孫兆林
摘要:隨著科技體制的改革,我國(guó)的科技事業(yè)快速發(fā)展,新技術(shù)、新材料不斷誕生,3D打印技術(shù)的應(yīng)用效果也越來(lái)越好。3D打印技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便和定位準(zhǔn)確的特點(diǎn),在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的義齒制作中得到了廣泛的應(yīng)用。使用3D打印技術(shù)制造成的義齒其結(jié)構(gòu)、功能與天然牙齒十分相似,能夠產(chǎn)生很好的修復(fù)效果。3D打印是快速成型技術(shù)的一種,能夠通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體。運(yùn)用3D打印技術(shù)讀取義齒的STL模型進(jìn)行建模讀取相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)自適應(yīng)分層算法,將偏移曲線路徑與鋸齒刀具路徑有機(jī)統(tǒng)一起來(lái),生成義齒模型的刀具路徑。本文研究的主要內(nèi)容是義齒3D打印技術(shù)中的分層算法和刀具路徑的生成策略。
關(guān)鍵詞:義齒;3D打印技術(shù);分層算法;刀具路徑
目前,3D打印技術(shù)在建筑工程、汽車模型、航空航天、地理信息系統(tǒng)和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)都有所應(yīng)用。3D打印技術(shù)能夠?qū)⒎勰畹慕饘倩蛩芰线M(jìn)行堆疊構(gòu)建成物體的模型,然后生成道具路徑進(jìn)行打印。使用3D打印技術(shù)構(gòu)建義齒,可以簡(jiǎn)化操作過(guò)程、提高工作效率,促進(jìn)數(shù)字化診療模式的發(fā)展。
1、3D打印技術(shù)在牙齒醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用
隨著人們生活條件的改善,人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。在外力撞擊、牙周病牙齦萎縮和年老牙齦營(yíng)養(yǎng)性萎縮等情況下造成牙齒脫落,給人們的正常生活帶來(lái)了很大的不便?!傲x齒”俗稱假牙,牙科護(hù)理人員將金屬牙、塑料牙、瓷牙固定在患者的口腔內(nèi),給患者咀嚼提供方便(如圖1)。義齒的主要材料成分是磷酸鈣,磷酸鈣可以被人體溶解,即使被患者誤食也不會(huì)有太大的影響。
義齒的精度和質(zhì)量要求較高,與傳統(tǒng)的手工操作方法相比,3D打印技術(shù)的柔性大、個(gè)性化程度高、生成周期短,能夠在很大程度上提高義齒制作的精度和效率。使用3D打印技術(shù)生成的義齒會(huì)更加符合客戶的實(shí)際需求。相關(guān)人員可以使用軟件整合人的牙齒數(shù)據(jù),根據(jù)客戶的需求打印出個(gè)性化的義齒,使義齒具有較高的適應(yīng)度和良好的外形。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到牙齒矯正和治療中,構(gòu)建高尺寸精度的義齒會(huì)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。
2、3D打印技術(shù)在義齒打印中存在的問題
使用3D打印技術(shù)打印義齒會(huì)出現(xiàn)一些誤差,這些誤差可以分為兩類:一類是在切片過(guò)程中受到階梯效應(yīng)的影響義齒實(shí)體與對(duì)象模型的體積誤差;另一類是打印過(guò)程中由刀具的刀位限制造成的打印面積誤差。在判斷STL文件內(nèi)的小三角面片與切平面的相對(duì)位置時(shí),小三角面片與每個(gè)切片層相交會(huì)產(chǎn)生交叉點(diǎn),如果交叉點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理不當(dāng)或遺失則會(huì)產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯(cuò)誤、開環(huán)或出現(xiàn)奇點(diǎn)的現(xiàn)象。使用噴頭打印時(shí),由于噴頭的速度控制策略還不夠完善,義齒的建模時(shí)間較長(zhǎng),整體打印進(jìn)度緩慢,降低了義齒的生產(chǎn)效率。刀具路徑的規(guī)劃不合理會(huì)產(chǎn)生較大誤差和路徑點(diǎn)重復(fù)問題,造成拓?fù)浣Y(jié)果錯(cuò)誤[1]。
3、義齒的3D打印技術(shù)中分層算法的研究
根據(jù)分層精度的差別,可以將分層算法分為自適應(yīng)算法和平均分層算法,自適應(yīng)分層算法適應(yīng)于曲率變化較大的對(duì)象,平均分層算法則適用于曲率變化較小的平面。義齒打印的表面曲率變化較大,通常使用自適應(yīng)分層算法,該算法可以根據(jù)義齒的曲率變化調(diào)整層厚的數(shù)值。對(duì)角度誤差進(jìn)行分析可以達(dá)到自適應(yīng)改變層厚的目的。傳統(tǒng)分層算法的內(nèi)存中存儲(chǔ)著小三角面片,限制了設(shè)計(jì)的尺寸。在內(nèi)存較小的分層算法中構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每條邊界存儲(chǔ)一個(gè)小三角面片。優(yōu)化分層算法,去除不必要的計(jì)算數(shù)據(jù),能夠減少內(nèi)存的使用,避免出現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。對(duì)不同的分層算法進(jìn)行研究,選擇更加適合義齒打印的分層算法,具體內(nèi)容如下:
3.1平均分層算法
平均分層算法的層厚保持在一個(gè)值上,相鄰切片的距離相同?;赟TL模型的平均分層算法執(zhí)行步驟①如下:
①定義切片的厚度T,確定Tmin和Tmax,設(shè)定層厚,層厚T=Tmin;
②調(diào)用第一個(gè)三角面片;
③若當(dāng)前面與切片平面相交,轉(zhuǎn)到④,不相交,轉(zhuǎn)到⑤;
④計(jì)算當(dāng)前小面與切片平面的交叉點(diǎn);
⑤當(dāng)所有的小面都調(diào)用完畢后,轉(zhuǎn)入⑥或者調(diào)用下一個(gè)小面,轉(zhuǎn)用③;
⑥使用交叉點(diǎn)標(biāo)記方法和跟蹤方法重新排列交叉點(diǎn)的順序,取得閉環(huán)輪廓曲線,加寬層厚,使T=T+切片層厚;
⑦若T≥Tmax,結(jié)束;若T≤Tmin轉(zhuǎn)到②;
⑧結(jié)束。
采用平均分層算法對(duì)義齒的STL模型分層,義齒的下半部分曲率變化小,誤差不明顯。但是,義齒模型的冠狀位置曲率變化大,誤差較大。使用平均分層算法提取的輪廓不精確,缺乏完整性,不適用于義齒模型的分層中。
3.2自適應(yīng)分層算法
采用自適應(yīng)分層算法首先應(yīng)該確定義齒模型的層厚,使用3D打印技術(shù)對(duì)義齒模型打印時(shí)受會(huì)受到臺(tái)階效應(yīng)的影響產(chǎn)生誤差,這種誤差不能完全消除,只能盡可能的減小[2]。采用自適應(yīng)分層算法根據(jù)部件的形狀計(jì)算層厚,將臺(tái)階效應(yīng)最小化,提高義齒模型打印的效率與質(zhì)量。相關(guān)人員在區(qū)域偏差率的基礎(chǔ)上計(jì)算自適應(yīng)層厚,區(qū)域偏差率是上一切片層與當(dāng)前切片層之間的區(qū)域面積比值,區(qū)域偏差率的表達(dá)式如下:
δ=abs[(Aj-Ai)/Ai]
δ為區(qū)域偏差率, Aj 為當(dāng)前切片層的區(qū)域面積,Ai為上一切片層的區(qū)域面積。若δ<δ0(δ0為允許面積差比),說(shuō)明當(dāng)前的切片厚度與上一切片層的層厚相同;反之,說(shuō)明義齒模型表面特征具有明顯變化,需要減小區(qū)域偏差率與當(dāng)前的切片厚度。基于STL模型的自適應(yīng)分層算法執(zhí)行步驟如下:
①定義切片的厚度為T,確定確定Tmin和Tmax,設(shè)定層厚,層厚T=Tmin;
②調(diào)用第一個(gè)三角面片;
③若當(dāng)前面與切片平面相交,轉(zhuǎn)到④,不相交,轉(zhuǎn)到⑤;
④計(jì)算當(dāng)前小面與切片平面的交叉點(diǎn);
⑤當(dāng)所有的小面都調(diào)用完畢后,轉(zhuǎn)入⑥或者調(diào)用下一個(gè)小面,轉(zhuǎn)用③;
⑥使用交叉點(diǎn)標(biāo)記方法和跟蹤方法重新排列交叉點(diǎn)的順序,取得閉環(huán)輪廓曲線,加寬層厚,使T=T+切片層厚;
⑦計(jì)算區(qū)域偏差率,若δ<δ0,保持當(dāng)前成的層厚不變;若δ>δ0,加寬層厚,使T=T+切片層厚;
⑧若T≤Tmax,轉(zhuǎn)到②,否則轉(zhuǎn)到⑨;
⑨結(jié)束。
完成初步分層之后,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),保證模型的精度。 使用自適應(yīng)分層算法得到的義齒模型下半部分曲率變化小,層厚偏厚。義齒模型的冠狀部分,曲率變化大,層厚變小,可以很大程度的抵消臺(tái)階效應(yīng)產(chǎn)生的偏差。優(yōu)化自適應(yīng)分層算法,將區(qū)域偏差率作為自適應(yīng)層厚的生成標(biāo)準(zhǔn),然后基于幾何角度的最大誤差進(jìn)行優(yōu)化,提取出完整平滑的輪廓[3]。
4、義齒的3D打印技術(shù)中刀具路徑的生成策略
在義齒3D打印的過(guò)程中使用噴頭填充模型內(nèi)部結(jié)構(gòu),刀具路徑是噴頭填充內(nèi)部每一層的軌跡,目前常用的刀具路徑策略和算法是輪廓、螺旋、鋸齒形和分區(qū)圖案等。選擇合適的刀具路徑能夠節(jié)省義齒原料,提高制作效率和模型的精度。在義齒模型打印中為了保證義齒的表面精度和尺寸精度,使用自適應(yīng)分層算法,可以根據(jù)已知的輪廓型值點(diǎn)求出控制點(diǎn),然后根據(jù)控制點(diǎn)調(diào)節(jié)偏移量,得到不同的偏移曲線。將偏移曲線與鋸齒形刀具路徑結(jié)合在一起,可以生成適合義齒模型加工的刀具路徑。生成3D打印義齒刀具路徑的具體步驟如下:
4.1擬合NURBS曲線
在給定擬合誤差的情況下,對(duì)一定公差范圍內(nèi)的義齒模型輪廓復(fù)雜曲線進(jìn)行樣條化處理,確定型值點(diǎn),按順序連接這些型值點(diǎn),形成的折線加工路徑可以作為義齒模型的曲線加工路徑。通過(guò)正向過(guò)程和反向過(guò)程擬合NURBS曲線,正向過(guò)程是人為操作輸入控制點(diǎn),通過(guò)調(diào)節(jié)控制點(diǎn)來(lái)完成曲線擬合;反向過(guò)程是人為操作輸入控制點(diǎn)后,根據(jù)控制點(diǎn)反求型值點(diǎn),在反算過(guò)程中完成曲線擬合。在實(shí)際生活中常用反向過(guò)程進(jìn)行曲線擬合[4]。
5、結(jié)語(yǔ)
在義齒3D打印的過(guò)程中不同的分層算法與刀具路徑對(duì)模型構(gòu)建的影響不同,為了保證義齒模型的精度, 選擇自適應(yīng)分層算法,將偏移曲線與鋸齒形刀具路徑結(jié)合在一起完成模型的構(gòu)建。在義齒3D打印技術(shù)的使用中還需要提升輪廓偏移曲線的速度,控制好刀具路徑的速度與方向,對(duì)3D打印系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制,在保證義齒模型質(zhì)量的同時(shí),提升模型構(gòu)建的效率。
參考文獻(xiàn):
[1]毛珍娥,石永吉.3D打印技術(shù)在口腔義齒制作領(lǐng)域的應(yīng)用及人才培養(yǎng)對(duì)策[J].中國(guó)衛(wèi)生產(chǎn)業(yè),2015,(9):44-45.
[2]薛文利,李曉捷.數(shù)字化全口義齒技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用[J].中國(guó)組織工程研究,2017,(26):4258-4264.
[3]王美茜.義齒3D打印技術(shù)中分層算法與刀具路徑生成策略的研究[D].吉林大學(xué),2016.