Application of 3D printer in dental clinic

치과 진료실에서 3D 프린트의 활용

Abstract

3D printing is a process of producing 3d object from a digital file in STL format by joining, bonding, sintering or polymerizing small volume elements by layer. The various type of 3d printing is classified according to the additive manufacturing strategies. Among the types of 3D printer, SLA(StereoLithography Apparatus) and DLP(Digital Light Processing) 3D printer which use polymerization by light source are widely used in dental office. In the previous study, a full-arch scale 3d printed model is less precise than a conventional stone model. However, in scale of quadrant arch, a 3d printed model is significantly precise than a five-axis milled model. Using $3^{rd}$ Party dental CAD program, full denture, provisional crowns and diagnostic wax-up model are fabricated by 3d printer in dental office. In Orthodontics, based on virtual setup model, indirect bracket bonding tray can be generated by 3d printer. And thermoforming clear aligner can be fabricated on the 3d printed model. 3D printed individual drilling guide enable the clinician to place the dental implant on the proper position. The development of layer additive technology enhance the quality of 3d printing object and shorten the operating time of 3D printing. In the near future, traditional dental laboratory process such as casting, denture curing will be replaced by digital 3D printing.

3D 프린팅은 삼차원 이미지 정보를 이용하여 레이어로 분할한 후 선택한 소재를 적층하여 가공하는 방법을 말한다. 소재를 적층하는 방법에 따라 다양한 종류의 3D 프린팅이 존재하는데 최근 치과분야에서는 SLA방식과 DLP방식으로 광원을 이용한 경화를 통해 적층 가공하는 3D 프린팅이 널리 보급되어 사용되고 있다. 전악 범위의 3D프린팅 치과용 모델은 전통적인 인상 채득으로 제작된 스톤모델보다는 다소 정확성이 부족한 것으로 보고되었으나, 같은 STL파일을 이용하여 4분악 범위를 3D 프린팅한 모델은 밀링 방법으로 가공한 모델보다 정확하였다. 디자인 소프트웨어의 활용도에 따라 보철치료의 진단, 임시 보철물의 제작, 의치의 제작이 가능하였다. 교정에서는 투명 교정 모델과 브라켓 간접 부착을 위한 트레이 제작이 가능하였다. 임플란트 수술에 있어서 CT를 기반으로 한 정확한 위치에 임플란트를 식립하는 가이드 제작에 활용하고 있다. 출력 방식의 발전으로 인하여 3D 프린터의 출력시간이 계속적으로 단축되고 있으며, 이로 인해 치과 진료실 내에서 3D 프린터가 기존의 전통적인 가공 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

Fig. 8. Milling방식과 프린터 출력방식의 정확성 비교 (A) Milling 가공물의 중첩 결과 (B) 3D 프린터의 출력 결과

Fig. 9. 지르코니아 또는 메탈 abrader를 이용하여 (왼쪽)3D 프린터 레진 (가운데) 밀링된 레진 (오른쪽) 자가중합형 레진의 wear volume loss의 비교

Fig. 17. Dentiq guide(Dentis) 소프트웨어를 이용하여 (A) 스캔데이터와 CT데이터를 정합 (B) 임플란트 위치 선정 (C) 드릴링 키트와 호환되도록 가이드 디자인 (D) 치아지지가 아닌 연조직지지 완전무치악의 경우 필요한 별도의 고정 anchor 모식도

Fig. 1. (A) FDM 방식 3D 프린터의 원리 (B) FDM 방식으로 3D 프린팅한 결과물

Fig. 2. (A) Polyjet 방식 3D 프린터의 원리 (B) Polyjet 방식으로 3D 프린팅한 결과물

Fig. 3. (A) SLA 방식 3D 프린터의 원리 (B) SLA 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on https://www.3dnatives.com/en/stereolithography-explained100420174/)

Fig. 4. (A) DLP 방식 3D 프린터의 원리 (B) DLP 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on http://www.zenith3d.co.kr/content/01products/01_07.php#none)

Fig. 5. (A) SLS 방식 3D 프린터의 원리 (B) SLS 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on https://3dprintingindustry.com/news/graphite-additive-manufacturing-tell-3d-printing-invest-sls-3d-printer-126826/)

Fig. 6. Direct Metal Printing 방식으로 3D 프린팅한 (A) denture metal framework (B) Crown and Bridge metal coping (cited on http://www.machiningnews.com)

Fig. 7. (a) Stone model by Conventional method (b) digital model (c) 3D printed model

Fig. 10. (왼쪽) 최소 출력 가능한 단위를 10㎛부터 200㎛까지 디자인한 모델을 (오른쪽) 클리어 레진 블록 형태로 출력하여 XY 해상도를 확인한다.(cited on www.formlabs.com)

Fig. 11. (A) X, Y, Z축 제원을 가진 cube design (B) 보정작업을 위해 출력된 cube의 실제 측정 (cited on www.all3dp.com)

Fig. 12. (A) 최종보철물 형태를 소프트웨어 상에서 디자인 (B) mock-up 가이드를 디자인함 (C) 탄성이 있는 출력소재로 mock-up 가이드 출력

Fig. 13. (A) mesh형태의 치아형성 전, 치아형성 후 디지털 모델을 중첩하여 (B) 두 mesh의 차이부분을 상쇄하게 되면, 임시치아 디자인 생성됨 (C) 광경화 레진으로 출력 후 구강내에 시적한 모습

Fig. 14. (A) 상하악 인상체와 상하악 악관관계를 스캔 (B) Exocad 소프트웨어 상에서 치은형성 및 인공치 배열 (C) 치은 베이스만 구분해서 출력하기 위한 디지털 모델 파일 (D) 인공치부분을 별도로 출력하여 베이스 출력 부분과 결합 (cited on www.exocad.com)

Fig. 15. (왼쪽) DICAO(Dentis) 소프트웨어를 이용하여 Virtual Setup을 하는 과정 (오른쪽) 단계별로 제작된 모델을 출력하여 진공성형기로 투명교정장치를 제작한 모습

Fig. 16. (A) Suresmile(Densply Sirona) 소프트웨어를 이용하여 IDB tray를 디자인하는 과정 (B) 기성 브라켓을 IDB tray상에 고정하여 환자에게 부착하기 위해 준비된 모습 (cited on www.suresmile.com)

Fig. 18. (A) 골결손부에 환자맞춤형으로 bone scaffold를 3D 프린팅 (B) 치조골 이식을 위해 환자맞춤형 타이타늄 mesh 3D 프린팅

Fig. 19. (A) Carbon 3D사의 CLIP 방식 3D 프린터 (B) CLIP 출력 방식의 개념

Table 1. 3D 프린터의 원리에 따른 분류

Table 2. 치과용 3D printing 소재(cited on www.nextdent.com, www.formlabs.com, www.zenithd.co.kr, www.springray.com)