阅读说明：本技术 三维积层制造陶瓷牙齿的方法 (Method for manufacturing ceramic tooth by three-dimensional lamination ) 是由 颜丰明 严竣荣 陈立恒 于 2018-07-13 设计创作，主要内容包括：一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法,包括；步骤(Sa)准备多个投影切层图像及浆料,其中投影切层图像通过将牙齿的立体图像沿特定方向以特定厚度切层而成；浆料由材料粉末、光固化树脂、溶剂及添加剂调配而成；步骤(Sb)将浆料均匀铺设在基板上形成牺牲层；步骤(Sc)将浆料均匀铺设于牺牲层上形成反应层；步骤(Sd)根据多个投影切层图像中的一者投射照射光源至反应层,而反应层中的浆料受到照射光源的照射后固化成型；步骤(Se)重复前述步骤(Sc)及(Sd),形成瓷牙坯体；步骤(Sf)使用水或有机溶剂冲洗瓷牙坯体；及步骤(Sg)高温烧结瓷牙坯体,形成陶瓷牙齿。(A method of three-dimensional additive manufacturing of a ceramic tooth, comprising; preparing a plurality of projected sliced layer images and slurry, wherein the projected sliced layer images are formed by slicing a stereoscopic image of a tooth in a specific direction at a specific thickness; the slurry is prepared by mixing material powder, light-cured resin, solvent and additive; uniformly paving the slurry on a substrate to form a sacrificial layer; step (Sc) evenly paving the slurry on the sacrificial layer to form a reaction layer; step (Sd) of projecting an irradiation light source to the reaction layer according to one of the plurality of projected slice images, and curing and molding the slurry in the reaction layer after the slurry is irradiated by the irradiation light source; step (Se) repeating the steps (Sc) and (Sd) to form a porcelain tooth blank; step (Sf) washing the porcelain tooth blank by using water or an organic solvent; and (Sg) sintering the ceramic tooth blank at a high temperature to form the ceramic tooth.)

三维积层制造陶瓷牙齿的方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷牙齿的方法，特别是一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法。

背景技术

目前公知常见的陶瓷牙齿的制造方法主要包括传统人工打磨制程及采用工具机机械制造技术的自动化制程。

然而，就传统人工打磨制程方式而言，其成品结果取决于牙体技术师制作蜡模和铸造牙冠的手工技艺，因此使得陶瓷牙齿的品质优劣不均，且由于过程步骤还包含口腔内取模、手工打磨塑形、以及后续装配调整等繁琐复杂的调整程序步骤，致使每个陶瓷牙齿的制程生产周期时间相当冗长。

另一方面，关于以工具机机械制造义齿的技术，即俗称CNC制造，虽然生产效率佳，可有效取代人工，而且可以降低牙体技术师工艺水平差异的影响，然而，由于原料昂贵与CNC制程加工设计费用，且单一工具机每次仅能生产单一义齿，导致生产成本居高不下。而且，CNC制造技术受限于加工刀具，对于特定角度及形状的磨削雕塑受到相当大的限制及障碍，因此往往无法贴切且精准地制造提供患者所需的陶瓷牙齿。

因此，亟需发展出一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，以能够大幅降低制程时间，同时也可定制化地型塑提供患者所需更换的陶瓷牙齿。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其能提供因应定制化需求而自动化型塑形状的瓷牙，并且维持瓷牙制造品质的高稳定度。此外，本发明所公开的方法，其制造过程所使用的塑形浆料，不仅可大幅避免环境中的异臭味及毒性物质的挥发，同时还提供回收机制的环保功效。

为达成上述目的，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，包括以下步骤：步骤Sa准备多个投影切层图像及浆料，其中多个投影切层图像通过将牙齿的立体图像沿特定方向以特定厚度切层而成；浆料由材料粉末、光固化树脂、溶剂及添加剂调配而成；该材料粉末包含氧化铝粉末、氧化锆粉末及玻璃陶瓷粉末中至少一者，该光固化树脂包含水溶性树脂及水可分散性树脂中至少一者，该溶剂为水或含水及醇类的混合溶剂，该添加剂包括分散剂、黏结剂及塑化剂中至少一者；步骤Sb将浆料均匀铺设在基板上以形成牺牲层；步骤Sc将浆料均匀铺设于牺牲层上以形成反应层；步骤Sd根据该多个投影切层图像中的一者投射照射光源至反应层，反应层中的浆料受到照射光源的照射后固化成型，其中照射光源为可见光或紫外光，且设置于基板上方；步骤Se重复前述步骤Sc及步骤Sd，形成瓷牙坯体；步骤Sf使用水或有机溶剂冲洗瓷牙坯体；及步骤Sg高温烧结瓷牙坯体，形成陶瓷牙齿。

据此，本发明以三维积层制造技术来制造陶瓷牙齿，故任意形态的牙齿均可成型，不受限制，其包括牙冠(或称牙套；crown)、具有各种结构的植体及牙冠与植体一体成型的瓷牙，且其中具有各种结构的植体，例如为锥形植体、仿自然牙根造型的植体、含基座(abutment)的植体等。而且，本发明以牺牲层取代传统3D打印的支撑架，成型后无需另外加工移除、清理支撑架。另一方面，本发明采用水性材料，环保、安全、无毒，还便于冲洗。

其次，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，如果溶剂为水，则溶剂占材料的10重量％以上；如果溶剂为混合溶剂，则水占混合溶剂的50重量％以上。由此可知，本发明中所采用的材料是属于水性体系，制造过程安全无毒，清洗便利，且浆料还可回收再利用。

再者，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，材料粉末为53至83重量份，分散剂为0.5至3.5重量份，塑化剂为0.5至5重量份，黏结剂为2至7重量份，光固化树脂为7至20重量份，溶剂为10至28重量份。此外，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，醇类包含乙醇、异丙醇、丙二醇及己二醇中至少一者。

又，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，分散剂包含聚羧酸酯类、聚合物铵盐及聚合物钠盐中至少一者；塑化剂包含分子量为150以上且450以下的聚乙二醇及甘油中至少一者。另，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，黏结剂包含分子量为1500以上且8000以下的聚乙二醇、聚乙烯醇及聚环氧乙烷中至少一者。

再者，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，每一投影切层图像包括牙齿的立体图的一个切层图形及至少一个浆料回收图形；前述步骤Se中形成由切层图形所构成的瓷牙坯体以及由浆料回收图形所构成的浆料回收体；前述步骤Sf还回收浆料回收体。换言之，光照固化后的浆料回收体还便于将浆料回收再利用，也不会造成环境污染。

优选的是，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，基板由吸水率为5％以上的材质或结构所构成。借此，可通过基板对牺牲层和反应层吸收水或其他溶剂，当铺设反应层后可随即照光固化，无需等待水分挥发的时间，可显著提升制程效率。

更优选的是，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中在步骤Sf中，该水或该有机溶剂的温度为25～50℃，借此，可加快冲洗瓷牙坯体的速度。另外，本发明提供一种三维积层制造陶瓷牙齿的方法，其中，浆料的黏度小于1000cp，其黏度低将产生较少的残留气泡且容易去除气泡，致使提升整体制作效率，且还便于均匀铺设牺牲层和反应层，又有利于控制反应层的厚度。

附图说明

图1为图示根据本发明一实施例的三维积层制造陶瓷牙齿的方法流程图。

图2为图示根据本发明一实施例的立体图像切层和光照固化的原理示意图。

图3A为图示根据本发明一实施例的铺设浆料以形成牺牲层的示意图。

图3B为图示根据本发明一实施例的铺设浆料以形成反应层的示意图。

图4A为图示根据本发明一实施例的照射光源投射至反应层的示意图。

图4B为图示根据本发明一实施例的成型瓷牙坯体于牺牲层中的示意图。

图5为图示根据本发明另一实施例的同时成型多个瓷牙坯体的示意图。

图6为图示根据本发明再一实施例的瓷牙坯体及浆料回收体形成于反应层的示意图。

具体实施方式

本发明的三维积层制造陶瓷牙齿的方法在本实施例中详细描述之前，要特别注意的是，以下的说明中，类似的部件将以相同的部件附图标记来表示。再者，本发明的附图仅作为示意说明，其未必按比例绘制，且所有细节也未必全部呈现于附图中。

请同时参照图1以及图2，其中图1为图示根据本发明一实施例的适用于上述显示三维积层制造陶瓷牙齿的方法的方法流程图，图2为图示根据本发明一实施例的立体图像切层和光照固化的原理示意图。如图中所示，在步骤Sa中准备多个投影切层图像I及浆料。

其中，如图2所示，每一投影切层图像I是通过将一个特定欲塑形牙齿的立体图像I_3d，沿水平方向以特定厚度逐层横切而成的剖面图像。更进一步说，先经通过光学扫描系统扫描患者口腔所形成的牙齿影像数据之后，再对特定牙齿的影像数据经过描绘、修补或重新设计出完美齿型，而得到立体图像数据I_3d，并再通过图像处理单元根据后续制程反应层厚度t，予以对应逐层横切而取得多个投影切层图像I_P_1至I_P_n，从而可依序用在后续型塑陶瓷牙齿的逐层投影固化流程步骤中。

此外，值得特别说明的是，在图2中所显示的照射光源通过投影切层图像I_P而投射至浆料后，光照固化而形成陶瓷坯件层。然而，此仅用于说明本发明的原理，以现有技术而言，无需实体投影遮照ML，可由光机PR直接射出欲成型轮廓的光斑，详细技术请见后述。

另一方面，所准备用以型塑的浆料，其由材料粉末、光固化树脂、溶剂及添加剂调配而成。其中，材料粉末可为氧化铝粉末、氧化锆粉末、玻璃陶瓷粉末中至少一者，而光固化树脂包含水溶性树脂及水可分散性树脂中至少一者。在本实施例中，光固化树脂主要是由30～55重量％的丙烯酸酯类单体、30～40重量％的丙烯酸酯类寡聚体、1～4重量％的光引发剂、以及0～2重量％的添加剂所组成，其中添加剂并非绝对必要，可视实际情况选用添加。

其次，溶剂可百分之百为水或醇类溶剂，例如包含水与乙醇(ET)、异丙醇(IPA)、丙二醇(PG)及己二醇(HG)中至少一者，其中水优选为去离子水。举例而言，就整体浆料重量百分比而言，于本发明的一个优选实施例中，如果溶剂百分之百为水，溶剂占整体材料的10重量％以上；相对地，如果溶剂为混合溶剂，如醇类溶剂，溶剂仍占整体材料的10重量％以上，而水占混合溶剂的50重量％以上。

然而，本实施例选用水和乙醇的混合溶剂，其中乙醇主要作为树脂增溶剂，以降低孔隙率；根据实际实验，不使用乙醇作为树脂增溶剂配方时，制作出来的陶瓷体孔隙率较高，约2％至10％，但如果使用乙醇作为树脂增溶剂配方时，孔隙率大幅可降低至2％以下。而且，乙醇相较于其他树脂增溶剂，使用量最少且溶解力好，如果浆料接触到皮肤时也相对安全。此外，使用少量乙醇可有效降低水的表面张力，在堆叠纳米粉末材料时，可减少坯体发生裂痕或是涂布上的缺陷，如缩孔或凹陷等。

再者，添加剂包括分散剂、黏结剂及塑化剂中至少一者。更具体地说，分散剂包含聚羧酸酯类、聚合物铵盐(如聚丙烯酸铵)及聚合物钠盐(如聚丙烯酸钠)中至少一者；分散剂主要作用在于，一是加快材料粉末“团粒”解聚速度，缩短分散时间；二是推迟材料粉末的颗粒再次团聚的时间，保持颗粒长时间处于分散状态。

另外，塑化剂包含分子量为150以上且450以下的聚乙二醇(例如PEG#200、PEG#400)及甘油(丙三醇)中至少一者，塑化剂主要用于降低黏结剂玻璃化转变温度，使黏结剂常温下有较好的柔韧性。此外，黏结剂包含分子量为1500以上且8000以下的聚乙二醇(例如PEG#2000、PEG#4000、PEG#6000)、聚乙烯醇及聚环氧乙烷中至少一者，黏结剂提供干燥后陶瓷坯体强度，抵抗刮刀涂布时的剪切力，以及调整黏度防止颗粒沉降。

更进一步地说，在本发明的一个优选实施例中，针对整体浆料重量百分比来说，其中材料粉末为53至83重量份，分散剂为0.5至3.5重量份，塑化剂为0.5至5重量份，黏结剂为2至7重量份，光固化树脂为7至20重量份，而溶剂为10至28重量份。如此一来，通过上述成分组成比例，将使得浆料的黏度小于1000cps而具有较佳的流动性。再者，浆料的低黏度将产生较少的残留气泡且容易去除气泡，致使提升整体制作效率。

接着，请同步参照图3A，其图示根据本发明一实施例的铺设浆料的示意图。在图1所显示的流程图中的步骤Sb，其通过供料单元2将浆料均匀铺设在基板11上以形成牺牲层12。更进一步地说，供料单元2包括V型漏斗状的储料槽21，且储料槽21的底部具有直线型出料口22。如此一来，当供料单元2沿着基板11进行一次性横向移动时，其中供料单元的移动方向与直线型出料口22彼此正交，储料槽21中的浆料将可朝向直线型出料口22移动，并经由直线型出料口22直接输送铺设浆料于基板11。此外，在本实施例中，供料单元2还包括刮板23，其设置于直线型出料口22的一侧。借此，当浆料从储料槽21中经由直线型出料口22输出至基板11时，刮板23可同时整平浆料，使浆料得以均匀形成矩形牺牲层12于基板11上。

另一方面，本实施例的供料单元2进一步连接至储料筒(图中未示)，且储料筒与供料单元2之间设置有流体控制阀(图中未示)，该流体控制阀控制每次由储料筒供给至供料单元2的浆料量，其恰好为每次铺设牺牲层12或反应层13的浆料量。此外，虽然本实施例中公开了以供料单元2进行一次性横向移动来铺设牺牲层12，但本领域中具有通常知识者还可知晓，牺牲层12可根据实际操作设计需求，而通过供料单元2进行多次性横向移动来形成较厚的牺牲层12。

由于本实施例中使用具有高吸水性的基板11，即基板11由吸水率为5％以上的材质或结构所构成，例如具有多孔质构造的硅藻土或陶瓷平板，因此当牺牲层12铺设形成于基板11时，基板11可实时迅速地吸取牺牲层12中的水分，进而大幅降低牺牲层12中的水分挥发时间以增加制作效率。

请同步参照图3B，其为根据本发明一实施例的铺设浆料以形成反应层13的示意图。其中，在图1所显示的流程图中的步骤Sc，即通过前述供料单元2将浆料透过直线型出料口22输出，如此可经由供料单元2单次的平行移动，而在牺牲层12上均匀铺设形成反应层13。另外，由于本实施例中使用具有高吸水性的基板11，因此当在步骤Sc中铺设反应层13后，位于底层的基板11将实时地吸收多余的水分或醇类，使得反应层13可快速地接续进行利用照射光源投射的步骤Sd。

换言之，本实施例借助于采用以去离子水为基础的溶剂、以及高吸水性的基板11，当供料单元2在牺牲层12上铺设完反应层13后，随即可进行光照固化，无需等待溶剂挥发，大幅缩短了制程时间。

请同步参照图4A，其为图示本发明一实施例的照射光源投射至反应层的示意图。在图1所显示的流程图中的步骤Sd中，光机PR中的照射光源3设置于基板11上方，而采用由上往下的方式对反应层13投射可见光或紫外光。尤其是，光机PR中的照射光源3通过前置步骤Sa中的投影切层图像I_P，对反应层13进行局部照射，其中反应层中的浆料受到照射光源3的照射后将产生固化的固化区131，而未经照射光源3照射的反应层中的未固化浆料的未固化区132，其则是环绕包覆固化区131，并借由其半湿干的黏稠状态以提供支撑力，而无须额外的支撑件。

接着，当反应层13中的固化区131确定固化成形后，在图1所显示的流程图中的步骤Se，将持续依据前置步骤Sa中的投影切层图像I_P，逐一地重复前述步骤Sc及步骤Sd，从而使得每一反应层13中的固化区131相互堆叠形成瓷牙坯体133，即如图4B中所显示那样。需要特别说明的是，因照射光源3的焦距是固定的，所以随着逐层固化成型时，基板11也会随着成型的厚度逐层下降，以维持每次欲成型的光斑都精准投射到反应层14上。

再接着，当陶瓷坯件完整成型后，进行步骤Sf，在本实施例中通过使用略高于室温的25～50℃的温水或有机溶剂而轻易地将未固化区132的浆料予以溶离，致使瓷牙坯体133可保有精密细致的造型外观，无须再进行表面整修。在本实施例中，因为添加了塑化剂，其亲水性佳，虽然铺层干燥后的浆料脱水，而塑化剂则可维持坯体强度，且浸泡时塑化剂将吸水溶解(25～50℃热水会加速溶解)，使未固化的材料将失去强度而化开。

再者，本实施例所采用的水性光固化树脂也将吸水膨胀，膨胀约5％～15％，而膨胀时还会撑开未固化的材料，使材料的结构松散，也有利于清洗并取得瓷牙坯体133。其中，经由水或有机溶剂所溶离的浆料将可回收再利用作为后续模塑的浆料，进而有效降低整体制作成本。

另外，请参照图5，其为图示根据本发明另一实施例的同时成型多个瓷牙坯体的示意图。如图所示，本实施例的特点在于，在一次的制程中同时制造多个瓷牙坯体，只要将多个欲塑形牙齿的立体图像配置在同一投影切层图像中，照射光源便可同时射出多个光斑，并在反应层13上同时产生多个固化区131a、131b，即可经由重复前述步骤Sc及步骤Sd而可批量产生多个不同形态的瓷牙坯体，进而大幅提升整体产能效率。

请参照图6，其为图示根据本发明再一实施例的瓷牙坯体及浆料回收体形成于反应层的示意图。在本实施例中，投影切层图像除了包括牙齿立体图切层图形之外，还同时包括了多个浆料回收图形，使得当照射光源3通过投影切层图像对反应层13逐层依序进行照射，反应层13中的固化区131除了包括可固化形成前述的瓷牙坯体固化区1311，还可同步在瓷牙坯体固化区1311周围区域中形成浆料回收体固化区1312。借此，将可加速步骤Sf的进行，进而提升通过使用水或有机溶剂将未固化区132的浆料溶离效率，而且经固化浆料回收体固化区1312的浆料回收体1312又可直接回收，并经研磨作为后续模塑的浆料成分。

最后，进行烧结瓷化的步骤Sg，即对前述陶瓷坯体固化区1311中所形成的陶瓷坯体133进行高温烧结，以1100℃～1700℃的高温来烧结陶瓷(一般使用玻璃陶瓷时烧结温度为1100℃～1300℃；使用氧化锆则为1300℃～1600℃；使用氧化铝为1300℃～1700℃)，烧结完成后的陶瓷牙齿即具有光滑平整表面，而可有效省去去除支撑件的程序及其后续外观修补的步骤。

综上所述，本发明至少具备以下优点：

利用三维积层技术来制备陶瓷牙齿，故陶瓷牙齿的轮廓、形态将不受限制，且可制备相当精细的形状或表面纹路。

以牺牲层取代支撑件，不须额外的支撑件，即直接成型陶瓷牙齿，可省去移除支撑件并研磨支撑件所造成的凸起的工序。

利用光照投影切层图像来成型陶瓷坯体，故在一次制程中，可同时完成多个不同形态的陶瓷牙齿。

牺牲层及浆料回收体皆可回收，并重新作为浆料重复使用，不仅环保且可降低材料费用。

通过基板的吸水特性，浆料经铺层后随即可进行照射光源照射固化成型的步骤程序，大幅缩短瓷牙坯体成形时间。

本发明采用水性材料，即，使用了以水作为全部溶剂或主要溶剂，并使用水溶性的光固化树脂，不仅安全、无毒，又便于清洗。

上述实施例仅是为了方便说明而举例，本发明所要求保护的范围自应以权利要求书所述为准，而非仅限于上述实施例。

符号说明

11 基板

12 牺牲层

13 反应层

131、131a、131b 固化区

1311 瓷牙坯体固化区

1312 浆料回收体固化区

132 未固化区

133 陶瓷坯体

2 供料单元

21 储料槽

22 直线型出料口

23 刮板

I_P 投影切层图像

I_P_1 投影切层图像

I_P_n 投影切层图像

I_3d 立体图像

PR 光机

ML 实体投影遮照

t 反应层厚度

Sa～Sg 步骤。