專(zhuān)利名稱(chēng)：口腔金屬修復(fù)體的激光立體成形制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于口腔醫(yī)學(xué)或生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域，涉及口腔義齒或義齒部件制備方法，特別涉及口腔金屬修復(fù)體的激光立體成形制備方法。
上世紀(jì)80年代開(kāi)始，CAD/CAM技術(shù)被引入口腔修復(fù)學(xué)領(lǐng)域，法國(guó)、瑞士、德國(guó)、美國(guó)等相繼開(kāi)發(fā)出牙科CAD/CAM系統(tǒng)，其中以德國(guó)CEREC--CAD/CAM系統(tǒng)最為著名和普及，已售出5000多臺(tái)，能制作陶瓷嵌體、貼面和全冠。該技術(shù)被認(rèn)為是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革命性突破。但由于加工方法采用失材銑削方式，存在如下問(wèn)題第一必須預(yù)先制備相匹配的機(jī)加工材料，且機(jī)加工材料的體積必須大于切削成型體才能留出足夠的加工余量，因此在加工過(guò)程中勢(shì)必造成材料的大量浪費(fèi)；第二受機(jī)加工材料性能的限制，只能制作較小和形狀簡(jiǎn)單的修復(fù)體，如單冠、簡(jiǎn)單固定橋，應(yīng)用范圍很有限；第三，機(jī)加工材料材質(zhì)單一，或者為金屬或者為陶瓷，不具備制作復(fù)合材料修復(fù)體的能力。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，首先在計(jì)算機(jī)中生成口腔金屬修復(fù)體的三維CAD模型，并根據(jù)加工精度要求對(duì)該模型進(jìn)行分層切片處理，將口腔金屬修復(fù)體形狀的三維立體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維平面數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)每一層的平面數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡，生成加工程序，并將之傳遞給數(shù)控工作臺(tái)；由數(shù)控工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光束按照加工程序確定的掃描軌跡在基材上進(jìn)行掃描，同時(shí)，通過(guò)送粉器向激光熔池中送入金屬/合金粉末，從而獲得與該平面形狀一致的涂層；在激光束掃描完一層后，激光頭和送粉噴嘴沿Z軸上升一段距離ΔZ(其數(shù)值大小與CAD二維切片模型的厚度相等)，再按照下一層的掃描軌跡進(jìn)行掃描，當(dāng)所有的平面都掃描完后，即得到三維的實(shí)體口腔金屬修復(fù)體。(如圖1)。在制造的過(guò)程中，可根據(jù)需要調(diào)整不同送粉器送粉量的大小，使口腔金屬修復(fù)體的不同部位具有不同的成分和組織，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)/性能/使用環(huán)境的最佳搭配。
本發(fā)明的方法將為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制作(CAD/CAM)開(kāi)辟新的加工手段，更加符合口腔修復(fù)體每件皆不相同的個(gè)性化制作要求；并能加工制作多種材料，有望制作復(fù)合材料修復(fù)體；所加工修復(fù)體的材料性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有材料；能節(jié)省昂貴的牙科材料，與切削加工方法等相比，應(yīng)用范圍更廣，實(shí)用價(jià)值更高。如同現(xiàn)代激光照排技術(shù)取代傳統(tǒng)的排版印刷技術(shù)一樣，極大地提高口腔修復(fù)體的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，滿足廣大牙體缺損患者快速修復(fù)需要，同時(shí)可將該技術(shù)延伸到骨科、整形科等學(xué)科修復(fù)體及精密醫(yī)療器械的快速精確制作，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。該方法除具有節(jié)約材料、可加工任意形狀的一般特點(diǎn)外，更具有能夠制作復(fù)合材料修復(fù)體和修復(fù)體理化、力學(xué)性能可人為控制的優(yōu)點(diǎn)，極大拓寬計(jì)算機(jī)輔助制作修復(fù)體的種類(lèi)和范圍。
四

圖1激光立體成形技術(shù)原理示意圖；圖2為實(shí)驗(yàn)所用系統(tǒng)示意圖；圖中標(biāo)號(hào)表示的是，激光器1、反射聚焦鏡2、送粉器3、基材5、熔池4、數(shù)控工作臺(tái)6。
圖3為蠟型三維重建圖形；圖4是按層分布的SLC文件；圖5是SLFC分層數(shù)據(jù)文件；圖6顯示Rpdata處理后生成STL文件；圖7激光立體成形技術(shù)制備的鎳鉻合金全冠圖片。
表1Rene95合金成分CCr CoAl Ti Mo W Nb Zr B Ni0.04～ 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 3.75.3實(shí)驗(yàn)方法(1).按口腔修復(fù)學(xué)要求進(jìn)行人造全冠牙體制備，取印模，翻制超硬石膏模型，利用石膏模型制備可卸代型。用嵌體蠟制作全冠蠟型。將蠟型用HD-EV通用型探傷顯像劑噴涂均勻，放置10分鐘，表面干燥。將蠟型置于掃描平臺(tái)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制機(jī)械平臺(tái)的移動(dòng)，平臺(tái)在X-Y軸方向平移，在Z軸方向旋轉(zhuǎn)，以便于測(cè)量到蠟型的各個(gè)表面，激光發(fā)射裝置產(chǎn)生激光束，入射激光與水平面垂直，雙CCD的接收光束與入射光束的夾角均為45度。激光束為線狀投出，當(dāng)線狀光束投射到蠟型表面發(fā)生反射后，其反射光被傳感器接收裝置接收并輸入到計(jì)算機(jī)。隨著平臺(tái)在Z軸方向的不斷旋轉(zhuǎn)，逐步測(cè)量出蠟型的360度輪廓，取得蠟型的全部數(shù)據(jù)，掃描步距0.01mm。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理激光掃描儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)、SCN數(shù)據(jù)格式。將該數(shù)據(jù)經(jīng)SURFACER軟件處理可形成蠟形三維重建見(jiàn)圖3。
將以上SCN點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Cloud Data Process軟件處理，形成按層分布的SLC格式文件。見(jiàn)圖4。
將SLC文件用MIMICS軟件處理，變成二進(jìn)制SLFC文件，此文件為快速原型分層數(shù)據(jù)文件。見(jiàn)圖5。
將SLFC文件用Rpdata軟件處理，最終生成STL格式文件。見(jiàn)圖6。
通過(guò)激光掃描測(cè)量法實(shí)現(xiàn)磨牙全冠的三維重建，獲得全冠的CAD模型，文件格式為STL格式。
(2).設(shè)備、材料準(zhǔn)備制備Rene95合金粉末，粒度為-200目～+300目，粉末顆粒呈球形，流動(dòng)性要好。設(shè)計(jì)制造微量送粉器，送粉量范圍為1.0～10g/min，送粉精度±3％。
(3).將牙冠CAD實(shí)體模型輸入激光立體成形設(shè)備，該設(shè)備軟件將牙冠CAD實(shí)體模型切成0.1mm厚薄片，每片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工命令，控制激光立體成形系統(tǒng)工作。
(4).激光束1經(jīng)反射聚焦鏡2后在基材5表面上形成一定尺寸的熔池4，并在數(shù)控工作臺(tái)6的帶動(dòng)下，按照步驟(3)所生成的掃描軌跡線數(shù)控加工指令，在基材5表面進(jìn)行掃描。在激光束掃描的同時(shí)，送粉器3向熔池4中送入金屬/合金粉末，即進(jìn)行同步送粉涂覆，冷凝后得到一層材料。掃描完一層后，激光束1和送粉器3按步驟(3)所輸出的設(shè)定沿Z軸方向上升一個(gè)距離ΔZ，再按照下一層的掃描軌跡線涂覆下一層材料。全部層都涂覆完后，就得到三維實(shí)體零件。
(5).實(shí)驗(yàn)所選取的參數(shù)為激光功率3300w～4000w，掃描速度5mm/s～10mm/s，送粉量10g/min～20g/min，保護(hù)氣體流量3.5l/min～6.5l/min。每一層激光熔覆6道，搭接率40％。得到人造牙冠，其精度為x-y方向±1mm/100mm，z方向±1mm/200mm。材料的力學(xué)性能為室溫屈服強(qiáng)度達(dá)850MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到950MPa，延伸率超過(guò)10％，疲勞性能達(dá)到鍛造材料水平。5.4實(shí)施例應(yīng)用激光立體成形技術(shù)制備口腔鎳鉻合金全冠材料選取鎳鉻合金粉末(Rene95合金粉末，北京鋼鐵研究總院)，其成分見(jiàn)表1。
參照5.3實(shí)驗(yàn)方法，得到鎳鉻合金全冠。如圖7。
本發(fā)明為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制作(CAD/CAM系統(tǒng))開(kāi)辟新的加工手段，更加符合口腔修復(fù)體每件皆不相同的個(gè)性化制作要求；并能加工制作多種材料，有望制作復(fù)合材料修復(fù)體；所加工修復(fù)體的材料性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有材料；能節(jié)省昂貴的牙科材料，與切削加工方法等相比，應(yīng)用范圍更廣，實(shí)用價(jià)值更高。如同現(xiàn)代激光照排技術(shù)取代傳統(tǒng)的排版印刷技術(shù)一樣，極大地提高口腔修復(fù)體的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，滿足廣大牙體缺損患者快速修復(fù)需要，同時(shí)可將該技術(shù)延伸到骨科、整形科等學(xué)科修復(fù)體及精密醫(yī)療器械的快速精確制作，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益巨大。
該方法除具有節(jié)約材料、可加工任意形狀的一般特點(diǎn)外，更具有能夠制作復(fù)合材料修復(fù)體和修復(fù)體理化、力學(xué)性能可人為控制的優(yōu)點(diǎn)，極大拓寬計(jì)算機(jī)輔助制作修復(fù)體的種類(lèi)和范圍。
權(quán)利要求
1.口腔金屬修復(fù)體的激光立體成形制備方法，其特征在于，至少包括以下步驟1)首先在計(jì)算機(jī)中生成口腔金屬修復(fù)體的三維CAD模型，并根據(jù)加工精度要求對(duì)該模型進(jìn)行分層切片處理，將口腔金屬修復(fù)體形狀的三維立體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維平面數(shù)據(jù)；2)然后，根據(jù)每一層的平面數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡，生成加工程序，并將之傳遞給數(shù)控工作臺(tái)；由數(shù)控工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光束按照加工程序確定的掃描軌跡在基材上進(jìn)行掃描，同時(shí)，通過(guò)送粉器向激光熔池中送入金屬/合金粉末，從而獲得與該平面形狀一致的涂層；在激光束掃描完一層后，激光頭和送粉噴嘴沿Z軸上升一段距離ΔZ，其數(shù)值大小與CAD二維切片模型的厚度相等；再按照下一層的掃描軌跡進(jìn)行掃描，當(dāng)所有的平面都掃描完后，即得到三維的實(shí)體口腔金屬修復(fù)體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種口腔金屬修復(fù)體的激光立體成形制備方法，將激光立體成形技術(shù)與牙科計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制作技術(shù)相結(jié)合，建立一種由金屬粉末直接制作口腔金屬修復(fù)體的新技術(shù)。在計(jì)算機(jī)中生成修復(fù)體的三維CAD模型，然后將該模型按一定厚度分層“切片”，即將三維信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息，再采用激光涂覆的方法按照輪廓軌跡逐層堆積金屬粉末材料，最終形成僅需進(jìn)行少量加工的口腔修復(fù)體。該發(fā)明將為牙科修復(fù)體的制作開(kāi)辟新方法；還可延伸到骨科、整形科等領(lǐng)域修復(fù)體的快速精確制作。
文檔編號(hào)G06T17/00GK1462612SQ0313431
公開(kāi)日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2003年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者高勃, 林鑫, 陳靜, 王忠義, 黃衛(wèi)東, 李延民 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)