CN108247055B - 牙科附着体的数字化一体化成型方法 - Google Patents

牙科附着体的数字化一体化成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及牙科义齿制造领域，公开了一种牙科附着体的数字化一体化成型方法。该方法包括如下步骤：三维设计：通过对附着体预成件的三维扫描，获取附着体本身三维数据，在此数据的基础上直接进行建模设计，在设计软件中调整底冠或桥和附着体的相对位置，将底冠或桥和附着体直接设计成一个整体；数据处理：对一体化的底冠或桥和附着体进行增材制造所需的切片处理；增材制造：加工出一体化的底冠或桥和附着体。本发明将底冠或桥和附着体进行一体化成型设计，并通过增材制造整体成型，能够大幅度提高牙科附着体的成型精度，保证了底冠或桥和附着体的相对精度，并且使附着体在细节部分能够更好地符合需求，简化后期附着体的安装使用程序。

Description

牙科附着体的数字化一体化成型方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其是牙科义齿增材制造领域，具体地，是一种牙科附着体的数字化一体化成型方法。
背景技术
临床上，牙列缺损和牙列缺失是一种常见口腔疾病，极大地影响患者的口腔和全身健康以及生活质量，尤其对于牙槽嵴严重吸收的无牙颌患者。附着体运用对部分牙缺失和全口义齿固位稳定有良好的效果，能够明显提高患者咀嚼功能和义齿稳定性，改善牙周情况，通过生理性刺激及力的作用减少缺失牙区域牙槽嵴的吸收，是目前口腔缺失牙修复中运用较为广泛的一种金属修复体。
附着体义齿制作与常规义齿不同的主要点是需要准确安放附着体。目前国际通用的各种附着体均为预成件。包括金属预成件，塑料预成件，金属一塑料预成件等。金属预成件在使用时，首先将其放在预定位置固定好，用焊接方法使之与金属冠桥或可摘义齿的金属支架连接在一起。塑料预成件多是用铸模材料做成，在制作时，将附着体的阴阳两部分铸模，分别与冠桥蜡型或可摘义齿支架蜡型固定在一起，整体包埋铸造。金属一塑料预成件常是弹性附着体，使用时，将金属阳型与金属冠焊接在一起，塑料阴型固定在可摘义齿的组织面。塑料阴型有尼龙成分，具有一定弹性。制作精密附着义齿需要一个平行研磨仪。这种仪器的主要功能有3点：①作为观测仪确定就位道；②将附着体或附着体的替代件的位置校准，精确排列；③根据修复体类型修改蜡型或研磨金属冠使之互相平行或保证其轴面应有的角度。通常先制作固定在基牙上的附着体部分。下一步在口内试戴完成的附着体部分，确认合适后将附着体的另一部分(或附着体另一部分的替代品)插入已完成部分，取全牙弓印模，灌注模型，确定颌位关系。完成之后技工室按要求完成附着体的另一部分及义齿的制作即可。
3D打印是增材制造的别称，其通过重建设计三维数字化模型，采用金属粉末逐层累加原理制造实体零件，让整个制造过程真正实现了智能化与数字化。激光选区熔化是应用最广泛的激光选区熔化技术，它是一种基于激光熔化金属粉末的技术，集激光技术、数字智能化控制技术、计算机辅助设计分析、快速成型于一体，能直接制造冶金结合、组织致密、力学性能良好、精度高的金属零部件。针对目前口腔修复领域而言，可以满足口腔修复个性化、复杂化、高难度的技术要求，同时弥补现有技术的不足，不必再担心因为铸造缺陷带来的种种影响。因此激光选区熔化已经越来越多的被应用到口腔修复体的制造当中，成为了口腔数字化加工不可或缺的新兴技术。
但是激光选区熔化在加工金属材料时，因为骤热骤冷的成型机理，附着体在加工过程中会产生热应力，存在变形的风险，只有通过一个稳定有效的后处理程序，保证残余的应力完全释放，才能够保证附着体的精度和性能完全符合临床使用的要求；并且对加工的附着体添加了支撑进行增材制造后，后处理比较费时，且容易影响附着体结构的精度，因此采用激光选区熔化加工附着体义齿难度很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种牙科附着体的数字化一体化成型方法，改变牙科附着体的成型技术，并且提升牙科附着体的成型精度。
本发明公开的牙科附着体的数字化一体化成型方法，包括如下步骤：
三维设计：提供相关件和附着体数据，调整相关件和附着体的相对位置，将相关件和附着体直接设计成一个整体；
数据处理：对一体化的相关件和附着体进行增材制造所需的切片处理；
增材制造：根据切片处理结果进行增材制造，加工出一体化的相关件和附着体。
优选地，三维设计时，根据附着体位置、相关件形状和相关件大小进行附着体义齿的设计，并进行模拟咬合，以确定相关件和附着体的相对位置。
优选地，所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，还包括如下步骤：
在三维设计前，建立数据库，将常用的附着体数据保存入数据库内。
优选地，通过蓝光扫描结合探针扫描的方式，扫描附着体预成件，得到附着体三维外形，然后在逆向设计软件中进行设计，对附着体外形进行优化和修改，然后保存入数据库中。
优选地，所述数据库中涵盖的附着体包括球帽式附着体，太极扣式附着体，杆卡式附着体。
优选地，数据处理时，将设计好的一体化附着体和相关件放置在基板上，并在所打印的附着体与基板之间添加支撑；
在增材制造时，在基板上打印出支撑以及一体化附着体和相关件；
在增材制造后，去除支撑。
优选地，在支撑添加阶段对附着体部分添加角度支撑。
优选地，所述附着体为球帽式附着体，在球帽结构底部单独添加锥形支撑并设置断裂点。
优选地，增材制造采用激光选区熔化技术，其层面扫描包括如下区域扫描：
轮廓扫描：沿层面的外部轮廓线进行扫描；
内部填充线扫描：在层面的内部区域进行填充扫描；
上表皮扫描：在轮廓线内侧的上表皮区域进行扫描，所述上表皮区域位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D1＝ah·tanα，
其中，h为扫描层的层厚，a的取值范围为1≤a≤4，α为层面所在位置对应的上表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，α的取值范围为0°＜α＜90°；
下表皮扫描：在轮廓线内侧的下表皮区域进行扫描，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D2＝bh·tanβ，
其中，h为扫描层的层厚，b的取值范围为1≤a≤3，β为层面所在位置对应的下表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，β的取值范围为0°＜β＜90°。
优选地，所述轮廓扫描的激光功率均为150W～200W，扫描速度设为800mm/s～1300mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述上表皮区域的宽度为0.05～0.20mm，扫描激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述下表皮区域的宽度为0.03～0.15mm，扫描激光功率为150W～200W，扫描速度为1500mm/s～2000mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述内部填充线扫描的激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s,激光光斑的直径0.07～0.11mm。
优选地，所述相关件为底冠或者桥体。
本发明的有益效果是：不同于传统的附着体与金属冠分别独立成型后进行安装焊接的方式，本发明的牙科附着体的数字化一体化成型方法，将底冠和附着体进行一体化成型设计，并通过增材制造整体成型，能够大幅度提高牙科附着体的成型精度，保证了底冠和附着体的相对精度，并且使附着体在细节部分能够更好地符合需求，提高了材料的利用率，一个整体更利于后期义齿的稳定性。相对于冠桥与附着体分开成型简化了激光选区熔化的成型过程，同时后期处理更加方便，使附着体义齿的制作周期得到了极大的缩短，有效提高了成型效率。
附图说明
图1是本发明的一个较佳的实施方式的流程图；
图2是本发明实施例中的一体化球帽式附着体的示意图；
图3是本发明中一体化球帽式附着体的角度支撑以及锥形支撑的设置示意图，
图4为上表皮区域的选取示意图；
图5为下表皮区域的选取示意图。
附图标记：角度支撑1，锥形支撑2，断裂点3，一体化球帽式附着体4。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
本发明公开的牙科附着体的数字化一体化成型方法，包括如下步骤：
三维设计：提供相关件和附着体数据，调整相关件和附着体的相对位置，将相关件和附着体直接设计成一个整体；
数据处理：对一体化的相关件和附着体进行增材制造所需的切片处理；
增材制造：根据切片处理结果进行增材制造，加工出一体化的相关件和附着体。
相关件即是指在附着体义齿中与附着体相连接且可采用相同材质的结构，其中，最为多见的即是底冠或者桥体。如背景技术中所述，传统附着体在制作过程中需要借助类似平行夹持器一类装置进行固位，再用蜡将其与冠或桥粘合在一起。本发明的数字化设计避免在使用夹持器及蜡粘合过程中的偏差，更加精确的将附着体与底冠或桥设计为一个整体，提高了整体韧性和强度，并能够进一步提升附着体位置摆放的精度，简化后期的加工与安装程序。
为了保证附着体的实际使用效果，作为一个优选的实施方式，三维设计时，根据附着体位置、相关件形状和相关件大小进行附着体义齿的设计，并进行模拟咬合，以确定相关件和附着体的相对位置。附着体义齿设计的前提是口内空间足够，即在冠根向保证附着体放置的空间和后期上部结构修复的空间，这个空间在之前相关件成型时就已经预留和预估完成。对附着体义齿进行整体设计，并通过模拟咬合进行验证，来确定相关件和附着体的相对位置，可以保证两者位置的准确性，使得增材制造出来的一体化相关件和附着体能够完美的达到设计要求。
附着体的具体结构可以根据病例情况进行临时设计，也可在常规的附着体设计中进行选用，必要时可以根据病例情况进行修改，相对而言后者效率更高也更为实用。为了便于选择调用合适的附着体，在三维设计前，建立数据库，将常用的附着体数据保存入数据库内。还可以将附着体统一设计出常规尺寸保存在数据库中，并保存为统一的格式文件，在需要使用时可以任意调用。例如可以将所有附着体数据均保存为通用的stl文件。但是，实际上现在少有现成的附着体数据，为了能够获取到足够丰富的附着体数据，可以通过蓝光扫描结合探针扫描的方式，扫描现有的附着体预成件，得到附着体三维外形，然后在逆向设计软件中进行设计，对附着体外形进行优化和修改，然后保存入数据库中。数据库内的附着体结构也不限于一种结构，其涵盖的附着体可以包括球帽式附着体，太极扣式附着体，杆卡式附着体等等，只要有适用的可能均可进行保存。
在增材制造中，通常需要设置打印物的承载体，在加工结束后，将打印物分离出来，若直接将一体化附着体和相关件打印与承载体上，不便于两者的相互分离，甚至可能会对打印的附着体和相关件造成损伤，为解决这一问题，数据处理时，将设计好的一体化附着体和相关件放置在基板上，并在所打印的附着体与基板之间添加支撑；在增材制造时，在基板上打印出支撑以及一体化附着体和相关件；在增材制造后，去除支撑。通过添加支撑可以保护附着体和相关件，确保了其表面质量不受影响。就支撑的具体结构及位置而言，所要添加的支撑要求在确保能够牢固支撑所打印的附着体的同时，也要使附着体成型结束后容易去除，因此，作为优选方式，如图3所示，在支撑添加阶段对附着体部分添加角度支撑1，达到减少支撑添加量的同时保护附着体结构的目的。此外，还可根据附着体的具体结构形状添加支撑，例如，如图4所示，附着体为球帽式附着体时，在球帽结构底部单独添加锥形支撑2并设置断裂点3，方便后期去除，同时也能够保护球帽结构成型质量。
现有的增材制造方式有很多种，例如选择性激光烧结技术、激光选区熔化技术、电子束熔化技术等等，本发明最宜采用激光选区熔化技术进行增材制造。激光选区熔化技术等增材制造方式，因为骤热骤冷的成型机理，附着体在加工过程中会产生热应力，存在变形的风险，为了保证残余的应力完全释放，在增材制造后，对一体化附着体和相关件进行退火处理。如图1所示，其为本发明一个较佳的实施例，其较为全面地囊括了上述各个步骤。
下面以球帽式附着体与底冠一体化成型为例，对本发明进行进一步说明。
从数据库中选取已经设计好的球帽式附着体stl文件。在三维设计阶段，将设计好的底冠文件和选定的附着体文件数据导入到Magics设计软件中，根据附着体位置、底冠形状和底冠大小进行附着体义齿的设计。附着体设计的前提是口内空间足够，即在冠根向保证附着体放置的空间和后期上部结构修复的空间，这个空间在之前底冠成型时就已经预留和预估完成。在位置调整好之后将附着体和底冠的相对位置确定，然后通过软件将底冠和附着体制作成一个整体，完成后即可导出进行下一步数据处理。
在数据处理阶段，将设计好的一体化附着体和底冠放置在基板上，通过修复向导确定附着体和底冠无任何文件错误，在数据处理的支撑添加部分，要求在确保能够牢固支撑所打印的附着体的同时，也要使附着体成型结束后容易去除。所以在支撑添加阶段对一体化球帽式附着体4的球帽结构处添加角度支撑1，在球帽结构底部单独添加一个锥形支撑2并设置断裂点3，方便后期去除，同时也能够保护球帽结构成型质量。然后进行分层，完成数据处理过程。
增材制造阶段选用表面质量成型较好的参数对该零件进行加工。
后处理阶段使用马弗炉进行退火热处理，达到应力释放目的，保证球帽附着体的强度，之后将该一体化底冠和附着体交给牙科加工厂完成义齿的后续制作过程。
采用传统的激光选区融化加工方式，附着体表面质量相对较差，特别是悬垂面的表面质量还容易出现台阶效应，为此，本发明在增材制造附着体时，采用了新的扫描策略以提高附着体的表面精度，其层面扫描包括如下区域扫描：
轮廓扫描：沿层面的外部轮廓线进行扫描；
内部填充线扫描：在层面的内部区域进行填充扫描；
上表皮扫描：在轮廓线内侧的上表皮区域进行扫描，所述上表皮区域位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D1＝ah·tanα，
其中，h为扫描层的层厚，a的取值范围为1≤a≤4，α为层面所在位置对应的上表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，α的取值范围为0°＜α＜90°；
下表皮扫描：在轮廓线内侧的下表皮区域进行扫描，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D2＝bh·tanβ，
其中，h为扫描层的层厚，b的取值范围为1≤a≤3，β为层面所在位置对应的下表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，β的取值范围为0°＜β＜90°。
如上所述本发明将每个层面分不同区域扫描，包括轮廓扫描(Contour)、表皮扫描(Skin)和内部填充线扫描(Stripes)。其中轮廓扫描的目的是提高表面亮度，上表皮扫描和下表皮扫描主要是为了使得表层结构熔化彻底，获得均匀的组织，上表皮扫描和下表皮扫描的定位十分重要，对于两个对应表面的质量有着关键的影响，如图4所示，上表皮位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，这里的上表面即是指成型件增材制造设计摆放完成后，其朝上的表面，包括朝上的倾斜平面、曲面等等；相似的，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，下表面则是指成型件增材制造设计摆放完成后，其朝下的表面，同样包括朝下的倾斜平面、曲面等等；这是上下表皮区域的位置确定，位置确定后需要确定上下表皮区域的宽度，宽度太窄或者太厚均无法实现提高表面质量的目的。如图4所示，为上表皮区域的选取示意图，其中D1’表示上表皮区域的最小宽度，D1表示上表皮区域的最大宽度；如图5所示，D2’表示下表皮区域的最小宽度，D2则表示下表皮区域的最大宽度。内部填充线扫描要使得成型件内部充分熔化，粉末之间实现冶金接合，达到良好的力学性能。通过上述的分区域扫描可以得到良好的表面质量。上述区域的扫描顺序可以是由内至外或者由外至内等方式，不过最优选的方式为由内至外扫描，即是各区域的扫描顺序依次为内部填充线扫描、下表皮扫描、上表皮扫描及轮廓扫描；或者依次为内部填充线扫描、上表皮扫描、下表皮扫描及轮廓扫描可以获得最优的效果。
上述各区域的扫描要求也不相同，例如上表皮下部是基体，因此设置激光能量密度较高，充分熔化，且厚度较大；下表皮下部已无实体，因此设置激光能量密度较低，防止过熔，且厚度较小。内部填充线扫描要使得成型件内部充分熔化，粉末之间实现冶金接合，需要较高的能量密度，同时为了提高加工效率，采用单向扫描，相邻的不同层面之间进行扫描角度转换。经过试验发现，采用下列各区域分别采用下列扫描参数时，表面质量最佳。具体参数如下：
所述轮廓扫描的激光功率均为150W～200W，扫描速度设为800mm/s～1300mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述上表皮区域的宽度为0.05～0.20mm，扫描激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述下表皮区域的宽度为0.03～0.15mm，扫描激光功率为150W～200W，扫描速度为1500mm/s～2000mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述内部填充线扫描的激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s,激光光斑的直径0.07～0.11mm。
与传统的扫描策略相比，采用本发明的分区扫描方式可以使得悬垂面的表面粗糙度下降15％～20％，上表面粗糙度下降25％～30％。可以极大地提高附着体的表面质量。

Claims (9)

1.牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
三维设计：提供相关件和附着体数据，调整相关件和附着体的相对位置，将相关件和附着体直接设计成一个整体；
数据处理：对一体化的相关件和附着体进行增材制造所需的切片处理；
增材制造：根据切片处理结果进行增材制造，加工出一体化的相关件和附着体；
增材制造采用激光选区熔化技术，其层面扫描包括如下区域扫描：
轮廓扫描：沿层面的外部轮廓线进行扫描；
内部填充线扫描：在层面的内部区域进行填充扫描；
上表皮扫描：在轮廓线内侧的上表皮区域进行扫描，所述上表皮区域位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D1＝ah·tanα，
其中，h为扫描层的层厚，a的取值范围为1≤a≤4，α为层面所在位置对应的上表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，α的取值范围为0°＜α＜90°；
下表皮扫描：在轮廓线内侧的下表皮区域进行扫描，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度D1满足以下关系式：
D2＝bh·tanβ，
其中，h为扫描层的层厚，b的取值范围为1≤a≤3，β为层面所在位置对应的下表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，β的取值范围为0°＜β＜90°；
所述轮廓扫描的激光功率均为150W～200W，扫描速度设为800mm/s～1300mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述上表皮区域的宽度为0.05～0.20mm，扫描激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述下表皮区域的宽度为0.03～0.15mm，扫描激光功率为150W～200W，扫描速度为1500mm/s～2000mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm；
所述内部填充线扫描的激光功率为200W～250W，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s,激光光斑的直径0.07～0.11mm。
2.如权利要求1所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，
三维设计时，根据附着体位置、相关件形状和相关件大小进行附着体义齿的设计，并进行模拟咬合，以确定相关件和附着体的相对位置。
3.如权利要求1所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，还包括如下步骤：
在三维设计前，建立数据库，将常用的附着体数据保存入数据库内。
4.如权利要求3所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，通过蓝光扫描结合探针扫描的方式，扫描附着体预成件，得到附着体三维外形，然后在逆向设计软件中进行设计，对附着体外形进行优化和修改，然后保存入数据库中。
5.如权利要求3所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，所述数据库中涵盖的附着体包括球帽式附着体，太极扣式附着体，杆卡式附着体。
6.如权利要求1所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，
数据处理时，将设计好的一体化附着体和相关件放置在基板上，并在所打印的附着体与基板之间添加支撑；
在增材制造时，在基板上打印出支撑以及一体化附着体和相关件；
在增材制造后，去除支撑。
7.如权利要求6所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，在支撑添加阶段对附着体部分添加角度支撑。
8.如权利要求6所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，所述附着体为球帽式附着体，在球帽结构底部单独添加锥形支撑并设置断裂点。
9.如权利要求1所述的牙科附着体的数字化一体化成型方法，其特征在于，所述相关件为底冠或者桥体。
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