快速成型設備用于義齒加工的探討

岳衛榮

南京大學醫學院附屬口腔醫院設備科，江蘇 南京 210008

0 前言

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術，又稱快速原型技術，是當今世界上飛速發展的制造技術之一。20世紀80年代起源于日本，很快發展到美國和歐洲[1]，是基于材料堆積法的一種高新制造技術，被認為是近年來制造領域的一個重大突破。它集機械工程、計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等提供了一種高效低成本的實現手段。

1 快速成型技術基本原理

與傳統的機械切削加工，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CAD模型，對應不同的工藝要求，按一定厚度進行分層，將三維數字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數據進行一定的處理，加入加工參數，在數控系統控制下以平面加工方式連續加工出每個薄層，并使之粘結而成形。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]。該技術的基本特征是“分層增加材料”，即三維實體由一系列連續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用的一種快速成型制造工藝。這種工藝以液態光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態樹脂逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合(固化)反應，從而形成零件的一個薄層截面。完成一個掃描區域的液態光敏樹脂固化層后，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 選擇性激光燒結法

選擇性激光燒結法（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，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，滾動鋪粉機構在已燒結的表面再鋪一層粉末進行下一層燒結。未燒結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。

1.3 熔融沉積成型法

熔融沉積成型法（Fused Deposition Modeling，FDM）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分層模型所獲數據，用激光束將紙切割成所制零件的內外輪廓，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 快速成型技術在生物醫學領域的應用[4]

2.1 手術策劃

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

2.2 植入性假體

植入性假體（implant prosthesis）進行假體植入手術時，通常是從標準產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，手術難以達到預期要求。采用快速成型技術后，可根據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效果。

2.3 控制釋放給藥系統

一些藥物必須小心地定時服用，難于由病人自行管理。采用快速成型技術制作的控制釋放給藥系統（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。快速成型是解決組織工程支架（scaffold for tissue engineering）的一個理想方法。

3 義齒加工工藝的發展狀況

3.1 傳統的義齒加工工藝

按照傳統方法，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]：基牙預備、印模材提取印模、石膏灌注模型、復制技工工作模型、設計制作蠟型、包埋鑄造、打磨拋光等。

3.2 數控切削技術在義齒加工領域的應用

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化CAD/CAM系統[6]。目前應用于口腔修復的CAD/CAM系統主要采用數控切削技術，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，其他的材料根據需要選擇塑料、復合樹脂、金屬、蠟等?？筛鶕黝愋迯腕w采用不同類型的材料。目前在固定義齒加工上已被規模應用。由于可摘局部義齒支架的結構遠比固定義齒復雜、切削加工材料利用率、加工效率、及其材料特性等因素，數控切削技術在可摘局部義齒支架制作方面尚無規模應用。目前國內可摘局部義齒支架的制作主要還是采用傳統方法手工加工。

3.3 快速成型技術在義齒加工領域的應用

快速成型機在國內多家大型技工加工企業都有應用，但主要用于：① 固定冠橋的蠟型制作；② 根據遠程傳輸來的數據制作技工工作模型，在此基礎上按照傳統工藝手工加工。對于快速成型技術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]等初步實現了對肯氏Ⅱ類牙列缺損模型的計算機輔助設計，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技術與失蠟法相結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 快速成型設備用于義齒加工的探討

4.1 義齒加工領域引入快速成型技術的必要性

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

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

4.2 義齒加工領域快速成型技術工藝方法的選擇

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

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

4.3 快速成型技術在義齒加工領域應用的可行性

（1）快速成型技術在其他行業的精密鑄造領域已有成熟應用，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，這與快速成型技術的工藝特點十分吻合。

4.4 義齒加工領域引入快速成型技術的優勢

（1）主要環節由計算機控制，避免了操作人員不同帶來的產品質量差異。

（2）減少了多道工序，從而避免了大部分的誤差。

（3）快速成型設備可24 h不間斷工作；可通過網絡傳輸數據，節約模型傳遞時間；大幅度提高工作效率。

（4）大幅度減少鑄造后的打磨量，節約打磨、拋光環節的人力和時間。

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

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

4.5 快速成型技術在義齒加工領域的應用問題

（1）目前快速成型設備及材料價格較高。

（2）蠟型與鑄造包埋的配合問題，蠟型材料的變化需調整鑄造包埋工藝。

（3）模型數據的精確度決定最終結果，目前臨床直接掃描成像取模技術還未普及，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果。

5 結論

快速成型技術已經在眾多行業得到廣泛應用，其在醫學及口腔醫學領域的應用也十分普及。對于義齒加工這種個性化加工特色突出的行業，快速成型技術是提高產品質量，保證質量穩定性的一個最佳選擇。

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

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

[3]張國平.快速成型技術原理及應用案例[J].湖南工業職業技術學院學報,2009,9(3):2.

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

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

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

[7]吳琳,呂培軍,王勇,等.中華口腔醫學雜志[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.