CN105852998A

CN105852998A - 一种口腔修复体的cad/cam/3d自动化加工方法

Info

Publication number: CN105852998A
Application number: CN201610316652.5A
Authority: CN
Inventors: 高勃
Original assignee: Fourth Military Medical University FMMU
Current assignee: Weishi Medical Information Technology Shandong Co ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: CN105852998B

Abstract

本发明涉及一种口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，采用光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统加工口腔修复体，可完成可摘局部义齿、固定义齿、全口义齿以及种植体义齿等修复体的快速制作。其创新点在于：将数控切削(减材制造，称之为减法)与3D打印技术(增材制造，称之为加法)有机结合，高度统一。将矛盾对立统一的两个方面上升到合二为一的境界。可以极大提高口腔修复体、特别是复杂修复体的自动化生产效率，摆脱传统手工制作口腔修复体的繁琐工序，提高修复体制作质量和稳定性，达到快速、精确、个性化制作目的，更好满足广大缺牙患者的迫切需求。

Description

一种口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法

技术领域

本发明属于口腔修复体技术领域，具体涉及一种全新的口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，该方法将现有的口腔CAD/CAM系统与金属3D打印技术相结合，发挥各自所长，将各自的数控加工方式有机结合，功效发挥至极致，能够实现快速、精确、个性化口腔修复体的制作。

背景技术

计算机辅助设计(Computer aided design，CAD)与计算机辅助制作(Computer aided manufacture，CAM)技术，融合了数学、光学、电子学、计算机图像识别与处理、自动控制与自动化加工等多学科的知识与技术，在20世纪70年代被广泛应用于工业自动化和航空航天领域。1983年，法国Duret研制的第一台牙科CAD/CAM系统样机在法国问世；1985年在法国国际牙医学术会议上Duret教授利用该设备制作出首个后牙瓷全冠并成功地用于患者口腔，使得CAD/CAM用于口腔医学领域成为现实。在进入上世纪90年代后，随着现代光电子技术、计算机技术图像分析处理技术等的进一步发展，越来越多的牙科CAD/CAM系统问世。目前，已有10余种CAD/CAM系统问世，可制作嵌体、贴面、全冠、部分冠、固定桥、种植体桥架等。而在可摘局部义齿及全口义齿仍处于研究阶段，并没有成熟的系统。口腔CAD/CAM系统通常由数据采集(数字化印模)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制作(CAM)三部分子系统组成。一门新兴的口腔修复技术开始形成，CAD/CAM系统使口腔修复学跨入了现代高科技领域。

1、主要CAD/CAM系统

目前商业化的口腔CAD/CAM系统中，数控铣床是重要的组成部分之一。修复体加工采用数控铣削方式，用切削工具切除多余材料，以获得符合形状、尺寸和表面粗糙度要求的修复体。该技术本质上属于去材制作范畴，即在本领域称为“减法”。

1.1Cerec系统

Cerec系统由德国西门子公司(SIEMENS)牙科部，即现在的德国西诺德(SIRONA)牙科设备有限公司开发完善。其产品系列包括有CerecⅠ、CerecⅡ和CerecⅢ以及Cerec in Lab。CerecⅢ2000年诞生的CerecⅢ系统基于Windows平台，切削系统与图象采集系统各自独立工作，软件系统也有了极大的提高，使得CerecⅢ系统可以制作嵌体、高嵌体、贴面、部分冠和全冠。但是CerecⅢ软件系统也只能在平面上进行设计，很难显示修复体的整体形态。2003年3月在美国亚特兰大的Hinman牙科大会上Cerec 3D系统首次展出，它在设计修复体时可引入了多维视角，可以从3维的角度直观审视修复体以及基牙的形态。Cerec 3D软件系统加入了FrameWork等3D设计软件，实现了全瓷固定桥的修复。2002年Sirona公司推出了Cerec in Lab系统，是专门为技工室所设计的，它使用激光扫描系统收集牙颌数据，修复体制作速度更快，适用范围更广，并且可以使用更高强度的二氧化铝、二氧化锆陶瓷材料。

1.2Celay系统

Celay系统由苏黎世牙学院设计并于1990年在慕尼黑第一次展出，现由瑞士Mikroma公司生产。该系统不是完全意义上CAD/CAM系统，其原理类似于一个小型钥匙复制机，由两部分组成，接触式传感器和微型铣床，传感头“读”出在口内或代型上制作的具有一定硬度的蜡或树脂修复体表面外形数据，并将数据同时传递到铣床上，同步加工出瓷修复体。该系统组成简单，自动化程度很低。工作时，必须先在口内或者代型上制作一个临时修复体，作为获取数据的信息源。Celay系统主要利用二氧化铝可切削陶瓷加工具有牙咬合面形态的嵌体或高嵌体，还可以加工全冠或固定桥的基底冠。

1.3Procera系统

Procera系统为瑞典系统，由Nobel Biocare公司于1993年推向市场。现在，该系统利用Procera Piccolo或者更加先进的Procera Forte扫描仪收集牙颌模型上数据，医师通过Procera Lofrwore 2.0软件对修复体进行设计，完毕后将数据通过互联网传送至Procera系统指定的4个生产中心(Stockholm，Sweden；Fair Lawn，NJ，USA；Karlskoga，Sweden；Tokyo，Japan)进行修复体的加工。加工中心可根据医师要求直接加工成最终的氧化锆、氧化铝全瓷冠桥，也可只加工成氧化锆、氧化铝基底待邮回后再进行表面饰瓷。Procera系统除可以用于制作天然牙牙冠外，还可以用于种植领域。Procera系统可以切削制作纯钛或氧化锆的单牙基台，其可以对基台的高度、角度和边缘线的形态外形进行个性化设计；Procera系统还可以切削制作纯钛或氧化锆的种植桥，其最多可以提供14个单位的种植桥，拥有极好的生物相容性、卓越的强度和美学效果。

1.4Cercon系统

Cercon系统通过Cercon Eye Scanner三维激光扫描牙颌模型上数据，传输给Cercon Art CAD部分对修复体进行设计，然后将设计好的信息传递给Cercon Brain部分对修复体进行切削加工或者将信息通过互联网传递到位于York的制作中心对修复体进行加工制作。因此对于一些小型牙科诊所或者技工中心可以仅购买Cercon系统的Cercon Art CAD部分系统(已经包含了Cercon Eye Scanner扫描仪)，从而降低成本。该Cercon Art CAD部分系统可以对修复体边缘、咬合面进行精细的设计，以二氧化锆结构陶瓷为加工对象，可制作桩核、种植体基台、全冠和固定桥。

1.5Lava系统

Lava系统由美国3M公司于2002年推出，由Lava Scan、Lava CAD、Lava Form、Lava Therm等部分组成。首先利用非接触式3D光扫描系统收集牙颌模型上数据，医师利用Lava Design 4.0软件进行修复体设计，完成后首先通过切削预烧结的二氧化锆瓷块获得基底冠，平均每单位牙冠需要35分钟。切削完成后对牙冠基底冠进行完全烧结，再在其表面加饰面瓷。对照Vita比色系统，Lava二氧化锆基底冠有7种颜色选择，饰面瓷有16种颜色选择，因此Lava系统制作的修复体拥有最接近天然牙的色泽和透光性，该系统主要适用于适于单冠和前后牙3～4单位固定桥的修复。

1.6Everest系统

Everest系统由德国Kavo公司于2002年推向市场。该系统由Everestscan，Everest engine，Everest therm，Everest elements四个构件组成。首先由Everest scan数据扫描系统(使用CCD相机)采集牙颌模型上数据，操作者利用ENERGY CAD软件对修复体进行三维设计，然后CAM部分在X、Y、Z、A、B五个轴上进行切削加工修复体。因此Everest系统制作的修复体具有良好的加工精度以及清晰的解剖结构。Everest系统可加工的材料非常广泛，包括氧化锆、氧化铝、纯钛、玻璃陶瓷、金、树脂等，可制作种植体、贴面、嵌体、高嵌体、单冠和固定桥。

1.7开放式系统

开放式系统是近年来市场上出现的“组装”型CAD/CAM系统，其数据采集系统、CAD系统、CAM系统可由不同的公司制作后组装形成。目前市场上比较成熟的开放式系统有两种方案：

1)3Shape牙科专用扫描仪+CAD软件+德国数控车床，其可以加工所有品牌的氧化锆、塑料，不受品牌的限制；

2)3Shape牙科专用扫描仪+CAD软件+美国3Dsystem蜡型机，在制作完蜡型后可以包埋铸造金属也可以进行全瓷冠的制作。

和其他CAD/CAM系统相比，开放式系统的优点在于：能加工的材料更加广泛，制作成本也更加低廉。

2、增材制造的CAD/CAM系统

上述数控车床无法切削具有复杂结构(如带有中空结构)的修复体以及切削过程中造成材料的浪费等成为口腔修复先进制造技术中急需解决的关键问题。快速成型技术，简称RP或RPM技术(Rapid Prototyping/RapidPrototyping Manufacturing)，是上世纪80年代末发展起来的一项先进制造技术。该技术将计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助制造(CAM)，计算机数字控制(CNC)，精密伺服驱动，激光和材料科学等先进科学集于一体，采取离散-叠层堆积的思想，基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多二维平面轮廓沿某一坐标方相叠加而成。但RP技术不能直接制作金属修复体以满足口腔修复的需要。上世纪90年代末由RP技术和激光涂覆技术相结合建立的快速制造技术(Rapid Manufacturing，RM)采用预置铺粉或者同步送粉的方式由激光将粉末材料逐层熔覆堆积得到三维实体零件。其制作的成形件具有优秀理化性能，且不受复杂结构的限制。RP技术和RM技术从本质上说均属于增材制作，即本领域所称的“加法”。

中国人民解放军第四军医大学的高勃于2003年申请了“口腔金属修复体的激光立体成形方法”中国发明专利，2005年获得授权(专利号：ZL03134316.3)。目前，金属修复体的3D打印成型主流为SLM(selectivelaser melting)和EBM(Electron Beam Melting)方法，前者主要打印制作钴铬合金冠桥、冠桥基底或者可摘局部义齿支架，后者主要用于金属植入体的制作。

2.1在固定修复中的应用

2004年Bennett采用基于SLM技术的MCP Realizer设备分别制作了钴铬合金和不锈钢材料的基底冠、固定冠和固定桥，制作后的牙冠外型良好。2005年，法国学者Nadine应用自己研发的Phenix SLM系统设计并制作了镍铬合金的基底冠，制成的基底冠外形、精度均良好，熔覆烤瓷后，制作的烤瓷牙冠具有非常好的颜色匹配性和边缘适合性。

2.2在可摘局部义齿中的应用

2006年Williams等通过CAD/CAM技术在SLM Realizer 2机器上制作了可摘局部义齿的钴铬合金支架。国内吴琳等初步实现了对肯氏Ⅱ类牙列缺损模型的计算机辅助设计，并用激光快速成形机加工出可摘局部义齿支架的树脂铸型。2009年诸森阳等对肯氏Ⅰ类牙列缺损可摘局部义齿支架进行了计算机辅助设计与制作。

2.3在全口义齿中的应用

全口义齿形态复杂，且组成义齿的材料多样，全口义齿CAD/CAM研究相对滞后。中国人民解放军第四军医大学高勃等通过Surfacer软件，设计出上颌半口金属基托义齿，并利用激光立体成形技术初步加工出上半口基托。2008、2009年，中国人民解放军第四军医大学高勃发表了激光快速成形制作全口义齿上颌纯钛基板的论著Lasers Med Sci(2010)25:309–315，RapidPrototyping Journal Volume15·Number2·2009·133～136，并对其适合性进行了研究，临床测试结果显示其制作精度有待提高。

3、传统CAD/CAM在临床应用中的局限和发展方向

CAD/CAM技术在口腔领域的应用大大提高了修复效率，缩短了患者治疗周期，减少了患者的痛苦并且降低了技师的劳动强度，使得口腔修复学取得了革命性的发展。但在临床应用过程中还存在以下问题：目前CAD/CAM系统主要应用于固定修复领域，而在可摘局部义齿以及全口义齿中没有应用的主要原因是CAD/CAM系统的切削加工固有的局限性，不但造成材料的浪费，也使得制作的修复体种类单一，不能切削加工复合材料的修复体。

综上所述，如果能将传统CAD/CAM系统的切削制造技术与金属3D打印技术有机结合，是未来口腔修复体的制作方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种全新的口腔修复体自动化加工方法，该方法将现有口腔CAD/CAM系统的数控切削技术与金属3D打印技术相结合，将各自的加工方式有机结合，发挥各自所长，将各自的优势发挥至极致，达到快速、精确、个性化地制作口腔修复体。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，其特征在于，该方法采用光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统加工口腔修复体，具体包括下列步骤：

步骤一，用光学扫描和计算机辅助设计系统常规完成患者口内或者口外石膏模型的三维外形扫描并建立与口腔缺牙情况一致的口腔修复体数据模型；

步骤二，根据口腔修复体的设计，用CAD/CAM辅助系统完口腔成修复体的构型设计与制作，输出数据格式为选择性激光熔覆机兼容的STL格式；

步骤三，在患者石膏模型上试戴合适后，连同石膏模型和制作的口腔修复体构型用光学扫描和计算机辅助设计系统进行二次扫描，得到口腔修复体初戴的全部数据，藉此数据，用CAD/CAM辅助系统软件进行最终的口腔修复体二次设计，得到与口腔修复体相匹配的人工牙或者基托数据；

步骤四，采用SLM成型的金属粉末材料，该金属粉末材料须符合国家医用许可标准；选择性激光熔覆机将步骤三得到的数据，离散成二维平面数据，按照预设的顺序进行二维平面轮廓数据加工，逐层累加，熔覆堆积金属粉末材料成型，得到金属口腔修复体；

同时，将步骤三得到的数据输入数控切削机床，选取得到国家医用认证许可的口腔陶瓷或者塑料坯材，切削出与金属口腔修复体外形匹配的人造牙或基托；

步骤五，将选择性激光熔覆机熔覆堆积成型的金属口腔修复体与数控切削机床切削出的人造牙或基托装配粘接，得到最终的口腔修复体，供患者佩戴使用。

根据本发明，步骤四中所述的选择性激光熔覆机熔覆堆积金属粉末材料成型是在真空惰性气体加工仓内，将金属粉末材料铺于金属基板上，单层铺粉厚度为依据不同金属粉末材料的特性和加工精度而定，具体成型步骤如下：

(1)将金属粉末置于粉床之上，升温至合适的温度；

(2)步骤(1)结束后激光光束按照二维平面轮廓将金属粉末熔覆成形；

(3)步骤(2)结束后，进行第二次铺粉，用刮板将粉床表面刮平，然后重新按照步骤(1)、步骤(2)顺序进行新一层的单道熔覆成型；经反复铺粉，单道熔覆成型后，去除未曾熔覆的粉末和支撑结构，即可得到金属口腔修复体。

所述的口腔修复体包括桩核、冠桥、烤瓷冠桥基底冠、可摘局部义齿支架、全口义齿基托、种植义齿桥架或个性化基台。

本发明的口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，采用光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统，其中的选择性激光熔覆机充当了3D打印机的角色，将各自的加工方式有机结合，功效发挥至极致。与现有技术相比，创新点在于：将数控切削(减材制造，称之为减法)与选择性激光熔覆机(增材制造，称之为加法)有机结合，高度统一。将矛盾对立统一的两个方面上升到合二为一的境界。该方法将极大提高口腔修复体、特别是复杂的口腔修复体的自动化生产效率，摆脱传统手工制作口腔修复体的繁琐工序，提高口腔修复体制作质量和稳定性，达到快速、精确、个性化制作目的，更好满足广大缺牙患者的迫切需求。

采用本发明方法中的光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统，可安放在流动交通工具上，例如车、船，相当于一个流动的义齿数字化加工厂。

附图说明

图1是本发明采用的光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统结构框图；

图2是患者口腔缺牙照片；

图3是制取口腔印模获得石膏模型照片；

图4是石膏模型上完成的可摘局部合金义齿TC4支架计算机辅助设计图；

图5是选择性激光熔覆机完成的可摘局部合金义齿TC4支架；

图6是可摘局部合金义齿TC4支架在石膏模型上试戴照片；

图7是可摘局部合金义齿TC4支架连同石膏模型二次扫描数据；

图8是在可摘局部合金义齿TC4支架上进行二次计算机辅助设计人造牙；

图9是数控切削机床完成的氧化锆陶瓷三联冠；

图10是可摘局部合金义齿TC4支架与氧化锆陶瓷三联冠装配照片。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明给出一种全新的口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，该方法采用光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统，将各自的加工方式有机结合，功效发挥至极致。

参见图1，该复合系统包括三部分，第一部分为光学扫描和计算机辅助设计系统,用以完成口腔修复体的数字化模型的采集；第二部分为口腔修复体的CAD/CAM辅助系统及其软件，以完成口腔修复体构型的计算机辅助设计。第三部分为小型化的选择性激光熔覆机和数控切削机床(数控铣床)，其中的选择性激光熔覆机充当了金属3D打印的角色，将设计完成的口腔修复体的CAD数据用选择性激光熔覆机进行金属粉末熔覆堆积成型，口腔修复体的类型包括金属桩核、金属冠桥、烤瓷冠桥金属基底、可摘局部义齿金属支架、全口义齿金属基托、种植体的金属桥架与个性化基台等，其金属粉末符合国家医用许可标准；数控铣床磨削出材质为符合国家医用许可的塑料或陶瓷人造牙和基托；最后将人造牙与基托装配粘接在金属的口腔修复体上，这样就完成了可摘局部义齿、固定义齿、全口义齿以及种植体义齿等修复体的快速制作。

加工方法的具体步骤是：

步骤二，根据口腔修复体的设计，用CAD/CAM辅助系统完口腔成修复体的构型设计与制作，输出数据格式为3D打印机兼容的STL格式；

下面的实施例给出了一种口腔修复体中最为复杂的可摘局部义齿的制作全过程，具体包括：

1、材料与设备

1.1SLM所需材料及设备

选择性激光熔覆机(EOSINT M280，EOS公司，德国)。

TC4粉末，球形粉，粒径15-53微米(卡本特公司，美国)。

1.2CAD/CAM辅助系统及数控切削机床

CAD/CAM辅助系统及其配套的数控切削机床(Ultrasonic20linear，DMG公司，德国)，可摘局部义齿设计软件(3shape公司，丹麦)。

1.3其他材料与设备

光学扫描和计算机辅助设计系统(DWOS，Dental Wings公司，加拿大)；

康特“水魔方”硅橡胶印模材(康特齿科集团，瑞士)；

超硬石膏(湖北贝诺齿科材料有限公司)；

可切削氧化锆块(爱尔创公司，中国)。

1.4病例选择和基牙预备

选取一男性患者景某，年龄56岁，左上颌前磨牙和第一磨牙缺失(图2)，不能行种植和固定义齿修复，自愿行传统的维他灵支架式可摘局部义齿修复。

义齿修复设计为牙支持式的可摘局部义齿，13、17、23、27作为基牙，放置合支托，唇颊侧设计卡环，宽后腭杆为大连接体。完成临床基牙预备。

1.5可摘局部义齿支架的计算机辅助设计和3D打印

制取患者两付口腔石膏模型(参见图3)，第一付模型采用传统的失蜡铸造技术制作维他灵金属支架，排牙充填塑料制作完成后为患者佩戴使用。

另一付模型使用光学扫描和计算机辅助设计系统(DWOS，Dental Wings公司，加拿大)对石膏模型的三维外形扫描并建立与口腔缺牙情况一致的口腔修复体数据模型，用3shape公司的可摘局部义齿设计软件完成可摘局部义齿TC4支架的CAD设计图(图4)，需要强调的是在14、15、16缺牙区设计出基底冠的外形，随后以该数据在选择性激光熔覆机上进行金属3D打印，制作出可摘局部合金义齿TC4支架(图5)。打印制作参数是400W光纤激光，单层铺粉厚度为60微米，扫描路径为线性充填+外轮廓扫描。

本实施例中，选择性激光熔覆机充当了金属3D打印的角色，其熔覆堆积TC4粉末成型是在真空惰性气体加工仓内，将TC4粉末材料铺于金属基板上，单层铺粉厚度为依据不同金属粉末材料的特性和加工精度而定，具体成型步骤如下：

(1)将金属粉末(TC4粉末)置于粉床之上，升温至合适的温度；

(3)步骤(2)结束后，进行第二次铺粉，用刮板将粉床表面刮平，然后重新按照步骤(1)、步骤(2)顺序进行新一层的单道熔覆成型；经反复铺粉，单道熔覆成型后，去除未曾熔覆的粉末和支撑结构，即可得到可摘局部合金义齿TC4支架。

可摘局部合金义齿TC4支架完成后，在石膏模型上试戴(图6)。

1.6可摘局部合金义齿TC4支架就位于石膏模型上的二次扫描、二次计算机辅助设计和数控切削加工

将可摘局部合金义齿TC4支架完全就位于石膏模型上，用光学扫描和计算机辅助设计系统进行二次数据扫描(图7)，针对扫描数据进行二次计算机辅助设计，设计出人造牙的构型(图8)，并得到人造牙构型的CAD数据，该数据输入CAD/CAM辅助系统及配套的数控切削机床，选取氧化锆材料，切削制作出与可摘局部合金义齿TC4支架匹配的氧化锆三联冠(图9)。

1.7TC4支架和氧化锆三联冠的装配粘接

将氧化锆三联冠装配到合金义齿TC4支架上，完全就位后用粘接剂粘接(图10)，最终完成可摘局部义齿的制作。

需要说明的是，以上的实施例是帮助本领域的技术人员理解本发明，本发明不限于上述实施例，按照本发明的方法，还可以对桩核、冠桥、烤瓷冠桥金属基底冠、全口义齿基托、种植义齿桥架或个性化基台等各种口腔修复体的自动进行加工。

当然，本发明方法中采用的光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统，可安放在流动交通工具上，例如车、船，相当于一个流动的义齿数字化加工厂，为患者提供更便捷的服务。

Claims

1.一种口腔修复体的CAD/CAM/3D自动化加工方法，其特征在于，该方法采用光学扫描和计算机辅助设计系统、CAD/CAM辅助系统、选择性激光熔覆机、数控切削机床组成的复合系统加工口腔修复体，具体包括下列步骤：

步骤五，将选择性激光熔覆机熔覆堆积成型的金属口腔修复体与数控切削机床切削出的人造牙或基托装配粘接，得到最终的口腔修复体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中所述的选择性激光熔覆机熔覆堆积金属粉末材料成型是在真空惰性气体加工仓内，将金属粉末材料铺于金属基板上，单层铺粉厚度为依据不同金属粉末材料的特性和加工精度而定，具体成型步骤如下：

(1)将金属粉末置于粉床之上，升温至合适的温度；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的口腔修复体是桩核、冠桥、烤瓷冠桥基底冠、可摘局部义齿支架、全口义齿基托、种植义齿桥架或个性化基台。