快速成型设备用于义齿加工的探讨

岳卫荣

南京大学医学院附属口腔医院设备科，江苏 南京 210008

0 前言

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速原型技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。20世纪80年代起源于日本，很快发展到美国和欧洲[1]，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近年来制造领域的一个重大突破。它集机械工程、计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供了一种高效低成本的实现手段。

1 快速成型技术基本原理

与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同，快速成型采用离散堆积成型原理，根据CAD模型，对应不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理,一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程[2]。该技术的基本特征是“分层增加材料”，即三维实体由一系列连续的二维薄切片堆叠融接而成。RP的形成原理，见图1。典型的快速成型工艺方法有光固化法、选择性激光烧结法、熔融沉积成型法、分层实体制造法、三维印刷法和其他快速成型工艺等[3]。

图1 RP的成形原理

1.1 光固化法

光固化法（Stereolithography Apparatus，SLA）是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在上一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。

1.2 选择性激光烧结法

选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）是在工作台上均匀铺上一层很薄（100～200 μm）的金属粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后，工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结。

1.3 熔融沉积成型法

熔融沉积成型法（Fused Deposition Modeling，FDM）这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。

1.4 分层实体制造法

分层实体制造法（Laminated Object Manufacture，LOM）工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后，新的一层纸叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合，直至整个模型制作完成。

1.5 三维印刷法

三维印刷法（Three Dimensional Printing，3DP）是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。

1.6 其他快速成型工艺

除以上5种方法外，其他许多快速成型方法也已经实用化，如实体自由成形（Solid Freeform Fabrication，SDM）、形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing，SDM）、实体磨削固化（Solid Ground Curing，SGC）、分割镶嵌（tessellation）、数码累计成型（Digital Brick Laying，DBL）、三维焊接（Three Dimensional Welding，3DW）、直接壳法（Direct Shell Production Casting，DSPC）、 直 接 金 属 成 型（Direct Metal Deposition，DMD）、 微 滴 喷 射 成 型（Multi-Jet Modeling，MJM）等快速成型工艺方法。

2 快速成型技术在生物医学领域的应用[4]

2.1 手术策划

手术策划（surgical pianning）是根据患者病变器官的CT/MRI扫描结果快速成型的三维实体模型，可以协助外科医生更清楚、正确地掌握病情，策划复杂手术，进行手术演练。

2.2 植入性假体

植入性假体（implant prosthesis）进行假体植入手术时，通常是从标准产品中选择适合患者尺寸的假体，当患者状况超出标准范畴时，手术难以达到预期要求。采用快速成型技术后，可根据患者具体状况精密地制作适合的假体，因此能显著提高手术效果。

2.3 控制释放给药系统

一些药物必须小心地定时服用，难于由病人自行管理。采用快速成型技术制作的控制释放给药系统（controlled release drug delivery system）能使药片具有精确、复杂的释放特性，提高疗效与安全性。

2.4 组织工程支架

生长组织置换物的一个关键是如何制作形状复杂的多孔隙支架，并将活细胞等均匀地置于支架中。快速成型是解决组织工程支架（scaffold for tissue engineering）的一个理想方法。

3 义齿加工工艺的发展状况

3.1 传统的义齿加工工艺

按照传统方法，可摘局部义齿支架及固定义齿均采用手工操作，主要流程是[5]：基牙预备、印模材提取印模、石膏灌注模型、复制技工工作模型、设计制作蜡型、包埋铸造、打磨抛光等。

3.2 数控切削技术在义齿加工领域的应用

CAD与计算机辅助制作（Computer Aided Manufacturing,CAM）的概念于20世纪70年代引入口腔修复领域，1985年苏黎士大学Morman教授、Brandstini工程师与西门子公司合作推出首个商业化CAD/CAM系统[6]。目前应用于口腔修复的CAD/CAM系统主要采用数控切削技术，用于完成固定修复，可制作嵌体、高嵌体、嵌体冠、贴面、后牙全冠、前牙全冠、烤瓷冠的基底冠、全冠烤瓷的桥体等，采用的材料主要为陶瓷块，其他的材料根据需要选择塑料、复合树脂、金属、蜡等。可根据各类修复体采用不同类型的材料。目前在固定义齿加工上已被规模应用。由于可摘局部义齿支架的结构远比固定义齿复杂、切削加工材料利用率、加工效率、及其材料特性等因素，数控切削技术在可摘局部义齿支架制作方面尚无规模应用。目前国内可摘局部义齿支架的制作主要还是采用传统方法手工加工。

3.3 快速成型技术在义齿加工领域的应用

快速成型机在国内多家大型技工加工企业都有应用，但主要用于：① 固定冠桥的蜡型制作；② 根据远程传输来的数据制作技工工作模型，在此基础上按照传统工艺手工加工。对于快速成型技术制作可摘局部义齿支架有众多学者进行了研究性实验。吴琳[7]等初步实现了对肯氏Ⅱ类牙列缺损模型的计算机辅助设计，并用激光快速成型机加工出可摘局部义齿支架的树脂铸型。Witkowski等[8]利用SLA技术与失蜡法相结合给患者制作可摘义齿，效果满意且大大缩短了制作时间。

4 快速成型设备用于义齿加工的探讨

4.1 义齿加工领域引入快速成型技术的必要性

（1）传统方法手工加工对产品精度无法保证，手工方法需多道工序，每道工序的误差叠加，影响最终产品精度。

（2）传统方法手工加工对质量的稳定性无法保证，技工的水平参差不齐，状态起伏，都会造成最终产品的质量差异。

4.2 义齿加工领域快速成型技术工艺方法的选择

（1）直接生产。选择性激光烧结法可直接生产义齿，但其设备成本高，且在可摘局部义齿支架制作方面尚有变形、支撑设计等问题需解决，目前在固定义齿内冠制作方面已有应用。

（2）制作蜡型配合传统铸造生产。SLA是最传统也是最成熟的工艺，该种工艺配合含蜡树脂材料可加工铸型，结合传统铸造工艺完成义齿制作。目前还有一些结合传统快速成型工艺方法的新工艺，采用喷涂与紫外光固化结合的方式，提高了精度，节约成型时间。采用上述方法制作蜡型可完全替代铸造前的手工工序，目前已有应用但未在国内规模性生产中使用。

4.3 快速成型技术在义齿加工领域应用的可行性

（1）快速成型技术在其他行业的精密铸造领域已有成熟应用，如首饰加工、玩具制造、航空、航天、国防、汽车等。

（2）义齿加工每一例都是度身定做的，这与快速成型技术的工艺特点十分吻合。

4.4 义齿加工领域引入快速成型技术的优势

（1）主要环节由计算机控制，避免了操作人员不同带来的产品质量差异。

（2）减少了多道工序，从而避免了大部分的误差。

（3）快速成型设备可24 h不间断工作；可通过网络传输数据，节约模型传递时间；大幅度提高工作效率。

（4）大幅度减少铸造后的打磨量，节约打磨、抛光环节的人力和时间。

（5）节约耗材，由于蜡型精密度的提高，可节约铸造材料，这点在贵金属的铸造中尤为重要。

（6）随着技术的不断更新和普及，设备及材料的成本不断下降，而人力成本不断上升。

4.5 快速成型技术在义齿加工领域的应用问题

（1）目前快速成型设备及材料价格较高。

（2）蜡型与铸造包埋的配合问题，蜡型材料的变化需调整铸造包埋工艺。

（3）模型数据的精确度决定最终结果，目前临床直接扫描成像取模技术还未普及，取模造成的误差还无法解决。

（4）模型扫描装置与设计软件两者本身的性能和其与快速成型机的配合也决定着最终结果。

5 结论

快速成型技术已经在众多行业得到广泛应用，其在医学及口腔医学领域的应用也十分普及。对于义齿加工这种个性化加工特色突出的行业，快速成型技术是提高产品质量，保证质量稳定性的一个最佳选择。

[1]王秀峰,罗宏杰.快速原型制造技术[M].2版.北京:中国轻工业出版社,2001.

[2]孙维峰.快速成型(RP)的原理方法及应用[J].机电技术,2008,31(3):9-11.

[3]张国平.快速成型技术原理及应用案例[J].湖南工业职业技术学院学报,2009,9(3):2.

[4]张富强,王运赣,孙健,等.快速成型在生物医学工程中的应用[M].北京:人民军医出版社,2009.

[5]白天玺,丁丙,张本良,等.现代口腔烤瓷铸造修复学[M].北京:人民军医出版社,2000:388-406.

[6]刘宏臣,步荣发,胡敏,等.口腔进修医师必读[M].北京:人民军医出版社,2000.

[7]吴琳,吕培军,王勇,等.中华口腔医学杂志[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.