牟榮 綜述 曾河清 審校
(漢中市口腔醫(yī)院口腔工藝科,陜西 漢中 723000)
通過(guò)對(duì)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),可發(fā)展為選擇性激光熔覆技術(shù)(SLM)。傳統(tǒng)制造工藝存在復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工難度大以及成品率穩(wěn)定性差等不足,采用SLM技術(shù)進(jìn)行增材制造,可有效解決上述問(wèn)題。SLM技術(shù)在口腔修復(fù)中可發(fā)揮重要作用,種植體、種植體基臺(tái)、可摘義齒支架、金屬基底冠以及正畸托槽等口腔器械內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)制作精確度要求較高,而應(yīng)用SLM技術(shù)能夠有效制作上述口腔器械,進(jìn)而提升口腔修復(fù)效果[1]。當(dāng)前在口腔修復(fù)中,采用SLM技術(shù)所制作的鎳鉻合金、鈦合金、鈷鉻鉬合金等試件在離子析出率、細(xì)胞毒性以及耐腐蝕性等方面可發(fā)揮良好效果,同時(shí)存在較高的力學(xué)性能[2]。但是在臨床長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),SLM技術(shù)成形質(zhì)量會(huì)對(duì)口腔修復(fù)效果產(chǎn)生一定影響,因此,了解影響SLM技術(shù)成形質(zhì)量因素,并采取相應(yīng)措施干預(yù),對(duì)提升口腔修復(fù)效果具有重要作用。為此,現(xiàn)就影響SLM技術(shù)成形質(zhì)量因素和其在口腔修復(fù)體制作中的使用情況進(jìn)行以下闡述。
SLM技術(shù)主要包含保護(hù)系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)以及激光系統(tǒng)。通過(guò)CAD軟件將立體模型設(shè)計(jì)完成,同時(shí)轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù),輸入SLM成形設(shè)備內(nèi),成形機(jī)通過(guò)高能量密度的激光束對(duì)金屬粉末進(jìn)行逐層熔化,同時(shí)受到惰性氣體保護(hù)而在短時(shí)間內(nèi)冷卻成形,逐層融合以及堆積,進(jìn)而制作出致密的部件。對(duì)SLM技術(shù)成形質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素較多,最為常見(jiàn)的有激光光斑、掃描方式、刮板特征、粉末特征、選區(qū)預(yù)熱以及激光能量密度。
1.1激光光斑 在進(jìn)行激光掃描時(shí),計(jì)算機(jī)模型內(nèi)線(xiàn)條運(yùn)動(dòng)軌跡決定激光光斑圓心運(yùn)動(dòng)軌跡,但是激光光斑自身有一定直徑,故而會(huì)出現(xiàn)激光成形尺寸超過(guò)理論尺寸約半個(gè)光斑。
1.2掃描方式 成形試件性能以及缺陷控制一定程度上受到掃描方式的影響,可表現(xiàn)在熱交換傳遞以及熔池內(nèi)能量分布等方面。若掃描方式未能正確選擇,極易出現(xiàn)熔覆層溫度梯度差異較大等情況,進(jìn)而發(fā)生孔隙以及球化等制作缺陷。
1.3刮板特征 鋪粉設(shè)備內(nèi),基板同刮板間縫隙誤差會(huì)對(duì)鋪粉均勻程度產(chǎn)生一定影響,當(dāng)前臨床所選擇的刮板一般是橡膠類(lèi)或不銹鋼類(lèi)。為保障均勻的鋪粉厚度,對(duì)刮板特征作出一定要求,其一不可存在磁性,其二要有耐磨性以及硬度[3]。
1.4粉末特征 鋪粉層厚度會(huì)受到粉末顆粒直徑影響,故而需要依據(jù)粉末顆粒直徑分布情況判斷鋪粉層厚度。若粉末內(nèi)合金顆粒直徑大于層厚時(shí),會(huì)出現(xiàn)鋪粉實(shí)際厚度超過(guò)預(yù)計(jì)值;當(dāng)粉末內(nèi)合金顆粒直徑過(guò)小時(shí),極易發(fā)生粉末流動(dòng)性差情況,影響其在基板上的均勻鋪展[4]。上述兩種情況均會(huì)導(dǎo)致Z軸上制作誤差增大。
1.5選區(qū)預(yù)熱 SLM成形中,熱源選擇高能激光,利用其對(duì)粉末開(kāi)展照射成形,當(dāng)熔池同四周環(huán)境出現(xiàn)明顯溫度梯度時(shí),極易出現(xiàn)試件殘余應(yīng)力。因此,在成形前對(duì)選區(qū)實(shí)施預(yù)熱能夠一定程度上降低溫度梯度。
1.6激光能量密度 層厚、掃描間距、掃描速度以及激光功率決定能量密度,計(jì)算公式是:激光功率/(層厚×掃描間距×掃描速度)=能量密度[5]。激光能量密度能夠體現(xiàn)單位體積內(nèi)激光能量,另外其也是SLM成形過(guò)程中對(duì)材料機(jī)械性質(zhì)以及理化性質(zhì)發(fā)揮關(guān)鍵作用的因素。當(dāng)能量密度較低時(shí),會(huì)使得熔池尺寸下降,粉末無(wú)法充分熔化,當(dāng)已經(jīng)熔化的粉末同未能熔化的粉末粘接在一起時(shí),可出現(xiàn)較大的球化顆粒,使得熔覆層平整度較差,間隙較大,對(duì)試件致密度產(chǎn)生不利影響;當(dāng)能量密度過(guò)大時(shí),會(huì)對(duì)打印層進(jìn)行重新熔化,并且掃描軌跡上金屬粉末會(huì)因高能量密度而出現(xiàn)飛濺,當(dāng)冷卻后會(huì)粘連在試件表面,對(duì)下一層鋪粉產(chǎn)生影響,導(dǎo)致Z軸成形誤差。
2.1金屬基底冠制作 (1)在密合度方面,相較于傳統(tǒng)鑄造技術(shù),SLM技術(shù)操作簡(jiǎn)便,無(wú)翻模、筑蠟型、燒結(jié)以及鑄造等復(fù)雜操作,系統(tǒng)性誤差小,制作周期明顯減少。SLM技術(shù)可在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)外形以及尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)于存在復(fù)雜尖窩溝嵴等形態(tài)的牙面進(jìn)行制作,故而在制作牙冠方面可發(fā)揮重要作用。當(dāng)前利用SLM技術(shù),并選擇鈷鉻合金制作金屬基底冠。在臨床使用過(guò)程中,可發(fā)揮較高的邊緣密合度,對(duì)于120 μm以下的臨床邊緣密合度需求,在進(jìn)行單冠或三個(gè)牙位內(nèi)的聯(lián)冠制作時(shí),不會(huì)因牙單位增加而降低精確度,但目前在三個(gè)牙單位以上基底冠橋制作精確度方面還需臨床進(jìn)行深入研究[6]。另外,當(dāng)受到各種粘接劑以及各種牙體解剖形態(tài)的影響,相較于其他制作工藝,SLM鈷鉻基底冠同樣能夠發(fā)揮出較高的垂直向邊緣密合性。因此SLM技術(shù)存在精確度高以品質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),能夠用于多單位的固定修復(fù)基底冠制作。(2)在金相組織方面,材料微觀結(jié)構(gòu)中,SLM技術(shù)制作的合金件存在更高的顯微組織。通過(guò)顯微組織分析可知,密排六方結(jié)構(gòu)的ε-Co固溶體以及面心立方結(jié)構(gòu)γ-Co固溶體組成SLM成形件顯微組織,質(zhì)地均勻密度高[7]。對(duì)于鑄造鈷鉻合金而言,其屬于樹(shù)枝晶組織結(jié)構(gòu),包含微孔以及矩形重相,則會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生不利影響,同時(shí)還會(huì)增加其出現(xiàn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)材料疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。盡管在理論方面,SLM技術(shù)可以完成100%致密度的試件,但是在實(shí)際制作中極易受到工藝水平影響,在試件內(nèi)部通常會(huì)有孔隙出現(xiàn),絕對(duì)致密性無(wú)法達(dá)到。采用SLM技術(shù)制作的鈷鉻合金基底冠在熱處理方面具有良好的穩(wěn)定性,在進(jìn)行烤瓷多次燒結(jié)模擬后,金屬基底冠邊緣可有2 μm左右的尺寸改變。盡管在燒結(jié)過(guò)程中,合金會(huì)出現(xiàn)相變,并釋放著應(yīng)力,但是相較于鑄造合金其尺寸改變較小。在開(kāi)展高溫固溶干預(yù)時(shí),鈷鉻合金相是由密排六方結(jié)構(gòu)的ε相和面心立方結(jié)構(gòu)γ相組成,并且其水平會(huì)受到熱處理溫度和冷卻方式的影響,同時(shí)其水平也會(huì)決定成形件力學(xué)性能[8]。(3)在金瓷結(jié)合性能方面,利用SLM技術(shù)所制作的鈷鉻合金,其金瓷結(jié)合力較高。SLM鈷鉻合金處于25℃~500℃時(shí),平均熱膨脹系數(shù)同瓷熱膨脹系數(shù)較為接近,但是相較于鑄造鈷鉻合金而言,其平均熱膨脹系數(shù)則顯著高于瓷,因此會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,對(duì)金瓷結(jié)合產(chǎn)生不利影響[9]。在冷卻時(shí)若熱膨脹系數(shù)不匹配,在結(jié)合界面則會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力以及瞬態(tài)熱應(yīng)力,同時(shí)還會(huì)有瓷裂以及金屬蠕變等問(wèn)題,另外在瓷燒結(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的溫度梯度,極易在陶瓷以及合金內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)大熱應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力到達(dá)SLM試件屈服極限時(shí)則會(huì)出現(xiàn)塑性變形,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有裂紋和遲發(fā)性崩瓷。
2.2可摘義齒支架制作 (1)數(shù)據(jù)并制作試件時(shí),主要是采取減材切削工藝,對(duì)于存在中空復(fù)雜結(jié)構(gòu)的義齒支架,在制作過(guò)程中無(wú)法滿(mǎn)足其需求。對(duì)于制作的試件仍需開(kāi)展精細(xì)加工以及拋光,才可應(yīng)用于臨床。將SLM技術(shù)應(yīng)用在鈦合金支架制作中,符合臨床制作金屬支架的需求,并且在制作精確度以及試件致密度方面可發(fā)揮較高效果,能夠?yàn)檫_(dá)到無(wú)模型數(shù)字化自動(dòng)加工成形提供一種新方式[10]。(2)在材料性能方面,采用SLM技術(shù)所制作的鈦合金支架,在進(jìn)行激光高溫熔融鈦合金粉末時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬氏體相變,形成α馬氏體相,可形成針狀微觀結(jié)構(gòu),在橫截面有網(wǎng)格狀形態(tài)大量α相以及少量β相構(gòu)成成形試件合金相。盡管在理論上α-β相鈦合金強(qiáng)度會(huì)高于α相,但是因SLM試件內(nèi)α相穩(wěn)定和致密,在材料構(gòu)建中有較多α馬氏體硬脆相,可提高成形件硬度以及強(qiáng)度[11]。當(dāng)SLM試件成形后,因馬氏體組織較小,呈無(wú)序地縱橫交錯(cuò)排列,較多硬脆相α馬氏體使得延伸率下降,相較于傳統(tǒng)技術(shù)所制作的構(gòu)件,其在拉伸強(qiáng)度方面有顯著升高。在口腔修復(fù)應(yīng)用中,主要是選擇α+β相鈦合金,其存在韌性塑性良好、組織穩(wěn)定性高以及綜合性能高等優(yōu)勢(shì)[12]。在熱處理過(guò)程中,亞穩(wěn)態(tài)α馬氏體能夠分解并轉(zhuǎn)變成片層狀α-β相,并且α-β相呈交替排列,對(duì)抑制晶粒長(zhǎng)大具有一定作用。將支架置于顯微鏡下觀察,可發(fā)現(xiàn)其質(zhì)地均勻致密,表面無(wú)微孔存在。材料強(qiáng)度以及塑性等性能受到顯微組織的發(fā)展而有顯著提升,進(jìn)而能夠達(dá)到較高的力學(xué)性能,另外消除殘余應(yīng)力,可一定程度上改善疲勞裂紋擴(kuò)散過(guò)程,降低脆度[13]。在微觀結(jié)構(gòu)上,SLM鈦合金試件相較于鑄造試件結(jié)構(gòu)更加均勻、致密以及穩(wěn)定,同時(shí)硬度以及疲勞性能也有顯著提升。
2.3種植基臺(tái)制作 當(dāng)SLM基臺(tái)間隙較大時(shí),發(fā)生該種情況的原因主要有成形過(guò)程中應(yīng)力使得翹曲變形以及無(wú)法形成突出的嵴、角、邊結(jié)構(gòu),同時(shí)成形試件表現(xiàn)存在一定粗糙度,受到上述因素影響,使得基臺(tái)在種植體的就位發(fā)生嚴(yán)重影響,因此在種植體同基臺(tái)界面有較大間隙[14]。當(dāng)基臺(tái)外部表面粗糙時(shí),也會(huì)導(dǎo)致菌斑定植以及聚集[15]。對(duì)于切削工藝而言,其在進(jìn)行切削前就已經(jīng)對(duì)材料實(shí)施預(yù)加工,材料成形只會(huì)受到切削步驟的影響,尺寸改變較小或不發(fā)生改變,故而試件可以有效就位。在基臺(tái)加工方面,當(dāng)前SLM技術(shù)依舊無(wú)法完全取代切削工藝。
SLM技術(shù)符合綠色、數(shù)字化、智能制造需求,可為個(gè)性化治療以及數(shù)字化口腔提供技術(shù)支持。伴隨SLM技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的廣泛使用,在個(gè)性化手術(shù)器械、個(gè)性化植入物、保持器、正畸托槽、種植導(dǎo)板以及口腔種植體等制作中將會(huì)有較大的發(fā)展空間以及前景,能夠一定程度上推動(dòng)口腔修復(fù)水平的發(fā)展。