科普长文｜CAD/CAM数字化制造在口腔牙科的应用

2023-10-18          编辑：刘军

简介：

CAD/CAM和3D打印技术的兴起开启了口腔牙科数字化新时代：舒适的病患体验、高效的诊治和高性价比义齿定制。本文中，生产专家Maxime Fontaine将深入探讨 CAD/CAM 数字化制造技术在口腔牙科的工作原理、生产种类以及优缺点。

口腔牙科正利用CAD/CAM数字化制造技术，迅速将长期以来以费时和几乎完全手工制作而著名的过程数字化。借助最新的设计和制造技术，CAD/CAM数字化制造技术开启了口腔牙科新时代，标志着更高效的程序、更精益的工作流程以及更卓越的患者体验。

在本文中，我们将深入探讨口腔牙科的CAD/CAM数字化制造技术，包括其工作原理、涉及内容、优点、缺点以及相关技术。

CAD/CAM数字化制造技术在口腔牙科中的应用？

计算机辅助设计(CAD)是指使用软件创建口腔牙科产品的数字三维模型，而非传统的蜡模型制作方法。

计算机辅助制造(CAM)是指由机器完成、并由软件控制的CNC铣削和3D打印等技术，而非传统的手工铸造或陶瓷雕刻等工艺。

CAD/CAM数字化制造在牙科中的应用涵盖了使用CAD工具和CAM方法制造牙冠、假牙、嵌体、高嵌体、牙桥、贴面、种植体以及基台修复体或修复体等牙科产品。

简而言之，牙医或技术人员使用CAD软件创建虚拟牙冠，并通过CAM过程进行数字化制造。如您所见，牙科CAD/CAM数字化制造相对于传统方法更具可复制性和可扩展性。

口腔牙科CAD/CAM数字化制造技术的发展

口腔牙科CAD/CAM数字化制造技术的引入改变了口腔牙科诊所和口腔牙科实验室处理印模、设计和制造的方式。

在CAD/CAM 技术出现之前，牙医会使用石膏或硅胶对患者的牙齿进行印模。牙医或口腔牙科实验室的技术人员将使用这种印模用石膏制作模型。然后石膏模型将用于制造个性化假肢。从头到尾，这个过程需要患者安排两到三次预约，具体取决于最终产品的准确性。

口腔牙科CAD/CAM数字化制造技术及其相关技术使以前的手动流程变得更加数字化。

该过程的第一步可以直接在牙医办公室完成，牙医使用口内三维扫描仪记录患者牙齿的数字印模。生成的三维扫描结果可以发送到口腔牙科实验室，技术人员在 CAD 软件中打开它，并使用它来设计将要打印或铣削的口腔牙科部件的 3D 模型。

即使牙医使用物理印模，口腔牙科实验室也可以利用 CAD 数字化设计技术，即通过桌面扫描仪将物理印模数字化，使其在 CAD 软件中可用。

口腔智造：CAD/CAM数字化制造技术的优势

鉴于 CAD/CAM 牙科速度更快且工作流程更为简化，这对于牙科诊所和实验室而言也更具成本效益。例如，无需购买或运输印模或铸件所需的材料。此外，CAD/CAM 技术还有助于解决牙科实验室面临的技术人员短缺问题，因为它们能够每天为每位技术人员制造更多的假体。

另一个显著的好处是CAD/CAM 牙科通常需要患者进行更少的就诊，只需进行一次口腔内扫描和一次放置过程，使患者享受更便利的治疗过程。此外，它也提高了患者的舒适度，因为他们可以接受数字扫描，避免了长时间咬合粘稠的海藻酸盐材料并等待其凝固的不愉快过程。

此外，牙科 CAD/CAM 技术也提供了更高的产品质量。口内扫描仪、三维设计软件、铣床(CNC Milling)和3D打印机的数字精度通常能够产生更可预测和更符合患者需要的结果。此外，CAD/CAM 牙科还使诊所更轻松地处理复杂的修复体。

CAD/CAM数字化制造技术在牙科的具体应用

口腔牙科CAD/CAM数字化制造技术应用主要是修复工作，即修复和更换腐烂、损坏或缺失的牙齿。 CAD/CAM 技术可用于制造各种口腔牙科产品，包括：

牙冠 Crowns

嵌体 Inlays

高嵌体 Onlays

贴面 Veneers

牙桥 Bridges

全口、半口假牙 Full and partial dentures

种植体修复 implant restorations

活动局部假牙(支架) Removable Partial Denture

总体而言，口腔牙科的CAD/CAM数字化制造技术很有吸引力，因为它更快、更容易，同时经常提供更好的结果。

口腔牙科CAD/CAM数字化制造的工作流程

口腔牙科CAD/CAM数字化制造遵循简单的流程，如果所有流程都在内部完成，则可以在短短 45 分钟内完成。步骤通常包括：

1、准备：牙医清除所有腐烂物，以确保患者的牙齿做好扫描和修复的准备。

2、扫描：牙医使用手持式口内扫描仪捕获患者牙齿和口腔的三维图像。

3、设计：牙医(或诊所的其他成员)将三维扫描数据导入 CAD设计软件，并创建修复产品的 3D模型。

4、生产：定制修复体(牙冠、贴面、假牙等)，并采用 3D打印或铣削方式生产修复体。

5、精加工：此步骤取决于产品和材料的类型，但可能包括烧结、染色、上光、抛光和烧制(对于陶瓷)，以确保精确的配合和外观。

6、放置：牙医将修复修复体安装在患者的口腔中。

1、三维扫描：数字化印模流程

数字印模是通过口内三维扫描仪制作的，这些扫描仪是一种薄而轻便的设备，可以直接置于患者口腔内，能在几秒内扫描患者的牙齿。某些扫描仪甚至配备更薄的尖端，以适应那些难以张大嘴巴的患者。

这些三维扫描仪使用视频或LED灯快速捕获患者牙齿和口腔的高分辨率、全彩图像。扫描图像可以直接导入CAD软件进行设计，省去了中间步骤。相较于传统的物理印象，数字图像更为准确、更加详细，且不容易出错。

这一方法的另一个重要优势在于牙医可以确保确保咬合的质量并确保有足够的咬合空间。此外，牙科技工室在牙医准备和审核数字印模后，仅需数分钟就可以收到数字印模，而不需要处理通常与物理印模的运送时间和费用有关的问题。

2、数字化设计：口腔牙科CAD工作流程

将三维扫描数据导入CAD软件后，牙医或设计专家可以使用该软件创建牙冠、贴面、假牙或种植体等牙科产品。

这些软件通常会引导用户完成创建与患者的牙齿形状、大小、轮廓和颜色相匹配的产品的过程。该软件允许用户调整厚度、角度、骨水泥间隙和其他变量，以确保正确的贴合和咬合。

CAD 软件还可能包含特定工具，如接触分析器、咬合检查器、虚拟咬合架或解剖库，所有这些工具都有助于改善设计。它还可以确定插入轴的路径。许多CAD应用程序还使用人工智能(AI)来简化、优化和自动化许多步骤，或者为用户提供建议。

CAD 软件还可以协助选择材料，因为不同材料具有不同的弯曲强度、机械强度和半透明度组合。

3、加工编程：口腔牙科CAM工作流程

完成牙科产品的设计后，文件将被发送至CAM软件，以控制3D打印机或CNC铣床。

根据CAM软件和输出设备的类型，生产可能完全自动进行，也可能需要技术人员启动该过程。有些工厂配备了自己的CAM系统，而其他工厂可能会将CAD文件发送到外包制造的中心。

对于树脂产品，如牙科模型、铸造模型和手术导板，最常见的两种3D打印技术是立体光刻(SLA)和数字光处理(DLP)。

通过SLA，激光束照射充满液体树脂的容器，从而固化选定的颗粒。DLP的工作原理与SLA相似，但使用数字光投影仪而不是激光。因此，DLP可以一次暴露整个层或树脂，而SLA中使用的激光必须四处移动才能做到这一点。一般来说，SLA更为精准，而DLP更快。取决于修复体类型，一种技术可能比另一种更为适宜。

这两种方法都需要进行后处理，包括溶剂清洗或旋转去除多余的树脂，有时还需要去除支撑结构。

对于最终修复体通常是金属制品，两种最常见的3D打印技术是选择性激光熔化(SLM)和直接金属激光烧结(DMLS)。这两者的工作原理与SLA类似，但使用功率更高的激光来熔化金属粉末并塑造最终的牙冠、牙桥、RPD框架或正畸器具。SLM和DMLS都需要进行后处理热处理，以确保材料保持其强度和形状。

另一方面，铣削是一种减材工艺，通过去除固体块或盘上的材料来制造牙科产品。CAM软件的编程功能将数字3D文件转换为刀具路径，以最有效的方式切除周围不必要的材料，同时保持速度、质量和运营成本的平衡。

大多数牙科铣床都是5轴系统，能够生产非常复杂的零件，例如种植杆或全口桥。机床的第五轴允许铣床倾斜材料块以到达底部和插入轴，这是3轴系统无法实现的。值得注意的是，随着CAD/CAM牙科市场的增长，这些铣床变得越来越小、设计更加紧凑，以便在牙科诊所中也能轻松实现工作。

材料：数字化制造能够生产哪些口腔牙科产品？

口腔牙科诊所或口腔牙科实验室使用的 CAM 设备类型很大程度上取决于产品所需的材料类型。常见的材料选择包括：

烤瓷：可实现最佳美观(外观)，但前牙修复体强度较低

树脂：在全覆盖或部分覆盖修复体中具有更大的灵活性

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)：用于临时修复体

陶瓷(二硅酸锂)：在全覆盖后牙修复体中具有高抗弯强度

氧化锆：在牙冠和后牙修复体中具有卓越的机械强度

钴铬合金：用于 RPD支架、种植和正畸矫治器

CAD/CAM数字化制造与种植牙科

种植牙科专注于替代缺失的牙齿。种植系统通常由一个植入体构成，它被外科手术植入到患者的下颚，通常位于牙齿根部所在的位置，还包括一个植入体连接柱，它附着在植入体上并穿过牙龈组织，以及一个牙冠。

CAD/CAM牙科技术可以用于创建种植系统的每个部分，通常使用钛材料进行植入体和连接柱的CNC铣削。根据其位置、牙医的偏好和患者的预算，牙冠可以由锆石、金属陶瓷(PFM)、陶瓷(二硅酸锂)或金制成。临时牙冠(用于在最终牙冠制成时安放)可以由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或树脂制成。

CAD/CAM数字化制造技术还可以用于制作咬合夹板，帮助患者避免在夜间磨牙，以及制作手术导板，这些是由树脂制成的套筒，放置在患者的下颚上，以帮助外科医生在正确的位置钻植体。

牙科CAD/CAM数字化制造技术的缺点

与牙科领域的任何技术一样，CAD/CAM数字化制造技术也存在一些需要考虑的不足之处。对于牙科诊所和实验室而言，成本可能是一项障碍。初始投资，包括软件、3D打印机、铣床和后处理设备等，可能相当高昂。

此外，使用CAD/CAM数字化制造技术需要学习曲线。如果没有自动化解决方案的帮助，与数字文件准备和数据管理相关的手动工作可能很多，而这些工作对于牙科技工而言可能不太熟悉。这是因为CAD/CAM牙科技术相对较新，通常不包含在技工的培训课程中。

通常情况下，员工需要学习如何使用多种软件工具，包括口腔内扫描、CAD和CAM。如果购买了新的铣床或3D打印机，员工可能还需要学习另一个软件应用程序。更不用说目前的劳动力短缺可能会使寻找足够的受过培训的牙科技工成为一项难题，尤其是对于大型诊所或实验室来说，更不用说拥有强大的CAD/CAM技能的高素质牙科技工。

未来展望：牙科CAD/CAM数字化制造自动化与AI

CAD/CAM牙科技术持续不断地发展演进。由于这些技术是数字化的，牙科实验室正在不断改进其效率和易用性。

最近的两个例子包括人工智能(AI)和“智能自动化”。在一些先进软件上，AI被用来自动化所有的CAM步骤，包括：

文件分类和分区

零件摆放

镂空

打标

支撑结构设计

打印排版

切片和填充

在口腔牙科实验室等大型企业中，人工智能可以自动化整个预生产工作流程。具体来说，软件可以学习：

将零件分类为预定义的类别(牙冠、基台、贴面等)

识别零件上的感兴趣区域，并相应地应用标签和支撑结构

为零件的正确摆放方向提供建议(如最快打印角度、最佳表面质量角度、最节约耗材角度等

最大化 2D 和 3D 排版生产密度

根据机器和技术人员的可用性、交货日期和其他因素来计划生产

这降低了牙科实验室雇佣熟练的3D打印机和CNC铣床操作员的需求，同时通过最小化文件准备和制造所需的时间，提高了这些系统的效率。在这个快速增长的市场中，通过更少的员工从这些机器中提取更多的价值对于最大化盈利至关重要。

口腔智造，简化口腔牙科数字工作流程：AI与关键软件

口腔牙科的CAD/CAM数字化制造技术已经使许多实验室的口腔牙科生产变得更快、更容易，并且很可能会成为广泛应用的生产方式。

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