CN109657362B - 修复体瓷材料层的缩放方法及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种修复体瓷材料缩放方法及加工工艺，包括：建立修复体数据模型；基于面瓷与修复体基底形成的结合曲面，划分单元曲面；在各单元曲面上建立方向坐标轴，作为各单元曲面设定面瓷厚度值参考轴；基于参考轴，根据厚度设定值确定并设置各单元曲面的面瓷厚度，以厚度设定值作参考进行缩放后形成面瓷及其外表面包覆结合曲面；基于缩放后单元曲面，生成修复体面瓷外表面，根据面瓷外表面计算得到面瓷待加工曲面;各单元曲面作独立的缩放区域，各缩放区域的大小及面瓷厚度独立设置;经上述方法计算得到的面瓷外表面轮廓,生成相应的加工策略和参数，由加工工艺制得面瓷外表面轮廓,在烧结后能够符合设计目标，满足设计对象的对合或咬合关系。

Description

修复体瓷材料层的缩放方法及加工工艺

技术领域

本发明涉及瓷材料制造技术领域，更具体地说，它涉及一种修复体瓷材料层的缩放方法及加工工艺。

背景技术

假体修复和口腔医学瓷修复体通常是由包括氧化锆的瓷材料制成的基底以及附着于基底上的瓷材料层（如饰瓷）组成。在口腔临床上，为了达到良好的咬合及美观效果，齿科饰瓷的形状构造必须经过精密的设计加工，并且根据材料特性进行必要的缩放处理得到烧结前的对象形态，骨科面瓷的设计加工亦是如此。瓷材料层通过自动化加工成型是一项修复医学领域瓷修复体的全新技术，它可以显著提升瓷修复体的质量、生产效率以及经济效益，并可以大幅度减少瓷材料加工的劳动成本和生产成本，有助于推动实现完整数字化智能制造和构建工业4.0先进制造体系。

在齿科修复领域，饰瓷自动化成型可在氧化锆基底上由堆砌的生瓷物料（greenporcelain）经成型加工流程，并经瓷烧结工艺完成。由于烧结后饰瓷会发生收缩（个别特殊材料会发生膨胀），经计算机辅助设计（CAD）后，在计算机辅助制造（CAM）处理过程中，生瓷的形状需要考虑到后期烧结过程中上述缩放效应的影响。

在齿科修复领域，现有的与生瓷成型相关CAM软件及技术中，通常仅考虑收缩，且收缩处理策略均是采用等偏置的补偿法和基于单个参照中心的一致性比例因子法。上述方案中，补偿法的缺点是，由于等幅偏置瓷面的外轮廓，烧结后饰瓷各部位的比例关系失调，造成咬合关系与CAD阶段的原始设计不同，以至于不符合对象使用的要求；如果继续通过手工堆瓷的方式完善，一是存在是否能得以完善的不确定性，二是失去了饰瓷自动化加工工艺的意义。对于上述方案中的一致性比例因子法，对于齿桥，将使桥体和固位体及连接体的牙轴（长轴）及参照轴偏离氧化锆基底的相应牙轴及参照轴，成型后的瓷结构的位置和瓷面外轮廓与CAD设计的不一致；同时，烧结后因收缩会使不一致的瓷体和外轮廓进一步畸变，以至于破坏了对象使用的咬合关系。在其它修复医学领域和工业领域的瓷材料成型处理中也会遇到类似的问题。因此，对瓷修复体的计算处理和加工工艺进行改进，是目前亟待解决的问题，具有显著且广泛的应用价值。

发明内容

针对实际运用中由CAD设计并直接生成CAM文件时，修复体基底上设置的待烧结生瓷物料层烧结后会产生畸变，使得修复体面瓷的品质达不到设计要求这一问题，本发明目的一在于提出一种修复体瓷材料层的缩放方法，能够在待烧结生瓷物料层烧结前充分地考虑到烧结时待烧结生瓷物料层的缩放特性，使得烧结后的面瓷层外表面更加贴近于设计目标。基于上述缩放方法，本发明目的二在于提出一种修复体瓷材料层的加工工艺，具体方案如下：

一种修复体瓷材料层的缩放方法，包括：

S100，建立用于表示修复体形状大小及位置关系的数据模型；

S200，基于面瓷与修复体基底形成的结合曲面，划分有限个数量的单元曲面；

S300，在各个单元曲面上分别建立方向坐标轴，作为上述各单元曲面设定面瓷厚度值的参考轴；

S400，基于上述参考轴，根据厚度设定值确定并设置各个单元曲面的面瓷厚度，经以上述厚度设定值作为参考进行缩放后形成的面瓷及其外表面包覆所述结合曲面；

S500，基于缩放后的单元曲面，生成齿科修复体面瓷外表面。

通过上述技术方案，将修复体与瓷材料层相接触的结合曲面划分为有限个连续或非连续的单元曲面，将上述各个单元曲面作为独立的缩放区域，每一个缩放区域中面瓷厚度的缩放大小根据烧结条件、缩放区域在结合曲面上所处的位置等因素做独立设置，经过上述缩放方法计算得到的面瓷轮廓在烧结后能够更加贴近设计目标，满足应用对象戴用的对合或咬合关系。后期烧结后的面瓷层面无需经过人工打磨处理，可以显著提升瓷修复体的加工成型效率，降低生产的成本。

进一步的，所述步骤S100中，所述修复体包括齿冠和齿桥，其中，齿冠包括单冠或连冠，齿桥由桥体、固位体以及连接体组成；或

所述修复体包括人体待修复骨骼部位。

进一步的，所述步骤S100中，数据模型为二维数据模型或三维数据模型。

进一步的，所述步骤S200中，于所述结合曲面上划分有限数量的单元曲面包括：

根据结合曲面所处的不同位置将结合曲面均匀或非均匀地划分为有限数量的单元曲面；以及

根据结合曲面所处的不同位置将单元曲面进行密集划分或稀疏划分设置。

通过上述技术方案，采用多种形式划分上述单元曲面，更能满足结合曲面的缩放要求，根据不同的参考因素对上述结合曲面进行划分，后期缩放后的面瓷外表面能够更加切合设计目标。

进一步的，所述步骤S200中，所述单元曲面的形状包括矩形、六角形、菱形或其它自封闭形状。

进一步的，所述步骤S300中，在各个单元曲面上建立方向坐标轴，所述方向坐标轴垂直于上述单元曲面设置。

通过上述技术方案，垂直于单元曲面设置方向坐标轴，有助于简化后期面瓷外表面轮廓的计算。上述沿垂直于单元曲面的方向设置参考轴，也匹配于待烧结生瓷物料层受热后的缩放路径。

进一步的，步骤S400中，若各个单元曲面的面瓷厚度设定值保持一致，则直接根据缩放后的单元曲面生成修复体面瓷外表面；

若各个单元曲面的面瓷厚度设定值不一致，则利用平滑曲面生成算法对相邻两个单元曲面之间的邻近区域进行曲面拟合，生成连接相邻两个单元曲面的平滑曲面，结合缩放后的单元曲面以及上述平滑曲面，生成修复体面瓷外表面。

通过上述技术方案，当单元曲面的缩放大小一致的时候，则每一个单元曲面缩放后，相邻两个单元曲面之间将会无缝连接，共同形成一包覆上述结合曲面的面瓷及面瓷外表面。当各个单元曲面的缩放大小不一致时，则会在生成的面瓷外表面上形成台阶状的条纹，这时利用平滑曲面生成算法，对相邻两个单元曲面的连接面做平滑处理，能够保证后期生成的面瓷外表面的光滑，满足齿科全瓷修复体的咬合关系以及美观度的要求。

进一步的，所述步骤S400中，所述平滑曲面生成算法包括：

以设定权重值在相邻两个单元曲面的交界面上设置至少一条边界线，以所述边界线为参照设置边界邻近区域平滑拟合的约束条件。

通过上述技术方案，对上述平滑曲面的生成加以限定，保证平滑曲面的平滑度满足于面瓷外表面的要求，也使得平滑曲面能够在数学上加以计算，便于后期加工文件的生成。

基于上述修复体瓷材料层的缩放方法，本发明还提出了一种修复体瓷材料层的加工工艺，包括：

A100，根据应用对象情况设计制造修复体的基底；

A200，根据设计目标，结合如前所述的修复体瓷材料层缩放方法，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，根据上述面瓷外表面计算得到面瓷待加工曲面，生成相应的加工策略和参数。

A300，将上述成型后的待烧结生瓷物料层连同修复体基底置入加热环境中烧结后取出冷却。

通过上述技术方案，待烧结生瓷物料层在烧结冷却后能够满足与设计目标，保证后期修复体正常的对合或咬合关系。由于在设置基底表面待烧结生瓷物料层时充分考虑到了烧结后生成的面瓷外表面的收缩性质，烧结后生成的面瓷外表面无需再经过人工的打磨处理，可以有效地提升加工效率。

进一步的，所述步骤A200，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，包括：

利用3D打印技术将待烧结生瓷物料层覆盖至基底上；或

将待烧结生瓷物料堆砌至基底上，进行致密处理，并利用铣切的方式生成上述待烧结生瓷物料层；或

利用设定形状的模具，将待烧结生瓷物料直接压制到所述基底表面，形成上述待烧结生瓷物料层。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）将修复体与面瓷相接触的结合曲面划分为有限个连续或非连续的单元曲面，将上述各个单元曲面作为独立的缩放区域，每一个缩放区域的大小及面瓷厚度根据烧结条件、缩放区域在结合曲面上所处的位置等因素做独立设置，经过上述缩放方法计算得到的面瓷轮廓在烧结后能够更加贴近设计目标，满足应用对象戴用的对合或咬合关系；

（2）上述方案从CAD设计到CAM生成加工文件直至烧结完成，可实现完全自动化加工，无需人工辅助处理，可以大幅提高生产率，节省生产成本，减少人员投入。

附图说明

图1a为氧化锆基底外轮廓示意图；

图1b为现有技术中采用一致性等比放大的面瓷外轮廓示意图；

图2为以基底中心轴为参考轴做非一致性放大后的面瓷外轮廓示意图；

图3为以参考轴为基准将修复单元表面划分为多个缩放区域的示意图；

图4为本发明缩放方法的流程示意图；

图5为本发明齿科全瓷修复体加工工艺的流程示意图。

附图标记：1、固位体；2、桥体；3、连接体；4、生瓷材料层；5、参考轴；6、缩放区域。

具体实施方式

在对本发明的实施方式做具体说明前，应当指出的是本发明中所述的面瓷，是指覆盖在修复体表面的瓷材料层，例如，在齿科领域，则是指位于基底上的饰瓷。

下面结合实施例及图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

为方便说明，本实施方式中，以齿科全瓷修复体为例加以说明：如图1a和图1b所示，现有技术中，采用一致性等比放大的或按基底（即齿科氧化锆基底）中心轴独立放大的饰瓷外轮廓，其与基底之间的位置关系存在错位（参见图1b氧化锆基底的两侧位置），在生成加工文件中，如铣切等，若依照上述轮廓对生瓷材料层4进行铣切，极有可能损坏铣切刀具或者氧化锆基底，造成不必要的生产损失。同时，后期待烧结生瓷材料层4烧结后会发生收缩，造成基底上的饰瓷外表面产生畸变，与设计目标相违背，影响齿科全瓷修复体的质量和使用效果。在其它修复体表面设置瓷材料层亦会遇到上述问题。

针对于上述问题，本发明提出了一种修复体瓷材料层的缩放方法，如图4所示，包括：

S100，建立用于表示修复体形状大小及位置关系的数据模型；

S200，基于面瓷与修复体基底形成的结合曲面，划分有限个数量的单元曲面；

S300，在各个单元曲面上分别建立方向坐标轴，作为上述各单元曲面设定面瓷厚度值的参考轴5；

S400，基于上述参考轴5，根据厚度设定值确定并设置各个单元曲面的面瓷厚度，经以上述厚度设定值作为参考进行缩放后形成的面瓷及其外表面包覆所述结合曲面；

S500，基于缩放后的单元曲面，生成齿科修复体面瓷外表面。

所述步骤S100中，所述修复体包括齿冠和齿桥，其中，齿冠包括单冠或连冠，齿桥由桥体2、固位体1以及连接体3组成。在其它实施方式中，所述修复体也包括人体待修复骨骼部位，如关节骨骼、头部骨骼等。所述数据模型为二维数据模型或三维数据模型，利用上述数据模型，精确反映出修复体的形状大小及位置关系。

上述数据模型的建立，首先需要采集应用对象的待修复的齿科或骨骼部位情况，而后根据修复目标生成相应的数据模型。采集应用对象齿科或骨骼部位情况的方式可以采用三维扫描的方式实现。在齿科中，可让应用对象咬合采样块。

详述的，所述步骤S200中，于所述结合曲面上划分有限数量的单元曲面包括：

根据结合曲面所处的不同位置将结合曲面均匀或非均匀地划分为有限数量的单元曲面；以及

根据结合曲面所处的不同位置将单元曲面进行密集划分或稀疏划分设置。

采用多种形式划分上述单元曲面，更能满足结合曲面的缩放要求，根据不同的参考因素对上述结合曲面进行划分，后期缩放后的面瓷外表面能够更加切合设计目标。如在齿科桥体2的顶面，凹凸面相对较多，则单元曲面的分布密度更大，实现更为精确的缩放，桥体2的侧壁较为光滑，这时候可以整体作为一个单元曲面进行缩放。

在所述步骤S200中，所述单元曲面的形状包括矩形、六角形、菱形或其它自封闭形状，上述各个形状相连接，覆盖所述结合曲面。

为了简化后期面瓷外表面轮廓的计算，所述步骤S300中，在各个单元曲面上建立方向坐标轴，所述方向坐标轴垂直于上述单元曲面设置，上述沿垂直于单元曲面的方向（法向）设置参考轴5，也匹配于待烧结生瓷物料层受热后的缩放路径。

进一步的，步骤S400中，若各个单元曲面的面瓷厚度设定值保持一致，则直接根据缩放后的单元曲面生成修复体面瓷外表面；

若各个单元曲面的面瓷厚度设定值不一致，则利用平滑曲面生成算法对相邻两个单元曲面之间的邻近区域进行曲面拟合，生成连接相邻两个单元曲面的平滑曲面，结合缩放后的单元曲面以及上述平滑曲面，生成修复体面瓷外表面。

当单元曲面的缩放大小一致的时候，则每一个单元曲面缩放后，相邻两个单元曲面之间将会无缝连接，共同形成一包覆上述结合曲面的面瓷及面瓷外表面。当各个单元曲面的缩放大小不一致时，则会在生成的面瓷外表面上形成台阶状的条纹，这时利用平滑曲面生成算法，对相邻两个单元曲面的连接面做平滑处理，能够保证后期生成的面瓷外表面的光滑，满足齿科全瓷修复体的咬合关系以及美观度的要求。

所述步骤S400中，所述平滑曲面生成算法包括：

以设定权重值在相邻两个单元曲面的交界面上设置至少一条边界线，以所述边界线为参照设置边界邻近区域平滑拟合的约束条件。

上述设定权重值是指上述边界线与相邻连接的两个单元曲面的位置距离关系，例如靠的越近，则权重值越大。上述约束条件是指生成的平滑曲面与边界线之间所成的关系，如相割、相切或平滑曲面涵盖上述边界线等，或者相邻两个单元曲面在靠近其边缘相接位置处，其缩放的值设定为相邻两个单元曲面缩放的平均值等。

上述边界线采用直线或曲线均可。基于上述技术方案，对上述平滑曲面的生成加以限定，保证平滑曲面的平滑度满足于面瓷外表面的要求，也使得平滑曲面能够在数学上加以计算，便于后期加工文件的生成。

本发明缩放方法的技术要点在于：将修复体与面瓷相接触的结合曲面划分为有限个连续或非连续的单元曲面，将上述各个单元曲面作为独立的缩放区域6，每一个缩放区域6中面瓷厚度的缩放大小根据烧结条件、缩放区域6在结合曲面上所处的位置等因素做独立设置，经过上述缩放方法计算得到的面瓷轮廓在烧结后能够更加贴近设计目标，满足应用对象使用的对合或咬合关系。由于烧结的过程中，修复体各个区域所受到的热辐射是不同的，上述设置也使得各个缩放区域6能够更好地适应于上述烧结环境，后期烧结后的面瓷层面无需经过人工打磨处理，可以显著提升修复体的加工成型效率，降低生产的成本。

基于上述修复体瓷材料层的缩放方法，本发明还提出了一种修复体瓷材料层的加工工艺，包括：

A100，根据应用对象情况设计制造修复体的基底；

A200，根据设计目标，结合如前所述的修复体瓷材料层缩放方法，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，根据上述面瓷外表面计算得到面瓷待加工曲面，生成相应的加工策略和参数。

A300，将上述成型后的待烧结生瓷物料层连同修复体基底置入加热环境中烧结后取出冷却。

上述技术方案，待烧结生瓷物料层在烧结冷却后能够满足与设计目标，保证后期修复体正常的对合或咬合关系。由于在设置基底表面待烧结生瓷物料层时充分考虑到了烧结后生成的面瓷外表面的收缩性质，烧结后生成的面瓷外表面无需再经过人工的打磨处理，可以有效地提升加工效率。

所述步骤A200，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，由以下一种或多种方式实现：

利用3D打印技术将待烧结生瓷物料层覆盖至基底上；或

将待烧结生瓷物料堆砌至基底上，进行致密处理，并利用铣切的方式生成上述待烧结生瓷物料层；或

利用设定形状的模具，将待烧结生瓷物料直接压制到所述基底表面，形成上述待烧结生瓷物料层；或

其它特定的成型技术加工方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种修复体瓷材料层的缩放方法，其特征在于，包括：

S100，建立用于表示修复体形状大小及位置关系的数据模型；

S200，基于面瓷与修复体基底形成的结合曲面，划分有限个数量的单元曲面；

S300，在各个单元曲面上分别建立方向坐标轴，作为上述各单元曲面设定面瓷厚度值的参考轴(5)；

S400，基于上述参考轴(5)，根据厚度设定值确定并设置各个单元曲面的面瓷厚度，经以上述厚度设定值作为参考进行缩放后形成的面瓷及其外表面包覆所述结合曲面；

S500，基于缩放后的单元曲面，生成齿科修复体面瓷外表面；

所述步骤S300中，在各个单元曲面上建立方向坐标轴，所述方向坐标轴垂直于上述单元曲面设置；

步骤S400中，将上述各个单元曲面作为独立的缩放区域，每一个缩放区域中面瓷厚度的缩放大小根据烧结条件、缩放区域在结合曲面上所处的位置因素做独立设置；

步骤S400中，若各个单元曲面的面瓷厚度设定值保持一致，则直接根据缩放后的单元曲面生成修复体面瓷外表面；

若各个单元曲面的面瓷厚度设定值不一致，则利用平滑曲面生成算法对相邻两个单元曲面之间的邻近区域进行曲面拟合，生成连接相邻两个单元曲面的平滑曲面，结合缩放后的单元曲面以及上述平滑曲面，生成修复体面瓷外表面；

所述步骤S400中，所述平滑曲面生成算法包括：

以设定权重值在相邻两个单元曲面的交界面上设置至少一条边界线，以所述边界线为参照设置边界邻近区域平滑拟合的约束条件。

2.根据权利要求1所述的缩放方法，其特征在于，所述步骤S100中，所述修复体包括齿冠和齿桥，其中，齿冠包括单冠或连冠，齿桥由桥体(2)、固位体(1)以及连接体(3)组成；或

所述修复体包括人体待修复骨骼部位。

3.根据权利要求1所述的缩放方法，其特征在于，所述步骤S100中，数据模型为二维数据模型或三维数据模型。

4.根据权利要求1所述的缩放方法，其特征在于，所述步骤S200中，于所述结合曲面上划分有限数量的单元曲面包括：

根据结合曲面所处的不同位置将结合曲面均匀或非均匀地划分为有限数量的单元曲面；以及

根据结合曲面所处的不同位置将单元曲面进行密集划分或稀疏划分设置。

5.根据权利要求1所述的缩放方法，其特征在于，所述步骤S200中，所述单元曲面的形状包括矩形、六角形、菱形或其它自封闭形状。

6.一种修复体瓷材料层的加工工艺，其特征在于，包括：

A100，根据应用对象情况设计制造修复体的基底；

A200，根据设计目标，结合如权利要求1-5中任意一项所述的修复体瓷材料层的缩放方法，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，根据上述面瓷外表面计算得到面瓷待加工曲面，生成相应的加工策略和参数；

A300，将上述成型后的待烧结生瓷物料层连同修复体基底置入加热环境中烧结后取出冷却。

7.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤A200，在基底外表面设置一层待烧结生瓷物料层，包括：

利用3D打印技术将待烧结生瓷物料层覆盖至基底上；或

将待烧结生瓷物料堆砌至基底上，进行致密处理，并利用铣切的方式生成上述待烧结生瓷物料层；或

利用设定形状的模具，将待烧结生瓷物料直接压制到所述基底表面，形成上述待烧结生瓷物料层。

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