금속 3D 프린터로 제작된 고정식 설측 유지장치의 정확도 및 기계적 특성

Abstract

현재 임상에서 사용되고 있는 고정식 설측 유지장치는 디지털 기술의 발전에 따라 다양한 제작 방식으로 소개되고 있다. CAD/CAM 방식으로 금속 판재를 절단하여 제작하는 CNC 가공방식(Custom-cut)의 임상적 유효성에 대한 연구 결과가 발표되었고 현재 임상에서도 다양한 재료로 사용되고 있다. 해당 방식의 유지장치는 사각형의 와이어 형상과 하악 소구치 연장부위가 교합면이 아닌 설측면에만 부착해야 하는 2차원 곡면 형상으로만 제작된다. 3차원 곡면 형상 제작이 가능한 금속 3D 프린터는 최근 치과 기공물 제작 분야에서 필수 장비로 자리 잡고 있으며 치과 교정 기공 분야에서도 활용 범위를 넓혀 가고 있다. 본 연구의 목적은 금속 3D 프린터 기술을 활용한 고정식 설측 유지장치의 임상 적용 가능성을 평가하기 위해 기존 CNC 가공방식(Custom-cut)과 금속 3D 프린터 출력방식(Custom-print)을 비교하여, 두 방식의 구조적 정확도, 기계적 특성을 비교하여 평가하는 것이다. 형상 정확도 분석에서는 각 제작 방식에 따라 그룹 간의 제작물에 대한 3D스캔 데이터와 평가 기준이 되는 설계 디자인과의 중첩을 진행한 후 동일한 부위에 7개의 포인트를 지정하여 전체 정확도에 대한 편차 값을 측정하였으며, 와이어 악궁 형상(form)에 대한 편차 값을 측정하였다. 기계적 특성 평가에서 장치의 강도와 복원력 평가를 위해 일정한 변형량을 가했을 때 와이어가 발생시키는 하중에 대한 결과와 변형 회복력에 대한 하중을 측정하였으며, 장기적으로 부착하는 장치에 대한 반복 하중은 피로 시험 반복 횟수를 50회로 진행하여 각 10회차마다 나타나는 강도와 파절 여부를 확인하였다. 1. 와이어 설계 디자인을 기준으로 각 인접면 부위를 포함한 7개의 포인트를 지정하여 편차 값을 평가하였으며, Custom-print 및 Custom-cut 두 그룹 모두 ±0.03 mm 이내의 정합도를 보였고, 모든 포인트에서 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다(p> 0.05). 2. 하중-변형 시험에서는 두 그룹 모두 선형적으로 하중이 증가하였고, 하중이 변위에 비례하여 증가하였다. Custom-cut 군이 Custom-print 군 보다 강성에 대한 더 높은 값이 확인되었지만, 구조적 일관성을 기반으로 일정한 강도 패턴이 나타났다. 피로 하중 시험 결과 두 그룹 모두 반복 횟수 증가에 따라 하중 감소를 보였으며 두 그룹 간 10회에서만 유의한 차이(p=0.03)을 보였고 그 이후 회차에서는 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한 50회 피로 파괴 시험 결과 두 그룹에서 파절이 발견되지 않았다. 3. Custom print 군에 대한 표면 거칠기는 티타늄, 스테인레스 스틸 재료 별로 다소 높은 거칠기 값(4.31 ± 1.00 ㎛, 5.03 ± 1.00 ㎛)이 보였지만, SEM 분석을 통하여 출력물의 구조적 기공이나 결함은 관찰되지 않았다. 상기 결론을 토대로 고정식 설측 유지장치에서 정확도 및 기계적 특성을 기반으로 Custom-print 방식의 임상 적용 가능성을 확인하였다. 금속 3D 프린터 제작 방식인 분말 적층 방식 특성상 발생하는 표면 불규칙성의 개선을 위해 전해연마 등의 후처리 공정 조건에 대한 추가 연구가 병행된다면 기존 제품 수준의 임상적 안정성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구를 통해 금속 3D 프린터 기반의 고정식 설측 유지장치는 설계 정밀도, 자동화 제작 공정, 환자 맞춤형 설계의 유연성 측면에서 높은 임상적 활용 가능성이 있으며, 제작 조건의 최적화를 통해 임상적 활용 범위가 확대될 수 있을 것이다. 연구 결과를 기반으로 향후 디지털 치과 기공 분야에서의 3D 프린팅 기술 적용을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

Currently, various fabrication methods for fixed lingual retainers are being introduced in clinical practice with the advancement of digital technology. Studies have reported the clinical efficacy of the CNC milling (custom-cut) method, which fabricates retainers by cutting metal plates based on CAD/CAM technology, and various materials are being used in clinical applications. Retainers fabricated by this method are limited to two-dimensional curved designs, where the rectangular wire form and the mandibular premolar extensions must be bonded only to the lingual surfaces rather than the occlusal surfaces. Metal 3D printers, which allow the fabrication of threedimensional curved designs, have recently become essential equipment in dental laboratory work and are expanding their application in orthodontic laboratory procedures as well. The purpose of this study was to evaluate the clinical applicability of fixed lingual retainers fabricated using metal 3D printing technology by comparing the structural accuracy and mechanical properties of two fabrication methods: the conventional CNC milling method (custom-cut) and the metal 3D printing method (custom-print). For the analysis of dimensional accuracy, 3D scan data of the fabricated appliances from each group were superimposed onto their corresponding CAD reference designs. Seven identical reference points, including specific anatomical areas, were designated to measure deviations and assess the overall accuracy. Additionally, deviations in the wire arch form were also evaluated. For the evaluation of mechanical properties, the strength and recovery force of the appliance were assessed by applying a fixed amount of deformation and measuring the load generated during deformation and elastic recovery. Additionally, to simulate long-term intraoral function, fatigue testing was conducted over 50 cycles, and load values along with fracture occurrence were evaluated every 10 cycles. 1. Based on the wire design, seven reference points, including interproximal areas, were selected to measure deviation values. Both the custom-print and custom-cut groups demonstrated dimensional accuracy within ±0.03 mm, with no statistically significant differences observed at any of the measured points (p > 0.05). 2. In the load–displacement test, both groups showed a linear increase in load proportional to displacement. Although the custom-cut group exhibited higher stiffness values than the custom-print group, both demonstrated consistent structural performance. In fatigue testing, both groups showed a gradual decrease in load with an increasing number of cycles. A statistically significant difference was found only at the 10th cycle (p = 0.03), with no significant differences observed thereafter. No fractures were detected in either group after 50 cycles of fatigue loading. 3. Surface roughness in the custom-print group was relatively higher for both titanium and stainless-steel materials (4.31 ± 1.00 μm and 5.03 ± 1.00 μm, respectively). However, SEM analysis revealed no structural defects or porosity in the printed components. Based on these findings, the custom-print method demonstrated clinically acceptable dimensional accuracy and mechanical properties for use in fixed lingual retainers. Given that surface irregularities are inherent to the powder bed fusion process used in metal 3D printing, further research on post-processing methods such as electrochemical polishing may help achieve clinical stability comparable to that of conventional products. This study suggests that fixed lingual retainers fabricated using metal 3D printing have high clinical potential in terms of design precision, automated production, and flexibility for patientspecific customization. With further optimization of fabrication conditions, their clinical applicability can be expanded. The results of this study may serve as foundational data for future applications of 3D printing technology in digital orthodontic laboratory workflows.