应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究——用LOM法由层析测量数据制作实体牙颌模型
作者：高勃 谭永生 李延民 黄卫东 王健 王忠义
单位：高勃 王忠义(第四军医大学口腔医学院修复科 710032)；谭永生 王健(北京航空工艺研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室)；李延民 黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室)
关键词：牙列；牙模型；快速成型
实用口腔医学杂志000503
〔摘要〕 目的：由层析三维测量数据用分层实体制造法制作全牙列牙颌模型，为应用激光烧结金属或陶瓷粉末直接制作口腔修复体奠定基础。方法:用Solidworks软件将牙颌石膏模型层析测量数据由DXF格式文件转换为STL格式文件，用快速成型机M-RPMS-II的数据检验与处理软件读入STL文件，进行实体分层，输出CLI(common layer interface)文件，用监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，控制层厚0.1 mm的涂敷纸逐层叠加制作牙颌模型。结果：得到了纸质实体牙颌模型，其几何外形与牙颌模型高度一致，x, y, z方向上的精度误差小于0.3 mm。结论：层析测量技术可精确测得牙颌模型外形三维数据，激光快速成型方法制作牙颌模型具有自动、快速、精度高的优点。
, 百拇医药
中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1001-3733(2000)05-0341-0
Fabrication of dental prosthesis with laser engineered net shaping method —— Solid dentognathic models built with the 3-D data obtained by laminated object manufacturing
Gao Bo Tan Yongsheng Li Yanmin
(Department of Prosthodontics, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
〔Abstract〕 Objective: To establish solid dentognathic models for the final purpose of fabricating dental prosthesis by laser engineered net shaping method with metal or ceramic powders. Methods:Solid dentognathic models, whose 3-D data was measured by a digitizer by cutting and scanning layer-by-layer, were built by laminated object manufacturing. Solidworks was used to convert the 3-D data of the dentognathic models to STL format. Then the STL file was input into the computer,checked and processed by rapid apparatus M-RPMS-II and the STL data was converted to slice format such as CLI by processing software. At last the processing parameters were chosen and the 3-D dentognathic models was built layer by layer by laminating paper of 0.1 mm thin and every piece of paper was attached after the useless areas had been cut and marked by a laser. Results: The morphology of the solid dentognathic models built with paper was all in good agreement with the gypsum models and the differences between them were less than 0.3 mm in each direction. Conclusion: The morphologic data of the gypsum dentognathic model can be accurately measured by cutting and scanning layer by layer and the LOM method may be applied in fabricating solid dentognathic models automatically, rapidly and accurately.
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Key words Dentition; Dental models; Rapid prototyping
快速成型技术(rapid prototyping，RP)是利用材料堆积法制造实物零件产品的一项高新制造技术，能根据产品的三维模型数据，不借助专用工具或夹具，迅速而精确地制造出该产品〔1〕。它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称之为增材制造技术，可迅速制作光敏树脂、工程塑料、涂敷纸、金属或陶瓷样件等。但样件的强度性能不够，尚不能作为零件使用。激光近形制造方法(laser engineered net shaping，LENS)则突破了RP技术的限制，在继承RP优点的同时，可使金属粉末在逐层堆积时直接达到冶金结合〔2〕，可制造镍铬合金、钛合金等多种材料的高密度金属零件，零件的力学性能指标显著优于铸造、铣削等传统加工的产品〔2,3〕。作者在通过层析测量，建立了全牙列牙颌的三维数据模型的基础上〔4〕，拟采取RP技术中的分层实体制造方法，用涂敷纸堆积实体牙颌模型，求证层析测量方法用于牙颌模型测量的精确性，同时检验数据模型文件格式是否符合RP设备接口要求，为进一步用金属粉末堆积直接成型修复体奠定基础。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 快速成型技术原理
通过计算机辅助设计生成零件的三维CAD模型，然后RP系统中的切片软件将三维CAD模型切成具有一定厚度的薄片，得到各层截面的轮廓信息，即将三维信息转换成一系列的二维信息，再将每片数据转换成数控加工命令，激光束按照各层截面轮廓数据顺序选择性地切割一层层纸(或固化一层层的液态树脂；或烧结一层层的粉末材料；或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等)，形成各截面轮廓并叠加成三维产品〔1,5〕。分层实体制造的零件是由一层层切成规定形状的模片彼此胶接而成的，如图1所示。在每层模片加热加压粘接后，利用激光束在平面内进行轨迹切割，余下不要的部分切割成网状，在零件加工完毕后除去， 即可得到所需的模型。激光束的移动速度及聚焦要恰到好处，使得切削深度正好是模片的厚度，而不会损伤下面一层材料。
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图1 分层实体制造示意图
1.2 方法
1.2.1 数据文件格式转换 经层析测量得到的牙颌三维数据文件为DXF格式，用Solidworks软件将DXF格式的文件转换为快速成型设备能够读取的STL格式。
1.2.2 STL数据读入 快速成型机M-RPMS-II(清华大学制造)的数据检验与处理软件读入STL文件，检验其合理性，修正错误，共获得三角形面片255 906个，三角形顶点126 614个。
1.2.3 数据处理参数设定 数据处理软件修正STL文件错误，进行实体分层，输出CLI(common layer interface)文件。使x、y、z起点回零，取x=126.23 mm, y=98.15 mm, z=89.00 mm。设边框x方向长度为190 mm，y方向长度为120 mm。设机器原点坐标为x，y(0 mm，0 mm)，加工区域中心点坐标x，y(210 mm，300 mm)。设分层厚度为0.1 mm。
, 百拇医药
1.2.4 监控系统参数设定 监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，生成NC代码，控制实时加工。网格划分间距(Δx、Δy)分别取20 mm，20 mm。走纸速度70 mm/s，二氧化碳激光器功率40 W，激光切割零件边缘轮廓速度80 mm/s，边框速度70 mm/s，切割网格速度120 mm/s，热压温度100 ℃，热压速度60 mm/s。
1.2.5 片层数控加工 按照设定参数，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层宽度为450 mm的涂敷纸(清华大学制造)，形成各截面轮廓并叠加成三维牙颌模型。
1.2.6 去除多余材料 用小刀片沿网格线和轮廓线小心去除包裹在牙颌模型周围的材料，得到牙颌纸质模型。
1.2.7 模型测量 用千分尺分别测量牙颌石膏及纸质模型同解剖标志点间的距离。
2 实验结果
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图2、4分别为全牙列牙颌石膏及纸质模型，图3显示包裹在模型周围的涂敷纸被部分去除的情况。表1显示牙颌石膏及纸质模型同解剖标志点间的距离。图4见上颌尖牙、前磨牙和第一磨牙牙尖不完整，是因为在去除多余材料过程中操作失当损坏了部分牙尖形态，在处理下颌模型时因为改进了操作而避免了出现同样的问题。表1显示石膏模型和纸质模型同解剖标志点间的最大尺寸差别在0.29 mm。
表1 牙颌石膏模型与纸质模型比较 (mm)
近舌尖
近舌尖和
近切角
舌尖
石膏模型
, 百拇医药
40.31
33.27
27.50
纸质模型
40.59
33.56
27.78
差 值
0.28
0.29
0.28
3 讨 论
困扰齿科CAD/CAM系统进步关键问题之一是三维数据采集。作者采用层析测量方法获取全牙列牙颌数据，试图寻找一种新的获取数据印模方法〔4〕。本研究由层析测量建立的印模数据用快速成型技术制作牙颌模型，结果显示制作最终尺寸误差在0.3 mm左右。其原因主要与层析测量中的层距以及分层实体制造中的分层厚度密切相关。层距大小与测量精度成反比。层距取0.1 mm，每两层0.1 mm间的数据不能实际测量，只能通过插值计算得到，0.1 mm左右的误差也就产生了。同理，分层实体制造中的分层厚度越小，制作精度也越高。分层厚度取0.1 mm，误差也在0.1 mm左右。加上其它随机因素，0.3 mm的制作误差也就产生了。如果测量和加工层距取0.01 mm或更小，最终精度则会提高一个数量级以上，减小测量层距和分层加工厚度是解决精度问题的关键。当然，层距越小、精度越高则会降低数据采集和产品制作效率。选择合理的层距，优化相关工艺参数，控制精度指标在适当范围之内还需进一步研究。
, 百拇医药
图2 牙颌石膏模型
图3 去除部分包裹材料后模型
图4 牙颌纸质模型
齿科CAD/CAM系统受铣削加工方式局限，制作较复杂的活动修复体可能性不大〔4〕，完善和改进加工方法则是影响系统进步的另一关键问题。LENS方法在工业领域的成功应用表明该方法可尝试制作复杂活动义齿金属支架。铝材基体表面成功获得均匀致密的陶瓷涂层则显示了LENS制作金瓷复合材料的潜力〔6〕。用LENS制作口腔修复体，建立符合快速成型加工要求的牙颌数据模型是第一步。本研究结果证明，所建立的数据模型经过文件格式转换，完全可以接入快速成型设备，奠定了应用金属粉末激光立体成型方法制作口腔修复体的数据文件和外形控制基础。
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本研究得到国家自然科学基金(39900035)和陕西省自然科学基金(99SM70)资助。
参考文献
1，单忠德,曾艺成.快速成型技术在铸造中的应用.铸造技术,1998,增刊:44
2，Keicher DM, Smugeresky JE, Romero J A, et al.Using the laser engineered net shaping (LENS) process complex component from a CAD solid model.SPIE, 1997, 2993:91
3，Abbott DH, Arcella FG.Laser forming titanium components. Adv Mater Proc,1998,153(5):29
, http://www.100md.com
4，高勃,周剑,毛勇,等.应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究——牙颌石膏模型的层析三维测量.实用口腔医学杂志,2000,16(1):4
5，程军,白培康,赵熹华.选择性激光成型技术的研究现状及发展趋势.见:左铁钏主编.第四届全国激光加工学术论文集.第四届全国激光加工学术会议,北京,1997.北京：冶金工业出版社,1997.135
6，李言祥,沈文.铝表面激光熔覆陶瓷原理和工艺的研究.见:左铁钏主编.第四届全国激光加工学术论文集.第四届全国激光加工学术会议,北京,1997.北京：冶金工业出版社,1997.57～63
(收稿：2000-06-13), 百拇医药
单位：高勃 王忠义(第四军医大学口腔医学院修复科 710032)；谭永生 王健(北京航空工艺研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室)；李延民 黄卫东(西北工业大学凝固技术国家重点实验室)
关键词：牙列；牙模型；快速成型
实用口腔医学杂志000503
〔摘要〕 目的：由层析三维测量数据用分层实体制造法制作全牙列牙颌模型，为应用激光烧结金属或陶瓷粉末直接制作口腔修复体奠定基础。方法:用Solidworks软件将牙颌石膏模型层析测量数据由DXF格式文件转换为STL格式文件，用快速成型机M-RPMS-II的数据检验与处理软件读入STL文件，进行实体分层，输出CLI(common layer interface)文件，用监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，控制层厚0.1 mm的涂敷纸逐层叠加制作牙颌模型。结果：得到了纸质实体牙颌模型，其几何外形与牙颌模型高度一致，x, y, z方向上的精度误差小于0.3 mm。结论：层析测量技术可精确测得牙颌模型外形三维数据，激光快速成型方法制作牙颌模型具有自动、快速、精度高的优点。
, 百拇医药
中图分类号：TP391.73 文献标识码：A 文章编号：1001-3733(2000)05-0341-0
Fabrication of dental prosthesis with laser engineered net shaping method —— Solid dentognathic models built with the 3-D data obtained by laminated object manufacturing
Gao Bo Tan Yongsheng Li Yanmin
(Department of Prosthodontics, Stomatological College, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)
〔Abstract〕 Objective: To establish solid dentognathic models for the final purpose of fabricating dental prosthesis by laser engineered net shaping method with metal or ceramic powders. Methods:Solid dentognathic models, whose 3-D data was measured by a digitizer by cutting and scanning layer-by-layer, were built by laminated object manufacturing. Solidworks was used to convert the 3-D data of the dentognathic models to STL format. Then the STL file was input into the computer,checked and processed by rapid apparatus M-RPMS-II and the STL data was converted to slice format such as CLI by processing software. At last the processing parameters were chosen and the 3-D dentognathic models was built layer by layer by laminating paper of 0.1 mm thin and every piece of paper was attached after the useless areas had been cut and marked by a laser. Results: The morphology of the solid dentognathic models built with paper was all in good agreement with the gypsum models and the differences between them were less than 0.3 mm in each direction. Conclusion: The morphologic data of the gypsum dentognathic model can be accurately measured by cutting and scanning layer by layer and the LOM method may be applied in fabricating solid dentognathic models automatically, rapidly and accurately.
, 百拇医药
Key words Dentition; Dental models; Rapid prototyping
快速成型技术(rapid prototyping，RP)是利用材料堆积法制造实物零件产品的一项高新制造技术，能根据产品的三维模型数据，不借助专用工具或夹具，迅速而精确地制造出该产品〔1〕。它以材料的逐层堆积生产作为主要的实现手段，因而又被称之为增材制造技术，可迅速制作光敏树脂、工程塑料、涂敷纸、金属或陶瓷样件等。但样件的强度性能不够，尚不能作为零件使用。激光近形制造方法(laser engineered net shaping，LENS)则突破了RP技术的限制，在继承RP优点的同时，可使金属粉末在逐层堆积时直接达到冶金结合〔2〕，可制造镍铬合金、钛合金等多种材料的高密度金属零件，零件的力学性能指标显著优于铸造、铣削等传统加工的产品〔2,3〕。作者在通过层析测量，建立了全牙列牙颌的三维数据模型的基础上〔4〕，拟采取RP技术中的分层实体制造方法，用涂敷纸堆积实体牙颌模型，求证层析测量方法用于牙颌模型测量的精确性，同时检验数据模型文件格式是否符合RP设备接口要求，为进一步用金属粉末堆积直接成型修复体奠定基础。
, 百拇医药
1 材料和方法
1.1 快速成型技术原理
通过计算机辅助设计生成零件的三维CAD模型，然后RP系统中的切片软件将三维CAD模型切成具有一定厚度的薄片，得到各层截面的轮廓信息，即将三维信息转换成一系列的二维信息，再将每片数据转换成数控加工命令，激光束按照各层截面轮廓数据顺序选择性地切割一层层纸(或固化一层层的液态树脂；或烧结一层层的粉末材料；或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等)，形成各截面轮廓并叠加成三维产品〔1,5〕。分层实体制造的零件是由一层层切成规定形状的模片彼此胶接而成的，如图1所示。在每层模片加热加压粘接后，利用激光束在平面内进行轨迹切割，余下不要的部分切割成网状，在零件加工完毕后除去， 即可得到所需的模型。激光束的移动速度及聚焦要恰到好处，使得切削深度正好是模片的厚度，而不会损伤下面一层材料。
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图1 分层实体制造示意图
1.2 方法
1.2.1 数据文件格式转换 经层析测量得到的牙颌三维数据文件为DXF格式，用Solidworks软件将DXF格式的文件转换为快速成型设备能够读取的STL格式。
1.2.2 STL数据读入 快速成型机M-RPMS-II(清华大学制造)的数据检验与处理软件读入STL文件，检验其合理性，修正错误，共获得三角形面片255 906个，三角形顶点126 614个。
1.2.3 数据处理参数设定 数据处理软件修正STL文件错误，进行实体分层，输出CLI(common layer interface)文件。使x、y、z起点回零，取x=126.23 mm, y=98.15 mm, z=89.00 mm。设边框x方向长度为190 mm，y方向长度为120 mm。设机器原点坐标为x，y(0 mm，0 mm)，加工区域中心点坐标x，y(210 mm，300 mm)。设分层厚度为0.1 mm。
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1.2.4 监控系统参数设定 监控系统软件读入分层信息，设定加工参数，生成NC代码，控制实时加工。网格划分间距(Δx、Δy)分别取20 mm，20 mm。走纸速度70 mm/s，二氧化碳激光器功率40 W，激光切割零件边缘轮廓速度80 mm/s，边框速度70 mm/s，切割网格速度120 mm/s，热压温度100 ℃，热压速度60 mm/s。
1.2.5 片层数控加工 按照设定参数，每片数据转换成数控加工命令，激光束选择性地切割一层层宽度为450 mm的涂敷纸(清华大学制造)，形成各截面轮廓并叠加成三维牙颌模型。
1.2.6 去除多余材料 用小刀片沿网格线和轮廓线小心去除包裹在牙颌模型周围的材料，得到牙颌纸质模型。
1.2.7 模型测量 用千分尺分别测量牙颌石膏及纸质模型同解剖标志点间的距离。
2 实验结果
, 百拇医药
图2、4分别为全牙列牙颌石膏及纸质模型，图3显示包裹在模型周围的涂敷纸被部分去除的情况。表1显示牙颌石膏及纸质模型同解剖标志点间的距离。图4见上颌尖牙、前磨牙和第一磨牙牙尖不完整，是因为在去除多余材料过程中操作失当损坏了部分牙尖形态，在处理下颌模型时因为改进了操作而避免了出现同样的问题。表1显示石膏模型和纸质模型同解剖标志点间的最大尺寸差别在0.29 mm。
表1 牙颌石膏模型与纸质模型比较 (mm)
近舌尖近舌尖和近切角舌尖石膏模型
, 百拇医药
40.31
33.27
27.50
纸质模型
40.59
33.56
27.78
差 值
0.28
0.29
0.28
3 讨 论
困扰齿科CAD/CAM系统进步关键问题之一是三维数据采集。作者采用层析测量方法获取全牙列牙颌数据，试图寻找一种新的获取数据印模方法〔4〕。本研究由层析测量建立的印模数据用快速成型技术制作牙颌模型，结果显示制作最终尺寸误差在0.3 mm左右。其原因主要与层析测量中的层距以及分层实体制造中的分层厚度密切相关。层距大小与测量精度成反比。层距取0.1 mm，每两层0.1 mm间的数据不能实际测量，只能通过插值计算得到，0.1 mm左右的误差也就产生了。同理，分层实体制造中的分层厚度越小，制作精度也越高。分层厚度取0.1 mm，误差也在0.1 mm左右。加上其它随机因素，0.3 mm的制作误差也就产生了。如果测量和加工层距取0.01 mm或更小，最终精度则会提高一个数量级以上，减小测量层距和分层加工厚度是解决精度问题的关键。当然，层距越小、精度越高则会降低数据采集和产品制作效率。选择合理的层距，优化相关工艺参数，控制精度指标在适当范围之内还需进一步研究。
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图2 牙颌石膏模型
图3 去除部分包裹材料后模型
图4 牙颌纸质模型
齿科CAD/CAM系统受铣削加工方式局限，制作较复杂的活动修复体可能性不大〔4〕，完善和改进加工方法则是影响系统进步的另一关键问题。LENS方法在工业领域的成功应用表明该方法可尝试制作复杂活动义齿金属支架。铝材基体表面成功获得均匀致密的陶瓷涂层则显示了LENS制作金瓷复合材料的潜力〔6〕。用LENS制作口腔修复体，建立符合快速成型加工要求的牙颌数据模型是第一步。本研究结果证明，所建立的数据模型经过文件格式转换，完全可以接入快速成型设备，奠定了应用金属粉末激光立体成型方法制作口腔修复体的数据文件和外形控制基础。
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本研究得到国家自然科学基金(39900035)和陕西省自然科学基金(99SM70)资助。
参考文献
1，单忠德,曾艺成.快速成型技术在铸造中的应用.铸造技术,1998,增刊:44
2，Keicher DM, Smugeresky JE, Romero J A, et al.Using the laser engineered net shaping (LENS) process complex component from a CAD solid model.SPIE, 1997, 2993:91
3，Abbott DH, Arcella FG.Laser forming titanium components. Adv Mater Proc,1998,153(5):29
, http://www.100md.com
4，高勃,周剑,毛勇,等.应用激光近形制造方法制作口腔修复体的基础研究——牙颌石膏模型的层析三维测量.实用口腔医学杂志,2000,16(1):4
5，程军,白培康,赵熹华.选择性激光成型技术的研究现状及发展趋势.见:左铁钏主编.第四届全国激光加工学术论文集.第四届全国激光加工学术会议,北京,1997.北京：冶金工业出版社,1997.135
6，李言祥,沈文.铝表面激光熔覆陶瓷原理和工艺的研究.见:左铁钏主编.第四届全国激光加工学术论文集.第四届全国激光加工学术会议,北京,1997.北京：冶金工业出版社,1997.57～63
(收稿：2000-06-13), 百拇医药