CN1215819C - 口腔金属修复体的激光立体成形制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种口腔金属修复体的激光立体成形制备方法，将激光立体成形技术与牙科计算机辅助设计和制作技术相结合，建立一种由金属粉末直接制作口腔金属修复体的新技术。在计算机中生成修复体的三维CAD模型，然后将该模型按一定厚度分层“切片”，即将三维信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光涂覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积金属粉末材料，最终形成仅需进行少量加工的口腔修复体。该发明将为牙科修复体的制作开辟新方法；还可延伸到骨科、整形科等领域修复体的快速精确制作。

Description

口腔金属修复体的激光立体成形制备方法
                         技术领域
本发明属于口腔医学或生物医学工程学领域，涉及口腔义齿或义齿部件制备方法，特别涉及口腔金属修复体的激光立体成形制备方法。
                         背景技术
牙体、牙列缺损是口腔科的一种常见病和多发病，自然人中约占24％--53％，发病时通常选择固定修复体以手工个别制作方式进行修复。修复体的制作采用精密铸造方法，工艺繁琐，速度慢，效率低，病人就诊次数多，时间长。变革传统的制作方法势在必行。
上世纪80年代开始，CAD/CAM技术被引入口腔修复学领域，法国、瑞士、德国、美国等相继开发出牙科CAD/CAM***，其中以德国CEREC--CAD/CAM***最为著名和普及，已售出5000多台，能制作陶瓷嵌体、贴面和全冠。该技术被认为是口腔医学领域的革命性突破。但由于加工方法采用失材铣削方式，存在如下问题：第一必须预先制备相匹配的机加工材料，且机加工材料的体积必须大于切削成型体才能留出足够的加工余量，因此在加工过程中势必造成材料的大量浪费；第二受机加工材料性能的限制，只能制作较小和形状简单的修复体，如单冠、简单固定桥，应用范围很有限；第三，机加工材料材质单一，或者为金属或者为陶瓷，不具备制作复合材料修复体的能力。
                        发明内容
为了克服现有技术中存在的性能差、材料利用率低、加工周期长、成形形状简单等缺点，本发明的目的旨在建立一种口腔金属修复体的激光立体成形制备方法。该方法是将先进的激光立体成形技术应用于口腔金属修复体的制造，可望为取代传统铸造方法或革新现有的口腔修复体计算机辅助制作方法奠定理论和技术基础，必将为口腔修复体的制作开辟一种全新的加工工艺。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是，首先在计算机中生成口腔金属修复体的三维CAD模型，并根据加工精度要求对该模型进行分层切片处理，将口腔金属修复体形状的三维立体数据转换成一系列二维平面数据；然后，根据每一层的平面数据确定激光束扫描的轨迹，生成加工程序，并将之传递给数控工作台；由数控工作台实现激光束按照加工程序确定的扫描轨迹在基材上进行扫描，同时，通过送粉器向激光熔池中送入金属/合金粉末，从而获得与该平面形状一致的涂层；在激光束扫描完一层后，激光头和送粉喷嘴沿Z轴上升一段距离ΔZ(其数值大小与CAD二维切片模型的厚度相等)，再按照下一层的扫描轨迹进行扫描，当所有的平面都扫描完后，即得到三维的实体口腔金属修复体。(如图1)。在制造的过程中，可根据需要调整不同送粉器送粉量的大小，使口腔金属修复体的不同部位具有不同的成分和组织，实现材质/性能/使用环境的最佳搭配。
本发明的方法将为计算机辅助设计与辅助制作(CAD/CAM)开辟新的加工手段，更加符合口腔修复体每件皆不相同的个性化制作要求；并能加工制作多种材料，有望制作复合材料修复体；所加工修复体的材料性能将远远优于现有材料；能节省昂贵的牙科材料，与切削加工方法等相比，应用范围更广，实用价值更高。如同现代激光照排技术取代传统的排版印刷技术一样，极大地提高口腔修复体的自动化程度和生产效率，满足广大牙体缺损患者快速修复需要，同时可将该技术延伸到骨科、整形科等学科修复体及精密医疗器械的快速精确制作，经济效益和社会效益巨大。该方法除具有节约材料、可加工任意形状的一般特点外，更具有能够制作复合材料修复体和修复体理化、力学性能可人为控制的优点，极大拓宽计算机辅助制作修复体的种类和范围。
                     附图说明
图1激光立体成形技术原理示意图；
图2为实验所用***示意图；图中标号表示的是，激光器1、反射聚焦镜2、送粉器3、基材5、激光熔池4、数控工作台6。
图3为蜡型三维重建图形；
图4是按层分布的SLC文件；
图5是SLFC分层数据文件；
图6显示Rpdata处理后生成STL文件；
图7激光立体成形技术制备的镍铬合金全冠图片。
                        具体实施方式
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。
1.实验设备
参见图2，激光加工实验设备包括激光器1、反射聚焦镜2、送粉器3、基材5、激光熔池4、数控工作台6。数据获取设备包括台湾产四轴CNC镭射扫描***，Intel PIV2.0G计算机。软件：SURFACER 10.5，SDBC(StructuralDynamics Research Corporation)公司；Cloud Date Process软件，由西安交通大学开发设计处理点云数据的软件；MIMICS软件，比利时Materialise公司；RP daba软件，西安交通大学设计，将CAD切片的模型转换为STL格式软件。
2.实验材料
选用Rene95合金粉，其成分见表1。粒度为-200目～+300目，粉末颗粒呈球形，流动性要好。设计制造微量送粉器，送粉量范围为1.0--10g/min，送粉精度±3％。选基体为直径120mm，厚8mm的圆盘状碳钢，其受光表面经黑化处理以增加光吸收率。
                       表1：Rene95合金成分
    C  Cr  Co   Al   Ti    Mo W  Nb Zr  B Ni
    0.04～  12～14  7～   3.3～   2.3～    3.3～3.7 3.3～3.7  3.3～ 0.03～0.07  0.006～0.015 余
0.09 9 3.7 2.7 3.7
3.实验方法
(1).按口腔修复学要求进行人造全冠牙体制备，取印模，翻制超硬石膏模型，利用石膏模型制备可卸代型。用嵌体蜡制作全冠蜡型。将蜡型用HD-EV通用型探伤显像剂喷涂均匀，放置10分钟，表面干燥。将蜡型置于机械扫描平台上，通过计算机控制机械扫描平台的移动，机械扫描平台在X-Y轴方向平移，在Z轴方向旋转，以便于测量到蜡型的各个表面，镭射扫描***的激光发射装置产生激光束，入射激光与水平面垂直，双CCD的接收光束与入射光束的夹角均为45度。激光束为线状投出，当线状光束投射到蜡型表面发生反射后，其反射光被传感器接收装置接收并输入到计算机。随着平台在Z轴方向的不断旋转，逐步测量出蜡型的360度轮廓，取得蜡型的全部数据，扫描步距0.01mm。
计算机处理镭射扫描***所测得的数据为点云数据、SCN数据格式。将该数据经SURFACER软件处理可形成蜡形三维重建见图3。
将以上SCN点云数据用Cloud Data Process软件处理，形成按层分布的SLC格式文件。见图4。
将SLC文件用MIMICS软件处理，变成二进制SLFC文件，此文件为快速原型分层数据文件。见图5。
将SLFC文件用Rpdata软件处理，最终生成STL格式文件。见图6。
通过激光扫描测量法实现磨牙全冠的三维重建，获得牙冠CAD实体模型，文件格式为STL格式。
(2).设备、材料准备：制备Rene95合金粉末，粒度为-200目～+300目，粉末颗粒呈球形，流动性要好。设计制造微量送粉器，送粉量范围为1.0～10g/min，送粉精度±3％。
(3).将牙冠CAD实体模型输入激光立体成形设备，该设备软件将牙冠CAD实体模型切成0.1mm厚薄片，每片数据转换成数控加工指令，控制激光立体成形设备工作。
(4).激光束1经反射聚焦镜2后在基材5表面上形成一定尺寸的激光熔池4，并在数控工作台6的带动下，按照步骤(3)所生成的扫描轨迹线数控加工指令，在基材5表面进行扫描。在激光束扫描的同时，送粉器3向激光熔池4中送入金属/合金粉末，即进行同步送粉涂覆，冷凝后得到一层材料。扫描完一层后，激光束1和送粉器3按步骤(3)所输出的设定沿Z轴方向上升一个距离ΔZ，再按照下一层的扫描轨迹线涂覆下一层材料。全部层都涂覆完后，就得到三维实体零件。
(5).实验所选取的参数为：激光功率3300w～4000w，扫描速度5mm/s～10mm/s，送粉量1.0g/min～10g/min，保护气体流量3.5l/min～6.5l/min。每一层激光熔覆6道，搭接率40％。得到人造牙冠，其精度为x-y方向±1mm/100mm，z方向±1mm/200mm。材料的力学性能为：室温屈服强度达850MPa，拉伸强度达到950MPa，延伸率超过10％，疲劳性能达到锻造材料水平。
4.实施例：应用激光立体成形技术制备口腔镍铬合金全冠
材料：选取镍铬合金粉末(Rene95合金粉末，北京钢铁研究总院)，其成分见表1。
参照3实验方法，得到镍铬合金全冠。如图7。
本发明为计算机辅助设计与辅助制作(CAD/CAM***)开辟新的加工手段，更加符合口腔修复体每件皆不相同的个性化制作要求；并能加工制作多种材料，有望制作复合材料修复体；所加工修复体的材料性能将远远优于现有材料；能节省昂贵的牙科材料，与切削加工方法等相比，应用范围更广，实用价值更高。如同现代激光照排技术取代传统的排版印刷技术一样，极大地提高口腔修复体的自动化程度和生产效率，满足广大牙体缺损患者快速修复需要，同时可将该技术延伸到骨科、整形科等学科修复体及精密医疗器械的快速精确制作，经济效益和社会效益巨大。
该方法除具有节约材料、可加工任意形状的一般特点外，更具有能够制作复合材料修复体和修复体理化、力学性能可人为控制的优点，极大拓宽计算机辅助制作修复体的种类和范围。

Claims (1)

1.口腔金属修复体的激光立体成形制备方法，激光立体成形设备包括激光器、反射聚焦镜、送粉器、基材、激光熔池、数控工作台，数据获取设备包括镭射扫描***，计算机及其软件；其特征在于，包括以下步骤：
1)首先按口腔修复学要求进行人造全冠牙体制备，取印模，翻制超硬石膏模型，利用石膏模型制备可卸代型，用嵌体蜡制作全冠蜡型；将蜡型用HD-EV通用型探伤显像剂喷涂均匀，放置10分钟，表面干燥；
2)将蜡型置于机械扫描平台上，通过计算机控制机械扫描平台的移动，机械扫描平台在X-Y轴方向平移，在Z轴方向旋转，以便于测量到蜡型的各个表面，镭射扫描***的激光发射装置产生激光束，入射激光与水平面垂直，双CCD的接收光束与入射光束的夹角均为45度；激光束为线状投出，当线状光束投射到蜡型表面发生反射后，其反射光被传感器接收装置接收并输入到计算机；随着机械扫描平台在Z轴方向的不断旋转，逐步测量出蜡型的360度轮廓，取得蜡型的全部数据，激光功率3300w～4000w，扫描速度5mm/s～10mm/s，扫描步距0.01mm；
3)计算机处理镭射扫描***所测得的数据为点云数据、SCN数据格式，将该数据经SURFACER软件处理形成蜡形三维重建；通过激光扫描测量法实现磨牙全冠的三维重建，获得牙冠CAD实体模型；
4)将牙冠CAD实体模型输入激光立体成形设备，该设备软件将牙冠CAD实体模型切成0.1mm厚薄片，每片数据转换成数控加工指令，控制激光立体成形设备工作；激光立体成形设备的激光束经反射聚焦镜后在基材表面上形成规定尺寸的激光熔池，并在数控工作台的带动下，按照所生成的数控加工指令，对基材表面进行扫描；
5)同时，通过送粉器向激光熔池中送入金属或合金粉末，其中送粉器的送粉量范围为1.0～10g/min，送粉精度±3％，保护气体流量3.5l/min～6.5l/min，从而获得与该平面形状一致的涂层；在激光束扫描完一层后，激光头和送粉喷嘴沿Z轴上升一段距离ΔZ，其数值为0.1mm；再按照下一层的扫描轨迹进行扫描，当所有的平面都扫描完后，即得到三维的实体口腔金属修复体。
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