王淑范，宋長輝，楊永強(qiáng)

1.華南理工大學(xué)醫(yī)院口腔科，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641；3.廣州有色金屬研究院焊接研究所，廣東 廣州 510650

數(shù)字化牙科修復(fù)體的快速制造技術(shù)及其進(jìn)展

王淑范1，宋長輝2,3，楊永強(qiáng)2,3

1.華南理工大學(xué)醫(yī)院口腔科，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641；3.廣州有色金屬研究院焊接研究所，廣東 廣州 510650

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計和制造（CAD/CAM）、快速原型及快速制造（RP/RM）越來越多地應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域.由于CAD/CAM的加工材料浪費，成本高，制約了該技術(shù)的普及.增材堆積快速成型方式可實現(xiàn)柔性加工，有效避免材料浪費，在個性化修復(fù)體制造中有較大優(yōu)勢，因此在近年來得到快速發(fā)展.本文綜述了數(shù)字化牙科技術(shù)的進(jìn)展，并重點介紹了增材式快速堆積制造中的選區(qū)激光熔化直接制造技術(shù)在數(shù)字化牙科中的應(yīng)用及發(fā)展.

CAD/CAM；選區(qū)激光熔化；快速制造；數(shù)字化牙科；修復(fù)體

近年來，口腔修復(fù)技術(shù)隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生了革命性進(jìn)步.金屬及其合金材料具有良好的物理、機(jī)械性能和一定的生物相容性，是口腔修復(fù)體制作中重要的基礎(chǔ)材料.隨著制造技術(shù)的發(fā)展，口腔修復(fù)體的制作工藝取得了巨大進(jìn)步，電鑄、粉末冶金、電火花加工、以及和反求工程相結(jié)合的CAD/CAM、快速原型制造/快速制造（RP/RM）技術(shù)相繼被應(yīng)用到口腔修復(fù)體制作中（圖1）.這些傳統(tǒng)加工方式效率低，加工耗時長，材料利用率不足，系統(tǒng)在同一時間只能加工一個零件.

圖1 口腔修復(fù)體制造技術(shù)的工藝流程Fig.1 Manufacturing processof dental restorations

快速成型（RP）技術(shù)作為一種堆積制造方式，可節(jié)約時間與成本，減少材料浪費，特別是貴金屬材料，符合現(xiàn)代綠色制造的要求.隨著技術(shù)的發(fā)展，堆積制造可用于從快速原型制作（RP）到批量產(chǎn)品快速制造（RM）的整個產(chǎn)品周期中，同時設(shè)備的價格、加工效率、可靠性、使用成本越來越具有競爭力[1].更重要的是堆積制造工藝非常適合個性化口腔修復(fù)體的制造，在低成本、無廢料下直接自動化成型復(fù)雜的口腔修復(fù)體.

光敏樹脂選擇固化技術(shù)（SLA）目前主要用于牙科植入手術(shù)導(dǎo)板、臨時牙冠和固定橋制造，以及失蠟鑄造的樹脂模型[2]（圖2）.噴射打印技術(shù)(Inkjet-Printing)[3-4]目前已有研究人員用來制造氧化鋯牙科修復(fù)體.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)[5]目前在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用主要集中在頜面部硬組織的復(fù)制和組織工程支架的制作，也應(yīng)用于鈷鉻合金的基底冠的制作.

圖2 Envisiontec生產(chǎn)的樹脂模型Fig.2 Resin Modelmanufactured by Envisiontec

1 選區(qū)激光熔化（SLM）快速成型技術(shù)

選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)[6]是近年來在SLS方法的基礎(chǔ)上，形成的一種新的快速制造技術(shù).SLM技術(shù)通過30～80μm的激光精細(xì)聚焦光斑，逐線搭接掃描金屬粉末上選定區(qū)域，形成面輪廓，然后層與層疊加成型制造,從而可以直接從CAD數(shù)據(jù)獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結(jié)合的功能零件，致密度可達(dá)到近乎100%.其設(shè)備構(gòu)造示意圖，如圖3所示.

圖3 SLM設(shè)備構(gòu)造示意圖Fig.3 Schematic diagram of the SLM machine

SLM技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合，該技術(shù)推動了數(shù)字化制造這一新的學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展.其優(yōu)勢包括：（1）其是一種增材堆積制造技術(shù)，依靠材料的逐點、逐面累加成形而不受模具幾何形狀制約，實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的制造；(2)在產(chǎn)品開發(fā)、復(fù)雜零件單件和小批量制造的快速響應(yīng)性方面顯示了獨特的工藝優(yōu)勢：材料加工的適應(yīng)性強(qiáng)，可對超薄、超硬的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密金屬零構(gòu)件實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、非接觸、高精度制造.

2 SLM與CAD和反求工程的結(jié)合

SLM技術(shù)作為數(shù)字化、個性化的快速直接制造技術(shù)，與CAD結(jié)合，實現(xiàn)了由CAD三維模型到產(chǎn)品的直接制造.SLM制造CAD模型的數(shù)據(jù)獲取與口腔修復(fù)體CAD/CAM技術(shù)相同，分為口腔內(nèi)掃描和石膏模型掃描，如圖1所示.口腔內(nèi)掃描突破了傳統(tǒng)取模、灌模、掃描石膏模型后再建立三維數(shù)字化模型的方式，直接掃描口腔內(nèi)部獲取三維模型.也可利用醫(yī)學(xué)影像中的核磁共振（MRI）或者計算機(jī)螺旋斷層掃描（CT）數(shù)據(jù)，先完成二維斷層圖像，再通過M inics等軟件，實現(xiàn)三維重建，直接生成三維形態(tài)實體.

三維實體重建后，采用CAD技術(shù)對修復(fù)體進(jìn)行設(shè)計，這一方面的研究在國外開展較早.目前市場上修復(fù)體的設(shè)計軟件一般嵌入CAD/CAM系統(tǒng)中用于臨床，比較典型的是Cerec系統(tǒng).國內(nèi)目前的設(shè)計方法大多建立在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，缺乏個性化修復(fù)體的研究，且程序復(fù)雜，無商用專用軟件.

3 SLM技術(shù)在口腔中的應(yīng)用及其發(fā)展

牙冠固定橋等修復(fù)體所采用的材料主要有牙科用金合金、鈦合金、鈷鉻合金和不銹鋼等.口腔修復(fù)體的精度要求很高，必須保證修復(fù)后滿足咬合關(guān)系，且修復(fù)體的形狀比較復(fù)雜，因此需要高精度制造工藝.SLM技術(shù)因具有快速、可直接制造精密個性化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件特點，而在口腔修復(fù)體制造中有巨大優(yōu)勢.該技術(shù)與反求工程中掃描測量技術(shù)結(jié)合，形成了數(shù)字化牙科CAD/SLM快速直接制造技術(shù).

國外Andreas Gebhardt等[7]采用SLM堆積制造設(shè)備Realizer Desktop對牙冠固定橋進(jìn)度成型，在成型貴重金屬及復(fù)雜形狀修復(fù)體方面有明顯優(yōu)勢.M.C.Sinirlioglu[8]通過Laser CUSING R（SLM）技術(shù)對Ti和CoCr的牙科醫(yī)用品進(jìn)行成型，并提出采用SLM技術(shù)可以更容易、更便宜、快速地制造致密度100%的高性能牙科醫(yī)用品.TrainiT[9]采用DMLS技術(shù)直接制造功能梯度鈦材料的多孔牙科植入體.Vandenbroucke Ben[10]通過SLM成型生物兼容材料Ti6A l4V和Co-Cr-Mo，其強(qiáng)度、剛度、抗腐蝕性以及SLM成型精度等均滿足口腔修復(fù)體的制造要求.Jevremovic,Danim ir等人[11-12]采用SLM技術(shù)成型鈷鉻合金可摘除式局部義齒，并對其進(jìn)行了物理性能和生物毒性試驗，發(fā)現(xiàn)SLM成型的鈷鉻合金的強(qiáng)度良好并且不會釋放有毒物質(zhì).R.C.Bennett等[13]采用SLM法制作了鈷鉻合金和不銹鋼材料的基底冠、全冠和固定橋，制作的牙冠外形良好.F.Abe[14-15]也應(yīng)用SLM法制作了純鈦的骨骼和牙冠，成型后的鈦試件密度高于鍛造純鈦試件（92%），而抗張應(yīng)力則達(dá)到了 290MPa，高于一級鍛造純鈦試件（240MPa）.德國 Fraunhofer Institute for laser Technology（ILT）研究所[16]進(jìn)行了多種醫(yī)用金屬材料的SLM工藝研究，并采用SLM技術(shù)成功制造出氧化鋯固定橋.

多家公司及研究單位推出了選區(qū)激光熔化商品樣機(jī).MCP公司（現(xiàn)已分為SLM Solution和Realizer兩個公司）先后開發(fā)了Realizer-50，SLM 100，SLM 250等系列選區(qū)激光熔化快速成型設(shè)備(http://www.mcp-group.com/rpt/rpttslm).該設(shè)備采用光纖激光器，以50～200μm可變聚焦光斑熔化20～30μm的球形金屬粉末成型，每層成型層鋪粉厚度達(dá)20μm，成型件具有良好的成型表面精度（x、y方向表面粗糙度Rz 10～17μm）及完全冶金結(jié)合的致密態(tài)組織.成型材料包括鈦、不銹鋼、工具鋼、鈷鉻合金等多種單組分的金屬材料，其中Realizer-50專用于牙科修復(fù)及珠寶首飾制造.

EOS公司先后推出EOSINTM 250和M 270，及最新的M 280快速成型設(shè)備(http://www.eos.info)，并大量應(yīng)用于口腔修復(fù)體.M 280采用光纖激光器，以100～500μm的可變聚焦直徑，熔化20～80μm的金屬粉末，尺寸精度可以達(dá)到±20μm.在牙科材料方面，2005年EOS推出了EOS鈷鉻合金（符合EN ISO 16744標(biāo)準(zhǔn)）.EOS公司的合作方Sirona采用M 270以每臺每天可加工450個的速度加工口腔修復(fù)體，年產(chǎn)量達(dá)到8萬/臺，整個周期縮短在3天內(nèi)（含運送），并且更注重個性化的貼面工藝.

3D Systems公司在原DTM公司SLS技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出成形機(jī)器Vanguard.另外，還有EXTURDEHONE公司的R10、F&S/MCP公司的FS-Realizer、德國Concept Lasers公司的LCusing系列（型號Matlab，M 1，M 2，M 3）快 速 成 形 設(shè) 備(www.concept-laser.de)、Phenix-systems公 司 的 PM 250和PM 100快速成型設(shè)備等，都可用于口腔修復(fù)體的選區(qū)激光熔化快速直接制造.

華南理工大學(xué)[17-18]在SLM成型設(shè)備、工藝過程與質(zhì)量控制、牙冠、固定橋、牙托槽等應(yīng)用方面做了大量研究工作，圖4～圖6為華南理工大學(xué)采用Dimetal280成型機(jī)制造的牙冠固定橋.南京航空航天大學(xué)[19]和華中科技大學(xué)[20]以選擇性激光燒結(jié)為基礎(chǔ)，慢慢過渡到SLM/DMLS方向，雙方分別在材料與工藝、裝備與工藝方面有較多研究.目前，國內(nèi)還沒有穩(wěn)定的商品化SLM設(shè)備在市場上出售.

4 SLM工藝對口腔修復(fù)體的影響

SLM在機(jī)理上是激光焊接，焊接中存在的所有缺陷都需要考慮，如氣孔、裂紋、變形、翹曲和殘余應(yīng)力等.SLM技術(shù)是一種集CAD、數(shù)字控制、精密機(jī)械、激光、新材料技術(shù)等學(xué)科于一體的高新技術(shù)，影響快速成型效果的因素很多,主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、鋪粉層厚、掃描策略、掃描速度和掃描間距等.

圖4 不銹鋼牙冠固定橋Fig.4 Crowns and fixed bridge of stainlesssteel

圖5 純鈦牙冠固定橋Fig.5 Crownsand fixed bridge of Titanium

圖6 鈷鉻合金牙冠固定橋Fig.6 Crownsand fixed bridgeof CoCralloy

其中激光功率、光斑直徑、離焦量和掃描速度直接影響了激光能量輸入密度，只有當(dāng)激光能量輸入密度達(dá)到一定值時，金屬粉末才能熔化.但并不是激光能量輸入密度越高越好，當(dāng)其值超過一定閾值時，會產(chǎn)生激光深穿透問題.華南理工大學(xué)[20]在對精密金屬零件成型時，發(fā)現(xiàn)激光光斑有穿透力.在掃描向下的表面時，由于存在光斑的熱影響區(qū)導(dǎo)致所有向下的表面粉末粘結(jié)并引起表面質(zhì)量問題，同時尺寸誤差明顯高于上表面.在這種情況下，需要在切面軟件Magics中設(shè)置適當(dāng)?shù)膠軸補(bǔ)償量補(bǔ)償.YADROITSEV I[21]發(fā)現(xiàn)加工過程中采用較快的掃描速度，可以獲得更窄的熔道寬度，因此可以通過提高掃描速度的方法來提高成型精度.但是掃描速度太快，激光功率與離焦量沒有搭配好，激光能量輸入密度不足，就無法形成連續(xù)熔道，所以工藝參數(shù)要相應(yīng)調(diào)整.

為了減少翹曲變形，可以采用區(qū)域掃描方式；為減少波狀平面累積，可采用正交掃描方法（即當(dāng)前層采用x向掃描策略，下一層采用y方向掃描策略）；為避開凹坑對熔池的干擾，可采用鄰層掃描線互錯掃描策略（即下一層的掃描線在上一層相鄰掃描線之間）.吳偉輝等[22]采用隔層正交掃描與鄰層掃描線互錯掃描相結(jié)合，合成了新的掃描策略——鄰層互錯隔層正交掃描策略（OSARSI），并用于牙冠固定橋等修復(fù)體及金屬質(zhì)手術(shù)導(dǎo)板的精確成型中.其中不銹鋼成型試樣的密度達(dá)到7.22 g/cm3，表面粗糙度為20μm.

5 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，口腔修復(fù)體的制造工藝呈多樣化.與先進(jìn)快速成型蠟?zāi)＜夹g(shù)結(jié)合的熔模失蠟精密鑄造技術(shù)、性能越來越穩(wěn)定的數(shù)字化CAD/CAM技術(shù)、層堆積制造的RP/RM技術(shù)成為了目前口腔修復(fù)體制造比較有競爭力的技術(shù).

個性化的選區(qū)激光熔化（SLM）快速直接制造是最新發(fā)展的牙科數(shù)字化技術(shù)，與反求工程結(jié)合，形成數(shù)字化、個性化的口腔修復(fù)體直接快速制造.該技術(shù)是一種非常適合口腔修復(fù)體制造的生產(chǎn)工藝，與臨床常規(guī)方法相比，節(jié)約時間、成本，簡化工藝步驟，實現(xiàn)個性化、數(shù)字化、無?；K成型.

開發(fā)適合多種生物兼容性金屬材料及建立相應(yīng)工藝數(shù)據(jù)庫（如激光功率、掃描速度、掃描策略等），針對口腔修復(fù)體各種形狀建立標(biāo)準(zhǔn)化的支撐結(jié)構(gòu)，提高致密度、表面質(zhì)量和精度是未來個性化選區(qū)激光熔化快速直接制造研究的主要方向.

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Rapidmanufacturing technology of digitaldental restorationsand itsprogress

WANG Shufan1,SONG Changhui2,3,YANG Yongqiang2,3
1.Stomatology Clinic，South China University ofTechnology，Guangzhou 510641，China；2.School ofMechanical and Automotive Engineering，South China University ofTechnology，Guangzhou 510641，China；3.Welding Institute ofTechnology，Guangzhou Research Institute for NonferrousMetals，Guangzhou 510650，China

With the developmentofmodernmanufacturing technology,computer-aided design andmanufacturing(CAD/CAM),rapid prototyping and rapidmanufacturing(RP/RM)is increasingly used in the field of prosthodontics.The popularization of CAD/CAM techniquewas restricted due tomaterialswaste and high cost in themanufacturing process.Additivemanufacturingwas a flexiblemanufacturingmethod which effectively avoided thematerialwaste and had a greater advantage in themanufacture of individualized restorations,developed rapidly in recentyears.This paper reviews the progressof the digitaldental technology,and highlights the application and developmentofan additive rapidmanufacturing process—Selective LaserMelting in digitaldentistry.

CAD/CAM;selective lasermelting;rapidmanufacturing;digitaldentistry;restorations

R783;TG665

A

1673-9981(2012)02-0091-05

2012-06-04

王淑范（1961-）女，主治醫(yī)師，大學(xué)本科，主要從事口腔修復(fù)、正畸等研究工作.