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들어가며

과거로부터 현재까지 치과 및 치과기공용 재료는 보다 편하고 정밀하게 보철물 제작하는 것을 목표로 개발되어 왔고, 또 많은 발전을 이루었습니다. 그리고 2000년대 중반부터는 정형외과 분야에 먼저 도입되었던 ‘지르코니아’가 치과용 재료로서 큰 관심과 주목을 받기 시작하였습니다. 
이러한 현상이 발생한 이유로 ‘치과용 금합금 가격 상승’이라는 요인을 들 수 있는데, 현재는 P.F.M보다 공정 변수가 적고 생체 친화적이며, 기계적 물성의 확보로 보다 쉽고 편하게 보철물을 제작할 수 있어 치과기공 시장에서 많은 비중을 차지하고 있습니다.
 
한편, 지르코니아 보철물을 제작하기 위한 공정은 크게 모델 스캔, 디자인, 밀링 등으로 나눌 수 있으며, 각 공정에서 치과기공사의 능력이 잘 발휘되어야만 보다 섬세한 보철물 제작이 가능합니다. 
모델 스캔의 경우, 스캐너의 분해능에 따라 3차원 디지털 모델의 표면 정밀도가 결정되는데, 사람의 역량에 의해 크게 좌우되는 공정은 아닙니다. 이 과정에서 치과기공사가 할 수 있는 작업은 스캔 테이블에 모델을 견고하게 부착하고 교합 관계를 잘 채득하는 정도일 것입니다. 

하지만 모델 스캔 이후의 3차원 보철물 디자인, 핸드워크 밀링, 색감을 부여하는 컬러링 등의 공정은 우리 치과기공사들의 역량이 충분히 잘 발휘될 수 있는 과정이라고 생각합니다.  
3차원 보철물을 디자인하는 소프트웨어는 다양한 종류가 출시되어 있지만, 이러한 소프트웨어의 핵심은 일정 형태의 치아 라이브러리를 불러와 형태를 수정하고, 인접면과 교합면 수정을 거쳐 디자인을 완성하는 것이라고 볼 수 있습니다. 
치아 라이브러리는 현재 여러 제품이 유통되고 있으며, 이러한 기성 라이브러리를 구매하여 보철물 디자인에 활용하는 방안은 작업시간의 측면에서 효율적일 수도 있습니다. 하지만 적지않은 비용을 지불해야 하는 단점도 존재합니다. 그래서 오늘은 ‘3D 모델링 소프트웨어’를 활용하여 직접 라이브러리를 만드는 방법을 소개하고자 합니다.



3D 모델링 소프트웨어에 대해 

3D 모델링 소프트웨어는 기능에 따라 아주 많은 종류로 구분되지만, 오늘은 몇가지만 간단하게 소개하고자 합니다. 
일반적으로 많이 사용되는 소프트웨어로는 애니메이션이나 3D 모델링에 유용한 3DS MAX (3DS 맥스), Rhino(라이노), Z-Brush(Z-브러쉬), Blender(블렌더) 등이 있습니다. 



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이중에서도 3DS MAX는 가장 많은 사용자층을 거느린 소프트웨어로 사용 분야도 매우 광범위하며, 플러그인들을 잘 활용하면 실사와 같은 렌더링도 가능합니다.  
 


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Rhino의 경우 작업 중간 과정을 수정할 수 있는 ‘파라메트릭 모델링’이 가능하기 때문에 결과물이 마음에 들지 않을 때는 간단히 수치 조절을 하고 결과물에 적용할 수 있는 장점이 있습니다. 



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Z-Brush의 경우는 대표적인 sculpting(조각) 소프트웨어로, 3차원 찰흙과 조각도구들을 이용해 간단히 3차원 개체를 형성할 수 있습니다. 그래서 캐릭터 제작에 굉장히 유용하며, exocad나 3Shape과 유사하다고 할 수도 있습니다. 물론 덴탈 전용 프로그램인 exocad나 3Shape에 비해 굉장히 많은 기능을 가진, 대단히 강력한 소프트웨어입니다.
 
Blender는 원래 상용 소프트웨어였으나 제조사의 도산과 함께 무료로 배포되고 있습니다. 그리고 최근에는 게임과 애니메이션 제작 등에도 빈번히 활용되고 있으며, Z-brush와 마찬가지로 sculpting(조각) 기능을 포함하고 있습니다. 
참고로, Blender의 마우스 설정은 3DS MAX와 반대이기 때문에 3DMAX에 익숙한 사용자라면 Blender를 사용하기 전에 기본적인 마우스 설정을 본인에게 맞게  바꿔주어야 사용하기에 편리합니다. 

이외에도 UG-NX, CATIA 등 하이엔드 3D 모델링 소프트웨어들이 출시되어 있으며, 이들은 CAE(Computer-Aided Engineering)도 가능합니다. 그래서 모델링한 결과물의 성능을 검증하고 개선할 수도 있습니다. 
CAE(Computer-Aided Engineering)를 덴탈 분야의 기능으로 설명해보면 exocad와 3Shape의 가상 교합기, 인접면 거리 및 교합력 시뮬레이션 등을 그 예로 들 수 있으며, 제작한 모델이 실제로 어떻게 작동할 것인지를 테스트할 수 있는 기능입니다.

위에서 간략히 소개한 소프트웨어들은 결국 점들의 집합을 이용하여 2D 및 3D의 형상을 이루고, 우리가 이 데이터를 가감하면 그 변화를 시각화하여 우리에게 보여주게 됩니다. 그래서 우리는 3D 소프트웨어의 이러한 기능을 이용해 3차원 위치를 수정하는 등의 작업을 진행하여 원하는 형상을 제작합니다.  


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한편, 여러분들도 잘 알고 있듯이 3차원 모델이 되기 해서는 좌표값이 최소 4개 이상이 나와야 하며, 좌표(점)가 많을 수록 보다 세밀한 표현이 가능합니다. 하지만 세밀하고 섬세한 표현이 증가할수록 좌표 값도 증가하기 때문에 그 데이터를 저장하는 데 필요한 용량도 급증합니다. 
이처럼 섬세한 표현과 데이터 용량은 서로 비례하는 관계이기 때문에 적정 수준의 표현 정도를 잘 도출해야 합니다. 



3D 모델링 소프트웨어를 이용한 라이브러리 제작 기법


먼저 스캐너를 이용하여 형태학적으로 마음에 드는 모델을 3차원 스캔하고 STL파일로 저장합니다. 다음으로 3DS MAX와 같은 모델링 소프트웨어에서 STL 파일을 [import]하여 작업 화면으로 불러들입니다. 
참고로 STL 파일을 [import]할 때에는 option에서 [quick weld]에 체크해야 소요시간을 단축할 수 있습니다. (그림 1)


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[import] 후에는 3차원 형상의 모델을 관찰할 수 있으며, 키보드의 F3, F4키를 이용하면 wireframe 모드와 solid 모드를 선택할 수 있어 작업 중 투과된 면을 관찰할 때 편리합니다. (그림 2)



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일반적인 인터페이스는 그림 2)의 4분할 화면이며, 단축키 [alt-W]를 이용하면 이중 하나의 창을 전체화면으로 크게 보면서 작업할 수도 있습니다. 4분할 화면은 각각 TOP, LEFT, FRONT, CAMERA view입니다.  
다음으로 불러 온 3차원 개체(object)를 Array(배열)하는데, 7개 정도를  X축이나 Y축으로 적당한 pitch를 주어 배열합니다. 저는 2D를 선택하고 65mm정도의 pitch로 7개의 모델을 배열하였습니다. (그림 3) 


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그리고 우측상단 패널에서 [Line]을 선택하고, 각 치아를 감싸는 형상의 선을 그립니다. 이를 1번 부터 최후방 7번까지 반복합니다.  (그림 4) 


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Modify 패널에서 [Extrude]를 선택하고 스캔모델과 겹치면서도 Z축 방향으로 약 12mm정도 돌출한 구조물을 생성합니다. (그림 5) 


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그리고 Compound Object 모드로 이동하고, ProBoolean 기능의 옵션에서 [intersection]을 선택하여 교차된 부분을 남기는 작업을 합니다. (그림 6) 


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라이브러리 제작시 Transform Gizmo를 활용하면 치관의 길이와 폭을 보다 쉽게 수정할 수 있습니다, 이때 위치이동, 회전, 확대의 단축키는 순서대로 W, E, R, 키를 활용하면 되고, 각 축이 활성화되면 노란색으로 변하므로 참고해서 작업하면 됩니다. (그림 7) 


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이후 Z-Brush의 GoZ 기능을 이용하면 3DS MAX와 Z-Brush 간의 작업이 보다 능동적으로 이루어질 수 있는데, 간단히 말하면 3DS MAX에서 작업중인 모델을 Z-Brush에서 그대로 연계하여 작업할 수 있는 기능입니다. 
Z-brush의 인터페이스는 3DS MAX에 비해 단순해 보이지만, 3차원 Sculpting(조각)을 전문으로 하는 소프트웨어이다 보니 강력한 기능들이 숨어있습니다. (그림 8~12)  


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Z-brush에서는 3차원 브러쉬들을 이용하여 exocad나 3Shape과 비슷하게 작업을 진행하면 되는데, 기본적으로 alt키는 빼기, shift키는 smooth 기능을 담당합니다. 
그리고 Z-Brush에서는 [Dynamesh]라는 아주 강력한 기능이 있어 안정적인 mesh작업이 가능합니다. 또한 Active Points의 수가 급격히 증가할 때에는 [Remesher] 기능을 적당히 활용하면서 작업하면 데이타 용량대비 디테일한 표현이 살아있는 3차원 치아 모델을 디자인할 수도  있습니다. 

다음으로 exocad의 라이브러리로 활용하기 위해 3차원 치아의 하단면 mesh를 제거하고, STL 파일 등으로 저장합니다. 
저장된 STL 파일을 3DS MAX에서 다시 import하여 Z-brush로 작업하기 전과 후의 모델을 비교해보면, 보다 디테일하게 재현된 3차원 치아 모델이 만들어 진 것을 확인할 수 있습니다. (그림 13) 


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그리고 이 과정의 3차원 개체는 바닥면이 막힌 형태이므로 exocad의 라이브러리로 적용하기 위해서는 바닥 부분을 오려주는 과정이 필요합니다. 그래서 앞서 설명한 [Eextrude] 기능을 활용하여 적당한 크기의 3차원 블록을 만들고, 3차원 치아 개체에서 블록 형태의 형상을 [boolean]하여 바닥 면을 오려주도록 합니다.  (그림 14, 15) 


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다음으로 바닥면이 제거된 3차원 치아모델을 STL 파일로 [export]하도록 합니다. (그림 16)


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이제 마지막 단계로 exocad의 부속 프로그램인 exocad Tooth Model Editor를 실행한 다음 저장한 STL 파일을 불러옵니다.
그리고 우측상단 패널의 CUSP, Fissure, Cervical 등의 항목을 이동하면서 해당 부위를 노란색으로 영역 표시를 해준 뒤 저장합니다. 
이것으로 치아의 Library가 최종 완성되었습니다. (그림 17~21)



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맺으며
우리 치과기공사는 과거의 아날로그 방식과 최근의 디지털 방식이 가지는 각각의 잇점들을 활용하여 작업할 수 있는 능력자들입니다. 
그렇기 때문에 타 분야에서 빈번히 활용되는 3D 소프트웨어를 활용하여 보다 섬세한 라이브러리를 제작하는 것도 그리 어려운 일이 아니라고 생각합니다.  

물론 우리가 치과나 치과기공소에서 늘 접하고 있는 덴탈 전문 3D 소프트웨어인 exocad나 3Shape과 같은 프로그램을 활용할 수도 있습니다. 하지만 보다 넓은 관점에서 다양한 소프트웨어들을 이용하고 분석한 다음 활용할 수 있는 방안을 늘이고자 하는 계기로 이번 강좌를 진행해 보았습니다.  
그리고 3D 모델링 소프트웨어들의 장단점을 파악하고 활용한다면, 치과 및 치과기공 관련 3D 모델링 작업의 효율성을 매우 높일 수 있음을 확인하였습니다. 

감사합니다.  



  • ?
    Doer 2018.11.27 15:14

    3D max 부터 Z-Brush, Rhino 까지 대단합니다 :)


    잘보고 갑니다

  • ?
    pilot 2018.11.29 03:23

    구경 잘했습니다^^*

  • profile
    붉은손 2018.12.04 19:53

    대단하네요

    잘 보고감니다.


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