一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法技术

本发明专利技术公开了一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，用于对无托槽透明矫治器制作过程的成型机理进行建模及分析。该方法首先对矫治器成型过程中的牙胶片、牙颌母模、成型装置进行三维建模（本构模型）和等效（物理、力学等）参数模型设计；然后根据牙胶片制作矫治器的成型机理，将其过程分为加热阶段重力作用下的自由热塑变形，具有边界约束的热塑性接触变形分析、真空吸附成型阶段的粘弹塑性吸附成型变形分析，成型稳定后牙胶片厚度变化分布云图分析共四个阶段分析过程；矫治器对应的厚度变化云图，可作为矫治器局部成型效果和力学性能的判断依据。本发明专利技术提出了一种对牙胶片生成矫治器的统一建模及成型后厚度尺寸和力学性能的分析方法，可用于对所生成矫治器的厚度变化规律和矫治器的作用力效果进行预测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法

：
[0001]本专利技术涉及牙胶片在无托槽隐形矫正中加工成型透明矫治器的
，尤其涉及一种基于有限元分析的牙胶片在加工成型过程中的分析方法。首先对成型装置进行简化建模，材料、力学参数模型设计，其次根据牙胶片成型机理进行热塑变形分析、弹塑性吸附变形分析和成型稳定后牙胶片的力学分析。

技术介绍
：
[0002]牙胶片压制而成的透明矫治是隐形矫正矫正过程中主要的治疗工具；医生通过对患者的诊断和对数字化隐形矫正方案设计来完成对患者矫正方案的规划，患者通过佩戴序列化矫治器来进行矫正治疗。
[0003]传统的固定矫正主要采用托槽和弓丝组成的矫治器对患者进行错颌畸型的治疗，直到矫正结束才会将固定矫治器完全取下，而隐形矫正区别于传统的固定矫正的方法是隐形矫治器可以随时的佩戴和取下。由于患者佩戴习惯以及矫治器因膜片的材料性能而出现的力学性能问题，会使得矫治器出现变形，严重时会对矫治器产生破坏。因此透明矫治器的加工就显得格外的重要。
[0004]加工透明矫治器的原理方法是将患者的数字印模，通过3D打印技术打印出一个牙颌母模或者制作与之对应的是石膏印模作为压制矫治器的牙颌母模模型，将牙颌母模放在矫治器成型设备上，将牙胶片固定在牙颌母模上方，对牙胶片进行加热使其物理属性发生变化，从固态弹性体变成粘塑性体；在开始阶段，当牙胶片受热到一定程度，其中心部位会因加热后牙胶片逐渐软化呈现出黏流属性，中心部位会因自身属性的变化和在重力作用及自身重量的作用下出现由中心向边缘扩散的下垂的变形；其次，下压牙胶片与牙颌母模相接触，当完全接触后的瞬间自动开启真空吸附，通过抽真空方式将牙胶片紧紧吸附在牙颌母模上；在下压和吸附的整个过程中，牙胶片的温度急剧下降使其快速冷却成型；在这个过程中牙胶片模型从加热阶段自由热塑性变形时的粘塑性变形模型，到具有边界约束的热塑性接触变形分析在接触初始阶段是粘弹塑性变形模型，再到真空吸附成型阶段的粘弹塑性变形模型，以及在吸附成型稳定后处于的弹性变形阶段。
[0005]通过抽真空使得牙胶片模型吸附，目的是使牙胶片与牙颌母模在一些细小部位，如牙齿间的倒凹、牙齿与牙龈分界处、缺失牙部位更好的贴合在一起，使得加工出来的牙胶片更加符合口内真实状态，将矫治力真正作用于牙齿和附件上并且减轻患者佩戴时的疼痛，起到更好的治疗效果。
[0006]而在整个透明矫治器的加工环节中，牙胶片最终的成型效果会受到不同厂家不同材料和参数、牙颌母模形态、加工温度、加热时间、下压过程、贴合程度以及真空吸附时间等多方面因素的影响。
[0007]矫治器的厚度变化是矫治器质量的重要因素之一，目前国内对于隐形矫治器材料成型过程中的变形机理和仿真研究尚处于起步阶段，对于隐形矫治器成型后矫治器厚度变化的相关研究报告基本没有。通过相关文献的查阅，申请号为CN201911144929.0的专利技术专
利，通过理论公式来分析热传递和负压成型的理论依据，并没有通过实际模拟分析来证明牙胶片实际加工过程中会遇到的问题；申请号为CN202110083741.0的专利技术专利通过分析牙颌母模和注塑成型原理来对矫治器的加工进行分析，在文中并没实际陈述到加工过程的有限元方法；北京化工大学何智浩等人的硕士论文中对牙胶片材料重新组合后进行详细阐述，对后期矫治器对牙齿移动进行了有限元分析，但并未陈述矫治器的加工成型分析过程，以及所列出的重组新材料在加工过程中温度等因素对最后的加工产生的影响；张献等人发表的论文中阐述了透明矫治器和固定矫治器之间的优缺点，在阐述隐形矫治器的优缺点时，仅从临床角度出发提出了隐形矫正的优缺点，并没有就矫治器的加工对矫正也会有一定的影响进行详细阐述。

技术实现思路
：
[0008]目前国内对于隐形矫治器材料成型过程中的变形机理和仿真研究尚处于起步阶段，对于隐形矫治器成型后矫治器厚度变化的相关研究报告尚未见详细报道，矫治器的厚度变化是影响矫治器质量的重要因素之一，因此本
技术实现思路
使用有限元分析方法对于无托槽透明矫治器加工的整个过程进行分析模拟，本专利技术提出了一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，用于对无托槽透明矫治器制作过程的机理进行建模及分析，本专利技术专利内容所述方法可用于矫治器局部的厚度尺寸、力学性能、成型效果的预测。
[0009]本专利技术是通过采用以下技术方案来实现的，首先对矫治器成型过程中的牙胶片、牙颌母模、成型装置进行等效建模和过程参数设计；然后根据牙胶片制作矫治器的成型机理，将其过程分为加热阶段重力作用下的自由热塑变形，具有边界约束的热塑性接触变形分析、真空吸附成型阶段的粘弹塑性吸附成型变形分析，成型稳定后牙胶片厚度变化分布云图分析共四个阶段分析过程；最后对于成型稳定后牙胶片的厚度变化量和成型效果能进行分析。
[0010]一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，具体方法内容包括以下步骤：
[0011]步骤1、对于无托槽透明矫治器成型过程中所需成型装置及牙胶片进行等效三维建模及等效参数模型设计，主要包括对牙胶片、牙颌母模、成型装置的三维模型构建和参数化等效建模；
[0012]步骤1.1、在本专利技术专利中所使用技术可对于三维面片模型进行分析，所需牙胶片可为与实际圆形牙胶膜片大小半径一致的圆形面片模型；所需的牙颌母模为通过口内扫描所获得的的三角网格面片模型；按照等效简化原则，成型装置和牙颌母模在布尔和运算后得到完整的分析牙颌母模；并对等效三维模型所建立的模型质量状况、网格质量和空间约束给予参数化设定；
[0013]步骤1.2、根据步骤1.1所述内容，通过调整坐标系来设定各等效三维模型之间的空间约束参数，各等效三维模型的空间坐标分别在X、Y轴方向的坐标是相同的，在Z轴方向上的坐标保持一定的参数间距，所设定参数间距需保留一定牙胶片在加热阶段重力作用下的自由热塑变形产生的下垂量距离；
[0014]步骤1.3、根据步骤1.1所述内容，所述模型质量、网格质量的参数设定主要包括，对等效简化的模型重新参数化，生成多分辨率模型。重新参数化之前模型网格大小杂乱无
章，存在过多畸变、拉长型三角形网格，存在的小孔、自相交面、尖状物、高度折射边等问题，结合沃罗诺伊划分法则，模型网格顶点平均地放置到模型边界范围内，创建形状非常规则(等边)的三角形，通过控制三角形的平均边长度来规则网格三角面片大小；
[0015]步骤1.4、网格三角片的数量是多分辨率模型质量的重要参数化指标，网格的数量决定着有限元分析时间、收敛情况、最终结果等情况，根据步骤1.3所述内容，所述模型的三角网格大小的数量主要取决于所创建规则形状的三角形网格边长大小，三角形网格边长大小越小所创建的网格数量就越多，反之则网格数量越少；网格数量越多会严重影响计算时间，数量越小，牙颌母模的表面形态就会发生变化无法保证其原有模型轮廓；
[0016]步骤2、对于所修正参数化后的牙胶片模型、牙颌母模、成型装置模型以三角形面网格模型作为有限元分析的输入模型，三角形面网格模型能继承参数化设计后的模型三角网格数量大小本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，针对无托槽透明矫治器硬膜牙胶片制作过程的成型机理进行建模及分析，其特征在于，首先对正畸矫治器成型设备及牙胶片进行三维建模及等效参数设计，然后根据牙胶片制作矫治器的成型机理，将其过程分为加热阶段重力作用下的自由热塑变形，具有边界约束的热塑性接触变形分析、真空吸附成型阶段的粘弹塑性吸附成型变形分析，成型稳定后牙胶片厚度变化分布云图分析共四个阶段分析过程；最后对于成型稳定后牙胶片的厚度变化量和成型效果能进行分析。2.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，对于无托槽透明矫治器成型过程中所需成型装置及牙胶片进行等效三维建模及等效参数模型设计，包括对牙胶片、牙颌母模、成型装置的三维模型构建和参数化等效模型设计。3.根据权利要求2所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述等效三维模型构建包括，三维牙颌母模的制备、成型装置的简化建模，对于等效三维模型所建立的模型质量状况、网格质量和空间约束给予参数化设定。4.根据权利要求3所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述模型质量状况、网格质量的参数设定包括，结合沃罗诺伊划分法则，模型网格顶点均匀地放置到模型边界范围内，创建连续的高质量三角形网格，得到高质量模型；对三维等效网格模型的重新参数化和生成多分辨率模型。5.根据权利要求3所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述牙胶片和母模之间的空间约束参数包括，牙颌母模与牙胶膜片模型空间坐标保证在同一轴线方向上，牙胶膜片模型位于牙颌母模中心上方一定参数距离。6.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述加热阶段重力作用下的自由热塑变形包括，实际牙胶膜片在被施加热源条件后，在重力作用下产生的变形量可等效转换成均布载荷力施加于牙胶膜片模型表面，均布载荷力大小等同于牙胶膜片在被施加热源条件后自身质量所产生的重力。7.根据权利要求1所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述具有边界约束的热塑性接触变形分析主要包括，在自由热塑性变形达到一定量后，牙胶膜片快速下落与牙颌母模相接触碰撞产生接触变形，在分析过程中通过等效变换法对于分析模型施加约束条件和载荷条件。8.根据权利要求7所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述等效变换施加约束条件和载荷条件主要是指，对于牙胶膜片模型施加固定约束条件，对于牙颌母模施加位移载荷条件，约束条件与位移载荷大小等效变换后数值大小相同。9.根据权利要求8所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，所述对于牙颌母模施加的位移载荷条件是以时间变化的非线性函数，在接触变形开始阶段，牙颌母模的移位具有一定的加速度变量属于非线性运动，在接触牙颌母模后，由于摩擦阻力因素，运动速度数值会降低。10.根据权利要求9所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法内容，其特征在于，所述对于牙颌母模施加的位移载荷条件在实际生产中位移载荷变量具有瞬时性，故而对于位移载荷条件主要以线性运动为例。11.根据权利要求7
‑
10所述的牙胶片制作正畸矫治器过程的建模及有限元方法，其特征在于，牙颌母模与牙胶片之间的接触变形主要由于牙胶片在被施加热源条件后牙胶片模
型处于粘弹塑性状态，在此状态下牙胶膜片具有良好的可塑性，牙胶片模型于牙...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹赟，袁天然，孙全平，朱武进，孙雨晴，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：