을 보임을 알 수 있으나, 현재까지의 연구들은 일부 구성 요소의 비교에 한정되어 있거나[6,13], 구강 내 상태를 재현한 연구 모형이 아니거나[15], 정량적인 분석이 시행되지 않은 연구[14]들이며, 특히 전체 내부 기공을 분석한 연구는 현저히 적다.

이에 본 연구는 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보고자 한다. 이 연구의 귀무가설은 “SLM 방식의 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치지 않는다”이다.

1. 연구 모형 제작

본 실험에서 사용된 연구 모형은 다음과 같이 제작하였다. 먼저 유치악 덴티폼(D85SFE-TRM.451, Nissin Dental Products)을 상악 우측 견치(#13)와 제 1대구치(#16), 상악 좌측 제 1대구치(#26)와 제 2대구치(#27)가 결손된 케네디 분류 2급, 추가 결손 2 (Kennedy class II, mod 2)의 상악 부분 무치악 상태로 만들고, 이를 실리콘 복제를 통해 석고 모형으로 제작하였다. 석고 모형의 지대치를 국소의치에 이상적인 서베이드 치관(surveyed crown)으로 만들기 위해 서베잉(surveying) 작업으로 착∙탈로를 설정하고, 우측 측절치(#12), 우측 제 2소구치(#15), 좌측 제 2소구치(#25)의 원심면과 우측 제 1소구치(#14), 우측 제 2대구치(#17)의 근심면에 착∙탈로와 평행한 1 mm~2 mm의 유도면을 형성하였다. #14와 #17 근심부, #15 원심부에 각각 교합면 레스트시트(occlusal rest seat), #24 원심부와 #25 근심부 치아 사이에 치간교합면 레스트시트(interproximal occlusal rest seat)를 형성하고, #15와 #25 근심 협측과 #17 원심 협측의 치경 1/3 부위에 0.5 mm의 언더컷을 형성하였다. 캐드 설계와 연마 시 기준이 될 수 있게 석고 모형 상에 전∙후방 구개바(anterior–posterior palatal bar, A–P bar)를 연필로 설계한 후 이를 따라 치아 부분과 구개면에 피셔버(fissure bur)로 0.1 mm 깊이의 구를 형성하였다. 중첩을 위한 인덱스로 이용할 수 있게 구개면에 베이스가 2 mm×2 mm의 정사각형이고 높이가 2 mm인 피라미드 모양의 다면체를 전방에 1개, 후방에 2개 형성[16,17]하고, 마지막으로 한 번 더 실리콘으로 복제하여 얻어진 석고 모형을 연구 모형으로 사용하였다.

2. 상악 국소의치 금속 구조물의 설계 및 캐드 데이터 생성

3D 스캐너(Freedom HD, DOF)로 연구 모형을 스캔하고, 치과용 캐드 설계 프로그램(Partial CAD, Exocad)을 이용하여 전∙후방 구개바(A–P bar)를 설계하였다. 설측 치면은 변형되는 정도나 내부 기공률에 좀 더 민감할 수 있는 넓고 얇은 판(plate)형으로 설계하였다. 빌드 방향에 대한 각도를 부여할 수 있는 기준선으로 사용하기 위해 착∙탈로와 평행한 지름 2 mm의 바를 전방에 1개, 후방에 2개 형성하고, standard tessellation language (STL) 파일로 저장하여 캐드 데이터를 만들었다.

3. 상악 국소의치 금속 구조물 제작 및 내면(조직면)의 스캔 데이터 생성

치과용 캐드 프로그램으로 설계한 후 생성된 STL 파일을 슬라이스 프로그램(Magics 21.0, Materialise)을 이용하여 출력을 준비했다. 캐드로 설계한 STL 파일에서 #14와 #24, #17과 #27을 각각 지름 1.0 mm의 원통형 막대 형태의 보강 선으로 좌∙우측을 연결하고, 파트 복제 기능을 이용하여 총 5개의 파트를 만들었다. 착∙탈로와 평행하게 형성된 바가 z축(build direction)과 평행한 상태를 0°로 정했다. 0°를 기준으로 전치 부위가 하방을 향하고 대구치 부위가 상방을 향하는 방향을 양의 방향, 그 반대를 음의 방향으로 설정하여 Fig. 1과 같이 –60°, –30°, 0°, 30°, 60° 각도로 기울여 –60°군, -30°군, 0°군, 30°군, 60°군으로 5개의 그룹을 만들었다.

Fig. 1.Schematic diagram of the build orientation of five groups.

Fig. 2와 같이 빌드 플랫폼에 위치시킨 후, 자동설정 방법으로 그리드 트리 복합 지지대(grid-tree composite support structures)를 설정하고, 이를 슬라이싱 후 금속 3D 프린터(Dual-150, Riton)로 출력하였다. 이때 분말은 Co (63.9%), Cr (24.7%), W (5.4%), Mo (5.0%), Si (1.0%)로 조성된 금속 분말(Mediloy S-CO, BEGO)을 사용하였으며, 한 층의 두께는 30 µm였다. 5개의 그룹별로 각각 3개씩 총 15개의 시편을 출력하였으며, 빌드 플랫폼에 부착된 상태로 열처리 한 후 제거하였다. 지지대 제거부터 전해연마 단계까지 진행한 후 내면(조직면)에 3D 스캔용 스프레이(EASY SCAN Spray, Alphadent)를 도포하고, 3D 스캐너(MD-ID200, Medit)를 이용해 출력물의 내면(조직면)의 스캔 데이터를 만들었다. 각 시편 당 3회씩 스캔하여 STL 파일로 저장하였으며, 총 45개의 스캔 데이터를 만들었다.

Fig. 2.Support structure installation in Magics 21.0 (Materialise). (A) Bottom view, (B) side view.

4. 3차원(3D) 편차 분석

정확도의 비교는 3D 데이터 검사 소프트웨어(Geomagic Verify 64, 3D Systems)를 사용하였다. 캐드로 설계하여 저장했던 STL 파일을 3D 데이터 검사 소프트웨어의 메시 분할과 병합 기능을 사용하여 Fig. 3A와 같이 영역을 나누었다. 개별 치아 당 구분한 영역은 인접판(proximal plate) 5개 영역, 레스트(rest) 4개 영역, 클래스프 파지부(clasp bracing arm) 3개 영역, 클래스프 유지부(clasp retentive arm) 3개 영역이고, 설측판(lingual plate)의 경우는 변수의 개수가 지나치게 많아지는 것을 막기 위해 #12~23, #14~15, #24~25, #17의 4개 영역으로 나누었다. 주연결장치와 새들(saddle)은 각각 하나의 영역으로 하였다(Fig. 3). 구성 요소별로 총 21개의 영역으로 나눠진 캐드 데이터를 기준 데이터로 정하고, 출력물의 내면(조직면)을 스캔한 데이터를 실험 데이터로 정하였다. Fig. 3B와 같이 새들을 제외한 나머지 구성 요소들을 선택하고 ‘베스트 핏 정렬’로 중첩하여 내면(조직면) 전체 영역 1개와 구성 요소별 21개의 영역을 합한 총 22개 영역에서 두 데이터의 편차인 root mean square (RMS)의 수치를 얻었다. 이때 RMS의 수치가 ±50 µm 미만은 컬러 맵에서 녹색으로 표시되고, 최소 변위로 판단하였으며, ±50 µm 이상~311 µm 미만은 임상적 허용이 가능한 정도로, ±311 µm 이상은 임상적 허용이 가능하지 않은 것으로 판단하였다. 양의 편차는 실험 데이터가 기준 데이터 보다 내면(조직면) 방향으로 변위된 것을 나타내며, 노란색에서 빨간색으로 갈수록 편차가 커지고, 음의 편차는 연마면 방향으로의 변위를 나타내며, 하늘색에서 파란색으로 갈수록 편차가 커진다. 이 수치는 Soltanzadeh 등[17]과 Tasaka 등[18]의 연구 기준을 근거로 설정하였으며, 시편 당 영역별로 3개씩 얻어진 RMS 수치의 평균값을 측정값으로 하였다.

Fig. 3.(A) Split mesh by component and (B) area selected during optimal alignment.

5. 내부 기공의 측정 및 분석

각 그룹에서 1개의 시편을 무작위 추출하여 표본으로 선택하였으며, 내부 기공은 최대 240 kV 출력, 최대 0.5 µm 해상도를 갖는 산업용 X-ray 3D CT (Phoenix V|tome|x M240, Baker Hughes)를 사용하여 측정하고, 결과는 산업용 CT 볼륨 그래픽 소프트웨어(myVGL, Volume Graphics)를 사용하여 분석하였다. 그룹 간 기공률, 기공의 분포, 기공의 수, 등가직경, 구형도 등을 비교하였다.

6. 통계분석

본 연구는 그룹 간에 정확도와 내부 기공의 등가 직경 및 구형도에 차이가 있는지를 검증하기 위해 통계 분석 프로그램(SPSS Statistics ver. 27.0, IBM)을 사용하여 비모수 검정인 크루스칼–왈리스 검정(Kruskal–Wallis test)을 실시하였다(유의수준 α=0.05).

1. 정확도 비교

상악 전·후방 구개바(A–P bar)의 내면(조직면) 전체를 하나의 영역으로 측정하여 얻은 RMS의 평균값은 –60°군<0°군<–30°군<30°군<60°군 순이었으며, 통계적으로 그룹 간에 유의한 차이를 보였다(Table 1). 구성 요소별 21개 영역에서 그룹별로 비교한 결과는 5개의 인접판 중 4개(#14, #15, #17, #25), 4개의 레스트 중 3개(#14, #15, #24∙25), 3개의 클래스프 파지부 중 1개(#15), 3개의 클래스프 유지부 중 1개(#17), 4개의 설측판 영역 중 1개(#24~25), 주연결장치, 새들 총 21개의 영역 중 12개 영역에서 그룹 간에 통계적인 차이를 보였다. 구성 요소별 RMS의 평균값 중 가장 큰 수치는 60°군의 #24∙25 치간교합면 레스트에서 315.5±21.3 µm를 나타냈고, 가장 작은 수치는 –30°군의 #15 원심 인접판에서 44.4±10.3 µm였다. 60°군의 #24∙25 치간교합면 레스트와 #25 원심 인접판(311.5±53.0 µm)에서만 임상적 허용범위를 벗어났으며, 나머지 군별 구성 요소는 임상적 허용범위 내에 존재하였다.

Table 1 . Mean±SD of RMS in five groups (unit: µm)

ComponentNumberMean±SDp-value

–60°–30°30°60°
#14 Mesial occlusal rest3219.6±12.6186.6±19.3104.5±16.9126.3±23.6117.5±23.60.023*
#15 Distal occlusal rest366.5±4.967.9±19.358.9±10.0106.7±16.1123.0±26.10.029*
#24∙25 Interproximal occlusal rest393.6±11.4109.6±15.071.3±3.8143.9±6.5315.5±21.30.010*
#17 Mesial occlusal rest380.3±11.475.7±39.2141.2±47.3117.4±13.560.7±6.40.082
Major connector380.7±7.8114.1±16.883.6±5.586.3±4.7113.1±8.60.032*
Whole inner surface394.3±8.3110.8±19.2109.9±10.6112.7±6.8149.7±8.50.045*

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05).

SD: standard deviation, RMS: root mean square.

*Mean difference significant (p<0.05).



Table 1은 레스트와 주연결장치, 내면(조직면) 전체의 RMS의 평균값을 비교한 표이다. 레스트는 대구치인 #17만 60°군, 나머지 소구치는 0°군에서 가장 작은 RMS의 평균값을 나타냈으며, 소구치에서만 그룹별로 통계적인 차이를 보였다. 주연결장치의 RMS의 평균값은 –60°군에서 가장 작고, –30°군에서 가장 크게 나타났다. 표로 나타나지는 않았지만 #17과 관련된 모든 구성 요소, 즉, 근심 레스트, 클래스프 파지부, 클래스프 유지부, 근심 인접판, 설측판은 다른 군에 비해 60°군에서 가장 작은 RMS의 평균값을 보였으며, #17과 관련된 구성 요소는 인접판과 클래스프 유지부에서만 그룹별 통계적 차이를 보였다. Fig. 4는 캐드 데이터를 기준으로 출력물의 스캔 데이터를 중첩 시켰을 때 내면(조직면)의 편차를 시각적으로 보여주는 컬러 맵이다.

Fig. 4.Color map of the differences in the inner shape of the five groups.

2. 내부 기공 비교

Table 2는 각 군별로 시편의 전체 부피에서 기공의 부피가 차지하는 비율인 기공률을 나타내는 표이며 기공률이 낮을수록 밀도가 높다. 부피의 합은 워낙 큰 수치이므로 지수로 표기 시 군별 비교가 어려워 대략적인 값도 함께 표기하였다. 결과를 보면 0°군의 기공률이 0.72%로 다른 군에 비해 낮아 밀도가 가장 높게 나타났다(Table 2).

Table 2 . Porosity in five groups

–60°–30°30°60°
∑Pore volume (µm3)3E+10
(≒2.66×1010)
2E+10
(≒1.66×1010)
1E+10
(≒1.25×1010)
3E+10
(≒2.70×1010)
2E+10
(≒2.46×1010)
Material volume (µm3)2E+12
(1.76×1012)
2E+12
(1.66×1012)
2E+12
(1.74×1012)
2E+12
(1.67×1012)
2E+12
(1.64×1012)
Porosity (%)1.511.000.721.611.50


Fig. 5는 등가 직경을 기준으로 기공의 크기를 분류하고, 색깔로 구분함으로써 기공의 크기, 모양, 분포를 시각적으로 보여준다. Fig. 6은 연마면에 부착되는 지지대의 위치를 나타낸다. 오른쪽 하단의 a와 같이 변연부와 나머지 해당 그룹의 하늘색으로 표시된 부위에 지지대가 부착된다. Fig. 5Fig. 6을 비교하면 지지대가 부착된 부위에는 기공의 수가 비교적 적은 것을 볼 수 있다.

Fig. 5.Pore distribution in five groups.

Fig. 6.Position of support attachment on the polishing surface of the five groups and line support attachment area viewed from the bottom in Magics (a).

Fig. 7은 등가직경에 따른 기공의 빈도수를 나타낸 그래프이다.

Fig. 7.Frequency of equivalent diameter for five groups.

Table 3은 각 군별 기공의 등가 직경과 구형도의 평균을 나타내며, 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.001).

Table 3 . Mean±SD of equivalent diameter and sphericity in five groups

–60°–30°30°60°p-value
Number31,05623,45915,39732,54632,186
Equivalent diameter (µm)104.92±36.35100.26±32.49100.56±40.80105.39±34.47102.88±33.02<0.001
Sphericity0.65±0.070.66±0.070.70±0.080.65±0.070.65±0.07<0.001

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05).

SD: standard deviation.


SLM 방식은 빌드 플랫폼에 물체를 어떻게 위치시키느냐에 따라 필요한 지지대의 양이 달라진다[2]. 본 연구의 가철성 국소의치 금속 구조물에서도 빌드 방향이 다른 5개 그룹의 시편에 구성 요소별로 지지대의 위치와 양이 다르게 부착되었다(Fig. 6). Table 1에서 #17 레스트는 60°군에서, 나머지 소구치의 레스트는 0°군에서 정확도가 가장 높았다. 이것은 소구치의 경우 Fig. 1Fig. 6에서 확인 할 수 있듯이 0°군에서 경사각이 가장 낮아 넓은 범위로 더 많은 지지대가 부착되고, 지지대의 방열과 고정의 역할로 인해 뒤틀림이 감소한 것으로 보인다[14,15]. 이와 달리 #17 대구치의 정확도는 레스트 뿐만 아니라 관련된 구성 요소들 모두에서 다른 군에 비해 60°군에서 정확도가 가장 높았다. Fig. 2B에서 빨간색 표시 부위와 Fig. 6의 60°군의 빨간색 화살표가 향하는 부위의 하늘색으로 표시된 지지대의 부착부위를 보면 근심 인접판 쪽에만 지지대가 부착되고 상방으로는 부착되지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 Cao 등[19]의 연구에서 시편이 빌드 플랫폼의 수평면과 이루는 각이 75° 이상 90°에 가까울수록 지지대가 있는 경우에 비해 없는 경우의 치수 정확도가 더 높은 것과 일치하는 결과로 볼 수 있다. 또 Chen 등[15]의 연구에서도 착∙탈로가 z축과 90°인 군의 경우 클래스프의 위치는 #17의 빌드 방향과 유사해지며, 이러한 방향에서 클래스프의 정확도가 높게 나타났던 것과도 같은 결과이다. 반면에 Xie 등[13]의 연구에서는 클래스프 장축을 기준으로 한 0°군은 90°군보다 정확도가 떨어졌는데 이는 이 본 연구와 다른 결과이나, Xie 등[13]의 연구에서 0°군의 내면에 지지대를 설치하여 이를 제거하는 과정에서 정확도에 영향을 미쳤을 것으로 언급하고 있어 이 점이 본 연구 결과와 차이를 가져온 것으로 보인다. #17 클래스프와 같은 빌드 방향은 Xie 등[13]과, Kajima 등[6]의 연구에서 피로 저항성은 낮았으며, Cao 등[19]의 연구에서도 지지 구조가 없을 때 잔류응력의 수치는 약간 낮지만 불균일하게 분포되어 더 파괴적이라고 설명하고 있어 피로 저항성에 대한 추가 연구가 필요하다.

Fig. 4의 컬러 맵 비교에서 다른 레스트에 비해 크기가 큰 #24∙25 치간 교합면 레스트는 30°군과, 60°군에서 내면(조직면) 방향으로의 변위가 두드러진다. 이 각도의 빌드 방향에서 레스트 근심 부위는 오버행 구조가 되고, 설측판과 레스트가 동시에 적층되면서 이어지는 연결 부위는 얇아 뒤틀림에 취약할 수 있는 형태이다. 이에 반해 레스트 하부 표면은 수평면과 이루는 경사각이 커서 지지대의 수가 매우 적게 부착되어(Fig. 6) 방열과 고정의 역할을 제대로 해주지 못한 것으로 생각된다. 처음부터 휘어지기 시작한 것은 적층이 증가함에 따라 점점 더 심각하게 뒤틀린 것으로 보인다[5].

Chen 등[15]의 연구에서 착∙탈로가 z축과 이루는 각이 0°인 군이 다른 각도의 그룹에 비해 주연결장치의 정확도가 높게 나온 이유를 적은 층(레이어)의 수로 인해 축적된 잔류응력이 적어 변형이 적은 것으로 설명하였다. 하지만 입천장(구개) 부위가 평면으로 재현된 벤치마크 모형을 사용한 Chen 등[15]의 연구와 달리, 구강 내 상태와 같은 곡면으로 재현된 연구 모형을 사용한 본 연구에서는 –60°군에서 층(레이어)수는 많지만 주연결장치의 정확도가 다른 군에 비해 높았고, 층(레이어)수가 가장 작은 –30°군에서는 가장 낮은 정확도를 보였다. 이것은 곡면과 평면에서 오는 결과의 차이로 보여지며, 평평한 면의 표본에서 얻어진 연구 자료를 곡면의 표본에 직업 적용하는 것에는 한계가 있고, 곡면을 갖는 금속 구조물의 정확도에 관한 연구가 필요함을 강조한 Alelaumi 등[20]의 견해와 일치한다. 층(레이어)수 보다는 곡면의 경사각, 지지대, 보강용 바가 주연결장치의 정확도와 더 관련이 있을 것으로 보이며[2,4,5,15,20], 이와 관련된 추가 연구가 필요하다.

–60°군의 #14, #17 근심 인접판과 60°군의 #15, #25 원심 인접판은 내면이 수평면과 낮은 경사각을 이루어 자동으로 생성된 얇은 지지대와 드로스가 관찰되었으며, 이는 정확도에 영향을 준 것으로 보인다.

Fig. 5의 기공의 분포와 Fig. 6의 지지대 부착 부위를 비교해 보면 지지대가 부착된 부위는 비교적 기공이 적은 것을 볼 수 있다. 이를 0°군에서 기공의 수가 가장 적은 것과 연관하여 생각해보면 열전달 및 방열과 관련된 것으로 생각된다. 0°군은 빌드 방향이 착∙탈로와 평행하여 수직으로 적층되는 층이 다른 군에 비해 많았을 것이고, 수직으로 적층되는 층은 이전의 고체 층으로 열전달이 잘 이루어져 융합이 잘되어 기공이 적게 생겼을 것이다[21]. 또 수직으로 적층되는 면이 아닌 부분들은 낮은 경사각으로 인해 지지대가 많이 형성되고, 이 지지대가 열전달 및 방열 역할을 하여 기공이 적게 생긴 것으로 보인다[19]. 반면 다른 군들에서는 수직으로 적층되는 층이 0°군에 비해 적어지고, 수평면과 이루는 경사각이 커지면서 지지대 없이 분말로 지지되는 부분이 많아진다. 분말로 지지되는 오버행의 경우 에너지 입력량에 따라 기공이 생길 가능성이 높아진다. 먼저 에너지 입력량이 높은 경우는 용융풀이 커지고 용융물이 분말 속으로 흘러 들어가 형성된 물결 모양의 윤곽에 분말 입자가 부착되어 식게 되면 그 틈이 기공으로 남을 수 있다[22]. 또한 분말의 열전달 능력이 고체 금속에 비해 1/100 밖에 안 되기 때문에[19] 전도를 통한 방열이 적절히 이루어지지 않으면 응고 시 냉각 속도가 느려져 후속 층에 대해 부분적으로 예열 역할을 하게 된다[4]. 예열된 후속 층은 흡수된 에너지가 과도해지고 용융풀이 불안정해져 기공이 생길 수 있다[4]. 반대로 에너지 입력량이 낮을 경우 용융 트랙의 폭이 작거나 불연속적이게 되어 물체 내부에 부분적으로 용융된 분말이나 불규칙한 기공이 발생할 수 있다[1,20]. 이러한 이유들로 분말로 지지되는 오버행의 경우 에너지 입력량이 적당히 조절되지 않으면 기공이 생길 가능성이 커진다. 이는 Fig. 7의 –30°군, 30°군, 60°군에서 등가직경이 100 µm 이상 200 µm 미만의 크기를 갖는 기공의 수가 늘어난 것과 관련이 있는 것으로 보이며, 기공의 생성된 원인에 관한 추가 연구가 필요하다. Kim 등[23]의 연구에서는 적층 제조 부품의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있는 임계 기공의 크기를 약 100 µm 정도로 여기는 점을 고려하면 이러한 차이는 가철성 금속 구조물의 기계적 특성에 있어 영향을 미칠 수 있는 중요한 결과로 보여진다.

Chen 등[9]의 연구에서 공정 파라미터(레이저의 출력, 스캔 속도와 방향, 해치 간격, 층 두께) 조절을 통해 기공의 크기와 수를 줄일 수 있었던 점을 착안하면, 빌드 방향이 달라지면 파라미터를 조정하거나 지지대를 수동으로 추가하는 방법 등을 고려해야 할 것으로 보인다. 전체 기공의 양보다는 하중을 받는 방향에 수직으로 형성된 기공의 모양과 크기, 인접한 기공 간의 거리, 표면에서의 떨어진 거리 등이 기공의 성장과 전파에 중요한 만큼[8], 구성 요소별로 형성된 기공이 실제 가철성 국소의치 금속 구조물의 기계적 성질에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구가 선행되어야 하며, 위해한 기공의 기준을 마련하고 그러한 기공을 줄이기 위한 공정 조건들을 찾아야 할 것이다.

이 연구에서는 장비의 해상도와 관련하여 등가 직경이 60 µm 미만의 기공은 측정이 불가능하였으며, 각 군의 시편을 1개씩만 비교하였기 때문에 이 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 중첩을 고려하여 연구 모형 제작 시 형성한 인덱스는 경사각에 따라 내면에 지지대가 형성되어 기준점으로 사용할 수 없었고, 주연결자의 정확도에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 이 연구에서는 고속 연마 시 발생하는 열이 정확도에 영향을 줄 수 있어 전해 연마 단계까지만 진행하였으나, 이 시편을 그대로 X-ray 3D CT에 사용하다 보니 표면 근처에 존재하는 내부 기공은 연마 후 표면 결함으로 남거나 제거 될 수 있어 최종적으로 완성된 가철성 국소의치의 기공률과는 차이가 있을 수 있기 때문에 추후 연구에서는 최종 연마가 끝난 시편을 사용하여 X-ray 3D CT 측정을 진행하는 것이 좋을 것으로 보인다.

본 연구는 3D 정확도 측정 시 새들을 제외한 나머지 구성 요소를 기준으로 중첩을 시행함으로써 임상 실무를 최대한 반영하려 하였으며, 설계 시 착∙탈로와 평행한 기준 바를 형성함으로써 빌드 방향을 설정하기 위한 기준을 마련한 점과 X-ray 3D CT를 통해 내부 기공을 정량적으로 분석하였다는 점에서 의미가 있다. 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치므로 임상에서 중요하게 고려해야 할 변수로 판단되며, 앞으로 이 연구에 사용된 기준과 측정 방법으로 빌드 방향과 함께 공정 파라미터, 지지대 등에 관한 다각적인 연구가 진행되어 가철성 국소의치 금속 구조물의 내부 기공 발생을 최소화하면서 정확도를 높일 수 있는 방법들을 찾아야 할 것으로 보인다.

본 연구에서는 SLM 방식에 있어 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치는지를 조사하였으며, 그 결론은 다음과 같다.

1. 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

빌드 방향에 따라 상악 전∙후방 구개바(A–P bar) 내면(조직면) 전체 영역에서의 정확도에 차이가 규명되었으며(p<0.05), 구성 요소별 비교에서는 주로 주연결장치, 레스트, 인접판, 새들의 정확도에 대한 차이가 규명되었다(p<0.05).

2. 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 내부 다공성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

빌드 방향에 따라 상악 전∙후방 구개바(A–P bar)의 내부 다공성(기공률, 기공의 분포, 등가 직경, 구형도)은 0°군과 큰 차이가 나타났으므로 내부 다공성에 관한 인과성이 입증되었다.

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

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Article

Original Article

Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(3): 73-83

Published online September 30, 2024 https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.3.73

Copyright © Korean Academy of Dental Technology.

적층 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 미치는 영향

함건희1, 김지환1,2

1고려대학교 일반대학원 보건과학과 치의기공학전공, 2고려대학교 L-HOPE 공동체-기반 토탈 러닝헬스시스템 교육연구단

Received: August 1, 2024; Revised: September 5, 2024; Accepted: September 19, 2024

Effect of build orientation on the accuracy and internal porosity of removable partial denture metal frameworks

Geon Hee Ham1 , Ji-Hwan Kim1,2

1Department of Dental Laboratory Science and Engineering, College of Health Science, Korea University Graduate School, Seoul, Korea
2L-HOPE Program for Community-Based Total 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: August 1, 2024; Revised: September 5, 2024; Accepted: September 19, 2024

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 investigate whether the accuracy and internal porosity of removable partial denture frameworks differ depending on the build direction in the selective laser melting method.
Methods: A partially edentulous maxillary study model was scanned, and the anterior–posterior palatal bar was then digitally designed. The angles formed between the z-axis and the path of the insertion and removal were divided into five groups: –60°, –30°, 0°, 30°, and 60°. For each group, three removable partial denture metal frameworks were fabricated and used as specimens. The inner surface of each sample was scanned and superimposed on the design file to obtain the root mean square (RMS) value, and the average RMS value of each group was measured. One sample was randomly selected from each group, and the equivalent diameter and sphericity of the pores were analyzed using industrial X-ray three-dimensional computed tomography. To compare statistical differences between groups, the Kruskal–Wallis test of SPSS Statistics ver. 27.0 (IBM) was used (α=0.05).
Results: The average RMS values of the whole inner surface accuracy of the specimens were in the order of –60°<0°<–30°<30°<60° (p<0.05). The equivalent diameter and sphericity of internal pores were significantly different among groups (p<0.001).
Conclusion: The build orientation of the selective laser melting method influences the accuracy and internal porosity of removable partial denture frameworks.

Keywords: Accuracy, Porosity, Removable partial denture, Selective laser melting

INTRODUCTION

선택적 레이저 용융 방식(selective laser melting, SLM)은 레이저의 고에너지 빔으로 일정한 두께의 금속 분말을 선택적으로 용융시켜 트랙별, 층별 융합을 통해 입체 금속 구조물을 형성하게 된다[1]. 일정한 두께의 층을 쌓아서 생기는 계단효과는 설계된 표면과 출력된 금속 구조물의 표면 사이에 기하학적 오차가 생기게 하며, 표면 품질을 떨어뜨린다[2]. 반복적인 금속의 용융과 응고로 인해 생긴 높은 열 변화는 잔류 응력을 형성하고, 뒤틀림이나 균열을 발생시킬 수 있다[2]. 레이저 빔이 조사되면 일정 두께로 도포된 상단의 금속 분말과 함께 하단인 이전 층의 일부가 녹아 용융풀(molten pool)을 형성한다[3]. 용융풀은 하부가 분말로 지지되는지, 이미 용융되어 응고된 고체로 지지되는지에 따라 열이 전달되는 속도가 다르고 흡수되는 열에너지의 양이 다르다[2,4]. 분말로 지지될 경우 열이 하부로 잘 전달되지 않아, 용융풀에 흡수되는 열에너지의 양이 과도해 질 수 있다. 이로 인해 용융풀의 크기가 커지면 용융물이 분말 속으로 가라앉거나, 부분 용융된 금속 분말 입자가 부착되는 드로스(dross)가 형성된다[2]. 금속 구조물이 빌드 플랫폼(build platform; 금속 구조물이 축성되는 금속판)이나, 이미 용융되어 응고된 고체 층으로 지지되지 않고 분말로 지지되는 경사진 면이나 평평한 면의 돌출된 부분을 오버행(overhang)이라고 하고, 돌출된 형상을 오버행 구조(overhang structure)이라고 한다[2]. 인접한 두 층 사이의 돌출된 길이가 길수록 수평면과 이루는 경사각이 작아지고, 뒤틀림이나 드로스가 생기는 정도가 더 심해진다[5]. 뒤틀림과 드로스를 방지하기 위해 지지대를 설치하지만, 이 지지대는 연마 과정에서 제거해야 하며 흔적을 남기게 된다[2]. 이러한 뒤틀림, 균열, 드로스, 지지대 제거 흔적, 계단 효과 등은 금속 구조물의 형상 정확도를 낮추고, 표면을 거칠게 하는 원인이 된다[2]. 거친 표면은 하중을 받았을 때 응력이 집중되고, 균열의 시작점으로 작용할 수 있어 기계적 성질에도 영향을 미친다[6]. 기계적 성질에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요인은 내부 기공이며, 다양한 크기와 모양을 갖는 기공을 비교하기 위해서는 기공과 유사한 체적, 표면적을 갖는 구의 지름을 의미하는 ‘등가 직경’과 얼마나 구형에 가까운지를 나타내는 ‘구형도’를 지표로 사용한다[7,8]. 오버행 구조의 경우 용융풀의 흐름이 불안정해져 기공이 생길 가능성이 커진다[4]. 금속 구조물은 빌드 플랫폼에서 어떠한 방향으로 축성되느냐(build orientation)에 따라 오버행 구조 여부와 오버행 정도가 달라지므로 빌드 방향에 따라 정확도나 표면 거칠기, 내부 다공성에 차이를 보인다[2,4,5,7].

SLM 방식의 제조 공정상의 고유 특성으로 인해 발생하는 형상 오차나 내부 기공 결함은 완성된 금속 구조물의 품질을 확신할 수 없어 SLM 방식을 채택하여 사용하는데 있어 큰 장벽으로 작용하였다[7]. 하지만 최근에는 3차원(three-dimensional, 3D) 중첩 소프트웨어나 X-ray 3D computed tomography (CT)를 이용하여 완성된 금속 구조물의 손상이나 파괴 없이도 정확도나 내부 결함을 측정할 수 있을 뿐만 아니라[8,9], 시뮬레이션 소프트웨어 프로그램을 통해 출력을 준비하는 과정에서 결함을 예측하고 보완하여 제작하는 단계로까지 발전하고 있다[10]. SLM 방식으로 제작된 가철성 국소의치 금속 구조물 또한 임상적으로 적용된 연구가 보고되고 있으며[11], 관련 연구들도 점차 늘고 있다[11-16].

가철성 국소의치 금속 구조물은 잔존 치아나 치은 조직에 위해 없이 제 기능을 발휘하고, 잦은 착∙탈과 저작 시 발생하는 반복하중에 저항할 수 있는 적절한 강도나 피로 강도를 지니기 위해서는 구성 요소들이 설계한 대로 정확히 제작되어야 하며[5], 내부 기공이 적고 밀도가 높아야 한다[8]. 주연결장치(major connector)가 넓고 얇으며, 클래스프나 레스트가 많은 복잡한[12] 오버행 구조인 가철성 국소의치 금속 구조물은 이러한 요구 조건을 충족하기 위해 빌드 방향이 더욱 중요하며, 이와 관련된 선행 연구들은 다음과 같다. Xie 등[13]의 연구에서는 빌드 방향에 따른 Ti-6Al-4V 클래스프 내면의 표면 거칠기, 적합성, 피로 저항성의 차이를 비교하기 위해 하악 우측 제 1대구치에 원형 클래스프를 설계하고, z축을 기준으로 클래스프 암의 종축(longitudinal axis)이 0°, 45°, 90°가 되게 기울여 세 개의 그룹을 나누어 비교한 결과 90°로 제작된 클래스프 군의 내면 표면 거칠기가 가장 낮고, 적합성과 피로 저항성이 가장 우수했다. 이때 기준이 된 종축은 교합면 방향에서 보았을 때 클래스프를 4등분하는 두 개의 축 중에 긴 축(치아의 근∙원심 방향, 클래스프의 기저부에서 유지부 방향)을 종축으로 생각한 것으로 보인다. 같은 기준의 빌드 방향 조건으로 Co-Cr-Mo 합금 클래스프의 피로 강도를 비교한 Kajima 등[6]의 연구에서도 90°로 제작된 클래스프 군의 피로 강도가 가장 높았다. Hwang 등[14]의 연구에서는 빌드 플랫폼에 횡방향(transverse-oriented)과 종방향(longitudinal)으로 제작된 상악 국소의치 금속 구조물을 석고 모형 상에 적합도를 비교한 결과는 횡방향으로 제작된 군의 적합도가 좋다고 보고하고 있으며, 그 차이는 너무 커서 정량적으로 분석하지 않았다고 하였다. 빌드 방향의 기준에 대한 더 자세한 설명은 없으나 횡방향은 플랫폼에 넓은 범위로 위치시킨 것이고, 이를 전치부를 빌드 플랫폼 쪽으로, 구치부는 상방으로 향하게 기울인 것을 종방향으로 표현하고 있다. 얼마나 기울였는지에 대한 기준은 제시되어 있지 않았다. Chen 등[15]의 연구에서는 빌드 방향이 상악 국소의치 금속 구조물의 내면 정확도에 미치는 영향을 알아보기 위해 z축을 기준으로 착∙탈로가 0°, 22.5°, 45°, 67.5°, 90°로 기울어진 5개 그룹을 비교하였으며, 주연결장치의 경우 0°군, 클래스프의 경우 0°군과 90°군에서 정확도가 높았다. 하지만 이 연구에서 사용된 연구 모형은 평면, 원뿔, 원통으로 구강 형태를 단순화한 비교평가(벤치마크) 모형이었으며, 전치 부위가 하방, 구치부가 상방을 향하는 한 방향의 기울기에서만 비교되었다.

이러한 선행 연구들을 통해 빌드 방향에 따라 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도, 표면 거칠기, 피로 강도는 이방성을 보임을 알 수 있으나, 현재까지의 연구들은 일부 구성 요소의 비교에 한정되어 있거나[6,13], 구강 내 상태를 재현한 연구 모형이 아니거나[15], 정량적인 분석이 시행되지 않은 연구[14]들이며, 특히 전체 내부 기공을 분석한 연구는 현저히 적다.

이에 본 연구는 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보고자 한다. 이 연구의 귀무가설은 “SLM 방식의 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치지 않는다”이다.

MATERIALS AND METHODS

1. 연구 모형 제작

본 실험에서 사용된 연구 모형은 다음과 같이 제작하였다. 먼저 유치악 덴티폼(D85SFE-TRM.451, Nissin Dental Products)을 상악 우측 견치(#13)와 제 1대구치(#16), 상악 좌측 제 1대구치(#26)와 제 2대구치(#27)가 결손된 케네디 분류 2급, 추가 결손 2 (Kennedy class II, mod 2)의 상악 부분 무치악 상태로 만들고, 이를 실리콘 복제를 통해 석고 모형으로 제작하였다. 석고 모형의 지대치를 국소의치에 이상적인 서베이드 치관(surveyed crown)으로 만들기 위해 서베잉(surveying) 작업으로 착∙탈로를 설정하고, 우측 측절치(#12), 우측 제 2소구치(#15), 좌측 제 2소구치(#25)의 원심면과 우측 제 1소구치(#14), 우측 제 2대구치(#17)의 근심면에 착∙탈로와 평행한 1 mm~2 mm의 유도면을 형성하였다. #14와 #17 근심부, #15 원심부에 각각 교합면 레스트시트(occlusal rest seat), #24 원심부와 #25 근심부 치아 사이에 치간교합면 레스트시트(interproximal occlusal rest seat)를 형성하고, #15와 #25 근심 협측과 #17 원심 협측의 치경 1/3 부위에 0.5 mm의 언더컷을 형성하였다. 캐드 설계와 연마 시 기준이 될 수 있게 석고 모형 상에 전∙후방 구개바(anterior–posterior palatal bar, A–P bar)를 연필로 설계한 후 이를 따라 치아 부분과 구개면에 피셔버(fissure bur)로 0.1 mm 깊이의 구를 형성하였다. 중첩을 위한 인덱스로 이용할 수 있게 구개면에 베이스가 2 mm×2 mm의 정사각형이고 높이가 2 mm인 피라미드 모양의 다면체를 전방에 1개, 후방에 2개 형성[16,17]하고, 마지막으로 한 번 더 실리콘으로 복제하여 얻어진 석고 모형을 연구 모형으로 사용하였다.

2. 상악 국소의치 금속 구조물의 설계 및 캐드 데이터 생성

3D 스캐너(Freedom HD, DOF)로 연구 모형을 스캔하고, 치과용 캐드 설계 프로그램(Partial CAD, Exocad)을 이용하여 전∙후방 구개바(A–P bar)를 설계하였다. 설측 치면은 변형되는 정도나 내부 기공률에 좀 더 민감할 수 있는 넓고 얇은 판(plate)형으로 설계하였다. 빌드 방향에 대한 각도를 부여할 수 있는 기준선으로 사용하기 위해 착∙탈로와 평행한 지름 2 mm의 바를 전방에 1개, 후방에 2개 형성하고, standard tessellation language (STL) 파일로 저장하여 캐드 데이터를 만들었다.

3. 상악 국소의치 금속 구조물 제작 및 내면(조직면)의 스캔 데이터 생성

치과용 캐드 프로그램으로 설계한 후 생성된 STL 파일을 슬라이스 프로그램(Magics 21.0, Materialise)을 이용하여 출력을 준비했다. 캐드로 설계한 STL 파일에서 #14와 #24, #17과 #27을 각각 지름 1.0 mm의 원통형 막대 형태의 보강 선으로 좌∙우측을 연결하고, 파트 복제 기능을 이용하여 총 5개의 파트를 만들었다. 착∙탈로와 평행하게 형성된 바가 z축(build direction)과 평행한 상태를 0°로 정했다. 0°를 기준으로 전치 부위가 하방을 향하고 대구치 부위가 상방을 향하는 방향을 양의 방향, 그 반대를 음의 방향으로 설정하여 Fig. 1과 같이 –60°, –30°, 0°, 30°, 60° 각도로 기울여 –60°군, -30°군, 0°군, 30°군, 60°군으로 5개의 그룹을 만들었다.

Figure 1. Schematic diagram of the build orientation of five groups.

Fig. 2와 같이 빌드 플랫폼에 위치시킨 후, 자동설정 방법으로 그리드 트리 복합 지지대(grid-tree composite support structures)를 설정하고, 이를 슬라이싱 후 금속 3D 프린터(Dual-150, Riton)로 출력하였다. 이때 분말은 Co (63.9%), Cr (24.7%), W (5.4%), Mo (5.0%), Si (1.0%)로 조성된 금속 분말(Mediloy S-CO, BEGO)을 사용하였으며, 한 층의 두께는 30 µm였다. 5개의 그룹별로 각각 3개씩 총 15개의 시편을 출력하였으며, 빌드 플랫폼에 부착된 상태로 열처리 한 후 제거하였다. 지지대 제거부터 전해연마 단계까지 진행한 후 내면(조직면)에 3D 스캔용 스프레이(EASY SCAN Spray, Alphadent)를 도포하고, 3D 스캐너(MD-ID200, Medit)를 이용해 출력물의 내면(조직면)의 스캔 데이터를 만들었다. 각 시편 당 3회씩 스캔하여 STL 파일로 저장하였으며, 총 45개의 스캔 데이터를 만들었다.

Figure 2. Support structure installation in Magics 21.0 (Materialise). (A) Bottom view, (B) side view.

4. 3차원(3D) 편차 분석

정확도의 비교는 3D 데이터 검사 소프트웨어(Geomagic Verify 64, 3D Systems)를 사용하였다. 캐드로 설계하여 저장했던 STL 파일을 3D 데이터 검사 소프트웨어의 메시 분할과 병합 기능을 사용하여 Fig. 3A와 같이 영역을 나누었다. 개별 치아 당 구분한 영역은 인접판(proximal plate) 5개 영역, 레스트(rest) 4개 영역, 클래스프 파지부(clasp bracing arm) 3개 영역, 클래스프 유지부(clasp retentive arm) 3개 영역이고, 설측판(lingual plate)의 경우는 변수의 개수가 지나치게 많아지는 것을 막기 위해 #12~23, #14~15, #24~25, #17의 4개 영역으로 나누었다. 주연결장치와 새들(saddle)은 각각 하나의 영역으로 하였다(Fig. 3). 구성 요소별로 총 21개의 영역으로 나눠진 캐드 데이터를 기준 데이터로 정하고, 출력물의 내면(조직면)을 스캔한 데이터를 실험 데이터로 정하였다. Fig. 3B와 같이 새들을 제외한 나머지 구성 요소들을 선택하고 ‘베스트 핏 정렬’로 중첩하여 내면(조직면) 전체 영역 1개와 구성 요소별 21개의 영역을 합한 총 22개 영역에서 두 데이터의 편차인 root mean square (RMS)의 수치를 얻었다. 이때 RMS의 수치가 ±50 µm 미만은 컬러 맵에서 녹색으로 표시되고, 최소 변위로 판단하였으며, ±50 µm 이상~311 µm 미만은 임상적 허용이 가능한 정도로, ±311 µm 이상은 임상적 허용이 가능하지 않은 것으로 판단하였다. 양의 편차는 실험 데이터가 기준 데이터 보다 내면(조직면) 방향으로 변위된 것을 나타내며, 노란색에서 빨간색으로 갈수록 편차가 커지고, 음의 편차는 연마면 방향으로의 변위를 나타내며, 하늘색에서 파란색으로 갈수록 편차가 커진다. 이 수치는 Soltanzadeh 등[17]과 Tasaka 등[18]의 연구 기준을 근거로 설정하였으며, 시편 당 영역별로 3개씩 얻어진 RMS 수치의 평균값을 측정값으로 하였다.

Figure 3. (A) Split mesh by component and (B) area selected during optimal alignment.

5. 내부 기공의 측정 및 분석

각 그룹에서 1개의 시편을 무작위 추출하여 표본으로 선택하였으며, 내부 기공은 최대 240 kV 출력, 최대 0.5 µm 해상도를 갖는 산업용 X-ray 3D CT (Phoenix V|tome|x M240, Baker Hughes)를 사용하여 측정하고, 결과는 산업용 CT 볼륨 그래픽 소프트웨어(myVGL, Volume Graphics)를 사용하여 분석하였다. 그룹 간 기공률, 기공의 분포, 기공의 수, 등가직경, 구형도 등을 비교하였다.

6. 통계분석

본 연구는 그룹 간에 정확도와 내부 기공의 등가 직경 및 구형도에 차이가 있는지를 검증하기 위해 통계 분석 프로그램(SPSS Statistics ver. 27.0, IBM)을 사용하여 비모수 검정인 크루스칼–왈리스 검정(Kruskal–Wallis test)을 실시하였다(유의수준 α=0.05).

RESULTS

1. 정확도 비교

상악 전·후방 구개바(A–P bar)의 내면(조직면) 전체를 하나의 영역으로 측정하여 얻은 RMS의 평균값은 –60°군<0°군<–30°군<30°군<60°군 순이었으며, 통계적으로 그룹 간에 유의한 차이를 보였다(Table 1). 구성 요소별 21개 영역에서 그룹별로 비교한 결과는 5개의 인접판 중 4개(#14, #15, #17, #25), 4개의 레스트 중 3개(#14, #15, #24∙25), 3개의 클래스프 파지부 중 1개(#15), 3개의 클래스프 유지부 중 1개(#17), 4개의 설측판 영역 중 1개(#24~25), 주연결장치, 새들 총 21개의 영역 중 12개 영역에서 그룹 간에 통계적인 차이를 보였다. 구성 요소별 RMS의 평균값 중 가장 큰 수치는 60°군의 #24∙25 치간교합면 레스트에서 315.5±21.3 µm를 나타냈고, 가장 작은 수치는 –30°군의 #15 원심 인접판에서 44.4±10.3 µm였다. 60°군의 #24∙25 치간교합면 레스트와 #25 원심 인접판(311.5±53.0 µm)에서만 임상적 허용범위를 벗어났으며, 나머지 군별 구성 요소는 임상적 허용범위 내에 존재하였다.

Table 1 . Mean±SD of RMS in five groups (unit: µm).

ComponentNumberMean±SDp-value

–60°–30°30°60°
#14 Mesial occlusal rest3219.6±12.6186.6±19.3104.5±16.9126.3±23.6117.5±23.60.023*
#15 Distal occlusal rest366.5±4.967.9±19.358.9±10.0106.7±16.1123.0±26.10.029*
#24∙25 Interproximal occlusal rest393.6±11.4109.6±15.071.3±3.8143.9±6.5315.5±21.30.010*
#17 Mesial occlusal rest380.3±11.475.7±39.2141.2±47.3117.4±13.560.7±6.40.082
Major connector380.7±7.8114.1±16.883.6±5.586.3±4.7113.1±8.60.032*
Whole inner surface394.3±8.3110.8±19.2109.9±10.6112.7±6.8149.7±8.50.045*

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05)..

SD: standard deviation, RMS: root mean square..

*Mean difference significant (p<0.05)..



Table 1은 레스트와 주연결장치, 내면(조직면) 전체의 RMS의 평균값을 비교한 표이다. 레스트는 대구치인 #17만 60°군, 나머지 소구치는 0°군에서 가장 작은 RMS의 평균값을 나타냈으며, 소구치에서만 그룹별로 통계적인 차이를 보였다. 주연결장치의 RMS의 평균값은 –60°군에서 가장 작고, –30°군에서 가장 크게 나타났다. 표로 나타나지는 않았지만 #17과 관련된 모든 구성 요소, 즉, 근심 레스트, 클래스프 파지부, 클래스프 유지부, 근심 인접판, 설측판은 다른 군에 비해 60°군에서 가장 작은 RMS의 평균값을 보였으며, #17과 관련된 구성 요소는 인접판과 클래스프 유지부에서만 그룹별 통계적 차이를 보였다. Fig. 4는 캐드 데이터를 기준으로 출력물의 스캔 데이터를 중첩 시켰을 때 내면(조직면)의 편차를 시각적으로 보여주는 컬러 맵이다.

Figure 4. Color map of the differences in the inner shape of the five groups.

2. 내부 기공 비교

Table 2는 각 군별로 시편의 전체 부피에서 기공의 부피가 차지하는 비율인 기공률을 나타내는 표이며 기공률이 낮을수록 밀도가 높다. 부피의 합은 워낙 큰 수치이므로 지수로 표기 시 군별 비교가 어려워 대략적인 값도 함께 표기하였다. 결과를 보면 0°군의 기공률이 0.72%로 다른 군에 비해 낮아 밀도가 가장 높게 나타났다(Table 2).

Table 2 . Porosity in five groups.

–60°–30°30°60°
∑Pore volume (µm3)3E+10
(≒2.66×1010)
2E+10
(≒1.66×1010)
1E+10
(≒1.25×1010)
3E+10
(≒2.70×1010)
2E+10
(≒2.46×1010)
Material volume (µm3)2E+12
(1.76×1012)
2E+12
(1.66×1012)
2E+12
(1.74×1012)
2E+12
(1.67×1012)
2E+12
(1.64×1012)
Porosity (%)1.511.000.721.611.50


Fig. 5는 등가 직경을 기준으로 기공의 크기를 분류하고, 색깔로 구분함으로써 기공의 크기, 모양, 분포를 시각적으로 보여준다. Fig. 6은 연마면에 부착되는 지지대의 위치를 나타낸다. 오른쪽 하단의 a와 같이 변연부와 나머지 해당 그룹의 하늘색으로 표시된 부위에 지지대가 부착된다. Fig. 5Fig. 6을 비교하면 지지대가 부착된 부위에는 기공의 수가 비교적 적은 것을 볼 수 있다.

Figure 5. Pore distribution in five groups.

Figure 6. Position of support attachment on the polishing surface of the five groups and line support attachment area viewed from the bottom in Magics (a).

Fig. 7은 등가직경에 따른 기공의 빈도수를 나타낸 그래프이다.

Figure 7. Frequency of equivalent diameter for five groups.

Table 3은 각 군별 기공의 등가 직경과 구형도의 평균을 나타내며, 그룹 간에 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.001).

Table 3 . Mean±SD of equivalent diameter and sphericity in five groups.

–60°–30°30°60°p-value
Number31,05623,45915,39732,54632,186
Equivalent diameter (µm)104.92±36.35100.26±32.49100.56±40.80105.39±34.47102.88±33.02<0.001
Sphericity0.65±0.070.66±0.070.70±0.080.65±0.070.65±0.07<0.001

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05)..

SD: standard deviation..


DISCUSSION

SLM 방식은 빌드 플랫폼에 물체를 어떻게 위치시키느냐에 따라 필요한 지지대의 양이 달라진다[2]. 본 연구의 가철성 국소의치 금속 구조물에서도 빌드 방향이 다른 5개 그룹의 시편에 구성 요소별로 지지대의 위치와 양이 다르게 부착되었다(Fig. 6). Table 1에서 #17 레스트는 60°군에서, 나머지 소구치의 레스트는 0°군에서 정확도가 가장 높았다. 이것은 소구치의 경우 Fig. 1Fig. 6에서 확인 할 수 있듯이 0°군에서 경사각이 가장 낮아 넓은 범위로 더 많은 지지대가 부착되고, 지지대의 방열과 고정의 역할로 인해 뒤틀림이 감소한 것으로 보인다[14,15]. 이와 달리 #17 대구치의 정확도는 레스트 뿐만 아니라 관련된 구성 요소들 모두에서 다른 군에 비해 60°군에서 정확도가 가장 높았다. Fig. 2B에서 빨간색 표시 부위와 Fig. 6의 60°군의 빨간색 화살표가 향하는 부위의 하늘색으로 표시된 지지대의 부착부위를 보면 근심 인접판 쪽에만 지지대가 부착되고 상방으로는 부착되지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 Cao 등[19]의 연구에서 시편이 빌드 플랫폼의 수평면과 이루는 각이 75° 이상 90°에 가까울수록 지지대가 있는 경우에 비해 없는 경우의 치수 정확도가 더 높은 것과 일치하는 결과로 볼 수 있다. 또 Chen 등[15]의 연구에서도 착∙탈로가 z축과 90°인 군의 경우 클래스프의 위치는 #17의 빌드 방향과 유사해지며, 이러한 방향에서 클래스프의 정확도가 높게 나타났던 것과도 같은 결과이다. 반면에 Xie 등[13]의 연구에서는 클래스프 장축을 기준으로 한 0°군은 90°군보다 정확도가 떨어졌는데 이는 이 본 연구와 다른 결과이나, Xie 등[13]의 연구에서 0°군의 내면에 지지대를 설치하여 이를 제거하는 과정에서 정확도에 영향을 미쳤을 것으로 언급하고 있어 이 점이 본 연구 결과와 차이를 가져온 것으로 보인다. #17 클래스프와 같은 빌드 방향은 Xie 등[13]과, Kajima 등[6]의 연구에서 피로 저항성은 낮았으며, Cao 등[19]의 연구에서도 지지 구조가 없을 때 잔류응력의 수치는 약간 낮지만 불균일하게 분포되어 더 파괴적이라고 설명하고 있어 피로 저항성에 대한 추가 연구가 필요하다.

Fig. 4의 컬러 맵 비교에서 다른 레스트에 비해 크기가 큰 #24∙25 치간 교합면 레스트는 30°군과, 60°군에서 내면(조직면) 방향으로의 변위가 두드러진다. 이 각도의 빌드 방향에서 레스트 근심 부위는 오버행 구조가 되고, 설측판과 레스트가 동시에 적층되면서 이어지는 연결 부위는 얇아 뒤틀림에 취약할 수 있는 형태이다. 이에 반해 레스트 하부 표면은 수평면과 이루는 경사각이 커서 지지대의 수가 매우 적게 부착되어(Fig. 6) 방열과 고정의 역할을 제대로 해주지 못한 것으로 생각된다. 처음부터 휘어지기 시작한 것은 적층이 증가함에 따라 점점 더 심각하게 뒤틀린 것으로 보인다[5].

Chen 등[15]의 연구에서 착∙탈로가 z축과 이루는 각이 0°인 군이 다른 각도의 그룹에 비해 주연결장치의 정확도가 높게 나온 이유를 적은 층(레이어)의 수로 인해 축적된 잔류응력이 적어 변형이 적은 것으로 설명하였다. 하지만 입천장(구개) 부위가 평면으로 재현된 벤치마크 모형을 사용한 Chen 등[15]의 연구와 달리, 구강 내 상태와 같은 곡면으로 재현된 연구 모형을 사용한 본 연구에서는 –60°군에서 층(레이어)수는 많지만 주연결장치의 정확도가 다른 군에 비해 높았고, 층(레이어)수가 가장 작은 –30°군에서는 가장 낮은 정확도를 보였다. 이것은 곡면과 평면에서 오는 결과의 차이로 보여지며, 평평한 면의 표본에서 얻어진 연구 자료를 곡면의 표본에 직업 적용하는 것에는 한계가 있고, 곡면을 갖는 금속 구조물의 정확도에 관한 연구가 필요함을 강조한 Alelaumi 등[20]의 견해와 일치한다. 층(레이어)수 보다는 곡면의 경사각, 지지대, 보강용 바가 주연결장치의 정확도와 더 관련이 있을 것으로 보이며[2,4,5,15,20], 이와 관련된 추가 연구가 필요하다.

–60°군의 #14, #17 근심 인접판과 60°군의 #15, #25 원심 인접판은 내면이 수평면과 낮은 경사각을 이루어 자동으로 생성된 얇은 지지대와 드로스가 관찰되었으며, 이는 정확도에 영향을 준 것으로 보인다.

Fig. 5의 기공의 분포와 Fig. 6의 지지대 부착 부위를 비교해 보면 지지대가 부착된 부위는 비교적 기공이 적은 것을 볼 수 있다. 이를 0°군에서 기공의 수가 가장 적은 것과 연관하여 생각해보면 열전달 및 방열과 관련된 것으로 생각된다. 0°군은 빌드 방향이 착∙탈로와 평행하여 수직으로 적층되는 층이 다른 군에 비해 많았을 것이고, 수직으로 적층되는 층은 이전의 고체 층으로 열전달이 잘 이루어져 융합이 잘되어 기공이 적게 생겼을 것이다[21]. 또 수직으로 적층되는 면이 아닌 부분들은 낮은 경사각으로 인해 지지대가 많이 형성되고, 이 지지대가 열전달 및 방열 역할을 하여 기공이 적게 생긴 것으로 보인다[19]. 반면 다른 군들에서는 수직으로 적층되는 층이 0°군에 비해 적어지고, 수평면과 이루는 경사각이 커지면서 지지대 없이 분말로 지지되는 부분이 많아진다. 분말로 지지되는 오버행의 경우 에너지 입력량에 따라 기공이 생길 가능성이 높아진다. 먼저 에너지 입력량이 높은 경우는 용융풀이 커지고 용융물이 분말 속으로 흘러 들어가 형성된 물결 모양의 윤곽에 분말 입자가 부착되어 식게 되면 그 틈이 기공으로 남을 수 있다[22]. 또한 분말의 열전달 능력이 고체 금속에 비해 1/100 밖에 안 되기 때문에[19] 전도를 통한 방열이 적절히 이루어지지 않으면 응고 시 냉각 속도가 느려져 후속 층에 대해 부분적으로 예열 역할을 하게 된다[4]. 예열된 후속 층은 흡수된 에너지가 과도해지고 용융풀이 불안정해져 기공이 생길 수 있다[4]. 반대로 에너지 입력량이 낮을 경우 용융 트랙의 폭이 작거나 불연속적이게 되어 물체 내부에 부분적으로 용융된 분말이나 불규칙한 기공이 발생할 수 있다[1,20]. 이러한 이유들로 분말로 지지되는 오버행의 경우 에너지 입력량이 적당히 조절되지 않으면 기공이 생길 가능성이 커진다. 이는 Fig. 7의 –30°군, 30°군, 60°군에서 등가직경이 100 µm 이상 200 µm 미만의 크기를 갖는 기공의 수가 늘어난 것과 관련이 있는 것으로 보이며, 기공의 생성된 원인에 관한 추가 연구가 필요하다. Kim 등[23]의 연구에서는 적층 제조 부품의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있는 임계 기공의 크기를 약 100 µm 정도로 여기는 점을 고려하면 이러한 차이는 가철성 금속 구조물의 기계적 특성에 있어 영향을 미칠 수 있는 중요한 결과로 보여진다.

Chen 등[9]의 연구에서 공정 파라미터(레이저의 출력, 스캔 속도와 방향, 해치 간격, 층 두께) 조절을 통해 기공의 크기와 수를 줄일 수 있었던 점을 착안하면, 빌드 방향이 달라지면 파라미터를 조정하거나 지지대를 수동으로 추가하는 방법 등을 고려해야 할 것으로 보인다. 전체 기공의 양보다는 하중을 받는 방향에 수직으로 형성된 기공의 모양과 크기, 인접한 기공 간의 거리, 표면에서의 떨어진 거리 등이 기공의 성장과 전파에 중요한 만큼[8], 구성 요소별로 형성된 기공이 실제 가철성 국소의치 금속 구조물의 기계적 성질에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구가 선행되어야 하며, 위해한 기공의 기준을 마련하고 그러한 기공을 줄이기 위한 공정 조건들을 찾아야 할 것이다.

이 연구에서는 장비의 해상도와 관련하여 등가 직경이 60 µm 미만의 기공은 측정이 불가능하였으며, 각 군의 시편을 1개씩만 비교하였기 때문에 이 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 중첩을 고려하여 연구 모형 제작 시 형성한 인덱스는 경사각에 따라 내면에 지지대가 형성되어 기준점으로 사용할 수 없었고, 주연결자의 정확도에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 이 연구에서는 고속 연마 시 발생하는 열이 정확도에 영향을 줄 수 있어 전해 연마 단계까지만 진행하였으나, 이 시편을 그대로 X-ray 3D CT에 사용하다 보니 표면 근처에 존재하는 내부 기공은 연마 후 표면 결함으로 남거나 제거 될 수 있어 최종적으로 완성된 가철성 국소의치의 기공률과는 차이가 있을 수 있기 때문에 추후 연구에서는 최종 연마가 끝난 시편을 사용하여 X-ray 3D CT 측정을 진행하는 것이 좋을 것으로 보인다.

본 연구는 3D 정확도 측정 시 새들을 제외한 나머지 구성 요소를 기준으로 중첩을 시행함으로써 임상 실무를 최대한 반영하려 하였으며, 설계 시 착∙탈로와 평행한 기준 바를 형성함으로써 빌드 방향을 설정하기 위한 기준을 마련한 점과 X-ray 3D CT를 통해 내부 기공을 정량적으로 분석하였다는 점에서 의미가 있다. 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치므로 임상에서 중요하게 고려해야 할 변수로 판단되며, 앞으로 이 연구에 사용된 기준과 측정 방법으로 빌드 방향과 함께 공정 파라미터, 지지대 등에 관한 다각적인 연구가 진행되어 가철성 국소의치 금속 구조물의 내부 기공 발생을 최소화하면서 정확도를 높일 수 있는 방법들을 찾아야 할 것으로 보인다.

CONCLUSIONS

본 연구에서는 SLM 방식에 있어 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도와 내부 다공성에 영향을 미치는지를 조사하였으며, 그 결론은 다음과 같다.

1. 빌드 방향이 가철성 국소의치 금속 구조물의 정확도에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

빌드 방향에 따라 상악 전∙후방 구개바(A–P bar) 내면(조직면) 전체 영역에서의 정확도에 차이가 규명되었으며(p<0.05), 구성 요소별 비교에서는 주로 주연결장치, 레스트, 인접판, 새들의 정확도에 대한 차이가 규명되었다(p<0.05).

2. 빌드 방향은 가철성 국소의치 금속 구조물의 내부 다공성에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

빌드 방향에 따라 상악 전∙후방 구개바(A–P bar)의 내부 다공성(기공률, 기공의 분포, 등가 직경, 구형도)은 0°군과 큰 차이가 나타났으므로 내부 다공성에 관한 인과성이 입증되었다.

ACKNOWLEDGEMENTS

None.

FUNDING

None to declare.

CONFLICT OF INTEREST

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

Fig 1.

Figure 1.Schematic diagram of the build orientation of five groups.
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Fig 2.

Figure 2.Support structure installation in Magics 21.0 (Materialise). (A) Bottom view, (B) side view.
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Fig 3.

Figure 3.(A) Split mesh by component and (B) area selected during optimal alignment.
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Fig 4.

Figure 4.Color map of the differences in the inner shape of the five groups.
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Fig 5.

Figure 5.Pore distribution in five groups.
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Fig 6.

Figure 6.Position of support attachment on the polishing surface of the five groups and line support attachment area viewed from the bottom in Magics (a).
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Fig 7.

Figure 7.Frequency of equivalent diameter for five groups.
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Table 1 . Mean±SD of RMS in five groups (unit: µm).

ComponentNumberMean±SDp-value

–60°–30°30°60°
#14 Mesial occlusal rest3219.6±12.6186.6±19.3104.5±16.9126.3±23.6117.5±23.60.023*
#15 Distal occlusal rest366.5±4.967.9±19.358.9±10.0106.7±16.1123.0±26.10.029*
#24∙25 Interproximal occlusal rest393.6±11.4109.6±15.071.3±3.8143.9±6.5315.5±21.30.010*
#17 Mesial occlusal rest380.3±11.475.7±39.2141.2±47.3117.4±13.560.7±6.40.082
Major connector380.7±7.8114.1±16.883.6±5.586.3±4.7113.1±8.60.032*
Whole inner surface394.3±8.3110.8±19.2109.9±10.6112.7±6.8149.7±8.50.045*

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05)..

SD: standard deviation, RMS: root mean square..

*Mean difference significant (p<0.05)..


Table 2 . Porosity in five groups.

–60°–30°30°60°
∑Pore volume (µm3)3E+10
(≒2.66×1010)
2E+10
(≒1.66×1010)
1E+10
(≒1.25×1010)
3E+10
(≒2.70×1010)
2E+10
(≒2.46×1010)
Material volume (µm3)2E+12
(1.76×1012)
2E+12
(1.66×1012)
2E+12
(1.74×1012)
2E+12
(1.67×1012)
2E+12
(1.64×1012)
Porosity (%)1.511.000.721.611.50

Table 3 . Mean±SD of equivalent diameter and sphericity in five groups.

–60°–30°30°60°p-value
Number31,05623,45915,39732,54632,186
Equivalent diameter (µm)104.92±36.35100.26±32.49100.56±40.80105.39±34.47102.88±33.02<0.001
Sphericity0.65±0.070.66±0.070.70±0.080.65±0.070.65±0.07<0.001

Determined significance by Kruskal–Wallis test (α=0.05)..

SD: standard deviation..


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Journal of Technologic Dentistry

eISSN 2288-5218
pISSN 1229-3954
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