CN108245432A - 一种全瓷口腔修复体的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全瓷口腔修复体的增材制造方法。利用选择性光固化技术快速成型得到辅助成型模具，并以此为模板对陶瓷浆料挤出技术得到口腔修复体陶瓷素胚产生自动修正作用，以达到综合选择性光固化技术高精度和陶瓷浆料挤出技术高质量的优点。另外通过使用具有特殊多材料挤出装置的陶瓷浆料挤出增材制造装置，可以直接生成仿真天然牙的多层全瓷口腔修复体，进一步缩短了工艺流程，有望在将来作为一种高精度和高效率的工艺用于全瓷口腔修复体的制造。

Description

一种全瓷口腔修复体的增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种全瓷口腔修复体的增材制造方法。

背景技术

因为自身遗传和外界环境的影响，人类的解剖结构千差万别。很多情况下，每一个口腔修复体都是独一无二的，只适应于特定的一位患者。另外，口腔修复体通常需要满足功能修复和美观的双重要求，不但要求有较高的尺寸精度，还需要具有一系列的力学性能（强度，硬度，韧性），光学性能（透明度，色泽，荧光），物化性能（耐腐蚀，耐水，稳定性），生物性能（相容性）等，因此对材料和制造工艺具有非常苛刻的要求。

材料方面：口腔修复可以追溯到2500年前的古罗马，当时的工匠就使用金子来制作牙冠和桥体。后来，竹子、木材、兽骨、象牙等都被用来雕刻制成假牙。上世纪60年代，与金属的热膨胀系数相匹配陶瓷的发明，使得烤瓷熔附金属冠（烤瓷牙）成为可能。其结合了金属内冠的强度、边缘密合度和陶瓷的美观，被广泛应用于牙科临床。但是，由于烤瓷牙光线不能透过，且边缘金属氧化后容易发黑。而最新发展起来的全瓷修复产品与传统产品最大的区别就在于陶瓷具有与天然牙最接近的美学外观等，而且色彩稳定性好，长期使用后不会出现黑化，黄化的可能，不沾污垢，不易附着菌斑，容易清洁。因此，越来越广泛地应用于各种牙齿修复体的制作。

工艺方面：传统口腔修复体制作工艺通过“印模-代型-蜡型-熔模-浇铸”的繁琐流程进行修复体的制造，共经历了4次的翻模，每一次翻模都会产生模型的误差累积。而且因为所有工艺流程的操作完全依靠手工，不但效率较低，而且技工的熟练程度决定了口腔修复体的质量高低。另外，因为严重依赖于模具浇铸工艺，所以只能使用熔点低的低强度玻璃陶瓷作为材料，而不适于具有最佳机械性能和美学效果的氧化锆陶瓷。经过半个世纪的发展，口腔修复计算机辅助设计/制造（computer-Aided Design/Computer-AidedManufacturing, CAD/CAM）技术逐渐成熟，其主要流程如美国专利US20050261795所描述，先预烧制可制作单个或多个修复体的规整瓷块，然后在多轴数控切削设备上进行加工而形成全瓷修复体。目前在国外已有几十种牙科CAD/CAM系统问世，可制作嵌体、高嵌体、贴面、基底冠、全冠、部分冠、固定桥、种植体基台以及种植支架等。

综合全瓷修复体和口腔CAD/CAM技术的发明，为整个口腔修复体带来了颠覆性的发展。这种工艺不但流程高度自动化，很大程度上提高了精度和效率。而且可以用于加工包括氧化锆在内的多种陶瓷材料。然而目前的口腔CAD/CAM制作全瓷修复体技术仍然存在很多问题：1）主要依赖数控切削设备，其设备和耗材昂贵，材料浪费大（大概有80%的原料只能被作为废料处理），导致其产品费用过高。2）在切削过程中，陶瓷表面时容易产生微裂纹和高温转晶，导致产品性能下降。3）因为刀具尺寸的限制，牙冠咬合面的尖窝沟脊细节部分无法直接加工，还需要后续手工车瓷。4）因为基于减材工艺，口腔CAD/CAM技术只能进行单一材料的加工，无法形成仿真牙本质，牙釉质的多层冠结构，还需要后续手工堆瓷。虽然也有多层预烧制瓷块的存在，但其色彩分布单一，美学效果不佳，而且因为分层材料的收缩不一致，容易导致产品因为层间应力产生裂纹。为了解决这此问题，人们开始开发用于全瓷口腔修复体的增材制造技术，目前主要分为三大类别，选择性激光烧结或熔融（SelectiveLaser Sintering/Melting ，SLS/SLM），选择性光固化(Stereo lithography Appearance,SLA或Digital Light Processing, DLP )，以及浆料挤出成型（Slurry ExtrusionFreeforming, SEF）工艺。

德国专利DE19649865所描述的SLM技术在增材制造钴铬合金和钛金属材质口腔修复体方面取得了较好的效果，但在制作全瓷修复体方面遇到了很大的挑战。SLM通常要求材料有较好的导热性和较窄的“固-液”温度范围，所有陶瓷材料均不具备这样的性质，无法形成良好的“烧结线”。而且陶瓷材料对热冲击敏感，在SLM成形中极易产生裂纹。因此，目前全瓷口腔修复体的工艺研究多采用美国专利US5155324里面所描述的SLS技术，即在陶瓷粉末中掺杂或包裹低熔点树脂，然后激光照射熔融树脂来粘结陶瓷粉末成型，然后再通过后续烧结除去树脂和致密化陶瓷。但因为原料必须为可流动的疏松粉体，得到的素胚孔隙率大，容易造成气孔和开裂变形等问题，得到的最终产品致密度低，强度低，所以无法得到高质量的全瓷口腔修复体。

选择性光固化技术根据光源种类可分为美国专利US6117612里面所描述的SLA和美国专利US8371702里面所描述的DLP工艺。其原料均为液态光敏树脂与陶瓷粉体等混合配制出陶瓷浆料，然后计算机根据每个截面的轮廓线控制光照射相应区域，使浆料固化形成一层轮廓，逐层叠加直至成形完毕。通过减小激光光斑或增加投影分辨率，SLA或DLP通常可以获得<50微米的高精度。但是为了得到较高质量的产品，通常需要陶瓷粉末在混合液中具有至少50%的体积固含量，但这也造成混合液的粘度急剧增加，增加了操作的难度。另外因为光敏树脂的含量较高，光固化得到的陶瓷胚体需要2～3天的烧结除胶，效率较低。而且因为树脂烧灼后残留灰分的存在，无法得到高强度和高透度的全瓷口腔修复体。

中国专利CZ2014107221306描述了陶瓷材料用于浆料挤出成形（SEF）的方法：将陶瓷粉末和水溶液配成浆料,根据所要制造零件的CAD分层数据，通过挤出装置将浆料从喷嘴挤出，逐线逐层的堆积出陶瓷素胚，然后烧结得到最终的产品。通过配制体积固含量40～50%的氧化锆陶瓷水性浆料，SEF工艺可以制作强度高达1000MPa，且具有一定透度的口腔修复体。然而这种技术所形成的素胚强度低，存在易变形，尺寸稳定性差的问题。而且因为挤出喷嘴直径的限制，其精度通常在0.2mm～0.4mm, 还无法达到口腔修复的尺寸精度要求。另外此技术通常采用单喷嘴结构，与面成型技术相比，效率较低，因此限制了此技术在口腔修复体的应用。

综上所述，目前各种单一的增材制造技术都还无法满足全瓷口腔修复体的严苛的生产要求，因此需要一种能够综合各种工艺优点的增材制造工艺。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种新型的全瓷口腔修复体的增材制造方法。

本发明所采取的技术方案，包括以下步骤：

1)根据全瓷口腔修复体基牙预备原则进行牙体制备，然后通过口内扫描或口外代型扫描得到至少包括基牙以及邻牙的口腔扫描数字模型，最后通过牙科专用CAD软件设计得到口腔修复体数字模型；

2)将口腔修复体数字模型按照陶瓷烧结放尺率放大，然后以此为模板制备相应的阴模数字模型，包括与口腔修复体咬合面吻合的凸面阴模以及与口腔修复体粘结面吻合的凹面阴模。最后通过选择性光固化技术将光敏树脂按照阴模数字模型快速成型得到辅助成型模具；为了后续脱模方便，树脂模具需要用脱模剂进行处理。

3)利用增材制造切片软件，根据放大后的全瓷口腔修复体数字模型，规划陶瓷浆料的三维填充/堆积路径，然后利用浆料挤出成形增材制造设备，通过其配备的多材料挤出装置，将不同组成的陶瓷浆料按照上述的路径，以凸面阴模为模板，逐层填充或堆积形成全瓷口腔修复体素胚，然后进行干燥；

4)将干燥后的陶瓷素胚取下，对内外表面进行后处理，然后放置在凹面阴模上手动或自动修正形状，然后再次干燥得到的修正后的陶瓷素胚；

5)将陶瓷素胚放置在装有氧化锆珠的烧结盘上，然后放入专用牙科高温烧结炉中，按照一定的升温降温曲线烧结得到最终的全瓷口腔修复体。

步骤2）中，所述辅助成型模具，可以将单个或多个凸面阴模数字模型按照一定规律排版在一个版面上，然后一次光固化快速成型得到。

步骤2）中，所述辅助成型模具设有至少两个定位孔，用于后续陶瓷浆料增挤出成形定位使用。

步骤2）中，所述辅助成型模具的XY方向精度需小于100微米，Z方向精度需小于50微米，以保证最终全瓷口腔修复体的精度。

步骤2）中，所述脱模剂为聚乙烯醇或二甲基硅油的水溶液或乳化液。

步骤3）中，所述的三维填充/堆积路径的生成方法包括：a）根据喷嘴的尺寸对口腔修复体数字模型进行喷嘴外壁的厚度补偿，以避免喷嘴对阴模产生碰撞b) 根据补偿后的喷嘴模型生成自由成型的填充/堆积路径 c）对最外圈的挤出宽度进行补偿，以达到100%填充。

步骤3）中，所述的陶瓷浆料由含3Y～8Y（氧化钇摩尔百分含量）氧化锆纳米粉末，分散剂，增稠剂，流变剂，色料，和水组成。具体组成可以参考专利CZ2015104219614，CZ2014107221306。

步骤3）中，所述的陶瓷浆料根据填充的位置可以分为本质浆料和釉质浆料。本质浆料中的氧化锆粉末中氧化钇摩尔百分含量为2%至5%，用于形成具有高强度的全瓷修复体本质。釉质浆料中的氧化锆粉末中氧化钇摩尔百分含量为3%至6%，用于形成具有高透明度的全瓷修复体釉面。

步骤3）中，所述的陶瓷浆料添加的色料为氧化铁，氧化铒和氧化钴。氧化铁的含量为0~2%，氧化铒的含量为0%到5%，氧化钴的含量为0%到0.1%，以调节修复体的色泽和明度。色料可以预先加入到陶瓷浆料中，也可在在陶瓷浆料填充/堆积过程中从挤出装置中在线加入。

步骤3）中，所述的多材料挤出装置的送料部分为偏心螺杆挤出装置。其主要部分由电机驱动的偏心螺杆转子和与之过盈配合的定子组成。其转子部分采用金刚石涂层的不锈钢材料，其定子部分采用氟橡胶材料。

步骤3）中，所述的多材料挤出装置为具有多个进料口的挤出装置，分别填充含本质陶瓷浆料，釉质陶瓷浆料，色料或其他浆料。在成型过程中，根据成型位置的不同，挤出相应组成的陶瓷浆料。

步骤3）中，所述的SEF增材制造设备采用移动龙门结构，即陶瓷素胚堆积在始终保持静止的成型平台上，不会因为移动造成胚体变形。而多材料挤出装置则在X，Y，Z轴方向移动。

步骤4）中，对陶瓷素胚内外表面进行后处理的方法包括：采用水蒸气喷雾或者喷涂步骤3中所描述的陶瓷浆料。

步骤3）、步骤4）中，陶瓷素胚干燥采用远红外，电热棒，微波，自然蒸发等中的一种或多种组合。

本发明的有益效果如下：

1.选择性光固化技术可以得到精度较高的产品，但因为材料限制，还无法得到高质量的全瓷产品。SEF可以得到较高质量产品，但表面粗燥，精度较低。因此本专利将通过选择性光固化技术制作树脂基的辅助成型模板，以此为模板来提高SEF技术得到产品的尺寸精度，并纠正陶瓷素胚的变形。本专利所描述的技术不但综合了SLA/DLP和SEF两种技术的优点，并且综合了模具成型和自由成型的优点。

2.对于口腔修复体来说形状最复杂的是咬合面区域（凸面），有较多细微的尖窝沟脊细节。而尺寸精度要求最高的是修复体的粘结面（凹面），直接决定了修复体和基牙的密合度，因此需要对这两处利用辅助成型模具进行纠正。

3. 全瓷口腔修复体通常是在烧结后进行就位操作，对形态不良，咬合不佳的地方进行修正。但烧结后陶瓷的硬度非常高，修正的难度较大。通过本专利所描述的技术，可以在烧结前就进行就位操作，并提前修正，免去烧结后修正可能产生开裂的风险。

4. 为了达到美学效果，通常全瓷口腔修复体都是先切削烧结形成氧化锆内冠，然后通过人工堆瓷的方法形成修复体的细节部分。堆瓷的操作通常需要经验丰富的熟练技工进行操作，且费时费力。另外堆瓷所采用的通常为玻璃陶瓷，因此强度较低，容易崩瓷。通过本专利所描述的技术，不但可以得到具有相似美学效果仿真天然牙的多层结构，而且还可以实现高强度的全锆修复体。另外本专利所描述的技术为全自动操作，可以大幅节省人工，提高效率。

附图说明

图1为以凸面阴模为模板填充的示意图。

图2为在凹面阴模上修正形状的示意图。

图3为三维填充/堆积路径生成方法的示意图。

图4为一种SEF增材制造设备的结构示意图。

图5为一种多材料挤出装置的示意图。

图中：1、陶瓷素胚；2、凸面阴模；3、凹面阴模；4、喷嘴；5、陶瓷浆料；6、偏心螺杆挤出装置；7、本质陶瓷浆料；8、釉质陶瓷浆料；9、X轴；10、双Y轴；11、Z轴；12、成型平台；13、设备底板；14、挤出装置平台。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例，可以更好地说明本发明。

实施例1：

步骤1，对待修复基牙进行备牙处理，咬合面至少磨除1.5mm，舌侧和颊侧磨除0.8～1.5mm，轴面聚合角度为6～8度。

步骤2，利用硅橡胶取全口口腔印模，用石膏灌注得到代型。然后将代型修整后放入先临三维台式3D扫描仪DS200+中生成牙列数字模型，然后利用ExoCad 牙科CAD软件设计口腔修复体模型。

步骤3，将设计得到的口腔修复体模型导入到自行开发的ToothFairy软件中，按照1.265的放尺率放大，然后以此为模板设计得到凸面阴模和凹面阴模数字模型，并计算出口腔修复体的三维填充/堆积路径。如图3所示，此路径已经根据喷嘴厚度（约0.1mm）进行了补偿。

步骤4，将凸面阴模和凹面阴模数字模型输入到Formlabs的Form 2光固化3d打印机中，然后利用其配套的普通光敏树脂制作出辅助成型树脂模具。

步骤5，按照配比，称取一定量的陶瓷粉末，助剂和水，通过相应的工艺，制备固含量55%，含3Y-氧化锆纳米粉末的水性陶瓷浆料。浆料中添加了0.1%氧化铁和0.05%的氧化饵，以达到A2的色泽。

步骤6，将上述水性陶瓷浆料填充到自行开发的SEF增材制造设备中，如图4所示，此设备包括设备底板13，固定在底板龙门支架上的双Y轴10，固定在双Y轴滑块上的X轴9，固定在X轴滑块上的Z轴11，以及固定在Z轴滑块上的挤出装置平台14。多材料挤出装置6通过磁性连接在固定平台14上。

步骤7：将步骤4得到的辅助成型树脂凸面模具固定在SEF增材制造设备的成型平台12，根据相应定位孔将模具与设备对正。凸面模具的表面喷涂上含有10wt%聚乙烯醇水溶液的脱模剂。

步骤8；如图1所示，通过SEF增材制造设备将陶瓷浆料按照预设的路径，填充/堆积到步骤4得到的辅助成型树脂凸面模具内，形成口腔修复体的陶瓷素胚。将成型后的陶瓷素胚连同模具从设备上取下，放置在30W的远红外灯下加热烘干10min。

步骤9；将干燥后的陶瓷素胚从模具中取出，然后用超声波加湿器的水雾湿润素胚的粘结面，然后放置在辅助成型树脂凹面模具上，放置在30W的远红外灯下加热烘干10min.，然后将素胚取下。

步骤10；将陶瓷素胚放置在装有氧化锆珠的烧结盘上，放置入牙科专用烧结炉，最后按照一定的升温降温曲线，在1430度的高温下烧结2小时得到最终的全瓷口腔修复体。

最终得到的全瓷口腔修复体形态美观，符合牙齿的正常解剖形态。咬合面，唇、颊面微细结构清晰可见。修复体与基牙配合密合，有一定的摩擦力。修复体边缘和颈缘线密合，肉眼观察应无明显的缝隙

实施例2：

步骤1，对待修复基牙进行备牙处理，咬合面至少磨除1.5mm，舌侧和颊侧磨除0.8～1.5mm，轴面聚合角度为6～8度。

步骤2，利用普兰梅卡PlanScan口内扫描仪直接扫描患者口内，生成牙列数字模型，然后利用ExoCad 牙科CAD软件设计口腔修复体模型。

步骤3，将设计得到的口腔修复体模型导入到自行开发的ToothFairy软件中，按照1.265的放尺率放大，然后以此为模板设计得到凸面阴模和凹面阴模数字模型，并计算出口腔修复体的三维填充/堆积路径。如图3所示，此路径已经根据喷嘴厚度（约0.1mm）进行了补偿。

步骤4，将凸面阴模和凹面阴模数字模型输入到3D Systems的SLA光固化3d打印机中，然后利用其配套的普通光敏树脂制作出辅助成型树脂模具。

步骤5，按照配比，称取一定量的陶瓷粉末，助剂和水，通过相应的工艺，制备一种固含量55%，含3Y-氧化锆纳米粉末的本质陶瓷浆料以及一种固含量53%，含5Y-氧化锆纳米粉末的釉质陶瓷浆料。

步骤6，将上述水性陶瓷浆料填充到自行开发的SEF增材制造设备中，如图4所示，此设备包括设备底板13，固定在底板龙门支架上的双Y轴10，固定在双Y轴滑块上的X轴9，固定在X轴滑块上的Z轴11，以及固定在Z轴滑块上的挤出装置平台14。多材料挤出装置6通过磁性连接在固定平台14上。

步骤7：将步骤4得到的辅助成型树脂凸面模具固定在SEF增材制造设备的成型平台12，根据相应定位孔将模具与设备对正。凸面模具的表面喷涂上含有10wt%聚乙烯醇水溶液的脱模剂。

步骤8；如图1所示，通过SEF增材制造设备将陶瓷浆料按照预设的路径，从图5所示的填充/堆积到步骤4得到的辅助成型树脂凸面模具内，形成口腔修复体的陶瓷素胚。如图5所示，多材料挤出装置有两个进料口，分别填充本质陶瓷浆料7和釉质陶瓷浆料8，在填充/堆积过程中根据不同位置挤出不同类别的浆料。将成型后的陶瓷素胚连同模具从设备上取下，放置在30W的远红外灯下加热烘干10min。

步骤9；将干燥后的陶瓷素胚从模具中取出，然后用超声波加湿器的水雾湿润素胚的粘结面，然后放置在辅助成型树脂凹面模具上，放置在30W的远红外灯下加热烘干10min.，然后将素胚取下。

步骤10；将陶瓷素胚放置在装有氧化锆珠的烧结盘上，放置入牙科专用烧结炉，最后按照一定的升温降温曲线，在1430度的高温下烧结2小时得到最终的全瓷口腔修复体。

最终得到的全瓷口腔修复体形态美观，符合牙齿的正常解剖形态。咬合面，唇、颊面微细结构清晰可见。修复体与基牙配合密合，有一定的摩擦力。修复体边缘和颈缘线密合，肉眼观察应无明显的缝隙。

以上所述仅为本发明的实施例，并非用来限制本发明的保护范围；本发明的保护范围由权利要求书中的权利要求限定，并且凡是依发明所作的等效变化与修改，都在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对患者基牙进行备牙，然后通过口内扫描或口外代型扫描得到口腔扫描数字模型，最后通过牙科专用CAD软件设计得到口腔修复体数字模型；

2)将口腔修复体数字模型按照陶瓷烧结放尺率放大，然后以此为模板制备相应的阴模数字模型，包括与口腔修复体咬合面吻合的凸面阴模以及与口腔修复体粘结面吻合的凹面阴模；最后通过选择性光固化技术将光敏树脂按照阴模数字模型快速成型得到辅助成型模具；树脂模具表面通过脱模剂进行处理；

3)利用增材制造切片软件，根据放大后的全瓷口腔修复体数字模型，规划陶瓷浆料的三维填充/堆积路径，然后利用浆料挤出成形增材制造设备，通过其配备的多材料挤出装置，将不同组成的陶瓷浆料按照上述的路径，以凸面阴模为模板，逐层填充或堆积形成全瓷口腔修复体素胚，然后进行干燥；

4)将干燥后的陶瓷素胚取下，对内外表面进行后处理，然后放置在凹面阴模上手动或自动修正形状，然后再次干燥得到的修正后的陶瓷素胚；

5)将陶瓷素胚放置在装有氧化锆珠的烧结盘上，然后放入专用牙科高温烧结炉中，按照一定的升温降温曲线烧结得到最终的全瓷口腔修复体。

2.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤2）中，可以将单个或多个凸面阴模数字模型按照一定规律排版在一个版面上，然后一次光固化快速成型得到。

3.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤2）中，所述辅助成型模具设有至少两个定位孔，用于后续陶瓷浆料增挤出定位使用。

4.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤2）中，所述脱模剂为聚乙烯醇的水溶液或二甲基硅油的乳化液。

5.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述的三维填充/堆积路径需要考虑喷嘴外壁的厚度补偿，以避免喷嘴对阴模产生碰撞，具体的方法为：对全瓷修复体模型外表面尺寸附加一个喷嘴外壁厚度的偏移量，即，然后增加外圈挤出宽度以达到100%填充。

6.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述的陶瓷浆料由含氧化锆纳米粉末，分散剂，增稠剂，流变剂，色料，和水组成，所述的陶瓷浆料根据填充的位置分为本质陶瓷浆料和釉质陶瓷浆料，本质陶瓷浆料中的氧化锆粉末中氧化钇摩尔百分含量为2%至5%，釉质陶瓷浆料中的氧化锆粉末中氧化钇摩尔百分含量为3%至6%。

7.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述的挤出装置为偏心螺杆挤出装置，其转子部分采用金刚石涂层的不锈钢材料，其定子部分采用氟橡胶材料。

8.根据权利要求6或7所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述的增材制造设备采用移动龙门结构，即陶瓷素胚堆积在始终保持静止的成型平台上，而多材料挤出装置则在X，Y，Z轴方向移动。

9.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，对陶瓷素胚内外表面进行后处理的方法包括：采用水蒸气喷雾或者喷涂步骤3中所描述的陶瓷浆料。

10.根据权利要求1所述的全瓷口腔修复体的增材制造方法，其特征在于：步骤3）、步骤4）中，陶瓷素胚干燥采用远红外，电热棒，微波，自然蒸发等中的一种或多种组合。