CN106264762A - 口腔修复体cad/cam/slm‑3d打印复合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种口腔修复体CAD/CAM/SLM‑3D打印复合新方法，该方法采用光学扫描测量仪或者接触式扫描测量仪、口腔修复体的计算机辅助设计软件、小型化的金属3D打印机和数控铣床组成的CAD/CAM/SLM‑3D打印复合系统制备金属修复体，将现有的口腔CAD/CAM系统与金属3D打印技术相结合，将各自的数控加工方式有机结合，功效发挥至极致。极大提高口腔金属修复体、特别是复杂口腔金属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

口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合方法

技术领域

本发明涉及口腔修复体自动化加工方法，特别是一种口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合方法，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，实现快速、精确、个性化的制作口腔修复体的目标。

背景技术

计算机辅助设计(Computeraideddesign，简称CAD)与计算机辅助制作(Computeraidedmanufacture，简称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年在法国召开的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“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CerecinLab。其中：CerecⅢ于2000年诞生，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Cerec3D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。Cerec3D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 inLab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NobelBiocare公司于1993年推向市场。现在，该系统利用ProceraPiccolo或者更加先进的ProceraForte扫描仪收集牙颌模型上数据，医师通过ProceraLofrwore2.0软件对修复体进行设计，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；FairLawn，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系统是通过CerconEyeScanner3维激光扫描牙颌模型上数据，传输给CerconArtCAD部分对修复体进行设计，然后将设计好的信息传递给CerconBrain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CerconArt CAD部分(已经包含了CerconEyeScanner扫描仪)，从而降低成本。CerconArtCAD可以对修复体边缘、咬合面进行精细的设计。Cercon系统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、LavaCAD、LavaForm、LavaTherm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LavaDesign4.0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系统统由德国Kavo公司于2002年推向市场。该系统由Everestscan，Everestengine，Everesttherm，Everestelements四个构件组成。首先由Everestscan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ENERGYCAD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(RapidPrototyping/RapidPrototypingManufacturing)，是20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。20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(RapidManufacturing，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的理化性能，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“加法”。

中国人民解放军第四军医大学高勃于2003年申请了“口腔金属修复体的激光立体成形方法”中国专利，2005年被授权(专利号：ZL03134316.3)。目前，金属修复体的3D打印成型主流为SLM(selectivelasermelting)和EBM(ElectronBeamMelting)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MCPRealizer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PhenixSLM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，手工熔覆烤瓷后，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SLMRealizer2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，目前的全口义齿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先后发表了激光快速成形制作全口义齿上颌纯钛基板的论著：LasersMedSci(2010)25：309–315；RapidPrototypingJournalVolume15，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，缩短了患者的治疗周期，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目前已经相对成熟的金属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，提供一种口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合新方法，该方法将现有的口腔CAD/CAM系统中数控切削技术与金属3D打印技术相结合，将各自的数控加工方式有机结合，发挥各自所长，将各自的优势发挥至极致，快速、精确、个性化地制作口腔金属修复体。

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CAD/CAM/SLM-3D打印复合方法，其特征在于，该方法采用光学扫描测量仪或者接触式扫描测量仪、口腔修复体的计算机辅助设计软件、小型化的金属3D打印机和数控铣床组成的CAD/CAM/SLM-3D打印复合系统制备口腔修复体，所述的口腔修复体从材料组成上是复合材料修复体，其基底或支架部分为金属，附着在金属表面的为陶瓷或者塑料；从修复类型上是烤瓷或烤塑冠桥，或者可摘局部义齿；具体按以下步骤进行：

1)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数字化模型，简称A模型；

2)采用计算机辅助设计软件在A模型上完成口腔修复体的金属基底或支架构型设计，简称B构型，数据格式为3D打印机兼容的STL格式；

3)将B构型在计算机辅助设计软件中对齐放置于A模型原有的位置上，在此基础上完成与金属基底或支架对应的上部相匹配的人造牙构型设计，简称C构型；

4)将B构型数据输入3D打印机，选取符合国家医用材料许可的金属粉末材料，运用选择性激光熔化技术(SLM)的3D打印工艺制作相应的金属支架，简称D结构；

同时将C结构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B构型上部相匹配的人造牙数据构型，简称E构型；

5)将D结构和E构型装配粘接，得到最终的口腔修复体，供患者佩戴使用。

根据本发明，所述金属基底或支架对于可摘局部义齿来说是可摘局部义齿金属支架；对于烤瓷或烤塑冠桥来说，是该烤瓷或烤塑冠桥的金属基底。

上述CAD/CAM/SLM-3D打印复合系统可安放在流动交通工具如车船或飞机上，相当于一个流动的义齿数字化加工厂。

本发明的口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合新方法，其创新点在于：一体化设计，同步加工。将金属基底或支架构型(如可摘局部义齿支架)与其相应上部相匹配人造牙构型同一时间内前后分别完成设计，口腔修复体加工时将数控切削(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，同步进行。将矛盾对立统一的两个方面上升到合二为一的境界。将极大提高口腔金属修复体、特别是复杂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。

附图说明

图1是本发明的口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合新方法示意图；

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可摘局部义齿的TC4合金支架CAD设计图；

图5是将TC4合金支架重新对齐定位于其在数字化模型上的原有位置；

图6是在TC4合金支架上进行计算机辅助设计人造牙；

图7是3D打印完成的TC4合金支架；

图8是数控切削完成的氧化锆陶瓷三联冠；

图9是TC4合金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

在以下的实施例中，申请人采用光学扫描测量仪或者接触式扫描测量仪、口腔修复体的计算机辅助设计软件、小型化的金属3D打印机和数控铣床组成的CAD/CAM/SLM-3D打印复合系统，该系统由三部分组成，第一为光学扫描测量仪或者接触式扫描测量仪，通过扫描石膏模型、口内制取的印模、直接扫描口内软硬组织等方法，完成口腔数字化模型的采集；第二为口腔修复体的计算机辅助设计软件，完成口腔修复体构型的计算机辅助设计。第三为小型化的金属3D打印机和数控铣床，3D打印机将设计完成的金属基底或支架CAD数据用金属粉末打印成型，其金属粉末符合国家医用许可标准。数控切削陶瓷或者塑料也需符合国家医用许可标准。

所述的口腔修复体从材料组成上是复合材料修复体，其基底或支架部分为金属，附着在金属表面的为陶瓷或者塑料；从修复类型上是烤瓷或烤塑冠桥，或者可摘局部义齿。

最后将塑料或陶瓷人造牙装配粘接在金属基底或者支架上，这样就完成了口腔修复体的快速制作。

具体的制作方法参见图1所示：

1、常规完成患者口腔内或者口腔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数据模型，简称A模型；

2、采用计算机辅助设计软件完成金属基底或支架(如可摘局部义齿的金属支架)的构型设计，简称B构型，数据格式为3D打印机兼容的STL格式。

3、将设计好的B构型在计算机辅助设计软件中对齐放置于数字化模型上原有的位置上，在此基础上完成金属支架上部相匹配的人造牙构型设计，简称C构型；

4、将B构型数据输入SLM金属3D打印，选取符合国家医用材料许可的金属粉末材料。

5、3D打印机将B构型的三维数据模型，离散成二维平面数据，运用选择性激光熔化技术(SLM)，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金属支架。具体过程是：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，即可得到金属基底或支架D。

6、同时将C构型数据输入数控切削机床，选取得到国家认证许可的口腔陶瓷或者塑料坯材，切削出与金属支架D上部结构匹配的构型，如人工牙或人造牙，简称E结构。

7、将金属基底或支架D和E结构装配粘接，得到最终的修复体，供患者佩戴使用。

在本领域，烤瓷冠桥的制备相对简单，本实施例仅给出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，以下是详细的研究过程：

1、材料与设备

1.1SLM所需材料及设备

选择性激光熔覆机(EOSINTM280，EOS公司，德国)。TC4粉末，球形粉，粒径15-53微米(卡本特公司，美国)。光学扫描和计算机辅助设计系统(DWOS，DentalWings公司，加拿大)。

1.2CAD/CAM切削设备及材料

CAD/CAM系统(Ultrasonic20linear，DMG公司，德国)，可切削氧化锆块(爱尔创公司，中国)。

1.3其他材料与设备

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)。

1.4病例选择及设计

参见图2，选取一男性患者景某，年龄56周岁，左上颌前磨牙和第一磨牙缺失，不能行种植牙系统和固定义齿修复，自愿行传统的可摘局部义齿修复。

将可摘局部义齿设计为牙支持式，其13、17、23、27作为基牙，TC4合金支架的唇颊侧设计卡环，宽后腭杆为大连接体。TC4合金支架上设计连接人工牙(人造牙)的三连冠预备体。

1.5可摘局部义齿支架及相应冠桥的计算机辅助设计

制取患者两付口腔石膏模型(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3shape扫描仪获得石膏模型的数字化模型，用3shape公司的设计软件完成TC4合金支架的设计(图4)，保存该CAD构型为STL格式数据1。

将STL格式数据1中设计好的TC4合金支架重新对齐定位于其在数字化模型上的原有位置(图5)，随后再次在3shape公司的计算机辅助设计软件中完成与TC4合金支架上相应的三连冠预备体、以及该三连冠预备体相连接的人造牙CAD构型设计(图6)，保存得到的人造牙CAD构型的STL格式数据2。

1.63D打印TC4合金支架和数控切削加工氧化锆三联冠

将STL格式数据1在3D打印机上运用选择性激光熔化技术(SLM)打印制作TC4合金支架(图7)。打印参数是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。

同时将人造牙CAD构型的STL格式数据2输入至牙科数控铣床，切削制作出氧化锆人造牙三联冠(图8)。

1.7TC4合金支架和氧化锆三联冠的装配粘接

将氧化锆人造牙三联冠装配到TC4合金支架的三连冠预备体上(图9)，完全就位后用粘接剂粘接，完成最终可摘局部义齿的制作。

Claims (3)

1.一种口腔修复体CAD/CAM/SLM-3D打印复合方法，其特征在于，该方法采用光学扫描测量仪或者接触式扫描测量仪、口腔修复体的计算机辅助设计软件、小型化的金属3D打印机和数控铣床组成的CAD/CAM/SLM-3D打印复合系统制备口腔修复体；所述的口腔修复体从材料组成上是复合材料修复体，其基底或支架部分为金属，附着在金属表面的为陶瓷或者塑料；从修复类型上是烤瓷或烤塑冠桥，或者可摘局部义齿；具体按以下步骤进行：

1)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数字化模型，简称A模型；

2)采用计算机辅助设计软件在A模型上完成口腔修复体的金属基底或支架构型设计，简称B构型，数据格式为3D打印机兼容的STL格式；

3)将B构型在计算机辅助设计软件中对齐放置于A模型原有的位置上，在此基础上完成与金属基底或支架对应的上部相匹配的人造牙构型设计，简称C结构；

4)将B构型数据输入3D打印机，选取符合国家医用材料许可的金属粉末材料，运用选择性激光熔化技术(SLM)的3D打印工艺制作相应的金属基底或支架，简称D结构；

同时将C结构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B构型上部相匹配的人造牙，简称E构型；

5)将D结构和E构型装配粘接，得到最终的口腔修复体，供患者佩戴使用。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属基底或支架对于可摘局部义齿是可摘局部义齿的金属支架；对于烤瓷或烤塑冠桥来说是该冠桥的金属基底。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的CAD/CAM/SLM-3D打印复合系统可安放在流动交通工具如车船或飞机上，相当于一个流动的义齿数字化加工厂。