外文翻譯--在開放CAM牙科系統(tǒng)基礎(chǔ)上的國(guó)產(chǎn)5軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工數(shù)控機(jī)床和工業(yè)CAM軟件 中文版

1 在開放 CAM牙科系統(tǒng)基礎(chǔ)上的國(guó)產(chǎn) 5 軸聯(lián)動(dòng) 輪廓加工 數(shù)控機(jī)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(xué)，北京 100000，中國(guó) 2， 北京 勝維弘技 數(shù)控設(shè)備有限公司，北京 100002，中國(guó) 3， 中國(guó)人民解放軍 306 醫(yī)院，北京 10000，中國(guó) 4， 華中科技大學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工程研究中心，武漢 430060，中國(guó) 華中科技大學(xué)科技 出版社與柏林海德堡施普林格出版社 2011 摘要 ： 中國(guó)制造的 5 軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工數(shù)控機(jī)床與國(guó)內(nèi)發(fā)達(dá)的工業(yè)計(jì)算機(jī) 輔助制造技術(shù)（ CAM） 被用于全冠的制作和冠的精度測(cè)量 ，試圖建立一個(gè)開放的牙科 CAM系統(tǒng) 以 處理和推進(jìn) 國(guó)內(nèi)牙科 引進(jìn) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD/ CAM 系統(tǒng) 。 市售的掃描設(shè)備是 用于制備冠后做一個(gè)基本的數(shù)字牙模型 ， 與 CAD 軟件自帶的掃描裝置設(shè)計(jì)冠采用國(guó)產(chǎn)工業(yè) CAM 軟件為冠數(shù)據(jù)的過程中產(chǎn)生固體模型 ， 然后 國(guó)產(chǎn)五 軸 聯(lián)動(dòng) 輪廓數(shù)控機(jī)床來完成整個(gè)樹冠 的加工 ， 采用三維 CT 測(cè)量的樹冠內(nèi)部的內(nèi)部精度。 測(cè)量結(jié)果表明 ,中國(guó)實(shí)現(xiàn)了 五軸 聯(lián)動(dòng) 輪廓 數(shù)控機(jī)床 與 工業(yè) CAM 技術(shù) 對(duì)于 冠 制作 的 結(jié)合 運(yùn)用 ，而且 冠 可在模具內(nèi)很好的定位 。利用 三維 CT 測(cè)量?jī)?nèi)部精度的結(jié)論是一個(gè)在開放的牙科 CAM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，中國(guó)制造的 5 軸聯(lián) 動(dòng)輪廓加工數(shù)控機(jī)床 和 國(guó)內(nèi)工業(yè) CAM 軟件已經(jīng)建 立 。該系統(tǒng)的發(fā)展將推動(dòng)牙科 CAD /CAM 系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)進(jìn)程。 關(guān)鍵詞 ： 牙科計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造；五軸聯(lián)動(dòng)輪廓數(shù)控機(jī)床； CAM 軟件；開放牙科CAM 系統(tǒng) 隨著生活標(biāo)準(zhǔn)的提高 ，中國(guó)對(duì)假牙的需求一直在上升。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（ CAM）技術(shù)，統(tǒng)稱為 CAD CAM 可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、航空航天領(lǐng)域。在 20 世紀(jì) 70 年代，被成功地引入到假牙制作。上世紀(jì) 80 年代以來，該技術(shù)的應(yīng)用在臨床實(shí)踐中 大大縮短了處理時(shí)間，降低 了口腔修復(fù)體的價(jià)格， 2 并美化了牙齒修復(fù)結(jié)果 的外觀，精度及適用性。 與 CAD / CAM 技術(shù)在其他工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用相比，到目前為止， CAD / CAM技術(shù)的牙科 發(fā)展 保持在一個(gè)過渡階段 ，仍然有很長(zhǎng)的路要走，以滿足臨床醫(yī)生和患者的需求。此外，在中國(guó)大多數(shù)醫(yī)院都 買不起進(jìn)口的 CAD / CAM 系統(tǒng)，可行的解決方案 是引進(jìn)國(guó)內(nèi)開發(fā)的系統(tǒng)。如 Lu et al 等一些中國(guó)學(xué)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(guó) 還沒有 CAD / CAM 系統(tǒng) 的工業(yè)化 。 在這項(xiàng)研究中，我們研究組與中國(guó)武漢數(shù)控工程中心和北京 勝維弘技 數(shù)控 設(shè)備有限公司合作 ， 采用了國(guó)產(chǎn)工業(yè) CAM 系統(tǒng)和五軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工數(shù)控機(jī)床處理人工冠并測(cè)試人造冠與微型 CT 的適應(yīng)。試圖在中國(guó)國(guó)內(nèi)的 CAD / CAM 系統(tǒng)中引進(jìn)推廣。 1材料和方法 1.1 材料 3Shape 的牙科系統(tǒng)掃描儀 2009， 內(nèi)置口腔 CAD 軟件， 3shape A / S 丹麥有限公司產(chǎn) 。 CAM 軟件包（中國(guó) 多軸同步輪廓編程系統(tǒng)， 2.0 版），由華中科技大學(xué)工程研究中心 ，武漢，中國(guó)。五軸數(shù)控機(jī)床（ TX-5/2200 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心），由 北京 勝維弘技數(shù)控設(shè)備有限公司制造 。三維微型電腦（ XM-TRACER-225）由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所提供 。 1.2 CAD / CAM 制備牙冠 1.2.1 牙體預(yù)備 臨床上提取自然上頜牙冠修復(fù)和常規(guī)治療。 1.2.2 模具制造 選擇一個(gè)完整的牙列和咬合正常的右上頜第一磨牙全冠修復(fù)可動(dòng)模具。然后模具被取下，并取代前述的天然齒。 1.2.3 制作數(shù)字印模 天然齒進(jìn)行粉末噴涂（西諾德公司，德國(guó)），和石膏模具被掃描，以獲得數(shù)字模型，在模具和目標(biāo)齒咬合面。 1.2.4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 3 CAD 軟件，它與掃描儀被用來生成的數(shù)字化模型的表冠進(jìn)行處理。在保存 STL格式的文件。 1.2.5 計(jì)算 機(jī)輔助制造 上述國(guó)內(nèi) CAM 軟件，用于處理數(shù)字冠模型的 STL 文件。由此，在 IGES 格式文件的 基礎(chǔ)上 生成和保存處理冠模型。通用機(jī)床是用來處理 IGES 文件從而 評(píng)級(jí)的刀具路徑文件的機(jī)器（ CAM）。 TX-5/2200 五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心機(jī)樹脂塊（也稱為工業(yè)膠木）完成冠的生產(chǎn) 。 為提高模型的準(zhǔn)確性一個(gè)逆處理應(yīng)用于 STL 格式模型轉(zhuǎn)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(dòng)輪廓 加工 機(jī)床處理。 1.3 冠的精度測(cè)驗(yàn) 天然牙的替換模型和 3D-微型電腦掃 描儀用于選擇測(cè)量點(diǎn)（圖 1）和表冠計(jì)算出和模具之間的公差投入處理樹脂冠。 圖 1 冠間隙測(cè)量示意圖： A1， A2 制備體邊緣； B1， B2：肩軸平面的交點(diǎn)； C1， C2， D1， D2：軸平面三等分點(diǎn)； E1， E2：軸的壁和咬合平面的交點(diǎn)； G1， G2：咬合平面的三節(jié)點(diǎn) 2.結(jié)果 通過使用國(guó)產(chǎn) 5 軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工數(shù)控機(jī)床和國(guó)產(chǎn) CAM 系統(tǒng)制作完整的冠， 數(shù)字冠模型在經(jīng)審核后 被證明是非常 吻合的 。冠內(nèi)部精度由 三維 CT 測(cè)量 （圖 2）表 1 中給出。 4 表 1 冠內(nèi)部的三維 CT 精度 檢測(cè)結(jié)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(cè)后得到的冠內(nèi)部精度的剖視圖 3.討論 3.1 牙科修復(fù)處理工業(yè)機(jī)床和 CAM 軟件的優(yōu)點(diǎn) 傳統(tǒng)牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)主要有兩種類型 ：廠房 生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)。他們大多是封閉的系統(tǒng)：同一品牌的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈募荒鼙蛔x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(shù)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了一個(gè)新 的牙科 CAD/ CAM 模式 集中生產(chǎn)和制造業(yè)中心，這是一個(gè)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(shè)計(jì)論文，這樣產(chǎn)生的數(shù)字文件發(fā)送到一個(gè)生產(chǎn)中心。 冠修復(fù)部分將被生產(chǎn)制造中心加工，之后除了修復(fù)所有的其他部分將在牙科實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。一個(gè)牙科實(shí)驗(yàn)室可以處理多個(gè)生產(chǎn)中心，反之亦然。隨著越來越多先進(jìn)的掃描和處理細(xì)胞技術(shù)領(lǐng)域的口腔修復(fù)體被引入， STRUB 等人認(rèn)為，這種開放的模式將得到更廣泛的應(yīng)用前景。 CAD / CAM 在裝備制造業(yè)是一個(gè)普遍的概念，牙科 CAD / CAM 加工系統(tǒng)有 著廣闊的前景，已經(jīng)吸引了許多的機(jī)床制造商和軟件供應(yīng)商。而牙科 CAD / CAM系統(tǒng)繼續(xù)開放，促進(jìn)更多的牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)中使用工業(yè)機(jī)床和 CAM 軟件。德 5 國(guó)軟件供應(yīng)商 OPENMIND 已經(jīng)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(shù)字牙科模型與數(shù)字高精密加工密切結(jié)合起來。該公司還開發(fā)了一種牙科修復(fù)過程中使用的特殊高性能刀具。世界領(lǐng)先的專業(yè) CAD / CAM 軟件公司英國(guó) 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(jī)床制造商， Roeders（德國(guó)）和 DMG 已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的加工技術(shù)，如超聲波處理技術(shù)的牙科工業(yè)機(jī)床等更專業(yè)的牙科 CAD / CAM 數(shù)控加工機(jī)床。 航空業(yè)的出現(xiàn)使多軸工業(yè)機(jī)床有更高的功率，效率，精度和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的牙科 CAM 系統(tǒng)處理的單元相比，工業(yè)機(jī)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(duì)象，假牙冠內(nèi)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(fù)工業(yè)機(jī)床 CAM 系統(tǒng)的應(yīng)用還可以使牙修復(fù)處理工業(yè)化，從而提高了牙科修復(fù)處理的 工作效率，減少加工設(shè)備的使用降低相關(guān)的成本，更有效地挖掘社會(huì)資源。 3.2 五軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)擁有的高級(jí)功能 盡管引進(jìn)了牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)的材料加工快速成形技術(shù)，但目前主流的加工形式仍然是 CNC 多軸聯(lián)動(dòng)輪廓切割。 三軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工系統(tǒng)的 代表 是 inLab（德國(guó)西諾德），它是可以僅沿一個(gè)軸向切割的機(jī)器，所以其切刀軸線的曲率不對(duì)準(zhǔn)一致矢量方向，并且由于切割器的內(nèi)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(fù)的簡(jiǎn)單形式 是高效的，它 是昂貴的 和易于使用的。但是，只沿一個(gè)方向其切刀精度較 低 。四軸聯(lián)動(dòng) 輪廓加工以 芝諾（維蘭德-IMES，德國(guó)）為代表，它配備了三軸聯(lián)動(dòng)輪廓系統(tǒng)，它允許整個(gè)冠 在一個(gè)夾緊加工的基礎(chǔ)上 附加 一個(gè) 旋轉(zhuǎn) 的 軸。 此外， 4 軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工通過旋轉(zhuǎn)工件可以實(shí)現(xiàn)更好的切削條件和內(nèi)部的一些表面處理，從而減少齒形誤差。然而，與五軸聯(lián)動(dòng) 輪廓加工相比刀具軸方向在大多數(shù)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(gè)近似值。相對(duì)于 3 軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工， 4 軸聯(lián)動(dòng)輪廓加工 節(jié)省 材料和輔助時(shí)間，而其剖面輪廓加工精度不高，這導(dǎo)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(shù)控 500 3M，它 在四軸的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)擺動(dòng)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(diǎn)上的 ，所以它可以精確地計(jì)算更新， 通過選擇適當(dāng)直徑 的切削工具以改善的機(jī)械加工精度以及彎曲 表面的加工效率和加工質(zhì) 量 10， 11 。 因此，它可以具有更寬的加工范圍，并達(dá)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(dòng)輪廓加工技術(shù)，可牙科 CAD / CAM系統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)有許多先進(jìn)的功 能。事實(shí)上，當(dāng)一些五軸機(jī)床用于假牙的加工時(shí)，采用三軸粗加工可實(shí)現(xiàn)更高的加工效率，同時(shí)為了獲得更高的加工精度和加工質(zhì)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(jìn)的刀具準(zhǔn)確評(píng)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(shù)數(shù)控機(jī)床的定位精度（行程范圍在 500 毫米）的機(jī)械制造精度是 0.012 毫米，重復(fù)性 0.008 毫米（根據(jù)ISO230/ 2 標(biāo)準(zhǔn)），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(xiàn)在為止機(jī)床工具行業(yè)的曲面輪廓精度沒有評(píng)價(jià) 標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)檫€沒有有效的測(cè)量裝置對(duì)小尺寸自由曲面 進(jìn)行精確測(cè)量。與傳統(tǒng)的測(cè)量裝置相比接觸式探針 可實(shí)現(xiàn) 的測(cè)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(nèi)部的測(cè)量 。另一方面，非接觸式測(cè)量一般采用線 性激光掃描，其測(cè)量精度為 0.015 毫米，這是在相同的精度等級(jí)的測(cè)量對(duì)象，是不正確 的測(cè)量 16 。 假牙加工精度難以測(cè)量的另一個(gè)原因是，冠只能處理后進(jìn)行測(cè)量，而它被設(shè)置在天然牙之間。測(cè)量的目的是評(píng)估適應(yīng)，這是不同于機(jī)械行業(yè)相對(duì)于基準(zhǔn)的測(cè)量。所以，常規(guī)測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不適用的。 冠內(nèi)部檢測(cè)精 度的常用方法包括印象的復(fù)制和剖面的方法，印象復(fù)制技術(shù)具有很多版本 。近年來 一些學(xué)者采用硅橡膠印模結(jié)合 Photoshop 軟件的 方法封裝，以評(píng)估假體的適應(yīng)性。這個(gè)方法是具有局限性 ，因?yàn)樗荒軌蛱峁┮粋€(gè)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(cè)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(diǎn)在于：該方法可能破壞 鑄件和模具，并可能會(huì)導(dǎo)致假體的變形。 顯微 CT 技術(shù)基于微焦點(diǎn) X 射線成像，三維成像技術(shù)是一種新型的超高分辨率技術(shù)。高精度的 3D 圖像顯示樣品內(nèi) 的詳細(xì)信息，可以得到不損壞樣品 20 。在這項(xiàng)研究中，三維微型電腦來衡量適應(yīng)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(cè)量問題，而且還提供了冠橫截面特征尺寸，使機(jī)床設(shè)計(jì)輪廓精度更高。 McLean 等人提出，臨床上可接受的的邊緣間隙應(yīng)為 120 微米。但一些研究人員認(rèn)為，可接受的內(nèi)部間隙在 200-300 微米的范圍內(nèi)。不過到目前為止，還沒有科學(xué)證據(jù)支持這些假設(shè) 21,22 。研究表明，全冠邊緣的 Cerec3 的差距是27-162 微米 23-26 ，內(nèi)冠的差距是 73-320 微米。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中 測(cè)得的冠的邊緣間隙和內(nèi)間隙均略高于現(xiàn)有的商用牙科 CAD / CAM 系統(tǒng)所測(cè)得結(jié)果 27 ，這種差異可能歸因于機(jī)床設(shè)計(jì)的不同，切削工具和加工過程中的使用問題等。 參考文獻(xiàn)： 1 Duret F, Preston JD. 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