正确的3D设计生产方案征服牙科模具所面临的挑战

【编者按】来自SensAble Technologies公司的3D设计生产方案，使Mertz Detal公司的系列假牙成品模具的设计和生产过程，从原来的24个月缩减到6个月，同时还提高了产品的质量。

正如流行的时装那样，假牙的生产也随着其样式的发展而发生着变化。当牙齿需要更换时，牙科医师及病人就会从各种设计样式和功能的假牙中进行选择。德国Lütjenburg的Merz Dental公司是从事假牙设计的高端企业之一，具有每年制造150万颗假牙的生产能力。

Merz Dental公司生产的假牙具有柔美的曲线、不同的厚度、自然的牙脊以及其他模拟天然牙齿的表面细节，虽然其形状变化似乎很小，但关键部位的设计有很大差异，通常每隔几年需要更新一次。此外，由于假牙必须仔细地就位，既需要与整个口腔合适地匹配，也需要与部分的牙齿对齐，因此其设计精度和生产精度是至关重要的。因而，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或类似丙烯酸材料制造的假牙模具（图1）必须完美无缺，以确保最终产品能满足舒适的进食功能和清晰的说话要求，而且也要满足令人愉悦的美观要求。

图1 Merz Dental:公司用于制造（人造）假牙的模具

Merz Dental公司作为第一家利用CAD/CAM软件进行假牙设计的假牙制造商而感到自豪。该公司整整花费了一年的时间来测试各种CAD/CAM解决方案和实施FreeForm自由造型，这是一个3D设计生产方案，于2003年从SensAbleTechnologies公司引进，用于支持更快速的工作流程。

FreeForm自由造型软件让Merz Dental公司系列假牙成品模具的设计过程和生产时间从24个月缩减到6个月，同时提高了产品的质量。由于其具有有机的3D设计能力，及分析3D模型的特点，FreeForm自由造型软件帮助Merz Dental公司加快了工艺发展进程，确保了优质模具的批量生产。随着FreeFrom自由造型软件的不断更新，Merz Dental公司可以节省更多的生产时间，而且其总体的数字化工作流程也得到了进一步细化。

自1952年以来，当其以Zahnfabrik Werchan Dental公司的名义开展业务时，并且在其与Merz Pharm有限公司的牙科材料单位合并之前，Merz Dental公司一直在不断地更新其假牙产品系列，每隔几年，都会对其某个系列的产品进行重新设计。

其四大假牙系列产品，无论在形状（圆形、方形或扁平形）、尺寸和颜色等这类美学方面都在不断地变化，所提供的每一系列产品，均有22种不同的尺寸款式。而且，每个假牙系列产品包括了人类32个牙齿的每一种齿型，既可以全副购买，也可以单独购置。如此广泛的产品，及其任意选购的方式，意味着Merz Dental公司必须保持280多种生产假牙的模具，形成了一个强烈的以模具为中心的业务体系。

图2 Merz Dental公司排列在纸板上销售的（人造）假牙

传统工作流程所面临的挑战

传统的假牙工作流程涉及到按设计图建议的蜡模手工制作成型，然后采用电子蚀刻工艺制作模具，但也是以手工的方式进行。这已经是一项多方面完善的艺术，但还是不够精确，而且非常耗时。CAD/CAM的出现，通过为模型细化提供了一个数字起始点，并通过更加精确和精密的加工，大大提高了模具的设计和模具制造工艺，传统的CAD/CAM工具和工作流程也面临着一些新的障碍和挑战：

（1）传统的CAD工作流程从扫描转移到表面接触，从而形成一个NURBS曲面。对于高级几何图形设计而言，这个工艺是好的，但对于像假牙这样的有机形状来说，标准的CAD系统无法顺利地操作颠倒的补丁，需要更多的时间，这一般会造成不太有利的结果。

（2）传统的模具制造工艺完全依赖于NURBS曲面加工，但NURBS并不是捕捉牙齿复杂形状的最好定义格式。

（3）大多数模具制造商对于从STL文件直接铣削加工的方式抱着十分怀疑的态度。在传统的CAD/CAM系统中，将STL分裂或在STL上找到一条分型线几乎是不可能的。然而，如果能与完美的分型面和边界线相结合，那么在精心准备的STL上加工，可以达到更快的速度，并可获得更好的结果。

经过改进的CAD/CAM工作流程

然而，采用正确的CAD/CAM工作流程可以使模型和模具制造过程减少几个星期的时间，同时又可确保其加工的精密度和精确度。输入FreeForm自由造型软件，可以让Merz Dental公司避免补丁和NURBS，并关闭STL文件。Merz Dental公司的模具部门已将SensAble公司的FreeForm自由造型软件融入到了其设计和生产工艺流程之中。为了加快工作流程，Merz Dental公司依靠本地的CAD/CAM软件顾问——Antonius Koester有限公司，因为该公司拥有高速加工和扫描技术的广泛知识。

在Merz Dental公司，设计人员开始通过将现有的假牙或齿型库文件（通常为STL文件）输入到FreeForm自由造型软件之中，以便快速的清理和修改，优化形状和扫描可变尺寸的齿形。传统的CAD模型创建这些形状几乎是不可能的，但FreeForm自由造型软件是一个建立在三元像素基础之上的3D有机设计生产系统（它将三元像素看做是3D像素）允许设计人员用数字粘土以类似物理粘土的方式进行雕塑造型。以三元像素为基础的FreeForm自由造型软件可以用无与伦比的速度，使其达到与一个天然牙齿相匹配的精确形状。此外，采用FreeForm自由造型软件，就无需管理复杂的补丁计划及处理补丁与补丁之间的关系，正如表面或实体模型所要求的那样，去改变牙齿的形状。

Merz Dental公司的模具制作工Christian Borowski先生，结合使用独特的触摸式（具有触摸功能）装置，代替计算机鼠标，使设计达到高度的细化，这对Merz Dental公司的市场定位，提供人造假牙的独特美学是十分关键的。SensAble公司的触摸式设备允许用户采用手写笔输入的方式制作模型，从理论上增加了用户手感，从而使Merz Dental公司的团队成员在屏幕上设计时能够感受到不断变化的假牙模型。这种精确地雕塑方式，可以节省时间，具有极大的优势。用户只需在屏幕的设计图上精雕细刻，刻雕和清除不需要的部分，使他们能够在很短的时间内，制作出更接近天然牙齿的模型。

下一步，Christian先生和他的团队将分析采用FreeForm自由造型软件所设计牙齿的可制造特性，固定底切部分和使用FreeForm自由造型软件的专业化工具，以确定最佳的脱模方向和优化分型曲线，这样就可以使其形成一条具有更好质量的模具设计流水线。按照Christian先生的说法，采用FreeForm自由造型软件设计，可以使成品假牙以最佳的方式脱模，其脱模速度确实很快，精确度很高，而且脱模也非常容易。一个新近增加的FreeForm自由造型分裂网络功能，可以让模具作为STL文件的混合形式（用于捕捉齿形）和NURBS形式（用于确定闭合表面）进行设计。由STL定义的模具型腔允许Merz Dental公司在牙齿上保留更多的纹理，让Merz Dental公司从STL文件直接进行铣削加工，这样不会失去牙齿的重要细节和纹理，这对展示其实际外观是十分关键的。当设计人员准备审核时，Merz Dental公司将其制作的原型模具进行设计测试，然后采用STL文件在Roeders高速铣床上进行铣削加工，创建在假牙最后生产中使用的最终模具。Merz Dental公司也为其他公司提供这样的特殊设计服务。

“FreeForm自由造型软件使我们能够达到难以置信的精确度和速度，如果采用手工方式和其他的CAD/CAM解决方案是不可能实现的。”Merz Dental公司的Christian Borowski先生说，“该解决方案已经帮助我们确保了特殊3D模型和精密模具的领先特性，当其发生快速变化时，可以很容易地使我们整个以模具驱动的生产工艺，实现流水线作业。”

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