[기획특집]CAD/CAM System의 소개
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[기획특집]CAD/CAM System의 소개
  • 승인 2006.11.16 18:02
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CAD/CAM System의 소개

 

신 종 우
 신흥대학 치기공과 부교수, 공학박사

 

1. CAD/CAM System이란?
치과보철학 분야에 CAD/CAM(Computer Aided Design=컴퓨터 지원 설계/Computer Aided Manufacturing= 컴퓨터 지원 생산) 시대가 시작된 초창기는 대부분 컴퓨터를 이용한 보철물 장치 제작이 주류를 이루었지만 1980년대 초기부터 계속적인 이 분야의 연구성과로 인하여 현재에는 작업모형의 디지털화에 따른 수복물 설계에서 보철물 완성까지 할 수 있는 단계로 발전하여 이용되고 있는 것이 현재 상황이다.
CAD/CAM system 공정은 CAD로 부품을 설계·분석(스캔 및 디자인)한 다음 CAM을 통해 부품을 생산(밀링)하는 기법을 말한다. 오늘날 컴퓨터를 이용한 치과기공은 급속도로 발전하고 있으며, 다양한 재료를 이용한 인레이, 크라운, 브릿지, substructure 등 밀링 시스템을 이용한 제작 영역이 점점 더 확대되고 있는데 그 이유를 살펴보면 이산화 지르코늄과 같은 혁신적인 재료의 개발이 이러한 과정을 더욱 발전시킨 원동력이라고 할 수 있다.
현재의 추세는 세계적으로 큰 치과재료회사들이 너도나도 CAD/CAM System에 대한 연구와 더불어 개발에 박차를 가하고 있으며, 그 결과로 인하여 고가의 CAD/CAM 장비에서 저가의 보급형으로 치과보철학 분야에 보급될 날이 멀지 않았다고 볼 수 있다. 이러한 급변한 시대적인 변화로 인하여 복잡다양성인 수작업에 의한 보철물 제작방법(wax technique, 그림 1)에서 단순 제작과정인 기계 자동화의 CAD/CAM System으로 전환되면서 생체친화성, 정밀적합성, 심미성을 갖출 수 있어 앞으로 치과보철학 분야에 선두주자로 자리매김할 수 있다고 할 수 있다.
따라서 복잡 다양성의 기공과정을 간단하게 CAD/CAM이 대행하면서 기공소에는 수작업에 따른 기공제작의 일손이 줄어들면서 기계가 대행하지 못한 적합도나 대합치와 관계, 기능성에 따른 심미성의 secondary part에 치중하면서 환자가 원하는 만족도 높은 보철물을 제작할 수 있다.
 
     

    
  
 <그림 1> Wax technique을 이용한 보철물의 제작과정
 
현재는 누구나 CAD/CAM System의 장점에 따른 장비 구매의 필요성을 강하게 원하지만 연구 개발에 따른 디자인의 변경과 고가의 장비 앞에서 주춤하고 있는 것이 현실이다. 따라서 앞으로 치과기공분야에 CAD/CAM System이 고가의 장비에서 저가의 보급형이 보급되는 날이 멀지 않을 것으로 내다 볼 수 있으며, 이러한 시대적인 변화에 앞장 선다면 고비용의 저효율화로 인한 많은 어려움에서 저비용의 고효율화 치과기공소(실) 경영으로 탈바꿈할 수 있다고 본다(그림 2).
  
  

<그림 2> CAD/CAM System을 이용한 보철물의 제작과정

2. Zirconium란?
CAD/CAM System에 이용되고 있는 신소재 재료인 Zirconium은 보통 지르코늄 광물에서 얻어지며, 공업적으로 중요한 지르코늄과 산소의 화합물로써 일반적으로 지르코늄(Zr)이라고 부르고 있으며, 주기율표 4족에 속하는 금속으로서 원자로의 구조물로 사용되고 있다. 지르코늄은 많은 양의 산소·질소·수소를 흡수하고 있으며, 약 800℃에서 화학적으로 산소와 결합하여 산화물(ZrO2)이 된다.
이산화 지르코늄(ZrO2:지르코니아라고도 함)은 녹는점이 매우 높은(약 2,700℃) 흰색이나 황갈색 고체로써 보통 연마제, 내화물, 연료 전지에 쓰이는 세라믹, 그리고 내산성 및 내알칼리성 유리의 성분으로 금속 강도 이상으로 개발되었다. 이러한 개발에 힘입어 근래에 우리 치과임상에 생체적합성, 기능성, 심미성을 모두 갖춘 신소재 재료로 각광(강도와 투명도 그리고 절삭력에서 상당히 우수한 재료로 평가) 받으면서 심미치과보철에 널리 이용되고 있는 것이 현실이다(그림 3).
심미에 대한 끊임없는 욕구는 불투명 재료인 금속을 사용하지 all-ceramic 보철물을 제작하기 위한 여러 가지 코핑 재료들의 개발을 촉진시켜 온 것이 사실이다. 그 결과 세라믹이 치과보철에 응용되면서 심미에 대한 많은 욕구가 충족되었으며, 그로 인하여 지금은 심미보철 치료 중 하나로 자리 잡고 있다.
  
  

<그림 3> 메탈(PFM)보다는 생체친화성과 적합성 및 강도와 심미성 등에서 우수한 CAD/CAM System
 
현재 치과보철에 이용되고 있는 Zirconium milling CAD/CAD system에는 두 가지 방식이 있는데 그중 첫번째는 Zirconium 전문 생산공장의 대형 전기로에서 sinter-firing공정을 거쳐 생산된 1200Mpa의 강도를 지닌 하드 지르코늄을 밀링하는 시스템과 두 번째는 최근에 개발된 방법인 sinter-firing 되지 않은 소프트 지르코늄을 먼저 20% 이상 크게 밀링하여 소형 개별 전기로에서 1200℃로 8∼11시간 정도 sinter-firing를 하는 방식이 있다. 그 후 Sinter-firing된 하드 지르코늄을 밀링하여 생산한 코핑은 투명도가 좋고 1000-1200Mpa의 고강도를 유지하고 있어 브릿지가 긴 경우에도 이용할 수 있지만 장시간 밀링과정 때문에 경제성에서 문제가 대두되어 근래에는 대체적으로 sinter-firing 되지 않은 소프트 지르코늄을 이용하고 있는 실정이다. 지르코늄은 알루미나 옥사이드인 인세람 보다 강한 강도를 가지고 있으며, 비귀금속에 버금가는 강도와 인세람을 능가하는 투명도를 얻을 수 있어 브릿지 케이스의 all-ceramic 심미 보철의 길을 열었다고 할 수 있다.

3. 각종 CAD/CAM System 소개
전세계적으로는 다양한 CAD/CAM System이 개발되어 이용되고 있지만 우리나라에는 제일 먼저 외국에서 도입되어 알루미나 코핑을 얻었던 Procera system, 그 뒤를 이어 sinter-firing 공정을 거친 하드 지르코늄을 이용하는 digDENT CAD/CAD system이 있고, sinter-firing 되지 않은 소프트 지르코늄을 이용하는 Cercon Smart Ceramics System, Everest system, LAVA? All Ceramic System, CEREC inLAB 등이 이용되고 있으며, 한국제품으로는 CeraSys System 등이 널리 임상 적용에 폭을 넓이고 있다. 따라서 본 면에서는 Procera system, Cercon Smart Ceramics System, Everest system, LAVA? All Ceramic System 등에 대해서 간단하게 알아보고자 한다.
 
1) Procera System
스웨덴의 Nobel Biocare社에서 소개된 기존의 Procera Piccolo system은 주로 알루미나 코핑에 기반을 두어 이용되어 왔다. 이용방법은 Procera 스캐너를 구비한 기공소(실)에서 작업모형을 스캐닝 한 후 이 데이터를 인터넷으로 스웨덴 Nobel Biocare 본사 밀링 센터로 보내면 직접 밀링하여 국제우편(UPS)으로 기공소(실)로 코핑이 도착되면 나머지 상부 도재관만 제작하여 치료실로 보내는 시스템이다.
근래에 up grade된 Procera Forte system이 출시되면서 Zirconium 4本 브릿지까지 적용범위가 확대되고 있으며, 고가의 밀링머신을 구입하지 않고 단지 스캐너만으로 코핑을 얻을 수 있어 경제성이 높다고 할 수 있다(그림 4).
  
  

<그림 4> 기존의 Piccolo system(中)과 새롭게 up grade된 Forte system(右)
 
(1) 임상 적용 범위 
기존의 Piccolo system의 임상적용범위는 알루미나 크라운과 브릿지의 코핑 그리고 Zirconium implant abutment나 coping 만을 제작할 수 있었지만 새롭게 up grade된 Forte system이 출시되면서 Zirconia 4本 브릿지까지 이용할 수 있다(그림 5, 6).
 

  
   <그림> 5 AllCeram Crowns(左)과 AllCeram Laminates(右)
   
     
 

<그림 6> AllCeram Bridges(左)와 AllCeram Abutments(右)

(2) Procera System의 작업공정
단일 크라운인 경우 납형 제작 없이 스캐닝하고 브릿지인 경우만 납형을 제작한 상태에서 그 외측면과 지대를 스캐너로 주사하고 digital화 한 다음 주사 데이터를 통신(CAD)을 이용하여 스웨덴의 Nobel Biocare 본사로 전송하면 자동화된 최첨단 밀링머신으로 작업(CAM)하여 대략 4박5일만에 UPS(국제소화물)로 알루미나 코핑(크라운 & 브릿지)이나 Zirconium implant abutment나 coping이 기공실(소)로 도착시켜 주는 시스템이다(그림 7).

  

CAD 디자인                                                    e-Mail 전송(스웨덴)       

 →    →  

치형 밀링                                            raw material Pressing                             Milling the coping design

   →     →   →

           Sintering copings                                  코핑 제작                                                품질 검사 후 발송

<그림 7> Procera System의 작업공정

2) Cercon Smart Ceramics System
독일의 Degudent社에서 소개된 Cercon Smart Ceramics System은 지르코니아 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템으로 치과임상증례에 폭넓게 적용할 수 있도록 디자인 되어 있다(그림 8).
기존의 Cercon brain System은 브릿지를 제작할 때 반드시 납형을 제작하고 그 납형을 이용하여 스캔과 동시에 밀링을 진행하는 방법만(단일 크라운은 납형 없이 모형상에서 스캔)을 이용할 수밖에 없었지만 근래에 출시되어 up grade된 Cercon eye는 단일 크라운을 포함하여 브릿지에도 납형 제작 없이 작업모형상에서 직접 스캐닝하고 디자인할 수 있어 누구나 코핑 제작을 간단하게 진행할 수 있다.
현재 한국에서 운영방법은 서울을 중심으로 전국적인 체인망을 구축하여 운영 중에 있으며, 전국적인 체인망에서 직접 주문을 받아 veneering이나 상부 도재관까지 제작하여 운송해주고 있다. 향후 지역별 체인망식으로 구축되어 있는 밀링 센터를 중심으로 각 기공실(소)에는 스캐너만을 구입하여 이용할 수 있도록 계획하고 있다고 한다.
 

  

                                                    

         <그림 8> Cercon brain(CAM, 左)과 Cercon heat(Sintering furnace, 右)
 
(1) 임상 적용 범위 
기존의 Cercon brain System의 임상적용범위는 단일 크라운을 비롯하여 해부학적 길이가 최대 38mm인 브릿지까지만을 이용할 수 밖에 없었으나 새롭게 up grade된 Cercon Eye System은 최대 16本 브릿지와 국소의치의 metal framework 대신으로도 이용할 수 있어 적용범위가 넓다(그림 9, 10, 11, 12).
 
  
 <그림 9> 단일 크라운과 5本브릿지에 이용
 
 
 <그림 10> 임프란트 브릿지에 이용
 
   
    

 <그림 11> 임프란트 단일 abutment에 이용
  

 
 
<그림 12> 지대치의 경사도가 심한 경우의 브릿지(Cercon Link)에 이용
 
(2) Cercon Smart Ceramics System의 작업공정
기존의 Cercon Brain System은 CAM과정을 진행하는 동안 크라운이나 FPD framework의 wax model은 레이저에 의해 스캔되며, CAM(Computer-Aided Machine)과정으로 확장된 구조는 소결 전인 Y-TZP blank로부터 절삭되고 그런 다음 완전히 소결시키는 과정을 이용하였다.
그러나 새롭게 up grade된 Cercon Eye는 CAM과정을 납형없이 직접 작업모형상에서 직접 스캐닝하고 디자인한 다음 직접 밀링을 진행할 수 있어 간편하게 이용할 수 있다.
이때 스캐닝은 Cercon Art (CAD)에서 커팅과정은 Cercon brain에서 시행하며, 커팅과정은 2 단계로 나누어 실시하는데 처음에는 굵고 거친 형태를 잘라내고 그다음에는 framework를 곱게 트리밍하는 과정으로 마무리한다.
가열과정에서 절삭된 물체는 6시간 동안, 마지막 온도가 1,350℃인 Cercon heat 기계에서 소결되며, 모든 소결과정은 약 6시간 동안 지속된다. 소결과정은 소결된 물체의 체적 측정의 수축과 관련하기 때문에 framework는 약 30% 정도 확장된 blank로부터 깎여나가며, 이 확장은 Cercon brain에서 스캐닝 후 computer-aided 계산을 통하여 완성된다. 이상과 같이 코핑제작이 완료되면 Cercon ceram Kiss(low fusing, 850-800℃, 전용 파우더)을 이용하여 도재관 제작을 완료한다(그림 13).
  →  →

 Cercon Art(CAD)                                                            con brain(CAM)             

  

                               Sprue 절단 및 다듬질                                                  heat

     

       Sintering copings                                적합도 확인                                      도재관 제작
<그림 13> Cercon Smart Ceramics System의 작업공정

3) LAVA? All Ceramic System
3M ESPE사에서 소개된 all ceramic system은 지르코니아 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템으로 치과임상증례에 폭넓게 적용할 수 있도록 디자인 되어 있다(그림 14). 특히 가공성과 생산성을 높이기 위하여 green state zirconia block을 밀링 가공한 다음 특수한 8가지 색상의 염료를 사용하여 core ceramic을 염색한 후 소결처리 과정을 거치게 되기 때문에 크라운의 마진 부위와 삭제된 치아에서 자연스럽게 비치는 색상으로 심미성을 높일 수 있는 장접을 가지고 있다.
현재 한국에서 운영방법은 서울에 위치되어 있는 밀링 센터에서만 주문을 받아 veneering이나 상부 Lava ceram(저온용 810℃ 전용 파우더)을 이용하여 상부 도재관까지 제작하고 있다. 향후 지역별로 밀링 센터를 두어 기공실(소)에서는 스캐너만 구입하여 이용할 수 있도록 계획하고 있다고 한다.
 

  
<그림 14> LAVA? All Ceramic System의 대표적인 기계 구성품
(左:Scan Optical 3D scanner, 中:Milling machine, 右:Sintering furnace)

(1) 적응증
 현재까지는 단일 크라운에서 6 unit bridge까지만 현재는 임상적용이 가능하나 11월에 새롭게 up grade되면서 6 unit bridge 이상과 implant abutment까지 가능하다고 한다(그림 15). 
  
 

 

<그림 15> 단일 크라운에서 6本 브릿지까지 적용

2) LAVA? All Ceramic System의 작업공정
작업모형상의 치형을 먼저 스캐닝과 디자인(CAD) 및 밀링(CAM=milling)을 진행한 다음 core staining을 거쳐 sintering과 veneering을 제작한다(그림 16).
 →  →  →
  

지대치 형성(치료실)                                  작업모형 작업(기공실)                    스캔(4-5분)         

  

                                       디자인(CAD)

 
         연마와 제분(CAM=milling)     

  

                                        Core Staining                                                     Sintering
 
               

               Veneering                                                                    구강 내 접착
 <그림 16> LAVA? All Ceramic System의 작업공정
   
 (3) 스캐너 특징(그림 17)
 첫째, Optical triangulation with fringe pattern
 둘째, 스캔 시간: 크라운 - 평균 4분, 브릿지(3-unit) - 평균 5분
 셋째, 스캔하는 중간에 abutment를 재배치할 필요 없음
 넷째, 정확도는 25?m(processed data)
 다섯째, Bite registration과 gingiva는 별도로 스캔
 여섯째, 자동으로 마진을 인지함
 일곱째, Data safety and coding/decoding algorithms
 여덟째, Remote control possible

     
<그림 17> 스캐닝 과정

4) 디자인 특징(그림 18)
첫째, 치형상에 발생되어 있는 undercut를 줄 일수 있으며 둘째, 브릿지의 연결부를 임의적으로 조정할 수 있으며 셋째, 디지털 왁스 나이프로 코핑의 두께(전치 0.4mm(하악전치 0.3mm), 구치 0.5mm)를 임의적으로 조정할 수 있다. 
 
  

<그림 18> Under cut 조정(左), 브릿지 연결부 조정(中), 코핑의 두께 조절(右)

5) Everest system
Kavo社에서 소개된 Everest system은 지르코니아와 Titan - T-Blank의 세라믹에 기반을 두어 우수한 심미성과 내구성을 갖춘 고강도 도재 시스템으로 치과임상증례에 폭넓게 적용할 수 있도록 디자인 되어 있다. 기존 Everest system의 scan으로는 14本 브릿지까지 이용할 수 있었지만 고가의 경비 때문에 스캐너 구입을 망설이게 하였던 소비자를 위해 근래에 저가의 보급형이 출시되어 6∼7本 브릿지까지는 간단하게 이용할 수 있다(그림 19).   
      
 

                                                

 <그림 19> 기존 Everest system(Scan, Engine, Therm, 左)과 저가의 보급형으로 새롭게 출시된 Scan Eco(右)

(1) Everest system의 작업공정
Everest system은 스캔을 이용하여 치형의 스캐닝과 디자인(CAM)을 거쳐 고정밀도의 자동 가공(CAM)과 sintering 및 veneering을 제작하는 시스템이다(그림 20).
 
 
      스캐닝(3D, CAM)                   디자인                                

  

                          밀링(CAM)

    

    Sintering                                    적합도 확인   

 

                                         도재관 제작
<그림 20> Everest system의 작업공정
    
(2) 스캐너의 특징
첫째, Laser에 의한 단순 단면 촬영 기능이 아니라 모델과 일치하는 1000개 이상의 이미지 생성으로 스캐닝을 진행할 수 있으며, 연속 15회 20번 이상 촬영(총 300 디지털 이미지 생성)과 상하좌우 이동 가능한 턴테이블식이기 때문에 디지털 방식의 CCD Camera로 사각 지역 방지할 수 있다(그림 21).
 
 

<그림 21> 스캐닝 과정

둘째, 스캐닝과정 중 가장 안정한 가공치의 평형면적을 자동으로 계산할 수 있으며, 치아의 손실부의 구체적 상황을 고려하여 각각의 수치를 임의적으로 산정할 수 있다(그림 22).
 
 

<그림 22> 가공치의 평형면적을 자동으로 계산(左)한 다음 각각의 수치를 산정(右)

셋째, Bite check만으로 full crown을 쉽게 제작할 수 있으며, Ring Ball 시스템을 이용하여 교합면 높이를 쉽게 조정할 수 있다(그림 23).     
     

<그림 23> Full crown(左)과 교합면 높이 조정(右)

(3) Engine(CAM)의 특징
5개의 밀링축과 언더컷 없는 섬세한 절삭을 진행할 수 있으며, 밀링 중 1mm, 3mm의 다이아몬드 밀링축을 교체하지 않고서도 기능적인 지지대(Multi 작업 가능)를 얻을 수 있다(그림 24).
 
  

<그림 24> 밀링과정


전문 1. 현재의 추세는 세계적으로 큰 치과재료회사들이 너도나도 CAD/CAM System에 대한 연구와 더불어 개발에 박차를 가하고 있으며, 그 결과로 인하여 고가의 CAD/CAM 장비에서 저가의 보급형으로 치과보철학 분야에 보급될 날이 멀지 않았다고 볼 수 있다.

전문 2. 지르코늄은 알루미나 옥사이드인 인세람 보다 강한 강도를 가지고 있으며, 비귀금속에 버금가는 강도와 인세람을 능가하는 투명도를 얻을 수 있어 브릿지 케이스의 all-ceramic 심미 보철의 길을 열었다고 할 수 있다.


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