三維打印技術在義齒加工中的應用*

□ 汶斌斌 □ 余 森 □ 張亞峰 □ 程 軍 □ 王 昌 □ 賀新杰 □ 趙利淵

西北有色金屬研究院 西安 710016

1 應用背景

隨著人們健康水平的不斷提高,人們對口腔健康的要求也越來越高。義齒鑲配是齒科治療的必要手段,由于義齒種類繁多,并且需要手工一對一配作,加工質量難以控制。隨著數字化加工技術和三維打印技術的發展,義齒加工配作進入數字化時代,義齒的數字化加工將成為未來的發展趨勢。義齒和活動支架如圖1所示。

2 傳統義齒加工

傳統義齒加工離不開牙科技師手工制作蠟模和鑄造金屬牙冠,義齒返工率居高不下,工作效率低,并且降低了患者佩戴義齒的舒適度。

傳統石膏牙模的加工工序主要包括制取口腔印模和灌注石膏牙模。制取口腔印模需要牙醫對患者口腔進行預備處理,清潔擬取印模區域及進行排齦處理,然后選擇大小合適的托盤注入硅橡膠材料,并將托盤放置在患者口腔內制取印模。灌注石膏牙模時,將適量水和超硬石膏粉調拌成均勻糊狀。將調和均勻的糊狀石膏從印模的高點處填入,邊填邊輕輕振蕩,使石膏灌注完全。成功灌注牙模才能制作出優良的義齒。

義齒中烤瓷牙金屬內冠的制作方法為,根據石膏牙模制作出金屬內冠的蠟型,進行金屬內冠的失蠟鑄造,主要包括鑄道安放、包埋、失蠟、鑄造四個步驟,然后再經過表面處理和飾面,最終完成烤瓷牙金屬內冠的制作。

3 義齒數字化加工

數字化加工技術使義齒加工脫離依靠牙科技師的手工配作,進入數控加工義齒的新階段。在數控機床上加工金屬牙冠時,對牙冠三維模型進行加工編程,生成數控機床加工程序進行加工,具有精度高、產品穩定性好等特點。使用數控加工技術制造金屬內冠,不需要制作蠟型和失蠟鑄造金屬內冠的過程,取而代之的是數字化口腔模型掃描、計算機輔助設計、計算機輔助制造和自動化金屬牙冠切削等步驟,金屬牙冠的精度得到保障。

▲圖1 義齒和活動支架

在加工材料方面,數控加工設備除了能加工鈦、鈷鉻合金等金屬材料外,還可以加工氧化鋯、玻璃陶瓷等牙科材料。

數控加工的不足之處是加工效率低、浪費原材料。

4 三維打印技術的應用

三維打印技術于20世紀90年代發展起來,集成了計算機輔助設計技術、數控加工、激光三維打印等現代科技成果,是先進制造技術的重要組成部分,國內外有不少企業采用這一技術。

在國外,德國BEGO公司是知名的牙科設備與材料制造商,所生產的設備能夠制造局部義齒金屬支架鑄造蠟型,打印手術導板、口腔模型、個性化印模托槽。Dentaurum是一家由口腔診所發展而來的口腔產品制造商,提供口腔修復、種植領域的產品和材料,所生產的材料可用于選擇性激光熔化三維打印設備制造金屬牙冠。

在國內,最具代表性的是西安鉑力特激光成形技術有限公司、江蘇永年激光成形技術有限公司、湖南華曙高科有限公司。

選擇性激光熔化三維打印使用高強度激光作為能量來源,直接融化金屬粉末層,使超薄的二維橫截面依次沉積。

由于義齒加工具有高度個性化的特點,因此采用激光三維打印技術制作義齒成為最佳選擇。

激光三維打印技術在義齒加工中的應用主要包括可摘義齒、矯正器、種植牙的制作加工。激光三維打印效果關鍵取決于激光功率、層厚、打印速度、光斑大小等參數。

與傳統成形方式相比,激光三維打印技術突破了設計和傳統加工技術的局限性,不需要模具,一次性打印成形,材料利用率高,設計、制作周期短,可加工的材料幾乎不受限制。隨著相關技術的提高,激光三維打印技術在加工精度方面已經有了明顯提高。激光三維打印義齒的加工工藝流程為:① 通過計算機斷層掃描、磁共振等臨床診療手段獲取患者牙冠的三維數據,結合逆向工程學設計義齒的三維數模,轉換為三維打印制造標準數據;② 采用合適的軟件將三維數據轉換為沿縱向的二維層切片;③ 激光三維打印設備根據二維數據逐層融化金屬材料,完成義齒的加工。

相比義齒的數控加工,激光三維打印技術在義齒生產成本和效率方面的優勢更為突出。

激光三維打印義齒具體操作時,利用三維軟件建模。將三維模型保存為.STL格式文件時,將玄長設為0。將保存好的.STL格式文件導入三維打印軟件,添加打印支撐文件。支撐文件添加后,分層切片。切片后,將支撐文件保存為.SLC格式,將產品文件保存為.STL格式。在三維打印設備中,將.STL格式產品文件導入AUTOFAB軟件,對產品文件進行切片,并將切片完成的文件保存為.AFF格式。將.AFF格式文件轉換為.EPA格式,導入三維打印設備,調出文件。將三維打印設備打印范圍設置為400×400,打開.EPA格式產品文件,并打開.SLC格式支撐文件,調整打印參數,開始打印。激光三維打印義齒如圖2所示。

▲圖2 激光三維打印義齒

打印參數中,每層打印厚度的設置很重要。層厚的設置取決于激光打印功率和打印金屬球形粉末顆粒平均直徑。層厚設置過小,打印金屬球形粉末顆粒平均直徑大于層厚,激光將熔覆不了而導致打印失敗。層厚設置過大,激光無法融化對應層底部打印金屬球形粉末顆粒,造成未徹底熔融現象,在后期打印過程中形成球化,導致縮孔、縮松,使義齒機械強度降低,甚至不達標。激光光斑指激光照射在粉層表面所形成的照射面積,光斑過小,激光功率集中能量密度高,會導致粉層過燒。掃描間距指兩次掃描之間的搭接率。搭接率高,使熔融反復發生,提高致密度,但表面粗糙度值相應增大。搭接率低,使義齒的機械強度有所下降。因此,適當的掃描間距是提高義齒加工質量的保證。針對打印好的義齒,應檢查貼合度,如圖3所示。

▲圖3 義齒貼合度檢查

5 結束語

隨著激光三維打印技術的進一步發展,軟件和設備能力的進步,生產智能化程度將更高,打印設備將更完善,并將更適合義齒個性化生產。有理由相信,激光三維打印技術未來將成為義齒加工的主流技術。