CN110251276A - 一种增减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：1)获取患者口腔上颌三维模型数据：通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫面软件导出三角网格模型；2)获得最终可打印制造的支架CAD模型；3)利用增材制造技术3D打印实体支架；4)需要将加工的赝复体支架从SLM增材制造机床转移到机加工机床上，将步骤3)中制造出的带有基板、支撑、定位标识的赝复体支架从SLM机床中取出；5)通过机械或视觉定位方法得到增材制造加工坐标系，根据该坐标系与机加工坐标系之间的坐标转换关系进行数控编程进而对赝复体支架进行减材制造加工。本发明加工精度较高、使用范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种增减材结合制造领域，更具体的说，尤其涉及到一种金属增材制造和机加工相结合的口腔赝复体支架制作方法。
背景技术
上颌骨缺损是口腔颌面部缺损中最常见，发生率最高的缺损，病因主要可分为先天因素和上颌骨肿瘤或肿瘤术后及创伤三种情况。上颌骨作为面部的重要结构参与鼻腔、眼眶和口腔的组成不仅承担着许多诸如咀嚼、吞咽、语言等生理功能，同时对面部的形态美学具有重要的意义。上颌骨缺损不仅会造成严重的生理功能障碍，同时会使患者的颜面部产生严重的畸形，这势必会给患者造成生理上和心理上的双重打击。
利用人工材料制成的赝复体支架进行上颌骨修复是目前大部分患者的首选修复方式。口腔赝复体支架制造主要采用传统失蜡铸造技术存在着个性化程度不够、制作周期长、人为影响因素大等问题。近年来，随着金属增材制造技术(又称3D打印技术)日趋成熟，增材制造技术对这些未解决的问题提供了有效的手段。增材制造技术是近几年来发展迅速的一种新兴制造技术，它完全有别于传统的制造技术。产品结构越复杂、个性化特点越明显，传统制造工艺就愈加显得乏力。然而，在医学领域往往要求制造工艺具有很高的加工柔性以随时根据不同的患者需求来生产出相应的个性化产品，而增材制造技术恰恰具备上述这些特点。
目前，增材制造技术已经在口腔赝复体支架的制造中得到了应用。例如申请号为CN201510603471的中国发明专利公开了一种金属增材制造的口腔赝复体支架制作方法。该专利将目前金属增材制造领域应用最广泛的激光选区融化技术(SLM)应用到口腔赝复体的制造中。
上述的制造方法对于赝复体支架成型提供了一种方法。但是，在结构性曲面的抛光、卡环的制造等方面还是存在一些问题。赝复体支架作为口腔植入物的一种，如果其表面较粗糙直接地会造成其表面光泽性差，影响其美观程度。对于表面相对光滑、不起主要功能的大结构性曲面而言，依靠手工根据经验简单加工也基本可以达到要求，但是对于如卡环曲面、主要的功能性结构曲面而言，这样的操作方式是不够的而后处理则是必须的。当然，从功能性角度考虑，仅靠增材制造的方法也是不足的。根据牙科医学会标准规定，临床上可接受的口腔植入物边缘差异为25-40um，可接受的口腔植入物边缘差异的上限为80-150um，直接采用SLM工艺制作出的赝复体支架很难达到上述精度要求。赝复体支架的卡环部分是直接与牙齿相连接起到固定作用，显然，对它的加工精度要求是很高的。赝复体支架需要经常拆下清洗，如果其截面过大会增加硬度使其拆卸十分不便的同时也有可能会给患者的健康牙齿造成一定程度的损伤；如果赝复体支架截面过小，则硬度不够，可能根本无法起到固定作用。另一方面，口腔十分敏感，如果赝复体支架的某些重要部位如上颌贴合面比较粗糙会让患者感受到明显的异物感。
发明内容
为了克服现有技术的使用增材制造技术造成的结构性曲面抛光、卡环制造精度不足等方面的不足，本发明提出一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，充分发挥增材制造技术的优势的同时结合传统减材制造技术的优势来弥补其不足之处。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：
1)获取患者口腔上颌三维模型数据：通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫面软件导出三角网格模型；
2)获得最终可打印制造的支架CAD模型：根据步骤1)中所获得的点云数据通过逆向工程软件选取口腔赝复体支架的组织面基面并将其生成可编辑的曲面片；将该曲面片导入到三维设计软件中设计出具有连接功能的大、小连接体、卡环结构和支撑结构结构曲面；然后对设计的结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，同时留有一定的加工余量；之后将生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件中，将曲面加厚到复合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型；最后对初步支架实体模型进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终可打印制造的支架CAD模型；
3)利用增材制造技术3D打印实体支架：根据口腔赝复体支架的结构特征设计相应的支撑结构，并根据所采用的机加工机床设计相应的定位标识；在支撑设计时，除了添加增材制造工艺支撑以外，还应添加作为赝复体与基板连接用的连接支撑；将带支撑和定位标识的赝复体支架CAD模型导入到打印设备配套的切片软件中，设计好相应的参数后进行切片处理；将切片数据输入到3D打设备中，制造出带有基板、支撑、定位标识的赝复体支架；
4)定位：在加工过程中，需要将加工的赝复体支架从SLM增材制造机床转移到机加工机床上，将步骤3)中制造出的带有基板、支撑、定位标识的赝复体支架从SLM机床中取出；
5)通过上述方法得到增材制造加工坐标系后就可以根据该坐标系与机加工坐标系之间的坐标转换关系进行数控编程进而对赝复体支架进行减材制造加工。
进一步，所述步骤5)中，机加工进行后续处理：在三维设计软件中根据需要去除的定位标识和需要二次精加工的重要结构曲面设计机加工走刀路径，所述重要结构曲面包括连接曲面、贴合曲面、阻塞曲面和卡环，编写机加工数控程序；根据步骤4)中的定位结果装夹带有基板、连接支撑、定位标识的赝复体支架，设置对刀，进行机加工处理；完成精修重要结构曲面、去除定位标识后经过热处理、表面处理最终获得口腔赝复体支架成品。
再进一步，所述步骤4)中，采用机械定位方法，针对适合于车针定位的机加工车床，将定位车针伸入打印出的定位环中即可确定增材制造的加工坐标系；针对适合于寻边仪定位的机加工车床，利用机床上的寻边仪首先找到左侧定位块的位置，选定该位置为零，再选出右侧定位块的位置，取其一半为x轴的中点；同理，找到y轴的中点，这样工件在增材制造加工坐标系就得到了确定。
所述步骤4)中，采用视觉定位方法，针对适合于视觉定位的机加工车床，将标识块打印在基板或赝复体支架的非功能性、非重要结构上；在将定位标识打印在赝复体支架上时，每一个标识块均要求与基板平面平行且在同一平面上，这样才能方便后期的视觉识别；在设置好定位标识，完成增材制造加工后，将基板放置在一定的光源环境下，相机平行于基板平面采像，将采集到的图像在计算机中进行畸变矫正、灰度化、增强对比度、滤波、二值化处理后根据定位标识得到增材制造加工坐标系。
本发明的有益效果主要表现在：
1)充分保留了增材制造技术在赝复体支架制造中个性化程度高、制作周期短等诸多优点的同时结合技术工艺相对成熟的减材制造技术弥补了在成型重要复杂的结构性曲面精度无法满足要求等方面的不足。
2)能够加工出满足精度要求、功能性更优的卡环结构，在满足固定功能的同时亦方便患者摘除清洗。
3)提出了多种定位方式，可以针对不同结构的赝复体支架、不同的机加工机床采用不同的定位方法，适用范围更加广泛。
此外，本发明适用于不锈钢、钴铬合金，纯钛及钛合金等
附图说明
图1是患者上颌模型示意图。
图2是设计的支架CAD模型。
图3是添加工艺支撑示意图。
图4是添加连接支撑示意图。
图5是可打印制造的支架模型。
图6是车针定位示意图。
图7是寻边仪定位示意图。
图8是视觉定位标识块设计在基板上时的示意图。
图9是卡环截面图。
图10是最终成型的赝复体支架示意图，其中，(a)是正面图，(b)是背面图。
图中，1-基板，2-卡环，3-工艺支撑，4-连接支撑，5-支架上的视觉标识块，6-车针定位孔，7-车针，8-定位块，9-寻边仪，10-基板上的视觉标识、11-结构性曲面、12-赝复体支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图10，一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，包括以下步骤：
1)获取患者口腔上颌三维模型数据：通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫面软件导出三角网格模型；
2)获得最终可打印制造的支架CAD模型：根据步骤1)中所获得的点云数据通过逆向工程软件选取口腔赝复体支架的组织面基面并将其生成可编辑的曲面片。将该曲面片导入到三维设计软件中设计出具有连接功能的大、小连接体、2-卡环结构等结构曲面。然后对设计的10-结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，同时留有一定的加工余量。之后将生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件中，将曲面加厚到复合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型。最后对初步支架实体模型进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终可打印制造的支架CAD模型。
3)利用增材制造技术3D打印实体支架：根据口腔赝复体支架的结构特征设计相应的支撑结构，并根据所采用的机加工机床设计相应的定位标识。在支撑设计时，除了添加增材制造3-工艺支撑以外，还应添加作为赝复体与基板连接用的4-连接支撑。将带支撑和定位标识的赝复体支架CAD模型导入到打印设备配套的切片软件中，设计好相应的参数后进行切片处理。将切片数据输入到3D打设备中，制造出带有1-基板、3、4-支撑、5/6/8/10-定位标识的赝复体支架。
4)定位：在加工过程中，由于需要将加工的赝复体支架从SLM增材制造机床转移到机加工机床上，因此会在转移过程中牵涉到坐标系转换的问题，尤其是如何获取增材制造的加工坐标系，本发明提出机械定位和视觉定位两种定位方法，优选地，采用视觉定位的方法。将步骤3)中制造出的带有1-基板、3、4-支撑、5/6/8/10定位标识的赝复体支架从SLM机床中取出后，针对适合于车针定位的机加工车床，将7-定位车针伸入基板上的6-车针定位孔中即可确定增材制造的加工坐标系；针对适合于寻边仪定位的机加工车床，利用机床上的9-寻边仪首先找到左侧8-定位块的位置，选定该位置为零，再选出右侧8-定位块的位置，取其一半为x轴的中点。同理，找到y轴的中点，这样工件在增材制造加工坐标系就得到了确定；针对适合于视觉定位的机加工车床，可将标识块打印在10-基板或5-打印在赝复体支架的非功能性、非重要结构上。应特别注意的一点是，在将定位标识打印在赝复体支架上时，每一个标识块均要求与基板平面平行且在同一平面上，这样才能方便后期的视觉识别。在设置好定位标识，完成增材制造加工后，将基板放置在一定的光源环境下，相机平行于基板平面采像，将采集到的图像在计算机中进行畸变矫正、灰度化、增强对比度、滤波、二值化等一些列处理后根据定位标识得到增材制造加工坐标系。通过上述方法得到增材制造加工坐标系后就可以根据该坐标系与机加工坐标系之间的坐标转换关系进行数控编程进而对赝复体支架进行减材制造加工。
5)通过上述方法得到增材制造加工坐标系后就可以根据该坐标系与机加工坐标系之间的坐标转换关系进行数控编程进而对赝复体支架进行减材制造加工。
机加工进行后续处理：在三维设计软件中根据需要去除的定位标识并根据需要二次精加工的重要11-结构曲面如连接曲面、贴合曲面、阻塞曲面、2-卡环等设计机加工走刀路径，编写机加工数控程序。根据步骤4)中的定位结果装夹带有1-基板、3、4-连接支撑、5/6/8/10定位标识的赝复体支架，设置对刀，进行机加工处理，完成精修重要11-结构曲面、去除5/6/7/10定位标识等一系列工作后经过一定的热处理、表面处理最终获得口腔赝复体支架成品。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (4)
1.一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)获取患者口腔上颌三维模型数据：通过扫描设备直接扫描病人口腔，直接获得病人口腔的三维点云数据，并将三维点云数据通过扫面软件导出三角网格模型；
2)获得最终可打印制造的支架CAD模型：根据步骤1)中所获得的点云数据通过逆向工程软件选取口腔赝复体支架的组织面基面并将其生成可编辑的曲面片；将该曲面片导入到三维设计软件中设计出具有连接功能的大、小连接体、卡环结构和支撑结构结构曲面；然后对设计的结构曲面进行重建，将结构曲面片重建成无大曲率的高质量支架曲面，同时留有一定的加工余量；之后将生成的高质量支架曲面通过三角网格再次导入到逆向工程软件中，将曲面加厚到复合临床要求的厚度，形成初步支架实体模型；最后对初步支架实体模型进行进一步的优化设计，采用拓扑优化设计以及形貌优化，形成最终可打印制造的支架CAD模型；
3)利用增材制造技术3D打印实体支架：根据口腔赝复体支架的结构特征设计相应的支撑结构，并根据所采用的机加工机床设计相应的定位标识；在支撑设计时，除了添加增材制造工艺支撑以外，还应添加作为赝复体与基板连接用的连接支撑；将带支撑和定位标识的赝复体支架CAD模型导入到打印设备配套的切片软件中，设计好相应的参数后进行切片处理；将切片数据输入到3D打设备中，制造出带有基板、支撑、定位标识的赝复体支架；
4)定位：在加工过程中，需要将加工的赝复体支架从SLM增材制造机床转移到机加工机床上，将步骤3)中制造出的带有基板、支撑、定位标识的赝复体支架从SLM机床中取出；
5)通过上述方法得到增材制造加工坐标系后就可以根据该坐标系与机加工坐标系之间的坐标转换关系进行数控编程进而对赝复体支架进行减材制造加工。
2.如权利要求1所述的一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，其特征在于，所述步骤5)中，机加工进行后续处理：在三维设计软件中根据需要去除的定位标识和需要二次精加工的重要结构曲面设计机加工走刀路径，所述重要结构曲面包括连接曲面、贴合曲面、阻塞曲面和卡环，编写机加工数控程序；根据步骤4)中的定位结果装夹带有基板、连接支撑、定位标识的赝复体支架，设置对刀，进行机加工处理；完成精修重要结构曲面、去除定位标识后经过热处理、表面处理最终获得口腔赝复体支架成品。
3.如权利要求1或2所述的一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用机械定位方法，针对适合于车针定位的机加工车床，将定位车针伸入打印出的定位环中即可确定增材制造的加工坐标系；针对适合于寻边仪定位的机加工车床，利用机床上的寻边仪首先找到左侧定位块的位置，选定该位置为零，再选出右侧定位块的位置，取其一半为x轴的中点；同理，找到y轴的中点，这样工件在增材制造加工坐标系就得到了确定。
4.如权利要求1或2所述的一种减材复合加工成型的口腔赝复体支架制作方法，其特征在于，所述步骤4)中，采用视觉定位方法，针对适合于视觉定位的机加工车床，将标识块打印在基板或赝复体支架的非功能性、非重要结构上；在将定位标识打印在赝复体支架上时，每一个标识块均要求与基板平面平行且在同一平面上，这样才能方便后期的视觉识别；在设置好定位标识，完成增材制造加工后，将基板放置在一定的光源环境下，相机平行于基板平面采像，将采集到的图像在计算机中进行畸变矫正、灰度化、增强对比度、滤波、二值化处理后根据定位标识得到增材制造加工坐标系。
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