專利名稱：一種快速制造可摘局部義齒支架的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于口腔醫(yī)學修復體的制造領域，具體涉及一種選擇性激光熔 化技術快速制造可摘局部義齒支架的方法。
背景技術：
牙列缺損是口腔科的一種常見病和多發(fā)病，約占自然人口中的24% 53%。支架式可摘義齒由于價格相對較低，戴用比較方便、舒適，是牙列缺 損患者較理想和首選的修復方法之一。制作義齒支架材料有金屬和塑料兩 類，金屬支架在機械性能方面明顯優(yōu)于塑料支架，在口腔內長期使用不會 發(fā)生變形或斷裂，而且金屬支架在保證性能的前提下厚度更薄，患者感覺更 加舒適。因此，可摘局部義齒金屬支架的設計與制造方法成為口腔修復醫(yī) 學中的重點研究和開發(fā)目標。目前制造可摘局部義齒金屬支架的技術包括鑄造、粉末冶金和超塑性 成型等技術。其中，臨床醫(yī)學中應用最多的技術是鑄造，雖然該技術的原 理簡單，容易為操作者所掌握，但它的工序繁瑣，同時義齒支架的形狀復 雜、壁薄，鑄造法很難保證金屬完全填充，容易產生多種冶金缺陷。輕金 屬鈦及鈦合金由于有良好的力學性能和優(yōu)異的生物相容性而成為口腔金屬 修復體的首選。但由于鈦及鈦合金材料熔點高，極易氧化，不易成型，難 以用傳統(tǒng)的鑄造方法實現(xiàn)。粉末冶金技術成型的精度較高，但是工藝較為 復雜，所制備支架的結合強度偏低，并且需要在合金粉末中加入少量的銅 等低熔點合金粉末才能改善支架的強度，但這些組元可能帶來一些毒副作 用，對人體健康不利。超塑性成型技術對于材料的局限性很大，目前只能 用于Ti-Al-V合金。在超塑成型過程中由于模具與被加工材料之間無法完全貼合，同時由于成形過程中熱膨脹的影響及氣脹成形件厚度分布存在著差 異，導致支架的尺寸存在著較大的誤差。綜上所述，上述工藝存在著一些 共同的缺點均需要制作模具，整個制造工藝煩瑣又不規(guī)范、周期長、成 本高，并經常出現(xiàn)質量問題。由于精度較差，支架式可摘局部義齒的一次 就位率低，密合度及固位穩(wěn)定性較差，因而會出現(xiàn)佩戴偏差，造成受力不 均勻，患者有異樣感，甚至出現(xiàn)口腔組織變形、疼痛等癥狀，使得許多患 者對金屬支架義齒感到不滿意。針對局部義齒支架不規(guī)則的復雜形狀和個性化的特點，無模具、高精 度、短周期和高度自動化的制作方法成為了新的發(fā)展方向，金屬激光快速 成型技術正是適應這一發(fā)展趨勢的理想技術。金屬激光快速成型技術能實 現(xiàn)多種金屬零件的直接制造，主要包括兩類， 一是采用噴嘴送粉的直接激光成型技術(Direct Laser Fabrication, DLF)，但由于激光作用的光斑較大， 一般在lmm左右，所得金屬零件的尺寸精度和表面光潔度都比較差，適合 制作精度不高的大型金屬毛坯。二是選擇性激光熔化技術(Selective Laser Melting, SLM)是通過滾筒或刮板鋪粉，聚焦激光束根據(jù)圖形作選擇性掃描 熔化粉末實現(xiàn)金屬零件的直接制造，主要適合制作高尺寸精度和表面光潔 度的小型金屬零件。義齒支架的形狀復雜、壁薄，由于存在比較大的斜率 曲面和薄壁，激光成型過程會受到較大斜率曲面和薄壁的影響而終止；同 時由于零件的大部分都是薄壁異形結構，成型過程產生的熱應力會導致零 件出現(xiàn)不可逆變形使零件報廢。正因為上述技術難點，目前國內外未見金 屬激光快速成型技術成功制造可摘局部義齒支架的報道。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種快速制造可摘局部義 齒支架的工藝方法，利用該方法可以直接制造出高精度和高表面光潔度、 無變形且具有優(yōu)良機械性能的可摘局部義齒支架。本發(fā)明提供的快速制造可摘局部義齒支架的工藝方法，采用激光功率為100 200W，光束質量N^〈1.1的連續(xù)YAG或光纖激光器，聚焦光斑尺寸 為10 100fim;所用的金屬或合金粉末包括不銹鋼、鈷一鉻合金、純鈦或鈦 合金粉末，粉末的粒度小于45)im，但粉末的最大粒徑大于等于10pm;所用 的金屬或合金粉末為不銹鋼或鈷一鉻合金材料時，金屬基板的材料為不銹 鋼，所用的金屬或合金粉末為純鈦或鈦合金材料時，金屬基板的材料為鈦 板；其具體處理步驟包括(1) 獲取患者口腔石膏咬模，得到患者牙頜模型的三維數(shù)據(jù)，再利用 三維數(shù)據(jù)生成CAD零件模型；采用Magics軟件對零件斜率過大位置或薄壁 位置添加鋸齒狀薄壁支撐后保存為STL文件，將STL文件輸入SLM快速成型 設備由切片軟件進行分層離散，生成激光加工數(shù)控代碼；(2) 將厚度為25 40mm的金屬基板預熱到80 10(TC，并在整個激光 成型過程中進行保溫；(3) 在金屬基板表面預置一層20 60pm厚度的粉末層，激光器根據(jù)激 光加工數(shù)控代碼設定的路徑對該粉末層進行掃描，使金屬或合金粉末在金 屬基板上形成平整的熔化層；該層處理時，激光成型工藝參數(shù)為激光功 率150 200W，激光聚焦光斑10 100pm,掃描間距0.01 0.03mm，掃描速 度50 250mm/s;(4) 將金屬基板下降10 3(Him，再在熔化層上重新預置一層20 60iim 厚度的粉末層；(5) 利用激光器按設定的路徑對重新預置的金屬或合金粉末層進行掃 描成型，形成新的熔化層；激光成型工藝參數(shù)為激光功率100 200W， 激光聚焦光斑10 100pm，搭接量0.01 0.05mm，掃描速度50 1000mm/s;(6) 重復上述步驟(4)和(5),直至完成整個零件的熔化堆積加工；(7) 將金屬基板和零件放入溫度為500 80(TC的惰性氣體保護或真空 熱處理爐中，保溫1 2小時后隨爐冷卻；(8) 將零件從金屬基板上切割下來，去掉薄壁支撐，并對零件表面進行噴砂處理，得到所需的義齒支架。本發(fā)明具有以下技術效果(1) 本發(fā)明是自動化、無模具最終成型，制造過程不需要鑄造模型或 鍛造模具，不受成型材料的影響，能顯著降低制造成本，縮短制造周期。(2) 采用對義齒支架斜率過大位置或薄壁位置添加輔助支撐的方法， 解決了由于斜率曲面太大或壁薄而導致激光成型過程終止的難題。(3) 對基板進行預熱處理并在整個成型期間保溫，減少了激光成型過程中工件內應力的形成，從而減小義齒支架因為熱應力導致的變形量，保 證義齒支架的尺寸精度。同時熱的粉末也增加了對激光的吸收率。(4) 來用單獨的激光加工工藝參數(shù)處理第一層粉末，使第一層粉末克 服高的熱傳導率被完全熔化，獲得與基板牢固結合、.平整的金屬熔化層， 保證后續(xù)鋪粉和激光成型的順利進行。(5) 選用特定粒度范圍的金屬或合金粉末，優(yōu)化的鋪粉厚度、成型缸 下降高度和激光加工工藝，結合高光束質量的固體激光器進行激光成型來 實現(xiàn)義齒支架的高精度和表面光潔度。(6) 對義齒支架和基板整體進行回火熱處理，能基本消除義齒支架內 部殘留的內應力，進一步提高零件的機械性能。


圖1是一種可摘局部義齒支架的三維實體零件模型；圖2是圖1添加鋸齒狀薄壁支撐后的三維實體零件模型。
具體實施方式
下面舉例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。圖l中的三維實體零件是根據(jù) 一名口腔患者的牙列缺損所設計的可摘局部義齒支架，具有個案的特點。圖2是利用Magics軟件對圖l所示圖形添加鋸齒狀薄壁支撐后的零件圖示。 這里將圖1和圖2列出，是為了結合實施例更好說明本發(fā)明的實現(xiàn)過程。實施例1:選擇性激光熔化快速制造不銹鋼可摘局部義齒支架參照圖1和圖2的圖形。將圖2所示添加了鋸齒狀薄壁支撐后的三維零件模型保存為STL格式文件，采用分層切片軟件進行分層離散，生成激光加工 數(shù)控指令。選用連續(xù)YAG激光器，制作義齒支架的材料為粒度〈45)im的不 銹鋼合金粉末，以25mm厚的不銹鋼板作為基板，鋪粉厚度60nm,鋪粉速 度3.0m/min，成型缸每次下降高度為20pm。第一層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率150W，掃描速度50mm/s，搭 接量0.01mm。后續(xù)層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率130W，掃描速度 250mm/s,搭接量0.04mm。激光成型完畢后，將基板和工件一起放入溫度為50(TC的氬氣保護熱處 理爐中，保溫2小時，然后隨爐冷卻。冷卻后用線切割的方法從基板上切下 零件，去掉薄壁支撐。成型的可摘局部義齒支架密度接近100%，機械性能 優(yōu)良，尺寸精度達到士0.1mm，表面粗糙度Ra為8 10^im，對成型的零件進 行噴砂等后續(xù)表面加工，表面粗糙度Ra可達4 5^im。實施例2:選擇性激光熔化快速制造鈷一鉻合金可摘局部義齒支架參照圖1和圖2的圖形。將圖2所示添加了鋸齒狀薄壁支撐后的三維零件 模型保存為STL格式文件，采用分層切片軟件進行分層離散，生成激光加工 數(shù)控指令。選用連續(xù)半導體泵浦固體激光器，制作義齒支架的材料為粒度 <40^11的鈷一鉻合金粉末，以30mm厚的不銹鋼板作為基板，鋪粉厚度4(Him， 鋪粉速度3.0m/min，成型缸每次下降高度為2(^m，制作過程采用高純氬氣 保護。第一層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率150W，掃描速度150mm/s， 搭接量0.02mm。后續(xù)層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率150W，掃描速度500mm/s，搭接量0.03mm。激光成型完畢后，將基板和工件一起放入溫度為65(TC的氬氣保護熱處 理爐中，保溫1小時，然后隨爐冷卻。冷卻后用線切割的方法從基板上切下 零件，去掉薄壁支撐。成型的可摘局部義齒支架密度接近100%,機械性能 優(yōu)良，尺寸精度達到土O.l mm，表面粗糙度Ra為8 l(^m。對成型的零件進 行噴砂等后續(xù)表面加工，表面粗糙度Ra可達4 5pm。實施例3:選擇性激光熔化快速制造鈦合金可摘局部義齒支架參照圖1和圖2的圖形。將圖2所示添加了鋸齒狀薄壁支撐后的三維零件模型保存為STL格式文件，采用分層切片軟件進行分層離散，生成激光加工數(shù)控指令。選用連續(xù)Yb光纖激光器，制作義齒支架的材料為粒度《OMm的Ti-6A1-4V合金粉末，以40mm厚的鈦板作為基板，鋪粉厚度20)im，鋪粉速度3.0m/min，成型缸每次下降高度為20pm，制作過程采用高純氬氣保護。第一層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率160W，掃描速度150mm/s， 搭接量0.03mm。后續(xù)層的激光加工工藝參數(shù)為激光功率140W，掃描速度 800mm/s，搭接量0.01mm。激光成型完畢后，將基板和工件一起放入溫度為80(TC的真空熱處理爐 中，保溫1小時，然后隨爐冷卻。冷卻后用線切割的方法從基板上切下零件， 去掉薄壁支撐。成型的可摘局部義齒支架密度接近100%，機械性能優(yōu)良， 尺寸精度達到±0.2 mm，表面粗糙度Ra為8 10^im，對成型的零件進行噴砂 等后續(xù)表面加工，表面粗糙度Ra可達4 5pm。利用本發(fā)明所制造零件的表面粗糙度Ra為8 l(Him，經過后續(xù)噴砂處 理后表面粗糙度Ra可小于5pim。本發(fā)明的具體實施方式
并不局限于上述舉例 中的一種，通過選擇不同種類和粒徑的金屬或合金粉末，采用不同的激光 加工工藝參數(shù)，本發(fā)明可以采用多種方式加以具體實現(xiàn)，并能達到很好的 發(fā)明效果。
權利要求
1、一種快速制造可摘局部義齒支架的工藝方法，采用激光功率大于100～200W，光束質量M2＜1.1的連續(xù)YAG或光纖激光器，聚焦光斑尺寸為10～100μm；所用的金屬或合金粉末包括不銹鋼、鈷-鉻合金、純鈦或鈦合金粉末，粉末的粒度小于45μm，但粉末的最大粒徑大于等于10μm；所用的金屬或合金粉末為不銹鋼或鈷-鉻合金材料時，金屬基板的材料為不銹鋼，所用的金屬或合金粉末為純鈦或鈦合金材料時，金屬基板的材料為鈦板；其具體處理步驟包括(1)獲取患者口腔石膏咬模，得到患者牙頜模型的三維數(shù)據(jù)，再利用三維數(shù)據(jù)生成CAD零件模型；采用Magics軟件對零件斜率過大位置或薄壁位置添加鋸齒狀薄壁支撐后保存為STL文件，將STL文件輸入SLM快速成型設備由切片軟件進行分層離散，生成激光加工數(shù)控代碼；(2)將厚度為25～40mm的金屬基板預熱到80～100℃，并在整個激光成型過程中進行保溫；(3)在金屬基板表面預置一層20～60μm厚度的粉末層，激光器根據(jù)激光加工數(shù)控代碼設定的路徑對該粉末層進行掃描，使金屬或合金粉末在金屬基板上形成平整的熔化層；該層處理時，激光成型工藝參數(shù)為激光功率150～200W，激光聚焦光斑10～100μm，掃描間距0.01～0.03mm，掃描速度50～250mm/s；(4)將金屬基板下降10～30μm，再在熔化層上重新預置一層20～60μm厚度的粉末層；(5)利用激光器按設定的路徑對重新預置的金屬或合金粉末層進行掃描成型，形成新的熔化層；激光成型工藝參數(shù)為激光功率100～200W，激光聚焦光斑10～100μm，搭接量0.01～0.05mm，掃描速度50～1000mm/s；(6)重復上述步驟(4)和(5)，直至完成整個零件的熔化堆積加工；(7)將金屬基板和零件放入溫度為500～800℃的惰性氣體保護或真空熱處理爐中，保溫1～2小時后隨爐冷卻；(8)將零件從金屬基板上切割下來，去掉薄壁支撐，并對零件表面進行噴砂處理，得到所需的義齒支架。
2、根據(jù)權利要求l所述的工藝方法，其特征在于步驟(4)中，將金 屬基板下降20iim。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光快速制造可摘局部義齒支架的工藝方法，主要包括獲取患者的牙頜三維零件模型、對模型添加鋸齒狀薄壁支撐、分層離散生成激光加工數(shù)控指令、在預熱和保溫的金屬基板上逐層鋪粉；然后利用光束質量M²＜1.1的連續(xù)YAG或光纖激光器，在10～100μm的聚焦光斑下，利用優(yōu)化的鋪粉厚度、成型缸下降高度和激光加工工藝把特定粒度范圍的金屬或合金粉末逐層熔化，完成整個零件的熔化堆積加工；最后對成型零件進行回火熱處理，獲得一個冶金結合、組織密度接近100％的可摘局部義齒支架。本發(fā)明可以克服現(xiàn)有技術的難點，直接制造出高精度和高表面光潔度、無變形且具有優(yōu)良機械性能的可摘局部義齒支架。
文檔編號A61C13/12GK101401746SQ20081019751
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權日2008年10月30日
發(fā)明者凱 關, 曾曉雁, 王澤敏, 胡乾午, 陳光霞 申請人:華中科技大學