用于制造牙科工件的系统和方法与流程

本发明总体上涉及一种制造系统，更具体地，涉及一种用于制造包括假体、支撑结构以及钻(drill)或手术模板的牙科工件的系统和方法。

背景技术：

增材制造(additivemanufacturing)是通过通常在计算机的引导控制下沉积重叠的材料层来产生三维部件的工艺。一种增材制造技术被称为直接金属激光烧结(dmls)。dmls技术使用激光，在与待制造的部件的特征和尺寸相对应的精确位置处将高能束引导到粉末金属介质中。当能量束接触粉末金属时，导致粉末金属熔化并焊接在一起，并且焊接到部件的先前熔化的层上。

在某些情况下，仅通过dmls形成的组件是完整的并处于最终形式。然而，在其它情况下，例如在要求尺寸和/或形状方面的紧密公差(tighttolerance，严格公差)的情况下，可以采用其它制造步骤(例如，减材(subtractive)步骤)。这些步骤可以包括形成基部部件(例如，通过铣削和/或车削加工)，随后可以在基部部件上加工印刷部件。基部部件在关键区域中可具有通过增材制造不能实现的严格的外部公差。

dmls和传统的减材制造操作已经一起用于制造牙科假体(dentalprostheses)。例如，于2014年7月15日公布的uckelmann等人的美国专利no.8,778,443(“’443专利”)描述了一种制造用于牙科植入物的基台(abutment，基牙)的方法。该方法包括将预先通过铣削预加工的通用基部构件安装到平台上。该方法接着包括以逐层的方式将定制的主体激光烧结到基部构件上。

尽管’443专利中描述的方法可用于生产高质量的牙科假体，但该方法在某些情况下仍然不是最佳的。例如，由于’443专利的方法使用通用基部构件，所以完成的植入物基台可能不会与特定患者的口腔轮廓很好地匹配。当植入物基台跨越多个齿位(toothsite)时尤其如此。与患者口腔轮廓不匹配的基台可能不舒服、不卫生和不可靠。

所公开的系统和方法旨在克服上述问题中的一个或多个和/或现有技术的其它问题。特别地，本发明涉及根据权利要求1所述的系统、根据权利要求8所述的方法和根据权利要求15所述的牙科装置。有利的实施例是从属权利要求的主题。它们可以自由组合，除非上下文清楚地相反指示。

技术实现要素：

在一个方面中，本公开涉及一种用于制造牙科装置的系统。该系统可以包括：减材机，其被构造成用材料坯料制造牙科装置的基部；以及增材机，其被构造成通过将材料添加到基部的表面上来制造牙科装置的顶部。该系统还可以包括与减材机和增材机通信的控制器。控制器可以被编程为接收与特定患者的口腔相对应的数字数据，并且控制减材机的操作以基于数字数据定制基部。

在又一方面中，本公开涉及一种用于制造牙科装置的方法。该方法可以包括接收与特定患者的口腔相对应的数字数据，并基于该数字数据，用材料坯料减材地制造牙科装置的基部。该方法还可以包括在基部的表面上增材地制造牙科装置的顶部。

具体地，一种用于制造牙科装置的系统包括：

减材机，其被构造成用材料坯料制造牙科装置的基部；

增材机，其被构造成通过将材料添加到基部的表面上来制造牙科装置的顶部；以及

控制器，与减材机和增材机通信，该控制器被编程为：

接收与特定患者的口腔和牙科装置中的至少一个相对应的数字数据；并且

控制减材机的操作以基于数字数据定制基部。

在该系统的一个实施例中，控制器还被构造成控制增材机的操作，以基于数字数据定制顶部。

在该系统的另一实施例中，控制器还被构造成：

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能由减材机加工的几何形状的至少一个特征的第一位置；

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能由增材机加工的几何形状的至少一个特征的第二位置；以及

在虚拟模型中确定将第一位置与第二位置分开的平面的位置，其中，该平面形成虚拟边界，该虚拟边界至少部分地限定基部和顶部。

在该系统的另一实施例中，该平面穿过牙科装置的多个特征。

在该系统的另一实施例中：

该平面为第一平面；并且

控制器还被构造为：

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能由减材机加工的几何形状的至少一个特征的第三位置；

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能由增材机加工的几何形状的至少一个特征的第四位置；以及

在虚拟模型中确定将第三位置与第四位置分开的第二平面的位置，其中，该第二平面形成虚拟边界，该虚拟边界至少部分地限定基部和顶部。

在系统的另一实施例中，第一位置对应于紧密公差和高精度；并且

第二位置对应于复杂自由几何形状。

在该系统的另一实施例中，牙科装置是上部结构(superstructure)、用于安装上部结构的下部结构(substructure)、以及用于将上部结构或下部结构安装在特定患者的口腔中的模板中之一。

在该系统的另一实施例中，减材机被构造成制造与材料坯料相关的参考特征，所述参考特征用在以下的至少一个中：将牙科装置的基部放置在增材机内；和检测牙科装置的基部在增材机内的定向(orientation，方位)。

在该系统的另一实施例中，该系统还包括传送机，该传送机被构造成基于参考特征的位置将基部从减材机传送到增材机。

在该系统的另一实施例中，该增材机被构造成用粉末金属烧结顶部。

在该系统的另一实施例中，基部的选定表面对应于植入物邻接面(abutmentface，基台面)、螺纹孔或牙尖表面中的一个。

具体地，一种用于制造牙科装置的方法包括：接收与特定患者的口腔和牙科装置中至少一个相对应的数字数据；基于数字数据用材料坯料减材地制造牙科装置的基部；以及在基部的表面上增材地制造牙科装置的顶部。

在该方法的一实施例中，增材地制造牙科装置的顶部包括基于数字数据增材地制造该顶部。

在另一实施例中，该方法还包括：

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能通过减材制造加工的几何形状的至少一个特征的第一位置；

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能通过增材制造加工的几何形状的至少一个特征的第二位置；以及

在虚拟模型中确定将第一位置与第二位置分开的平面的位置，其中，该平面形成虚拟边界，该虚拟边界至少部分地限定基部和顶部。

在该方法的另一实施例中，该平面穿过牙科装置的多个特征。

在该方法的另一实施例中，该平面是第一平面，并且该方法还包括：

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能通过减材制造加工的几何形状的至少一个特征的第三位置；

在牙科装置的虚拟模型中确定具有能通过增材制造加工的几何形状的至少一个特征的第四位置；以及

在虚拟模型中确定将第三位置与第四位置分开的第二平面的位置，其中，该第二平面形成虚拟边界，该虚拟边界至少部分地限定基部和顶部。

在该方法的另一实施例中，第一位置对应于紧密公差和高精度；并且第二位置对应于复杂自由几何形状。

在该方法的另一实施例中，牙科装置是上部结构、用于安装该上部结构的下部结构、以及用于将牙科装置安装在特定患者的口腔中的模板中之一。

在另一实施例中，该方法还包括：在增材地制造顶部之前，减材地制造与材料坯料相关的参考特征，所述参考特征用于基部的放置。

在该方法的另一实施例中，增材地制造顶部包括用粉末金属烧结顶部。

在该方法的另一实施例中，基部的选定表面对应于植入物邻接面、螺纹孔或牙尖表面中之一。

本发明还涉及一种通过根据本发明的方法制造的牙科装置。

附图说明

图1至图3是示例性公开的牙科装置的立体图；

图4是用于制造图1至图3的牙科装置的示例性公开的系统的示意图；以及

图5、图6和图7是能由图4的系统处理的示例性牙科装置的简化立体图和剖视图。

具体实施方式

图1、图2和图3示出了可以由图4所示并在下面详细描述的示例性系统12制造的不同牙科装置10。图1至图3的牙科装置10可以由任何类型的材料制成为具有任何所需的形状。例如，牙科装置10可以由金属(例如钛、钛/铝/钒合金、钛/铝/铌合金、钛/锆合金、钴/铬合金或其它类似合金)制成。还可以想到，牙科装置10可以根据需要替代地由非金属材料制成，例如由陶瓷、塑料或复合材料制成。此外，牙科装置10可以主要包括上部结构14(例如，牙桥、牙冠、假牙和其它假体)、被构造成提供用于上部结构14的安装的下部结构16(例如，基台、棒(bar)、植入物、螺钉和其它类似结构)、以及用于使患者的口腔准备好接收其它类型牙科装置10的模板18(例如，钻和/或手术模板)。应当注意的是，大多数牙科装置10是基于患者的下层骨结构的x射线和/或患者口腔的3-d扫描而为特定患者独特设计的(例如，制定尺寸、形状、轮廓和/或精饰)。相应地，x射线、扫描图像和其它类似的数字数据可以至少部分地限定牙科装置10，并且应当注意尽可能接近于数字数据地制造牙科装置10。

图4示出了系统12，该系统具有多个机器，这些机器在牙科装置10(参见图1至图3)的制造过程中协作。这些机器可以主要包括减材机(“机器”)20、增材机(“机器”)22、传送机24和与其它机器中的每个通信的控制器26。如下文将更详细地解释，机器20可以使用与特定牙科装置10相关的数字数据对材料坯料27进行加工，并产生对于特定患者来说独有的高精度3-d基部28(例如，其匹配患者口腔的大小、形状、轮廓和/或表面纹理，且具体地包括与现有植入物的任何连接界面)。然后，机器22也可以使用数字数据在基部28上构建相应的3-d顶部29，以便生产特定的牙科装置10。传送机24可以自动地将基部28从机器20移动到机器22；并且控制器26可以存储数字数据和/或控制机器20-24的操作。可以设想的是，如果需要，在一些实施例中可以省却传送机24，并且在机器20与22之间人工地传送基部28。还可以设想，代替中央(centralized)控制器26，机器20-24中的每一个可以具有其自己的专用控制器26。最后，可以设想的是，如果需要，取代使用两个单独的制造机器20、22以及在机器之间传送基部28的传送机24，可以替代地使用单个制造机器(例如，具有增材和减材能力的机器)来制造牙科装置10。

机器20可以体现为本领域中已知的任何类型的机器，其用于从材料坯料27的选定表面移除(即，“减除”)材料。在所公开的示例性实施例中，机器20是具有计算机控制的旋转刀具44的通用或专用铣床，该旋转刀具44被构造成从材料坯料27的表面上切除材料碎片。具体地，一个或多个致动器46可以连接到刀具44，并构造成使刀具44绕其自身轴线旋转，同时还使刀具44的齿(未示出)前进到坯料27的表面中的期望位置处。可基于限定牙科装置10、材料坯料27和/或刀具44的数字数据而(例如，通过控制器26)精确地控制刀具44与材料坯料27之间的相对旋转和/或平移。可以设想的是，如果需要，机器20可以形成较大的机加工中心的一部分，并且可以使用一个或多个自动工具更换器、工具转盘(carousel)、冷却剂系统、碎屑收集部和/或外壳(enclosure)。可以设想的是，如果需要，也可以使用或替代地使用其它类型的机器，例如激光烧蚀机器或铣床，以从材料坯料27的表面去除材料。

在所公开的示例性实施例中，机器20包括保持器48，该保持器被构造成在由刀具44执行并且如上所述的材料去除过程期间接收和固定材料坯料27。在所公开的示例中，在保持器48内形成凹部50，并且该凹部被设计成接收标准尺寸、形状和/或构型的材料坯料27。在所公开的示例性实施例中，凹部50被示出为大致圆柱形的牙槽(socket)，该牙槽具有与材料坯料27和/或牙科装置10的制造特别相关的直径和深度。根据需要，凹部50可以从一侧或相对侧接近刀具44。例如，保持器48中可具有窗口，该窗口允许刀具44穿过并在较大的面积上和/或从较宽的角度范围接近材料坯料27。保持器48可以是可移动的，以允许期望的接近(例如，保持器48可以被构造成翻转的)，和/或刀具44可以根据需要移动到坯料27的需要切削的一侧或多侧。凸缘53、夹具、紧固件、夹子或其它类似装置可用于将材料坯料27保持在保持器48的凹部50内。

机器22可以采用许多不同的形式。在所公开的示例性实施例中，机器22是具有构建腔室(buildchamber)30、材料腔室32、重新涂覆器34和能量源36的烧结型机器。重新涂覆器34可以被构造成将粉末材料从材料腔室32推入构建腔室30(沿箭头38所示的方向)并推到基部28的顶部上，并且能量源36可以被选择性地起动(activate，激活)以(例如通过激光束39)在粉末中烧结(例如熔化)出图案，从而在基部28上产生固化材料层，该固化材料层形成顶部29。在每层材料被固化之后，构建腔室30中的平台40(连同基部28和顶部29的任何已经加工的层)可以逐渐地降低；材料腔室32中的平台42(连同粉末材料)可以逐渐地升高；并且重新涂覆器34可以将新的粉末材料层推到固化层上，以便烧结出顶部29的新层。可以设想的是，如果需要，机器22可以体现为另一种类型的增材机(例如，还原光聚合机(vatphoto-polymerizationmachine)、材料喷射机、粘合剂喷射机、材料挤出机、定向能量沉积机或另一机器)。

材料坯料27在保持器48内的放置(或至少得知放置)可以影响从坯料27移除材料和/或随后将材料添加到基部28。例如，机器20的刀具44能由控制器26基于材料坯料27的已知几何形状并且还基于刀具44和材料坯料27之间的已知或假定相对位置来引导。为此，机器20可以配备有用于在放置到凹部50内的期间和/或之后定位和/或检测材料坯料27的位置的方法。这可以包括例如形成在材料坯料27和/或保持器48中(例如，在凹部50内和/或周围)的一个或多个参考特征54，所述参考特征被构造成以特定方式接合材料坯料27，以便精确地定位和/或定向材料坯料27。替换地或附加地，机器20可使用扫描仪、成像设备和/或测量探针(未示出)来检测特征54和/或材料坯料27在放置到保持器48内之后的位置。在一个示例中，参考特征54是形成在材料坯料27的中心处的圆柱形凹陷或孔。参考特征54可以在基部28的制造期间由机器20预加工在材料坯料27内或加工到材料坯料27内。可以设想的是，特征54可以用于机器20、22的一者或两者中，以正确地定位、定向、加工和/或构建牙科装置10的层。如果需要，也可以使用其它方法。

在图4所公开的示例性实施例中，传送机24是机器臂，其能够从机器20(例如，在加工之后从凹部50内)取回基部28并将基部28放置在构建腔室30内以准备随后的层构建。在一个替代示例性实施例(未示出)中，传送机24可以是能够以与上述相同的方式移动基部28的高架台架(overheadgantry)。其它实施例也是可能的。可以设想的是，除了将基部28从机器20移动到机器22中之外，机器24还可以在基部28保持固定在凹部50内的同时使得保持器48在机器20、22之间移动。在一些情况下，这可以有助于提高基部28在构建腔室30内的放置精度。还可以设想的是，在一些应用中，如果需要，传送机24除了移动基部28和/或保持器48之外，还可以被构造成在基部28的移动期间执行一个或多个附加处理(例如，清除加工材料碎片、检测基部位置和/或定向等)。

控制器26可以具体化为包括用于控制系统12的操作的装置的单个处理器或多个处理器。许多商业上可获得的处理器可以执行控制器26的功能。控制器26可以包括存储器或与存储器相关，该存储器用于存储数据，例如与牙科装置10和/或坯料27相关的数字数据、机器20-24的操作条件、设计限制、性能特征或规格、操作指令等。各种其它已知的电路可以与控制器26相关，包括电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电路和其它适当的电路。此外，控制器26能够经由有线或无线传输与系统12的其它部件(例如，与机器20-24中的每一个)通信，并且因此，控制器26能够直接连接到机器20-24，或者替代地布置在远离机器20-24的位置中并且间接连接(例如，无线地)。

在一些示例性实施例中，控制器26在调节机器20-24的操作时可依赖于感觉信息。该感觉信息可以包括例如检测到的材料坯料27在工件保持器48的凹部50内的位置和/或定向、检测到的基部28在构建腔室30内的位置和/或定向、以及跟踪到的传送机24(例如，机器24的抓手)的位置和/或定向。可以通过一个或多个传感器52(例如接近传感器、致动器传感器、测量探头、照相机等)来提供感觉信息。由传感器52产生的信号可以被引导到控制器26进行处理。

如上所述和如图5的示例性实施例所示，牙科装置10可以包括被加工在一起作为单个整体部件的至少两个主要部件。这些部件包括基部28和顶部29。应当注意的是，当材料坯料27最初被机器20切割时，可仅加工基部28。也就是说，在通过机器20完成切割处理之后，牙科装置10可能还不具有用在患者的口腔中所必需的最终尺寸、形状和/或轮廓。牙科装置10的基部28在选定位置可能仍然需要额外的材料，机器22将在所述选定位置处执行上述增材处理。

由于这些部件中每一个的特定公差和几何要求，基部28和顶部29可通过不同的机器和/或工艺加工。例如，基部28可以包括用于与患者口腔中的现有牙科部分(dentistry)或其它装置接合的特征，因此需要由机器20最好地实现的更紧密的公差和/或更精细的表面精饰。这些特征可以包括例如邻接面、螺纹孔和/或牙尖表面(未示出)。邻接面可以紧密地配合在相应植入物的面上，因此，为了适当接合，可能需要在这些面处具有精确轮廓。螺纹孔可以接收用于将牙科装置锚定在患者口腔中的螺钉或其它紧固件。因此，可能需要钻孔和牙尖螺纹的适当对准，以确保相对于围绕牙科装置10的现有轮廓的期望放置。为了确保在使用期间不会对牙科装置10和/或周围牙科部分造成损害，可能需要牙尖表面是精确的。顶部29可以由机器22增材地制造，以产生通过传统的减材工艺不可能另外实现的复杂几何形状和/或能够改善与装饰贴面(veneer)或其它类似的外部覆盖层的结合的更粗糙的表面。复杂几何形状可以包括例如弯曲通道和嵌入式紧固件。

可以(例如，基于上述数字数据)为特定患者创建牙科装置10的虚拟模型，然后沿着至少一个平面56将其分成基部28和顶部29。在图5的实施例中，平面56穿过牙科装置10的每个特征(例如，每个齿位)，并且定位成使得牙科装置10的大部分(例如，全部)高精度、紧密公差特征位于平面56的一侧(例如，图5中所示的下侧)，而使得大部分(例如，全部)复杂自由形状特征位于相对侧(例如，图5中所示的上侧)。平面56可以大致垂直于穿过坯料27的中心轴线(参考图4)或以另一期望的角度定向。然后，与牙科装置10的虚拟模型的每个分开部分相关(例如，与基部28和顶部29相关)的数字数据可以被发送到控制器26，并且用于调节通过相应机器20、22进行的制造。

与减材地制造整个牙科装置10相比，将牙科装置10的虚拟模型分成基部28和顶部29可以允许使用更薄的材料坯料27。这可以减少要被减材地去除的材料量，节省制造时间并减少废料。这种废料可能不是在所有情况下都可回收的，导致完全减材制造的牙科装置10的成本增加。

在图6和图7所示的替代性实施例中，平面56并未穿过牙科装置10的每个特征。相反地，图6和图7的平面56穿过有限数量的特征，并且仅位于需要高精度和紧密公差或复杂自由形状特征的位置。具体地，平面56可以穿过牙科装置10的单个特征(例如，单个齿位)，从而可以减材地制造牙科装置10的大部分，或者可以增材地制造牙科装置10的大部分。在图6和图7的示例中，牙科装置10的大部分由机器20减材地制造，随后由机器22仅制造复杂弯曲通道58。可以设想的是，可以使用任何数量的分离平面56来限定单个牙科装置10内的基部28和顶部29。在这些实施例中，不同的平面56可以彼此对准或位于不同的高度和定向处。

在一些实施例中，在减材制造期间，机器20可用材料坯料27共同形成基部28连同的支撑结构。支撑结构可以包括例如至少部分地围绕基部28的外部框架60(仅在图4中示出，在机器22的构建腔室30的内部)和在外部框架60和基部28之间延伸的一个或多个连接器(未示出)。在这些实施例中，在机器20和22之间的传送期间，外部框架60和连接器支撑基部28，用作用于将牙科装置10放置在机器22和24内的适配器，并且在添加顶部29期间将基部28牢固地安装在机器22内。在一些示例性实施例中，在完成机器22的增材处理之后，在将牙科装置10运输到最终使用目的地(例如，运输到牙医或口腔外科医生的办公室)期间，外部框架60和相关的连接器还可以用作运送容器。在安装牙科装置10之前，例如通过切除相关的连接器，可以去除外部框架60。

可以设想的是，可以在单个外部框架60内加工单个牙科装置10或多个牙科装置10。例如，多个牙科装置10可以嵌套在彼此内部，并且嵌套在外部框架60的内部。通过在同一外部框架60内制造多个牙科装置10，可以实现更高的效率。在一些示例性实施例中，形成在同一外部框架60内的特定牙科装置10可对应于同一患者和/或同一外科手术。例如，可以通过在同一外部框架60内共同形成单个患者的一个或多个上部结构14、下部结构16和/或模板18(参见图1至图3)来形成套件(kit)。这样，套件的所有部件可以同时、在相同位置、用相同材料和/或由相同机器加工，从而提供部件处理和库存跟踪的简易性、改进的效率、增强的精度和更好的组装配合。在一些情况下，特定套件的部件甚至可以在外部框架60内一起运输到最终使用目的地。

工业适用性

所公开的系统和方法可用于以精确的方式制造各种各样的配合良好的牙科装置。由所公开的系统制造的牙科装置可以很好地符合患者的口腔，因为每个牙科装置的大部分(即使不是全部)部件是为每个患者定制的。通过组合使用减材制造工艺和增材制造工艺，可以实现精度，使得可以在所需的公差内生产高精度的区域以及高复杂度的区域。现在将详细描述系统12的操作。

在制造事件开始时，与待生产的牙科装置10有关的数字数据可以以电子方式加载到控制器26中(参考图4)。该数字数据可以包括与特定牙科装置10相关的平面56的形状、尺寸、轮廓、位置和/或定向等，以及待使用的相关材料坯料27的规格。然后，材料坯料27可以物理地装载到机器20的保持器48中，并且控制器26可以使用数字数据来调节刀具44的操作。具体地，可以控制刀具44以从材料坯料27的选定表面去除材料，从而形成基部28，随后顶部29可以添加到该基部上。

一旦完成了对基部28的机加工，可以(例如通过刷除、真空抽除等)去除基部28周围的任何碎片材料。然后，传送机24可以将基部28从机器20传送到机器22，并将基部28放置在构建腔室30内的期望位置。在一些示例性实施例中，在烧结开始之前，基部28可能需要以特定的方式定向。这可包括例如将基部28(和/或保持器48)的特定参考特征54与构建腔室30中的相应特征对准。在另一示例中，基部28可以以任何期望的方式装载到构建腔室30中，但是随后可能需要检测所产生的位置和/或定向。

然后，上述数字数据可用于控制构建腔室30、材料腔室32、重新涂覆器34和能量源36的操作。例如，平台40可以降低与基部28上的顶部29的第一层的期望厚度相对应的量。大约同时，平台42可被升高至少该相同的厚度。此后，重新涂覆器34可以由相关的致动器驱动，以将从材料腔室32突出到相应重新涂覆器的下边缘上方的材料推入构建腔室30中并位于基部28的顶部上。材料可以以相对一致和良好分布的方式散布在平台40上。此后，能量源36可被起动以在平台40上方的特定高度处以与顶部29的尺寸、形状和/或轮廓对应的图案烧结粉末材料。然后，平台40可以降低顶部29的第二层的厚度，并且可以重复该过程。应当注意的是，在一些实施例(例如，平面56仅穿过牙科装置10的单个特征并被其它较高特征围绕的实施例)中，可能需要不同的增材制造方法(例如，还原光聚合、材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出或定向能量沉积)。一旦顶部29的所有层都已经固化，则可以移除(例如，刷除、真空抽除等)牙科装置10周围的任何粉末材料。随后可将牙科装置10安装在相应的患者口腔内。在一些实施例中，在安装之前，可能首先需要从牙科装置10切除外部框架60和/或相关的连接器。

对于本领域技术人员来说，显然可以对所公开的系统和方法进行各种修改和变化。通过考虑所公开的系统和方法的说明书和实践，其它实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，当提及特定患者的“口腔”时，这种提及旨在包括口腔的仅部分(例如，仅软组织、仅硬组织、软组织和硬组织的特定组合等)或全部。说明书和示例仅被认为是示例性的。