CN112823761B - 一种基于正负压控制的矫治器成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明在隐形牙齿矫治技术背景下，对矫治器成型工艺中压力控制问题进行创新,对温度控制问题进一步优化而解决矫治器厚度不均和贴合面不紧密等问题。采用正负压工艺制作矫治器，根据TMA测得片材在加热时变形程度，以此为根据优化加热装置中的中波红外线圆管辐射温度分布和压力控制，并采用压力控制器控制片材上下两处的压强差，片材上负压下正压使得片材变形程度相同。同时采用微波加热的方式，对3D打印的牙模加热至一定温度。再让软化后的片材在夹持器移动下靠近在牙模表面，释放片材下方空气，使得下半部分成为负压室，上半部分为正压室，片材在压强差作用下贴合在牙模表面，根据建立的数学模型控制上下密室压强差从而控制膜片厚度，再利用另一部分牙模定型上表面形状，随后冷却固化成型。本发明的效果和益处在于解决因热积聚和重力效应使矫治器片材在加热后软化程度不一的问题。而且还优化了因片材和牙模材质热膨胀系数不同导致贴合面产生应力的问题。

Description

一种基于正负压控制的矫治器成型工艺

技术领域

本发明属于矫治器成型技术领域，涉及到一种正负压控制的矫治器成型工艺。

背景技术

隐形牙齿矫治技术作为一种新型牙齿正畸技术，相对于传统矫治技术有着更加卫生、舒适、美观等优势，得到越来越多人的认可和使用。三维激光扫描技术、计算机辅助分析、仿真和图形学技术以及激光快速成型技术等学科技术的快速发展为隐形牙齿矫治这一新型创意技术的发展提供了理论基础和技术支持。激光快速成型技术以及3D打印技术的快速发展已经实现了将数字化模型快速、准确、方便地转化成树脂牙齿模型的过程，再通过热压吸塑成型技术，在树脂牙齿模型上翻制透明的牙齿矫治器。而这种弹性、透明的矫治器就是隐形牙齿矫治器，俗称为“隐形牙套”。

目前采用较为广泛的矫治方式是首先对患者的牙颌关系进行数字化转换, 实现模型的三维重建;然后, 在模型的数字化重建的基础上结合可视化三维图像处理技术, 使用相关软件对数据进行处理;再按照临床医生的要求模拟临床矫治设计进行可视化三维牙颌正畸矫治;最后应用光固化快速成型技术将各矫治阶段的牙颌模型制作成型, 在成型的母模上压膜形成各阶段的隐形矫治器。患者佩戴过程中由矫治器本身材料的弹性形变加上附件而产生的回弹力, 实现牙齿的正畸矫治。通过佩戴一系列连续有序的矫治器实现牙齿连续小范围的移动到理想状态的目的。

由于牙模的结构复杂，表面沟壑较多，因此，此类成型机在压力控制，加热方式、温度控制、成型工位的动作等方面与其它成型机均有所不同，而压力和温度控制及成型工序控制是较关键的问题。传统牙模热压吸塑成型是将热塑性高分子等材质加热至软化弹性状态，在气体压力下，紧密吸附至覆盖牙模表面，并采用对应的另一部分牙齿模具或而使其成为制品的一种成型方法。受热的材料有两面与成型工具相接触。这样，材料与模具相接的面就具有与成型模具完全相同表面轮廓，对应一面则对应了另一部分牙模表面结构。但是在加工牙套时，我们明显发现受热软化的片材的变形程度相差极大，片材厚度控制很难，传统的热压吸塑却不能解决这个问题，所以我们在此基础上，采取正负压成型工艺，平衡片材上下压强差，抵消重力带来的变形，并且在成型时通过压力来控制膜片的厚度，所以对压力控制系统进行设计。同时另一主要工序之一就是片材和牙模的加热，让片材软化成可塑性的状态，牙模加热到和片材相同的温度。采取中波红外线圆管加热片材，微波加热3D打印的牙模。后续压模成型后对矫治器进行自然冷却固化。

合理设计正负压成型工艺中的压力和温度控制问题，可以优化矫治器的表面形态、使矫治器完美贴合齿面，并且增加了矫治器的抗断裂与抗伸拉性。从而更好的施加矫治力，使矫治力真正作用在拟移动牙齿上，减少对拟不动牙齿的作用影响，从而减轻患者配戴时的疼痛，更配合地完成矫治过程。

发明内容

本发明提供了一种基于正负压控制的矫治器成型工艺，具体步骤如下：

（1）牙套片材加热装置的改进：

对原来中波红外线圆管的排布做出合理的摆放，让光辐射的能量不再沿圆形片材均与释放，而是光辐射的能量从圆形区域外围至中心区域是逐渐减弱，而这一减弱在于中波红外线圆管的排布和功率确定，这一点我们采取TMA方法，TMA的目标是测量样品在加热、冷却或保持恒温(等温)时的尺寸变化(如膨胀或收缩)。根据我们实验的结果和计算好的数学模型最终确定中波红外线圆管位置和功率的确定，从而确定加热器辐射温度设定范围

（2）压力控制系统的设计：

因为片材的厚度对矫治器的性能非常重要，所以需要闭环的压力控制系统控制两个空间的压力差，控制系统由压力传感器，压力控制器，两个被控空间组成。该装置加热温度不高且保持不变，考虑到简化计算，对研究介质看成理想气体，根据气体状态方程式：

式中: P为气室中的绝对压力; V 为气体体积; m为气体质量;

为气体常数; T为气体绝对温度。密闭加热装置容器气体压力控制原理是，夹持器在下降时，上下密室容器气体压力随之变化，控制上下变容室气体的流入与流出，使变容室中气体压力保持稳定。通过传感器测量变容室内气体的压力P、和体积变化率

而计算得到：

夹持器控制片材的移动，上下变容室体积变化速率大小一致，只需控制

m的变化即气体的流入与流出即能控制气室中压力P大小；

压力控制系统能快速，准确并稳定的控制片材上下两部分空间的压力至指定的压力点上，最后抵消重力的影响，从而使得片材区域软化程度相同，从而保证了成品率的提高

（3）牙模加热：

市面上大多数采用热压吸塑工艺成型的隐形牙套基本未考虑到牙模表面温度对后续工艺的影响，考虑这一点，我们应用到矫治器正负压工艺中，参考牙套片材和3D打印牙模的熔点和热膨胀系数，设定牙模加热温度与软化片材相同的温度60℃。根据牙模的特点，采用微波加热的方式，该种加热方式加热均与而且易于控制，安全无害

（4）正负压成型处理：

矫治器片材上方和下方两处都是密闭空间，稳定这两处的压力差，同时控制夹持器让片材稳步下降，释放下方空气，片材下方相对于上方空间是负压室，此时上方密室压力为

，下方密室压力为

，测得矫治器片材上面积为s，质量为m,膜片厚度为

测得片材压缩模量为E，根据压缩模量计算公式：

其中

是片材受到的应力，

是片材纵向应变，由此推出膜片片材厚度

计算公式：

根据第四步设计的压力控制器控制

和

的大小，即可控制膜片片材的厚度。膜片受压吸附在牙模表面，形成初步的矫治器模型

（5）牙模和矫治器冷却处理：

在受热软化的矫治器片材和牙模贴合后，保持上下方压力差七分钟定型，上方牙模压下，形成对应的牙齿表面形状，保持一段时间，待到片材完全冷却才能固化。去除料边即能得到相应的隐形矫治器。

本发明的目的是：解决异形复杂结构的矫治器，在热压吸塑成型工艺中因为变形不均和温度控制问题而导致的矫治器与牙模贴合面之间不紧密和矫治器厚度不均匀，并导致矫治器的抗断裂和抗拉伸性的问题。

人体牙齿模型结构本就复杂，其表面都是不规则的曲面，在片材加热后软化与牙模表面接触成型时，牙套片材不易紧密填充模具上的一些细小的沟壑，所以一般还会利用另一部分的牙模进行压实。但是因为片材在加热时，因为热场的积聚和重力效应，片材的中心区域会有明显的下垂，导致在与下面牙模接触时而不能紧密贴合。在后续的膜片和牙模接触后冷却固化时，因为在片材中的残余应力和牙模受热的部分变形导致贴合面的进一步脱离。

本发明的优点和益处在于：

（1）在现有片材加热的基础上，考虑到中心区域的软化下垂导致贴合面不紧密，根据TMA实验结果，合理设定圆形热源位置与功率的分布，抵消热的积聚效应，并采取新的正负压成型工艺，控制片材上下压力差，抵消重力带来的片材变形不均问题，这样片材软化程度相差不大，片材与牙模贴合更为均与，紧密，后面改变压力差，并通过控制压力差大小来控制膜片的厚度，让最终成型的矫治器内表面能均与紧密贴合齿面

（2）牙模一般是常温和高温软化片材直接接触，没有考虑因不同材质热膨胀系数不同而产出的应力问题，这样让矫治器片材与牙模贴合面产生空隙，或是矫治器厚度不一，导致抗断裂和抗拉伸性达不到产品要求。我们进一步结合矫治器片材和牙模材料的热膨胀系数的理化性能，采用微波加热的方式对牙模进行预热处理，减少了片材和牙模之间的温度梯度，从而降低了贴合面间的应力大小，同时加强了矫治器的抗断裂和抗拉伸性能。

附图说明

图1是本发明矫治器制作过程示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施案例。

本发明通过以高分子片材制作矫治器，经过优化后的中波红外线圆管加热器加热软化，采用设计好的正负压控制系统控制片材吸附在微波加热好的牙模表面，上牙模压实，冷却固化成型。具体实施方式如下：

（1）根据热机械测量装置TMA测定1mm厚直径120mm高分子圆形膜片在62℃，65℃，70℃软化温度时变形量，考虑到重力的影响，圆形高分子膜片中心和外围区域软化变形趋于一致，在建立的数学模型基础上，据此优化调整片材加热器中波红外线圆管的位置和功率排布，使得中心区域温度达到62℃左右，中间一圈65℃左右，外围70℃左右。最终软化的圆形高分子膜片变形更为均匀；

（2）闭环的压力控制系统设计，气体压力控制过程实际上是密闭容腔的充放气过程，其工作过程为:对于量程范围内根据片材的重力和变形程度而计算好的的压力设定值，单片机通过接口电路和标准传感器对两个空间压力的实际值进行测量，并根据设定值与实际值之差按拟定的控制规律产生控制信号，该信号经继电器模板控制加压/卸压电磁阀的开闭，对压力容积充压或卸压。标准传感器对压力容积的实际压力进行实时测量，并反馈到计算机，计算机根据设定压力与实际压力之差产生新的控制信号，直至实际压力值与设定压力值一致时关闭控制阀；

（3）在加热高分子膜片的时候，预先对耐热性（耐热温度100℃）光敏树脂打印的3D牙模进行微波加热，加热温度至60℃；

（4）将受热软化的高分子膜片在夹持器移动到加热好的牙模上方，下方正压，上方负压，压强差使软化的矫治器片材变形均与，夹持器移动片材至牙模上方一mm左右，控制上下方压力室压力翻转，根据建立的数学模型，确定之间的压力差，使得膜片贴合牙模表面，此时矫治器厚度约为0.4mm，保持一段时间，让矫治器进一步成型；

（5）压力保持七分钟后，矫治器基本定型，另一部分牙模贴合矫治器上表面，另一部分表面形状成型后，等待高分子材质的矫治器和牙模冷却，将两者分离，即得到初步的隐形牙套矫治器；

（6）在根据病例口腔模型修整矫治器，这时，最终产品成型。

Claims (2)

1.一种基于正负压控制的矫治器成型工艺，其特征在于步骤如下：

（1）牙套片材的加热：根据数学计算模型确定中波红外线圆管的排布和功率，从而确定膜片加热器辐射温度的范围，让光辐射的能量不是在片材区域内均匀释放，而是光辐射的能量从圆形片材区域外围至中心区域逐渐减弱；

（2）压力控制系统的设计：根据气体状态方程设计压力控制器，通过控制流入气室的流量来同时控制片材上下两部分空间的压力，抵消重力的影响，从而使得片材区域软化程度相同；

（3）牙模加热：利用热效应理论，参考牙套片材和3D打印牙模的熔点和热膨胀系数，设定牙模加热温度，采用微波加热的方式对耐热光敏树脂打印的牙模加热至40℃~80℃；

（4）正负压成型处理：矫治器片材上方和下方两处都是密闭空间，压力控制系统缓慢控制这两处的压力差，控制夹持器让片材稳步下降至一定高度，释放片材下方空气，形成压强差，根据数学模型控制片材厚度，软化的矫治器片材受压吸附在牙模表面，形成初步的矫治器模型；

（5）牙模和矫治器冷却处理：在受热软化的矫治器片材和牙模贴合后，保持上方压力室压力六至七分钟左右，此时牙套片材基本成型，释放压力，另一部分牙模压入，形成矫治器另一面形状，待到片材完全冷却才能固化，去除料边即能得到相应的隐形矫治器。

2.根据权利要求1所述的基于正负压控制的矫治器成型工艺，其特征在于成型工艺是正负压控制，且通过压力控制来控制膜片厚度，加热装置是位置和功率设定好的中波红外线圆管加热，牙模材质为耐热材质。

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