陶瓷材料在人假牙中的力学性能研究.docx
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陶瓷材料在人假牙中的力学性能研究
陶瓷材料在人假牙中的力学性能研究
专业：
材料成型及控制工程学号：
学生：
指导老师：
摘要：
目的：
陶瓷材料是牙齿缺损修复中应用最广泛的材料之一，但陶瓷材料的脆性和低的强度限制了其临床应用范围及使用可靠性，本研究利用三维光学扫描仪和计算机三维设计软件对陶瓷假牙进行力学性能的分析，寻求提高其韧性和强度，推广陶瓷材料的临床应用范围。
方法：
采用氧化锆陶瓷材料，利用三维光学扫描仪对正常人第一磨牙进行数据采集，GeomagicStudio11软件进行数据处理，计算机三维设计软件CATIAV5重构三维实体模型，Solidworks2010软件建立有限元分析模型，在此基础上分析陶瓷磨牙和树脂磨牙的力学性能。
将分析结果进行对比，并与正常人下颌第一磨牙进行比较。
结果：
建立的模型可进行准确的力学分析，能有效的将氧化锆全瓷假牙与正常人磨牙及树脂假牙进行对比。
结论：
利用三维光学扫描仪和三维设计软件可以很好的分析陶瓷假牙的力学性能，为提高其强度和韧性提供了基础。
关键字：
陶瓷材料；三维光学扫描仪；力学性能；三维设计软件
Mechanicalpropertiesstudyofceramicmaterialsfrom
human’sdenture
Specialty:
MaterialFormingandControllingEngineeringStudentNumber:
200910112202
Student:
YangYaoSupervisor:
DongZhihong
Abstact：
Objective：
Ceramicmaterialsareoneofthemostwidelyusedmaterialfordentaldefectrepairing，butbrittlenessandlowerstrengthlimititsapplicationrangeandreliabilityinclinic.Theresearchusingthree-dimensionalopticalscannerandcomputer3Ddesignsoftwaretoanalyzethemechanicalpropertiesofceramicdentureteeth，seekingtoimproveitstoughnessandstrengthandextendingitsclinicalapplicationofceramicmaterials.Method：
ZrO2ceramicmaterialwasusedtocollectdataofnormalpeople’sfirstmolarbythree-dimensionalopticalscannerandtomanagedatabyGeomagicStudio11softwareandtoreconsitutes3Dsolidmodelbycomputer3DdesignsoftwareCATIAV5.Solidworks2010softwarebuiltthefiniteelementanalysismodelinordertoanalyzemechanicalpropertiesofceramicmolarandresinteeth.Andbythesimulationresults，comparedwithfirstmolaroflowerjawfromnormalhuman.Result：
Theestablishedmodelcanaccuratelyanalyzethemechanicalproperties，andcaneffectivelycompareZrO2all-ceramicteethandnormalhumanmolarsandresindenture.Conclusion：
Usingthe3Dopticalscannerand3Ddesignsoftwarecaneffectivelyanalyzemechanicalpropertiesofceramicdentureteethandprovidethebasisforimprovingthestrengthandtoughness.
KeyWords:
Ceramicmaterial；3Dopticalscanner；Mechanicalpropertie；3Ddesignsoftware
目录
第一章绪论1
1.1陶瓷材料在口腔修复领域中的的发展与前景1
1.2陶瓷假牙力学性能的研究现状2
1.3本课题的选题背景与工作内容3
1.3.1选题背景3
1.3.2工作内容3
第二章磨牙三维模型的建立4
2.1材料与设备4
2.2下颌第一磨牙的制备4
2.3.三维光学扫描仪原理5
2.4三维扫描前期准备5
2.4.2系统的标定6
2.4.3下颌第一磨牙的处理6
2.5三维扫描过程6
2.5.1调整下颌第一磨牙的位置6
2.5.2扫描下颌第一磨牙6
2.5.3导出云点图7
2.6云点数据处理7
2.6.1云点处理软件的特点7
2.6.2云点处理的过程8
2.7曲面形成9
2.8重构三维实体模型10
2.9本章小结11
第三章力学性能分析12
3.1应力分析软件的特点12
3.2下颌第一磨牙SolidwoksSimulation力学分析过程12
3.2.1下颌第一磨牙Simulation模型的建立12
3.2.2磨牙分析计算材料属性定义13
3.2.3磨牙分析模型添加约束13
3.2.4施加载荷14
3.2.5划分网络14
3.2.6静力学分析15
3.3本章小结17
第四章结果与讨论18
4.1力学性能分析结果18
4.2影响牙科陶瓷材料力学性能的因素18
4.2.1陶瓷材料相变、稳定剂对其韧性的影响18
4.2.2加入的纤维对其韧性的影响19
4.2.3预加应力对其强度的影响20
4.2.4晶体内部结构对其强度的影响20
4.3本章小结20
第五章结论21
参考文献22
致谢24
第一章绪论
随着经济的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等事故导致的创伤增加[2]，人们对生物医用材料及其制品的需求量越来越大。
而生物陶瓷材料作为一种无机生物医用材料，具有良好的生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性以及美观性等优点，被广泛应用于医学领域，如制作假牙。
但材料的脆性和低的强度限制了其临床应用范围及使用可靠性，所以本研究提出探讨陶瓷材料的力学性能分析。
1.1陶瓷材料在口腔修复领域中的的发展与前景
陶瓷材料在口腔中使用的历史悠久，从1774年法国学者Duchateau采用陶瓷作义齿开始，至今已有200多年。
陶瓷材料质地致密、耐磨、表面光洁、有良好的生物相容性和化学稳定性，现在口腔组织修复领域备受青睐，但陶瓷的强度和韧性无法满足临床实际需要。
烤瓷熔附金属冠的问世，使牙科陶瓷材料得到迅速发展，由于烤瓷牙的基地是金属材质，影响了修复体的透光性和美观性。
全瓷牙的出现很好的解决了这些问题，其与天然牙釉质接近的透明度和折射率，能混合源于自然牙和周围软组织的颜色而产生变色龙效应，达到很好的美学效果。
在众多的陶瓷材料中，氧化铝陶瓷在临床应用中占据主导的地位，但氧化铝陶瓷抗弯强度差的弱点制约其无法应用于制作后牙全冠，而氧化锆陶瓷由于具有高的断裂韧性、强度、硬度和耐磨性等优良性能，成为最有发展前景的新型结构材料。
氧化锆陶瓷是一种生物惰性陶瓷材料，与应用于工程陶瓷方面的研究相比较，氧化锆陶瓷应用于牙科修复体的研究远远滞后。
20世纪60年代末，有学者开始将氧化锆陶瓷作为生物材料进行研究和开发利用。
1969年Heler和Disked发表了第一篇关于氧化锆陶瓷在在生物医学领域应用的文章。
1988年Christel等首次报道了氧化锆陶瓷作为股骨头代替材料。
1999年Covacci等通过体外细胞培养证明了高纯度氧化锆陶瓷不会引起细胞转化，无诱变和致癌作用。
在国内，黄慧等也发现氧化锆陶瓷无细胞毒性[5]。
这些研究促进了氧化锆陶瓷在口腔修复领域中的发展，而氧化锆陶瓷优良的生物性能推广了其在临床上的应用范围。
目前氧化锆陶瓷材料是最接近正常人牙齿的颜色、光泽的人工材料（如图1-1），在力学性能中，氧化锆陶瓷材料的特点是压缩强度，硬度及耐磨度均较高，与氧化铝陶瓷相比，其显示出了更高的力学性能。
但氧化锆陶瓷的弯曲和断裂韧性相比金瓷修复体基底的金属材料较低，因此氧化锆陶瓷材料在断裂韧性方面需要进一步的研究。
图1-1氧化锆全瓷牙
1.2陶瓷假牙力学性能的研究现状
随着陶瓷材料在人假牙中大量的应用，国内外众多实验室对陶瓷假牙的力学性能进行了研究，并提出提高其力学性能的方法。
陕西第四军医大学口腔医学院修复科选择择1：
15倍大小标准下颌第一磨牙模型，经3DSS－STDC－II扫描仪扫描下颌第一磨牙获得点云文件，GeomagicStudio8.0处理点云数据，获得三维曲面模型，利用UG三维设计软件建立三维实体模型，并通过OfficeExcel2007软件驱动参数生成后处理所需的模型。
将所建的基本模型导入AnsysWorkbench，经过自动网格划分并进行模拟准确性检测。
该实验的应力分布结果显示，全瓷冠牙合面加载点及颊侧面冠边缘出现应力集中区，等效应力峰值为24．055Mpa[6]。
上海第二医科大学附属第九人民医院利用CT扫描下颌第一磨牙，通过特定的有限元分析软件建立三维有限元模型；在该模型上模拟牙合咬合情况进行垂直和侧向加载，计算出牙体部及根管壁各部位的最大拉应力、最大压应力和能量应力。
结果表明下颌第一磨牙的应力最大值出现在直接加载处,倾斜加载比垂直加载引起的应力大[7]。
对于提高陶瓷假牙的力学性能目前的研究现状如下：
口腔生物医学工程教育部重点实验室利用ZrO2相变和微粉的纳米效应对氧化铝复合渗透陶瓷增强增韧，采用X射线衍射分析测定其晶相组成；扫描电镜观察其显微结构。
测得其三点弯曲强度的平均值高达（610.85±37.07）Mpa,断裂韧性的平均值高达（6.51±1.38）Mpa,即得出氧化铝—氧化锆纳米复合渗透陶瓷是一种力学性能优良的新型渗透陶瓷材料的结论。
武汉理工材料学院介绍了提高牙科陶瓷材料强度和韧性的方法如下：
1、内部增强，通过在基质中分散第二相结晶、颗粒或纤维来实现；2、表面处理：
包括磨光、上釉、化学增强和热增强。
山西医科大口腔科对氧化锆陶瓷作为牙科材料的力学性能进行了研究，氧化锆具有高的断裂韧性、强度、硬度和耐磨性等优良性能（抗弯强度超过900Mpa，断裂韧性约为7Mpa.m1/2，是现在氧化铝陶瓷的2~3倍），成为最有发展前景的新型结构材料，但氧化锆存在严重的渗漏问题，因此关于牙齿修复的陶瓷材料还需要进一步的研究。
随着陶瓷材料力学性能的改善和使用可靠性的增加，陶瓷材料在牙科修复中的应用必将取得长足的进步和发展。
1.3本课题的选题背景与工作内容
1.3.1选题背景
牙齿缺损是人类常见的口腔疾病，陶瓷材料是牙齿缺损修复中应用最广泛的材料之一，用陶瓷制成的假牙具有生物相容性、耐磨性、耐腐蚀性以及美观性等优点，但陶瓷材料的脆性和低的强度限制了其临床应用范围及使用可靠性，所以本研究提出探讨陶瓷材料的力学性能分析。
本次课题通过实验将陶瓷假牙进行力学性能的分析，寻求提高其韧性和强度，推广陶瓷材料的临床应用范围。
1.3.2工作内容
（1）了解正常人第一磨牙咬合时的受力情况。
（2）了解三维光学扫描仪的原理。
（3）了解点云处理软件的特点，熟悉点云数据处理的过程。
（4）了解CATIAv5三维实体模型重构过程。
（5）了解SolidworksSimulation的力学分析过程，得出应力数据。
（6）将力学分析的结果按不同的材料进行对比，并与正常人第一磨牙做比较。
（7）总结实验过程中的技术特点和难点。
第二章磨牙三维模型的建立
人的下颌第一磨牙由牙冠、牙合面、牙根等组成。
牙冠的外形为梯形，而牙合缘成宽大的M形，牙合面中间有凹陷。
因此牙外形结构较为复杂，属于异形结构，很难按照传统的思想通过基本的体（圆柱、球、圆锥等）的求和和求差等构成零件或者建立模型。
需要利用逆向建模技术,利用设计软件产生较为逼真的三维模型。
通过特殊的点、线、曲面等形成三维图形，再经过内部的填充和处理最终得到实体模型和零件。
2.1材料与设备
表1建模所需材料及出处
实验原料
出处
下颌第一磨牙
无任何口腔疾病的中国男性
三维光学扫描仪
绵阳铁牛科技股份有限公司
GeomagicStudio11
美国雨滴（Raindrop）公司
CATIAV5
法国达索集团
Solidworks2010
法国达索集团
2.2下颌第一磨牙的制备
按照王惠云的标准选取无任何口腔疾病的一名中国男性右侧下颌第一磨牙为样本，其冠高7.5mm,根长13mm。
将其用塑料袋密封并置于阴凉处保存，实验前将其取出。
图2-2下颌第一磨牙
2.3.三维光学扫描仪原理
本实验应用绵阳铁牛科技有限公司提供的TN3DOMS三维光学扫描仪（图2-3-a）对获取的下颌第一磨牙进行三维数据采集。
采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，类似于照相机对物体进行照相的功能，不同于照相机摄取的二维图像，三维光学扫描仪获取的是物体的三维信息。
与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。
测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标（图2-3-b）。
TN3DOMS光学扫描仪的测量精度约为单幅测量范围的1/10000，拍摄距离为0.5~30m，单面满幅测量点数为130万点~1600万点（可定制），图像分辨率（pixel）为1280×1024~4096×4096。
图2-3-a三维光学扫描仪图2-3-b三维光学扫描仪原理
2.4三维扫描前期准备
2.4.1硬件调节：
a.确认左右相机的位置：
判断的依据是人站在测量仪后面看左右相机的顺序对应着人正对电脑时左右相机视图的顺序。
b.确定测量距离：
调节光栅投影仪与零件之间的距离，零件位于摄像机与光栅投影仪的焦点上。
距离过远，将造成左右两个摄像机不能同时得到大面积的零件表面；距离过进，不能大面积的得到零件，增加扫描次数，更有可能不能得到云点图。
将标定板放到测量平台上，标定板放置为“T”在上“N”在下，测量距离≈900mm。
c.调节光栅投射器：
为了得到清晰的图像，开启十字光标，调节测量头上的两个调节环（焦距和光圈），使投影仪的投射范围最小，黑色十字光清晰。
d.调节相机夹角：
开启十字光标，拧松相机下面的螺栓，调整两相机的夹角使图像中黑色与绿色十字竖线尽量重合。
e.调节相机的焦距和光圈。
2.4.2系统的标定
系统的标定是为了判断两相机在对点整合时数据的接近度，接近度越好则使多次测量时云点的分布越接近原零件，从而提高模型与零件的相似度，所示两个相机参数越接近越好（一般差值≤0.5即可）。
标定过程常为“七步”。
第一步：
将标定板前倾；第二步；将标定板后倾；第三步：
将标定板左倾；第四步：
将标定板右倾；第五步：
将标定板前移；第六步：
将标定板后移；第七步：
点击计算。
计算成功后退出标定。
2.4.3下颌第一磨牙的处理
利用光栅投影移相法的三维扫描仪不能对深色进行扫描，因此先用光学扫描增（专用氧化锌反差剂）对下颌第一磨牙进行增白处理。
对于需要多面测量的下颌第一磨牙而言，测量完成后要进行多幅拼接，所以要对其表面贴标志点。
贴标志点以求零件的每个角度都得到较好测量和对多面拼接、多次扫面整合时有较好的参考作用。
2.5三维扫描过程
2.5.1调整下颌第一磨牙的位置
将下颌第一磨牙放在光栅投影仪的正中，以十字竖线重合为准，让摄相机和投影仪的十字光标位于测量面的正中。
2.5.2扫描下颌第一磨牙
下颌第一磨牙在扫描时需要进行多面的扫描，在扫描过程中移动磨牙的位置，在每次的测量中应尽量有更多的标志点，并将所侧面与投影仪及摄像机的夹角调为45°，以更全面的得到磨牙下部表面坐标。
2.5.3导出云点图
扫描结束后在监视屏上即可显示出磨牙的三维初步重建图形，将所得数据导出，保存所有点云为多个asc文件，以备进一步处理。
图2-5-3下颌第一磨牙点云图
2.6云点数据处理
2.6.1云点处理软件的特点
应用Geomagic公司出品的一款逆向校核软件GeomagicStudio11对云点进行处理。
其工作界面如图2-6-1，可以实现迅显示和记录在实际制造的零件不见与设计中的零部件之间的偏差快速检测产品的的计算机辅助设计（CAD）模型和产品的制造件之间的差异，以直观易懂的图形方式显示和记录在实际制造的零件不见与设计中的零部件之间的偏差。
执行脱机质量测定以进行深入的产品和流程评估。
如分析壁厚，间隙和面差，边缘比较，形位公差，2D和3D尺寸测量等[13]；
图2-6-1GeomagicStudio11的工作界面
2.6.2云点处理的过程
（1）云点的导入和着色
将三维扫描得到的所有asc文件在GeomagicStudio11中打开，即将多次扫描的点云图全部导入了云点处理软件中，导入点云时由于光学原因点云显示为黑色，因此需要对所有导入的点云进行着色处理。
（2）删除非连接项、杂点和噪音点等
三维扫描得到的云点图中有一部分是不需要的，一些因为环境影响而产生的点、较差的点云边界、噪音点以及零件放置在浅色或者白色的载物台上产生的点等需要删除。
（3）全局注册、统一采样、生成三角网格面。
除去这些点后进行全局注册，就是把所有我们的到的点（多次测量的点）集合成一个整体。
统一采样是在保持模型精度的基础上减少云点数据量的大小，但减少的过多则会使零件的表面失真。
所以一般是3次而等距采样的间距一般是1㎜。
生成三角网格面是把所有的点以三个一组的形式形成面，并连接在一起。
（4）多幅拼接
多幅拼接是将两个或者两个以上的云点图或者以生成三角网格面的三维图进行拼接，原因是有时在三维扫描时不能改变零件的方向就能得到所有的外貌，还要进行翻转等。
所以有时有两个或者两个以上的云点图，所以要进行拼接。
拼接时将要拼接的云点图或者三角网络格面的三维图全部导入GeomagicQualify，进行人工选点，选择越多越精确，同时计算量也随之增大。
（5）填充孔。
首先填充小孔，再手动进行填充。
三维测量零件时，应为物体面反光、表面贴有标志点等原因。
生成的三角网络格面也许有小孔，所以需要进行人工修补。
（6）再进行全局注册
多幅云点图或者三角形网络格面拼接后，虽然系统会自动辨别点的相似性。
但它们还是孤立的云点，并且也进行了人工选择。
所以还要进行全局注册和注册分析，使所有的点形成一个整体，便于后续处理。
在处理中软件可以计算出各个点整合时的相对位置，处理过程中可以参考显示进行处理。
显示结果。
（7）根据需要运用松弛、去除特征、编辑边界、简化多边形……来优化点云。
处理完后导出点云。
松弛是为了使模型表面看起来更加的光滑，去除特征是除去表面不要的特征如零件表面的一些难以除去而不需要的突刺，零件表面本来损伤的凹坑等。
简化简化多边形是为了减少三角形的数量。
2.7曲面形成
对于下颌第一磨牙而言，曲率变化最大的在其轮廓位置。
首先将磨牙表面进行区域的划分，它是零件曲面重构的关键环节，应以曲面分析为基础进行合理划分。
曲面片不应划分过小，划分过小得到的曲面会太碎，这给后期的处理会造成一定的困难。
但也不应划分得过大，划分过大会难以捕捉点云的形状，得到的曲面质量也较差，划分曲面片的原则是[14]:
按零件的结构特点进行曲面的划分，使每块曲面片的划分尽量均匀，以提高曲面质量；尽可能的使每块曲面片的形状与磨牙各部分的轮廓形状一致。
将自动生成的轮廓线进行手动编辑，轮廓线将模型分成许多的块，每个块都是一个简单的曲面。
因为轮廓线是曲率变化比较大的地方，所以要将轮廓线进行延伸和编辑，以达到最好的衔接。
延伸线编辑的越好得到的曲面片分布越好。
根据轮廓线划分的区域称为面板，移动面板有利于让构造的曲面片根据曲面的形状划分均匀，从而得到更光滑的曲面。
最后在每个曲面片内设置规定数目的栅格，通过拟合生成曲面。
最终得到表面光滑的下颌第一磨牙三维图。
如图2-6所示。
图2-7拟合后的三维模型图
2.8重构三维实体模型
GeomagicStudio11软件处理完模型后可以以多种格式导入Solidworks中进行力学分析，但导入后的模型由曲线组成，或是不完全导入以及降低运行速度。
因此需要将获得的点云图导入三维设计软件中进行三维实体模型的重构。
应用三维设计软件CATIAV5实现三维实体模型重建。
将扫描的下颌第一磨牙点云图以STL格式导入CATIAV5软件中，通过调整、建立曲线、连成曲面、曲面合并、实体化、倒圆角等处理，获得下颌第一磨牙的三维重建实体模型（图2-7），转换为IGS格式并输出。
图2-8下颌第一磨牙三维实体模型
2.9本章小结
（1）阐述了人的下颌第一磨牙的外形结构比较复杂，属于异形结构，不能用传统的建模方式建模，而只能通过逆向技术建立三维实体模型。
（2）介绍了三维光学扫描仪的工作原理以及它的性能参数。
（3）介绍了三维光学扫描仪扫描前的准备以及扫描过程。
（4）介绍了下颌第一磨牙数据测量和数据处理的过程。
（5）介绍了应用Geomagic软件对下颌第一磨牙进行曲面造型的思想和过程；
（6）介绍了应用CATIAV5重构下颌第一磨牙三维实体模型的过程。
第三章力学性能分析
3.1应力分析软件的特点
本次课题应用法国达索公司下的Solidworks2010里的插件Simulation对所建立的磨牙三维实体模型进行力学性能分析。
Simulation是Solidworks推出的一套有限元分析软件。
它作为嵌入式软件与Solidworks无缝集成。
运用Simulation可以迅速得到分析结果，从而最大限度的缩短了产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。
其基本模块能够提供广泛的分析工具来检验和分析复杂零件和装配体。
它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等。
3.2下颌第一磨牙SolidwoksSimulation力学分析过程
3.2.1下颌第一磨牙Simulation模型的建立
将获得的IGS格式的三维实体模型导入Solidworks2010软件中，在Solidwoks界面下，在工具栏中的自定义选项中启动插件SolidwoksSimulation，此时在工具条中显示该图标，点击该图标进入Simulation界面。
点击主工具栏算例顾问，在下拉菜单中选择新算例，出现对话框如图3-2-1所示，在名称中填入磨牙分析，选择静态，点击确认。
图3-2-1算例对话框
3.2.2磨牙分析计算材料属性定义
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