快速成型設(shè)備用于義齒加工的探討

岳衛(wèi)榮

南京大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院設(shè)備科，江蘇 南京 210008

0 前言

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)，又稱快速原型技術(shù)，是當今世界上飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一。20世紀80年代起源于日本，很快發(fā)展到美國和歐洲[1]，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認為是近年來制造領(lǐng)域的一個重大突破。它集機械工程、計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設(shè)計思想的校驗等提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。

1 快速成型技術(shù)基本原理

與傳統(tǒng)的機械切削加工，如車削、銑削等“材料減削”方法不同，快速成型采用離散堆積成型原理，根據(jù)CAD模型，對應(yīng)不同的工藝要求，按一定厚度進行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進行一定的處理，加入加工參數(shù)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結(jié)而成形。實際上就是基于“生長”或“添加”材料原理,一層一層地離散疊加，從底至頂完成零件的制作過程[2]。該技術(shù)的基本特征是“分層增加材料”，即三維實體由一系列連續(xù)的二維薄切片堆疊融接而成。RP的形成原理，見圖1。典型的快速成型工藝方法有光固化法、選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積成型法、分層實體制造法、三維印刷法和其他快速成型工藝等[3]。

圖1 RP的成形原理

1.1 光固化法

光固化法（Stereolithography Apparatus，SLA）是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。這種工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。完成一個掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化層后，工作臺下降一個層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在上一層上，如此反復直至完成整個零件的固化成型。

1.2 選擇性激光燒結(jié)法

選擇性激光燒結(jié)法（Selective Laser Sintering，SLS）是在工作臺上均勻鋪上一層很?。?00～200 μm）的金屬粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進行掃描、燒結(jié)，使粉末固化成截面形狀。完成一個層面后，工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機構(gòu)在已燒結(jié)的表面再鋪一層粉末進行下一層燒結(jié)。未燒結(jié)的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復進行直至完成整個零件的掃描、燒結(jié)。

1.3 熔融沉積成型法

熔融沉積成型法（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現(xiàn)零件的沉積成型。

1.4 分層實體制造法

分層實體制造法（Laminated Object Manufacture，LOM）工藝是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后，新的一層紙疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，如此反復逐層切割、粘合，直至整個模型制作完成。

1.5 三維印刷法

三維印刷法（Three Dimensional Printing，3DP）是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結(jié)粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機噴射結(jié)合劑。

1.6 其他快速成型工藝

除以上5種方法外，其他許多快速成型方法也已經(jīng)實用化，如實體自由成形（Solid Freeform Fabrication，SDM）、形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）、實體磨削固化（Solid Ground Curing，SGC）、分割鑲嵌（tessellation）、數(shù)碼累計成型（Digital Brick Laying，DBL）、三維焊接（Three Dimensional Welding，3DW）、直接殼法（Direct Shell Production Casting，DSPC）、 直 接 金 屬 成 型（Direct Metal Deposition，DMD）、 微 滴 噴 射 成 型（Multi-Jet Modeling，MJM）等快速成型工藝方法。

2 快速成型技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用[4]

2.1 手術(shù)策劃

手術(shù)策劃（surgical pianning）是根據(jù)患者病變器官的CT/MRI掃描結(jié)果快速成型的三維實體模型，可以協(xié)助外科醫(yī)生更清楚、正確地掌握病情，策劃復雜手術(shù)，進行手術(shù)演練。

2.2 植入性假體

植入性假體（implant prosthesis）進行假體植入手術(shù)時，通常是從標準產(chǎn)品中選擇適合患者尺寸的假體，當患者狀況超出標準范疇時，手術(shù)難以達到預(yù)期要求。采用快速成型技術(shù)后，可根據(jù)患者具體狀況精密地制作適合的假體，因此能顯著提高手術(shù)效果。

2.3 控制釋放給藥系統(tǒng)

一些藥物必須小心地定時服用，難于由病人自行管理。采用快速成型技術(shù)制作的控制釋放給藥系統(tǒng)（controlled release drug delivery system）能使藥片具有精確、復雜的釋放特性，提高療效與安全性。

2.4 組織工程支架

生長組織置換物的一個關(guān)鍵是如何制作形狀復雜的多孔隙支架，并將活細胞等均勻地置于支架中?？焖俪尚褪墙鉀Q組織工程支架（scaffold for tissue engineering）的一個理想方法。

3 義齒加工工藝的發(fā)展狀況

3.1 傳統(tǒng)的義齒加工工藝

按照傳統(tǒng)方法，可摘局部義齒支架及固定義齒均采用手工操作，主要流程是[5]：基牙預(yù)備、印模材提取印模、石膏灌注模型、復制技工工作模型、設(shè)計制作蠟型、包埋鑄造、打磨拋光等。

3.2 數(shù)控切削技術(shù)在義齒加工領(lǐng)域的應(yīng)用

CAD與計算機輔助制作（Computer Aided Manufacturing,CAM）的概念于20世紀70年代引入口腔修復領(lǐng)域，1985年蘇黎士大學Morman教授、Brandstini工程師與西門子公司合作推出首個商業(yè)化CAD/CAM系統(tǒng)[6]。目前應(yīng)用于口腔修復的CAD/CAM系統(tǒng)主要采用數(shù)控切削技術(shù)，用于完成固定修復，可制作嵌體、高嵌體、嵌體冠、貼面、后牙全冠、前牙全冠、烤瓷冠的基底冠、全冠烤瓷的橋體等，采用的材料主要為陶瓷塊，其他的材料根據(jù)需要選擇塑料、復合樹脂、金屬、蠟等?？筛鶕?jù)各類修復體采用不同類型的材料。目前在固定義齒加工上已被規(guī)模應(yīng)用。由于可摘局部義齒支架的結(jié)構(gòu)遠比固定義齒復雜、切削加工材料利用率、加工效率、及其材料特性等因素，數(shù)控切削技術(shù)在可摘局部義齒支架制作方面尚無規(guī)模應(yīng)用。目前國內(nèi)可摘局部義齒支架的制作主要還是采用傳統(tǒng)方法手工加工。

3.3 快速成型技術(shù)在義齒加工領(lǐng)域的應(yīng)用

快速成型機在國內(nèi)多家大型技工加工企業(yè)都有應(yīng)用，但主要用于：① 固定冠橋的蠟型制作；② 根據(jù)遠程傳輸來的數(shù)據(jù)制作技工工作模型，在此基礎(chǔ)上按照傳統(tǒng)工藝手工加工。對于快速成型技術(shù)制作可摘局部義齒支架有眾多學者進行了研究性實驗。吳琳[7]等初步實現(xiàn)了對肯氏Ⅱ類牙列缺損模型的計算機輔助設(shè)計，并用激光快速成型機加工出可摘局部義齒支架的樹脂鑄型。Witkowski等[8]利用SLA技術(shù)與失蠟法相結(jié)合給患者制作可摘義齒，效果滿意且大大縮短了制作時間。

4 快速成型設(shè)備用于義齒加工的探討

4.1 義齒加工領(lǐng)域引入快速成型技術(shù)的必要性

（1）傳統(tǒng)方法手工加工對產(chǎn)品精度無法保證，手工方法需多道工序，每道工序的誤差疊加，影響最終產(chǎn)品精度。

（2）傳統(tǒng)方法手工加工對質(zhì)量的穩(wěn)定性無法保證，技工的水平參差不齊，狀態(tài)起伏，都會造成最終產(chǎn)品的質(zhì)量差異。

4.2 義齒加工領(lǐng)域快速成型技術(shù)工藝方法的選擇

（1）直接生產(chǎn)。選擇性激光燒結(jié)法可直接生產(chǎn)義齒，但其設(shè)備成本高，且在可摘局部義齒支架制作方面尚有變形、支撐設(shè)計等問題需解決，目前在固定義齒內(nèi)冠制作方面已有應(yīng)用。

（2）制作蠟型配合傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)。SLA是最傳統(tǒng)也是最成熟的工藝，該種工藝配合含蠟樹脂材料可加工鑄型，結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝完成義齒制作。目前還有一些結(jié)合傳統(tǒng)快速成型工藝方法的新工藝，采用噴涂與紫外光固化結(jié)合的方式，提高了精度，節(jié)約成型時間。采用上述方法制作蠟型可完全替代鑄造前的手工工序，目前已有應(yīng)用但未在國內(nèi)規(guī)模性生產(chǎn)中使用。

4.3 快速成型技術(shù)在義齒加工領(lǐng)域應(yīng)用的可行性

（1）快速成型技術(shù)在其他行業(yè)的精密鑄造領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，如首飾加工、玩具制造、航空、航天、國防、汽車等。

（2）義齒加工每一例都是度身定做的，這與快速成型技術(shù)的工藝特點十分吻合。

4.4 義齒加工領(lǐng)域引入快速成型技術(shù)的優(yōu)勢

（1）主要環(huán)節(jié)由計算機控制，避免了操作人員不同帶來的產(chǎn)品質(zhì)量差異。

（2）減少了多道工序，從而避免了大部分的誤差。

（3）快速成型設(shè)備可24 h不間斷工作；可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)約模型傳遞時間；大幅度提高工作效率。

（4）大幅度減少鑄造后的打磨量，節(jié)約打磨、拋光環(huán)節(jié)的人力和時間。

（5）節(jié)約耗材，由于蠟型精密度的提高，可節(jié)約鑄造材料，這點在貴金屬的鑄造中尤為重要。

（6）隨著技術(shù)的不斷更新和普及，設(shè)備及材料的成本不斷下降，而人力成本不斷上升。

4.5 快速成型技術(shù)在義齒加工領(lǐng)域的應(yīng)用問題

（1）目前快速成型設(shè)備及材料價格較高。

（2）蠟型與鑄造包埋的配合問題，蠟型材料的變化需調(diào)整鑄造包埋工藝。

（3）模型數(shù)據(jù)的精確度決定最終結(jié)果，目前臨床直接掃描成像取模技術(shù)還未普及，取模造成的誤差還無法解決。

（4）模型掃描裝置與設(shè)計軟件兩者本身的性能和其與快速成型機的配合也決定著最終結(jié)果。

5 結(jié)論

快速成型技術(shù)已經(jīng)在眾多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，其在醫(yī)學及口腔醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用也十分普及。對于義齒加工這種個性化加工特色突出的行業(yè)，快速成型技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證質(zhì)量穩(wěn)定性的一個最佳選擇。

[1]王秀峰,羅宏杰.快速原型制造技術(shù)[M].2版.北京:中國輕工業(yè)出版社,2001.

[2]孫維峰.快速成型(RP)的原理方法及應(yīng)用[J].機電技術(shù),2008,31(3):9-11.

[3]張國平.快速成型技術(shù)原理及應(yīng)用案例[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報,2009,9(3):2.

[4]張富強,王運贛,孫健,等.快速成型在生物醫(yī)學工程中的應(yīng)用[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2009.

[5]白天璽,丁丙,張本良,等.現(xiàn)代口腔烤瓷鑄造修復學[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2000:388-406.

[6]劉宏臣,步榮發(fā),胡敏,等.口腔進修醫(yī)師必讀[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2000.

[7]吳琳,呂培軍,王勇,等.中華口腔醫(yī)學雜志[J].2006,41(7):432-435.

[8]Witkowski S,Lange R.Stereolithography as an additive technique in dentistry[J].Schweiz Monatsschr Zahnmed,2003,113(8):868-884.