外文翻譯--在開放CAM牙科系統(tǒng)基礎上的國產5軸聯(lián)動輪廓加工數控機床和工業(yè)CAM軟件 中文版

1 在開放 CAM牙科系統(tǒng)基礎上的國產 5 軸聯(lián)動 輪廓加工 數控機床和工業(yè) CAM軟件 魯莉，劉樹生，施生根，楊建中 1， 北京朝陽醫(yī)院口腔科，首都醫(yī)科大學，北京 100000，中國 2， 北京 勝維弘技 數控設備有限公司，北京 100002，中國 3， 中國人民解放軍 306 醫(yī)院，北京 10000，中國 4， 華中科技大學科學與技術學院工程研究中心，武漢 430060，中國 華中科技大學科技 出版社與柏林海德堡施普林格出版社 2011 摘要 ： 中國制造的 5 軸聯(lián)動輪廓加工數控機床與國內發(fā)達的工業(yè)計算機 輔助制造技術（ CAM） 被用于全冠的制作和冠的精度測量 ，試圖建立一個開放的牙科 CAM系統(tǒng) 以 處理和推進 國內牙科 引進 計算機輔助設計 CAD/ CAM 系統(tǒng) 。 市售的掃描設備是 用于制備冠后做一個基本的數字牙模型 ， 與 CAD 軟件自帶的掃描裝置設計冠采用國產工業(yè) CAM 軟件為冠數據的過程中產生固體模型 ， 然后 國產五 軸 聯(lián)動 輪廓數控機床來完成整個樹冠 的加工 ， 采用三維 CT 測量的樹冠內部的內部精度。 測量結果表明 ,中國實現了 五軸 聯(lián)動 輪廓 數控機床 與 工業(yè) CAM 技術 對于 冠 制作 的 結合 運用 ，而且 冠 可在模具內很好的定位 。利用 三維 CT 測量內部精度的結論是一個在開放的牙科 CAM 系統(tǒng)的基礎上，中國制造的 5 軸聯(lián) 動輪廓加工數控機床 和 國內工業(yè) CAM 軟件已經建 立 。該系統(tǒng)的發(fā)展將推動牙科 CAD /CAM 系統(tǒng)的國產進程。 關鍵詞 ： 牙科計算機輔助設計與制造；五軸聯(lián)動輪廓數控機床； CAM 軟件；開放牙科CAM 系統(tǒng) 隨著生活標準的提高 ，中國對假牙的需求一直在上升。計算機輔助設計（ CAD）和計算機輔助制造（ CAM）技術，統(tǒng)稱為 CAD CAM 可廣泛應用于工業(yè)自動化、航空航天領域。在 20 世紀 70 年代，被成功地引入到假牙制作。上世紀 80 年代以來，該技術的應用在臨床實踐中 大大縮短了處理時間，降低 了口腔修復體的價格， 2 并美化了牙齒修復結果 的外觀，精度及適用性。 與 CAD / CAM 技術在其他工業(yè)領域中的應用相比，到目前為止， CAD / CAM技術的牙科 發(fā)展 保持在一個過渡階段 ，仍然有很長的路要走，以滿足臨床醫(yī)生和患者的需求。此外，在中國大多數醫(yī)院都 買不起進口的 CAD / CAM 系統(tǒng)，可行的解決方案 是引進國內開發(fā)的系統(tǒng)。如 Lu et al 等一些中國學者一直致力于研究和開發(fā)的 CAD/ CAM 而且已取得了一些令人鼓舞的成就。 然而到目前為止，在 中國 還沒有 CAD / CAM 系統(tǒng) 的工業(yè)化 。 在這項研究中，我們研究組與中國武漢數控工程中心和北京 勝維弘技 數控 設備有限公司合作 ， 采用了國產工業(yè) CAM 系統(tǒng)和五軸聯(lián)動輪廓加工數控機床處理人工冠并測試人造冠與微型 CT 的適應。試圖在中國國內的 CAD / CAM 系統(tǒng)中引進推廣。 1材料和方法 1.1 材料 3Shape 的牙科系統(tǒng)掃描儀 2009， 內置口腔 CAD 軟件， 3shape A / S 丹麥有限公司產 。 CAM 軟件包（中國 多軸同步輪廓編程系統(tǒng)， 2.0 版），由華中科技大學工程研究中心 ，武漢，中國。五軸數控機床（ TX-5/2200 五軸聯(lián)動葉片加工中心），由 北京 勝維弘技數控設備有限公司制造 。三維微型電腦（ XM-TRACER-225）由中國科學院高能物理研究所提供 。 1.2 CAD / CAM 制備牙冠 1.2.1 牙體預備 臨床上提取自然上頜牙冠修復和常規(guī)治療。 1.2.2 模具制造 選擇一個完整的牙列和咬合正常的右上頜第一磨牙全冠修復可動模具。然后模具被取下，并取代前述的天然齒。 1.2.3 制作數字印模 天然齒進行粉末噴涂（西諾德公司，德國），和石膏模具被掃描，以獲得數字模型，在模具和目標齒咬合面。 1.2.4 計算機輔助設計 3 CAD 軟件，它與掃描儀被用來生成的數字化模型的表冠進行處理。在保存 STL格式的文件。 1.2.5 計算 機輔助制造 上述國內 CAM 軟件，用于處理數字冠模型的 STL 文件。由此，在 IGES 格式文件的 基礎上 生成和保存處理冠模型。通用機床是用來處理 IGES 文件從而 評級的刀具路徑文件的機器（ CAM）。 TX-5/2200 五軸聯(lián)動葉片加工中心機樹脂塊（也稱為工業(yè)膠木）完成冠的生產 。 為提高模型的準確性一個逆處理應用于 STL 格式模型轉換成 IGES。此外，IGES 格式模型是兼容與所有的 CAD / CAM，可用于生成刀具路徑文件， 之后可用任何 5 軸聯(lián)動輪廓 加工 機床處理。 1.3 冠的精度測驗 天然牙的替換模型和 3D-微型電腦掃 描儀用于選擇測量點（圖 1）和表冠計算出和模具之間的公差投入處理樹脂冠。 圖 1 冠間隙測量示意圖： A1， A2 制備體邊緣； B1， B2：肩軸平面的交點； C1， C2， D1， D2：軸平面三等分點； E1， E2：軸的壁和咬合平面的交點； G1， G2：咬合平面的三節(jié)點 2.結果 通過使用國產 5 軸聯(lián)動輪廓加工數控機床和國產 CAM 系統(tǒng)制作完整的冠， 數字冠模型在經審核后 被證明是非常 吻合的 。冠內部精度由 三維 CT 測量 （圖 2）表 1 中給出。 4 表 1 冠內部的三維 CT 精度 檢測結果 位置 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 E1 E2 G1 G2 距離 147.6 120.8 270.2 192.4 100.0 198.0 86.0 169.7 158.1 172.6 311.4 320.1 圖 2 三維 CT 檢測后得到的冠內部精度的剖視圖 3.討論 3.1 牙科修復處理工業(yè)機床和 CAM 軟件的優(yōu)點 傳統(tǒng)牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)主要有兩種類型 ：廠房 生產和實驗室生產。他們大多是封閉的系統(tǒng)：同一品牌的設備進行數據傳輸的文件只能被讀取，在某些系統(tǒng)中，即使是金屬和陶瓷材料 的使用也是 系統(tǒng)特定的 。 電池技術的進步和互聯(lián)網的發(fā)展帶來了一個新 的牙科 CAD/ CAM 模式 集中生產和制造業(yè)中心，這是一個由 Beuer 等為代表的開放的系統(tǒng)。在這種模式下， CAD 為專業(yè)人士在牙科技工室完成設計論文，這樣產生的數字文件發(fā)送到一個生產中心。 冠修復部分將被生產制造中心加工，之后除了修復所有的其他部分將在牙科實驗室進行。一個牙科實驗室可以處理多個生產中心，反之亦然。隨著越來越多先進的掃描和處理細胞技術領域的口腔修復體被引入， STRUB 等人認為，這種開放的模式將得到更廣泛的應用前景。 CAD / CAM 在裝備制造業(yè)是一個普遍的概念，牙科 CAD / CAM 加工系統(tǒng)有 著廣闊的前景，已經吸引了許多的機床制造商和軟件供應商。而牙科 CAD / CAM系統(tǒng)繼續(xù)開放，促進更多的牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)中使用工業(yè)機床和 CAM 軟件。德 5 國軟件供應商 OPENMIND 已經開發(fā)出一種開放的智能編程系統(tǒng)稱為 Hyper-DENT TM，這也使數字牙科模型與數字高精密加工密切結合起來。該公司還開發(fā)了一種牙科修復過程中使用的特殊高性能刀具。世界領先的專業(yè) CAD / CAM 軟件公司英國 Delcam 公司也推出了其最新版本的牙科軟件 DentCAD 和 DentMILL 的系統(tǒng)。世界著名的工業(yè)機床制造商， Roeders（德國）和 DMG 已經開發(fā)出先進的加工技術，如超聲波處理技術的牙科工業(yè)機床等更專業(yè)的牙科 CAD / CAM 數控加工機床。 航空業(yè)的出現使多軸工業(yè)機床有更高的功率，效率，精度和適應性強等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的牙科 CAM 系統(tǒng)處理的單元相比，工業(yè)機床加工的材料和工藝工范圍更廣，包括目前假牙制作使用的所有材料。此外，他們更靈活，不僅可以做冠和假體的固定橋接而且也可植入一些對象，假牙冠內冠外精密附著體以及其他不能由傳統(tǒng) CAM 加工的部位。 牙科修復工業(yè)機床 CAM 系統(tǒng)的應用還可以使牙修復處理工業(yè)化，從而提高了牙科修復處理的 工作效率，減少加工設備的使用降低相關的成本，更有效地挖掘社會資源。 3.2 五軸聯(lián)動輪廓加工牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)擁有的高級功能 盡管引進了牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)的材料加工快速成形技術，但目前主流的加工形式仍然是 CNC 多軸聯(lián)動輪廓切割。 三軸聯(lián)動輪廓加工系統(tǒng)的 代表 是 inLab（德國西諾德），它是可以僅沿一個軸向切割的機器，所以其切刀軸線的曲率不對準一致矢量方向，并且由于切割器的內徑尺寸，所以有些工件 部分切下，一些過切。因此， 由三軸加工的成品 表面只是 形成近似曲面。該系統(tǒng) 用于修復的簡單形式 是高效的，它 是昂貴的 和易于使用的。但是，只沿一個方向其切刀精度較 低 。四軸聯(lián)動 輪廓加工以 芝諾（維蘭德-IMES，德國）為代表，它配備了三軸聯(lián)動輪廓系統(tǒng)，它允許整個冠 在一個夾緊加工的基礎上 附加 一個 旋轉 的 軸。 此外， 4 軸聯(lián)動輪廓加工通過旋轉工件可以實現更好的切削條件和內部的一些表面處理，從而減少齒形誤差。然而，與五軸聯(lián)動 輪廓加工相比刀具軸方向在大多數情況下與 彎曲表面的矢量方向 不一致，并且處理仍然是一個近似值。相對于 3 軸聯(lián)動輪廓加工， 4 軸聯(lián)動輪廓加工 節(jié)省 材料和輔助時間，而其剖面輪廓加工精度不高，這導致 無法處理凹表面。 五軸加工的 6 代 表是珠穆朗瑪峰的 Everest Engine of KaVo 和 ESPE KaVo 熔巖數控 500 3M，它 在四軸的基礎上增加了一個擺動軸系統(tǒng)。 刀具軸 在彎曲 表面加工過程中 的參考矢量 是 在任何點上的 ，所以它可以精確地計算更新， 通過選擇適當直徑 的切削工具以改善的機械加工精度以及彎曲 表面的加工效率和加工質 量 10， 11 。 因此，它可以具有更寬的加工范圍，并達到較高的加工效率和加工精度 12-14 。目前很少有牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)使用 5 軸聯(lián)動輪廓加工技術，可牙科 CAD / CAM系統(tǒng)的五軸聯(lián)動加工技術有許多先進的功 能。事實上，當一些五軸機床用于假牙的加工時，采用三軸粗加工可實現更高的加工效率，同時為了獲得更高的加工精度和加工質量，五軸加工過程通常在收尾階段。 3.3 使用微型電腦和改進的刀具準確評估冠的精度 假牙加工要求的精度為 0.05 毫米，而目前大多數數控機床的定位精度（行程范圍在 500 毫米）的機械制造精度是 0.012 毫米，重復性 0.008 毫米（根據ISO230/ 2 標準），他們可以充分滿足假牙加工的要求。重要的是該精度是指靜態(tài)精度，不是加工精度也不是輪廓精度 15 。 到現在為止機床工具行業(yè)的曲面輪廓精度沒有評價 標準。這是因為還沒有有效的測量裝置對小尺寸自由曲面 進行精確測量。與傳統(tǒng)的測量裝置相比接觸式探針 可實現 的測量精度高得多， 一般 為 0.002 毫米。但 是探頭直徑超過 1 毫米，這使得它不適合牙冠內部的測量 。另一方面，非接觸式測量一般采用線 性激光掃描，其測量精度為 0.015 毫米，這是在相同的精度等級的測量對象，是不正確 的測量 16 。 假牙加工精度難以測量的另一個原因是，冠只能處理后進行測量，而它被設置在天然牙之間。測量的目的是評估適應，這是不同于機械行業(yè)相對于基準的測量。所以，常規(guī)測量評價標準是不適用的。 冠內部檢測精 度的常用方法包括印象的復制和剖面的方法，印象復制技術具有很多版本 。近年來 一些學者采用硅橡膠印模結合 Photoshop 軟件的 方法封裝，以評估假體的適應性。這個方法是具有局限性 ，因為它不能夠提供一個精確確定的間隙尺寸 17 。用剖面的方法，假體被固定在（通過膠合）基模 后 從不同的 7 方向測量的邊緣吻合度與水泥的厚度，在立體顯微鏡下包裹和嵌入 18,19 。其缺點在于：該方法可能破壞 鑄件和模具，并可能會導致假體的變形。 顯微 CT 技術基于微焦點 X 射線成像，三維成像技術是一種新型的超高分辨率技術。高精度的 3D 圖像顯示樣品內 的詳細信息，可以得到不損壞樣品 20 。在這項研究中，三維微型電腦來衡量適應的冠，冠后的模具投入到剖開的橫截面。這種方法不僅解決了假牙與模具之間的測量問題，而且還提供了冠橫截面特征尺寸，使機床設計輪廓精度更高。 McLean 等人提出，臨床上可接受的的邊緣間隙應為 120 微米。但一些研究人員認為，可接受的內部間隙在 200-300 微米的范圍內。不過到目前為止，還沒有科學證據支持這些假設 21,22 。研究表明，全冠邊緣的 Cerec3 的差距是27-162 微米 23-26 ，內冠的差距是 73-320 微米。在這個實驗中 測得的冠的邊緣間隙和內間隙均略高于現有的商用牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)所測得結果 27 ，這種差異可能歸因于機床設計的不同，切削工具和加工過程中的使用問題等。 參考文獻： 1 Duret F, Preston JD. 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