[교정임상] 디지털 치아교정에서 FDM 방식 3D프린터의 활용

엘레메트릭스의 다양한 활용법⑧

전 산업분야에 걸쳐 디지털화가 가속화되고 있는 가운데, 치과영역 역시 디지털에 기반한 새로운 임상 패러다임이 대거 형성됐다. 특히, 교정 분야에서의 디지털화는 더욱 빨라져, 하루가 다르게 새로운 하드웨어와 소프트웨어 그리고 술식들이 등장하며 격변의 새 시대를 예고하고 있다. 본지는 오라메트릭스社의 교정 시스템을 중심으로 디지털 시대의 새로운 교정 패러다임을 짚어보기로 했다. 본 연재는 엘레메트릭스코리아 Faculty 박서정 원장(용인 트리베일러치과)을 중심으로 오철교 원장(송도 오케이치과), 김희철 원장(W화이트치과) 등이 함께 이끌어갈 예정이다.

얼마 전 미국에서는 3D프린터를 이용해 플라스틱 총기를 만들 수 있는 설계도의 인터넷 공개 여부를 놓고 뜨거운 찬반 논쟁이 벌어졌다는 뉴스가 있었다. 3D프린터란 것이 애들 장난감 정도의 수준이라고 생각했을 많은 사람들은 충격과 공포에 휩싸였을 것이다. 3D프린터의 발전이 디지털 가상세계를 현실화시키는데 과연 어디까지 가능하게 할지 자못 궁금해진다. *그림 1

마찬가지로 치과계에서도 3D프린터의 이용 범위가 점점 넓어지고 있는 상황이다. 선두는 역시 가장 큰 비중을 차지하는 보철 분야에서 왕성하게 연구 개발되고 있다. 그 뒤를 이어 외과 수술과 치아 교정 분야에서도 조금씩 활용도를 높여가고 있는 중이다. 현재 디지털 교정 분야에서는 3D프린터로 진단이나 최종모형, 다수의 투명교정용 모델을 제작해서 이용한다. 또한 IDB 트레이 같은 특수한 디지털 장치를 출력해서 간접 브라켓팅을 쉬우면서도 빠르고 정확하게 처리할 수도 있다. *그림 2

현재 시중에서는 여러 종류의 3D프린터가 출시되어 있으므로 치료 목적에 맞는 적절한 프린터의 선택이 필요하다. 이번 글에서는 일반적으로 가장 흔하게 유통되고 있으며 상대적으로 저가인 FDM 방식 3D프린터를 이해하고 치과적인 사용을 위해 어떠한 문제점을 극복해야 하는지 알아볼 것이다.
이 프린터를 디지털 치의학에서 다양하게 이용할 수 있다면 가장 큰 걸림돌인 장비나 재료에 대한 ‘가격’의 문턱을 현저히 낮춰 줄 것임이 자명하다. *그림 3

먼저 FDM 방식의 3D프린터에 대해 간단히 살펴보자. FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 필라멘트 형태의 열 가소성 수지를 노즐 안에서 녹인 후 밀어내어 층층이 쌓아 올려 모형을 만드는 방식이다.
미국 Stratasys가 처음 개발하여 이후 많은 발전이 이루어졌다. 최근 유행하는 액체 레진을 광중합하여 사용하는 프린터에 비하면 매우 원시적인 방식이라 하겠다.
출력물 표면에는 특유의 등고선 같은 층진 형태가 나타나서 비교적 거친 표면을 형성하는 것이 일반적이다. 또한 질량을 가진 노즐이 일정한 속도로 움직이면서 출력하기 때문에 각지고 뾰쪽한 형태를 정교하게 재현하기에는 다소 어려움이 있다.
이러한 단점에도 불구하고 이 프린터를 쉽게 버릴 수 없는 확실한 장점들이 존재한다. 저렴한 비용 외에도 추가적인 보조 장비나 후 작업이 필요 없으며, 높은 출력 성공률로 간편한 사용이 가능하다. *그림 4

아무리 경제적이고 편리하다고 해도 출력물이 치과 진료에 맞는 ‘외형과 정밀도’를 갖추지 못한다면 무슨 소용이 있을까? 시중에 판매되는 FDM 3D프린터를 구입해서 필요한 모델을 출력해 보라. 깜짝 놀랄 것이다. 정밀도는 차치하고라도 제대로 형태도 갖추지 못한 너저분한 녀석과 마주하게 될 것이다.
FDM 3D프린터를 치과용으로 사용하려면 거기에 상응하는 정확한 출력물이 필요하다. 그 중에서 가장 중요한 것이 노즐의 정교한 그리기 능력이다. 안정된 그리기 능력이야 말로 정확한 출력물의 기초가 된다. 여기에 부수적으로 저렴한 가격, 환자가 보기에도 그럴듯한 디자인, 소음과 냄새 등도 거의 없는 장비라면 더할 나위 없을 것이다. *그림 5

그리기 능력이 좋은 장비가 선택되었다면 이제는 소프트웨어의 설정 값을 맞춰야한다. 아무리 좋은 장비라도 치과 용도에 맞는 설정 값이 없다면 애들 장난감에 불과하다. 이 설정 값은 장비, 재료, 출력물의 특성에 따라 완전히 달라지므로 ‘은근과 끈기’라는 민족정신을 살려 창의적인 가설을 세우고 시행착오를 최소화해야 한다. 수많은 변수들이 서로 협력하여 균형과 조화를 이룰 때 드디어 ‘깔끔한’ 녀석이 태어난다. *그림 6

출력된 치과용 모델이 어느 정도 제 모양을 갖추게 되었다면 이제는 정밀도를 개선시켜 보자. 시중에 나온 모든 3D프린터용 재료는 수축을 한다. 교정 목적이라면 전악 크기 허용 오차율이 0.1㎜ 이하이고 보철 목적이라면 더 작아야 쓸 만한 출력물이 될 것이다.
FDM용 재료뿐만 아니라 SLA 같은 광중합형 레진도 출력 후의 크기는 실제보다 작아지고 변형되게 된다. 그래서 크기가 줄어든 만큼 확대하여 보상을 해주어야 하는데 이 값을 정확히 맞추는 게 쉬운 일이 아니다. 재료의 종류, 적층 두께나 해상도, 출력 환경과 다양한 형태의 모델에 따라 수축 정도가 각양각색이기 때문이다. 이 문제를 풀기 위해서도 ‘은근과 끈기’는 필수적인 사항이다. *그림 7

이 정도까지 맞춰 놓았다면 디지털 치아 교정을 위해서 출력된 모델을 사용하기에는 크게 부족함이 없다. 그런데도 뭔가 아쉬운 부분이 아직 남아있다. 치아 모델을 출력하는 경우 잇몸 베이스 위에 개별적으로 솟아있는 치아들은 잇몸과는 수축 방향과 정도가 다르다. 여기에 더해서 모델을 소프트웨어에서 슬라 이싱 할 때 노즐 직경 외곽을 기준으로 모델 형태를 잡아주는데, 이 부분이 인접한 치아끼리의 밀착을 조금 어렵게 만드는 경우가 있다.
그 결과 인접면에서 아슬아슬하게 닿게 그려지거나 이미 공간이 있는 치아 모델인 경우 실제보다 더 큰 치간 사이 공간이 형성 될 수 있다.
이런 문제 해결을 위해서 확대는 아무런 역할을 하지 못한다. 또 다른 접근 방법으로 이 문제 또한 극복되었다. *그림 8

이제는 표면 품질을 더 높여 보자. 표면 품질을 높이는 가장 쉬운 방법은 층층이 쌓는 레이어의 간격을 줄이는 것이다. 레이어가 두꺼우면 출력 시간이 적어지나 품질이 떨어지고 레이어가 얇으면 출력 시간이 길어지나 품질은 높아진다.
치과적 용도의 적당한 레이어는 진단 목적의 모형을 출력하는 경우에는 0.1㎜면 충분할 것이고, 치료를 목적으로 하는 경우에는 0.05㎜ 정도는 되어야 한다.
확대해서 보면 전체적인 모습은 큰 차이가 없어 보여도 경사진 교두부위의 톱니처럼 생긴 외형은 레이어가 작아지면서 부드러운 라인으로 변해간다.
정밀도의 관점에서 보면 0.05㎜가 더 정확해진 것이다. 육안으로 보더라도 표면의 부드럽고 활택한 정도가 광중합형 액제 레 진에 결코 밀리지 않는다.
내가 보고 있는 이 출력물이 정말 FDM 프린터에서 나온 자식들인지 한 번씩 의구심이 들기도 한다. *그림 9

좋은 프린터를 찾아 품질을 개선하고 정밀도를 높이는 작업이 완료되면 천둥벌거숭이 같은 출력물은 어느덧 제 모습을 갖춰가고 사용하기에 딱 좋은 출력물로 탈바꿈한다.
과거에는 FDM 프린터로는 불가능하게 보였던 디지털 교정 치료가 이제는 가능해진다. *그림 10

지난 6월에 있었던 통합 캐드캠 유저모임(United Cad-Cam User Comunity, UCUC)에서 유일하게 출품한 FDM 방식 출력물이 모두의 예상을 깨고 3위에 입상하는 기염을 토했다. 억 대에서 수 천만 원을 호가하는 광중합형 레진 프린터들 속에서 100만원 대의 FDM 프린터의 위용을 확인하는 순간이었다. 그 당시 출품한 모델은 0.1㎜ 레이어에 전체 크기만 대략적으로 수정한 상태였었다. 레이어를 0.05㎜로 낮추고 개별치아의 정밀도까지 수정한 지금이라면 과연 얼마나 더 정밀해 졌을까 궁금해 진다. *그림 11

이렇게 정교하게 다듬어진 FDM 프린터를 이용하면 디지털 치아 교정에서 행하는 거의 모든 치료를 할 수 있다. 교정의 진단 혹은 최종 모델에서 부터 투명교정의 수많은 단계별 모형들이 재료비 부담 없이 출력될 것이다.
또한 훨씬 복잡한 모형인 엘레메트릭스의 IDB 트레이도 제작할 수 있어 간접 브라켓팅을 즐길 수 있는 요건이 갖추어진다. *그림 12

외과 분야에서는 임플란트 수술용 가이드 제작이 가능할 뿐더러 CT 데이터를 통한 악골이나 두개골 제작과 연관된 새로운 시도가 이루어지고 있다.
보철 분야에서는 다이는 광중합형 레진 프린터로, 베이스 모델은 FDM 프린터로 만들어 서로 결합시키는 이른바 ‘하이브리드 모델’을 새롭게 탄생시키기도 하였다. 앞으로도 FDM의 뚜렷한 장점과 많은 능력 있는 유저들 덕분에 그 활용도는 계속 더 늘어날 것으로 보인다. *그림 13

지금까지 FDM 3D프린터를 이해하고 치과용으로 사용하는데 방해가 되는 다양한 문제점들을 알아보았다. 이러한 장애들을 극복해 가는 방법을 그 동안의 시행착오와 성과에 근거하여 설명하였다. 그러나 대부분의 사용자들은 굳이 알 필요가 없는 내용일 것이다. 출력 품질과 정밀도가 높은 특정한 프린터를 구 입하여 이미 저장된 모델별 설정 값으로 뽑아내기만 하면 되는 일이다.
그 동안의 연구를 기반으로 단순한 조작만으로도 양질의 출력물이 만들어질 수 있는 FDM 3D프린터(Cubicon Style-210D)가 곧 출시될 예정이다. 이 3D 프린터를 사용하면 엘레메트릭스의 다양한 디지털 교정을 손쉽게 이용할 수 있을 것이다. 지속적인 연구 개발로 치과용 FDM 프린터의 수준을 한 단계 더 끌어 올리길 기대하며, 많은 분들이 비용 대비 효율이 좋은 출력물을 만나 편리하게 사용할 수 있기를 바란다.

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