一种快速制造可摘局部义齿支架的方法

摘要

本发明公开了一种激光快速制造可摘局部义齿支架的工艺方法，主要包括：获取患者的牙颌三维零件模型、对模型添加锯齿状薄壁支撑、分层离散生成激光加工数控指令、在预热和保温的金属基板上逐层铺粉；然后利用光束质量M2＜1.1的连续YAG或光纤激光器，在10～100μm的聚焦光斑下，利用优化的铺粉厚度、成型缸下降高度和激光加工工艺把特定粒度范围的金属或合金粉末逐层熔化，完成整个零件的熔化堆积加工；最后对成型零件进行回火热处理，获得一个冶金结合、组织密度接近100％的可摘局部义齿支架。本发明可以克服现有技术的难点，直接制造出高精度和高表面光洁度、无变形且具有优良机械性能的可摘局部义齿支架。

说明书

技术领域

本发明属于口腔医学修复体的制造领域，具体涉及一种选择性激光熔化技术快速制造可摘局部义齿支架的方法。

背景技术

牙列缺损是口腔科的一种常见病和多发病，约占自然人口中的24％～53％。支架式可摘义齿由于价格相对较低，戴用比较方便、舒适，是牙列缺损患者较理想和首选的修复方法之一。制作义齿支架材料有金属和塑料两类，金属支架在机械性能方面明显优于塑料支架，在口腔内长期使用不会发生变形或断裂，而且金属支架在保证性能的前提下厚度更薄，患者感觉更加舒适。因此，可摘局部义齿金属支架的设计与制造方法成为口腔修复医学中的重点研究和开发目标。

目前制造可摘局部义齿金属支架的技术包括铸造、粉末冶金和超塑性成型等技术。其中，临床医学中应用最多的技术是铸造，虽然该技术的原理简单，容易为操作者所掌握，但它的工序繁琐，同时义齿支架的形状复杂、壁薄，铸造法很难保证金属完全填充，容易产生多种冶金缺陷。轻金属钛及钛合金由于有良好的力学性能和优异的生物相容性而成为口腔金属修复体的首选。但由于钛及钛合金材料熔点高，极易氧化，不易成型，难以用传统的铸造方法实现。粉末冶金技术成型的精度较高，但是工艺较为复杂，所制备支架的结合强度偏低，并且需要在合金粉末中加入少量的铜等低熔点合金粉末才能改善支架的强度，但这些组元可能带来一些毒副作用，对人体健康不利。超塑性成型技术对于材料的局限性很大，目前只能用于Ti-Al-V合金。在超塑成型过程中由于模具与被加工材料之间无法完全贴合，同时由于成形过程中热膨胀的影响及气胀成形件厚度分布存在着差异，导致支架的尺寸存在着较大的误差。综上所述，上述工艺存在着一些共同的缺点：均需要制作模具，整个制造工艺烦琐又不规范、周期长、成本高，并经常出现质量问题。由于精度较差，支架式可摘局部义齿的一次就位率低，密合度及固位稳定性较差，因而会出现佩戴偏差，造成受力不均匀，患者有异样感，甚至出现口腔组织变形、疼痛等症状，使得许多患者对金属支架义齿感到不满意。

针对局部义齿支架不规则的复杂形状和个性化的特点，无模具、高精度、短周期和高度自动化的制作方法成为了新的发展方向，金属激光快速成型技术正是适应这一发展趋势的理想技术。金属激光快速成型技术能实现多种金属零件的直接制造，主要包括两类，一是采用喷嘴送粉的直接激光成型技术(Direct Laser Fabrication，DLF)，但由于激光作用的光斑较大，一般在1mm左右，所得金属零件的尺寸精度和表面光洁度都比较差，适合制作精度不高的大型金属毛坯。二是选择性激光熔化技术(Selective LaserMelting，SLM)是通过滚筒或刮板铺粉，聚焦激光束根据图形作选择性扫描熔化粉末实现金属零件的直接制造，主要适合制作高尺寸精度和表面光洁度的小型金属零件。义齿支架的形状复杂、壁薄，由于存在比较大的斜率曲面和薄壁，激光成型过程会受到较大斜率曲面和薄壁的影响而终止；同时由于零件的大部分都是薄壁异形结构，成型过程产生的热应力会导致零件出现不可逆变形使零件报废。正因为上述技术难点，目前国内外未见金属激光快速成型技术成功制造可摘局部义齿支架的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种快速制造可摘局部义齿支架的工艺方法，利用该方法可以直接制造出高精度和高表面光洁度、无变形且具有优良机械性能的可摘局部义齿支架。

本发明提供的快速制造可摘局部义齿支架的工艺方法，采用激光功率为100～200W，光束质量M²＜1.1的连续YAG或光纤激光器，聚焦光斑尺寸为10～100μm；所用的金属或合金粉末包括不锈钢、钴-铬合金、纯钛或钛合金粉末，粉末的粒度小于45μm，但粉末的最大粒径大于等于10μm；所用的金属或合金粉末为不锈钢或钴-铬合金材料时，金属基板的材料为不锈钢，所用的金属或合金粉末为纯钛或钛合金材料时，金属基板的材料为钛板；其具体处理步骤包括：

(1)获取患者口腔石膏咬模，得到患者牙颌模型的三维数据，再利用三维数据生成CAD零件模型；采用Magics软件对零件斜率过大位置或薄壁位置添加锯齿状薄壁支撑后保存为STL文件，将STL文件输入SLM快速成型设备由切片软件进行分层离散，生成激光加工数控代码；

(2)将厚度为25～40mm的金属基板预热到80～100℃，并在整个激光成型过程中进行保温；

(3)在金属基板表面预置一层20～60μm厚度的粉末层，激光器根据激光加工数控代码设定的路径对该粉末层进行扫描，使金属或合金粉末在金属基板上形成平整的熔化层；该层处理时，激光成型工艺参数为：激光功率150～200W，激光聚焦光斑10～100μm，扫描间距0.01～0.03mm，扫描速度50～250mm/s；

(4)将金属基板下降10～30μm，再在熔化层上重新预置一层20～60μm厚度的粉末层；

(5)利用激光器按设定的路径对重新预置的金属或合金粉末层进行扫描成型，形成新的熔化层；激光成型工艺参数为：激光功率100～200W，激光聚焦光斑10～100μm，搭接量0.01～0.05mm，扫描速度50～1000mm/s；

(6)重复上述步骤(4)和(5)，直至完成整个零件的熔化堆积加工；

(7)将金属基板和零件放入温度为500～800℃的惰性气体保护或真空热处理炉中，保温1～2小时后随炉冷却；

(8)将零件从金属基板上切割下来，去掉薄壁支撑，并对零件表面进行喷砂处理，得到所需的义齿支架。

本发明具有以下技术效果：

(1)本发明是自动化、无模具最终成型，制造过程不需要铸造模型或锻造模具，不受成型材料的影响，能显著降低制造成本，缩短制造周期。

(2)采用对义齿支架斜率过大位置或薄壁位置添加辅助支撑的方法，解决了由于斜率曲面太大或壁薄而导致激光成型过程终止的难题。

(3)对基板进行预热处理并在整个成型期间保温，减少了激光成型过程中工件内应力的形成，从而减小义齿支架因为热应力导致的变形量，保证义齿支架的尺寸精度。同时热的粉末也增加了对激光的吸收率。

(4)采用单独的激光加工工艺参数处理第一层粉末，使第一层粉末克服高的热传导率被完全熔化，获得与基板牢固结合、平整的金属熔化层，保证后续铺粉和激光成型的顺利进行。

(5)选用特定粒度范围的金属或合金粉末，优化的铺粉厚度、成型缸下降高度和激光加工工艺，结合高光束质量的固体激光器进行激光成型来实现义齿支架的高精度和表面光洁度。

(6)对义齿支架和基板整体进行回火热处理，能基本消除义齿支架内部残留的内应力，进一步提高零件的机械性能。

附图说明

图1是一种可摘局部义齿支架的三维实体零件模型；

图2是图1添加锯齿状薄壁支撑后的三维实体零件模型。

具体实施方式

下面举例对本发明做进一步详细的说明。图1中的三维实体零件是根据一名口腔患者的牙列缺损所设计的可摘局部义齿支架，具有个案的特点。

图2是利用Magics软件对图1所示图形添加锯齿状薄壁支撑后的零件图示。这里将图1和图2列出，是为了结合实施例更好说明本发明的实现过程。

实施例1：选择性激光熔化快速制造不锈钢可摘局部义齿支架

参照图1和图2的图形。将图2所示添加了锯齿状薄壁支撑后的三维零件模型保存为STL格式文件，采用分层切片软件进行分层离散，生成激光加工数控指令。选用连续YAG激光器，制作义齿支架的材料为粒度＜45μm的不锈钢合金粉末，以25mm厚的不锈钢板作为基板，铺粉厚度60μm，铺粉速度3.0m/min，成型缸每次下降高度为20μm。

第一层的激光加工工艺参数为：激光功率150W，扫描速度50mm/s，搭接量0.01mm。后续层的激光加工工艺参数为：激光功率130W，扫描速度250mm/s，搭接量0.04mm。

激光成型完毕后，将基板和工件一起放入温度为500℃的氩气保护热处理炉中，保温2小时，然后随炉冷却。冷却后用线切割的方法从基板上切下零件，去掉薄壁支撑。成型的可摘局部义齿支架密度接近100％，机械性能优良，尺寸精度达到±0.1mm，表面粗糙度R_a为8～10μm，对成型的零件进行喷砂等后续表面加工，表面粗糙度R_a可达4～5μm。

实施例2：选择性激光熔化快速制造钴-铬合金可摘局部义齿支架

参照图1和图2的图形。将图2所示添加了锯齿状薄壁支撑后的三维零件模型保存为STL格式文件，采用分层切片软件进行分层离散，生成激光加工数控指令。选用连续半导体泵浦固体激光器，制作义齿支架的材料为粒度＜40μm的钴-铬合金粉末，以30mm厚的不锈钢板作为基板，铺粉厚度40μm，铺粉速度3.0m/min，成型缸每次下降高度为20μm，制作过程采用高纯氩气保护。

第一层的激光加工工艺参数为：激光功率150W，扫描速度150mm/s，搭接量0.02mm。后续层的激光加工工艺参数为：激光功率150W，扫描速度500mm/s，搭接量0.03mm。

激光成型完毕后，将基板和工件一起放入温度为650℃的氩气保护热处理炉中，保温1小时，然后随炉冷却。冷却后用线切割的方法从基板上切下零件，去掉薄壁支撑。成型的可摘局部义齿支架密度接近100％，机械性能优良，尺寸精度达到±0.1mm，表面粗糙度R_a为8～10μm。对成型的零件进行喷砂等后续表面加工，表面粗糙度R_a可达4～5μm。

实施例3：选择性激光熔化快速制造钛合金可摘局部义齿支架

参照图1和图2的图形。将图2所示添加了锯齿状薄壁支撑后的三维零件模型保存为STL格式文件，采用分层切片软件进行分层离散，生成激光加工数控指令。选用连续Yb光纤激光器，制作义齿支架的材料为粒度＜20μm的Ti-6Al-4V合金粉末，以40mm厚的钛板作为基板，铺粉厚度20μm，铺粉速度3.0m/min，成型缸每次下降高度为20μm，制作过程采用高纯氩气保护。

第一层的激光加工工艺参数为：激光功率160W，扫描速度150mm/s，搭接量0.03mm。后续层的激光加工工艺参数为：激光功率140W，扫描速度800mm/s，搭接量0.01mm。

激光成型完毕后，将基板和工件一起放入温度为800℃的真空热处理炉中，保温1小时，然后随炉冷却。冷却后用线切割的方法从基板上切下零件，去掉薄壁支撑。成型的可摘局部义齿支架密度接近100％，机械性能优良，尺寸精度达到±0.2mm，表面粗糙度R_a为8～10μm，对成型的零件进行喷砂等后续表面加工，表面粗糙度R_a可达4～5μm。

利用本发明所制造零件的表面粗糙度R_a为8～10μm，经过后续喷砂处理后表面粗糙度R_a可小于5μm。本发明的具体实施方式并不局限于上述举例中的一种，通过选择不同种类和粒径的金属或合金粉末，采用不同的激光加工工艺参数，本发明可以采用多种方式加以具体实现，并能达到很好的发明效果。