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)

通過對選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進行改進，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)進行增材制造，可有效解決上述問題。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、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，同時存在較高的力學(xué)性能[2]。但是在臨床長期應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，SLM技術(shù)成形質(zhì)量會對口腔修復(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行以下闡述。

1 對SLM技術(shù)成形質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素

SLM技術(shù)主要包含保護系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)以及激光系統(tǒng)。通過CAD軟件將立體模型設(shè)計完成，同時轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)，輸入SLM成形設(shè)備內(nèi)，成形機通過高能量密度的激光束對金屬粉末進行逐層熔化，同時受到惰性氣體保護而在短時間內(nèi)冷卻成形，逐層融合以及堆積，進而制作出致密的部件。對SLM技術(shù)成形質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素較多，最為常見的有激光光斑、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 在進行激光掃描時，計算機模型內(nèi)線條運動軌跡決定激光光斑圓心運動軌跡，但是激光光斑自身有一定直徑，故而會出現(xiàn)激光成形尺寸超過理論尺寸約半個光斑。

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對鋪粉均勻程度產(chǎn)生一定影響，當(dāng)前臨床所選擇的刮板一般是橡膠類或不銹鋼類。為保障均勻的鋪粉厚度，對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，會出現(xiàn)鋪粉實際厚度超過預(yù)計值；當(dāng)粉末內(nèi)合金顆粒直徑過小時，極易發(fā)生粉末流動性差情況，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，利用其對粉末開展照射成形，當(dāng)熔池同四周環(huán)境出現(xiàn)明顯溫度梯度時，極易出現(xiàn)試件殘余應(yīng)力。因此，在成形前對選區(qū)實施預(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成形過程中對材料機械性質(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，會使得熔池尺寸下降，粉末無法充分熔化，當(dāng)已經(jīng)熔化的粉末同未能熔化的粉末粘接在一起時，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，對試件致密度產(chǎn)生不利影響；當(dāng)能量密度過大時，會對打印層進行重新熔化，并且掃描軌跡上金屬粉末會因高能量密度而出現(xiàn)飛濺，當(dāng)冷卻后會粘連在試件表面，對下一層鋪粉產(chǎn)生影響，導(dǎo)致Z軸成形誤差。

2 口腔修復(fù)體制作中SLM技術(shù)的應(yīng)用情況

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)操作簡便，無翻模、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)可在計算機內(nèi)對外形以及尺寸進行設(shè)計，對于存在復(fù)雜尖窩溝嵴等形態(tài)的牙面進行制作，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。在臨床使用過程中，可發(fā)揮較高的邊緣密合度，對于120 μm以下的臨床邊緣密合度需求，在進行單冠或三個牙位內(nèi)的聯(lián)冠制作時，不會因牙單位增加而降低精確度，但目前在三個牙單位以上基底冠橋制作精確度方面還需臨床進行深入研究[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，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]。對于鑄造鈷鉻合金而言，其屬于樹枝晶組織結(jié)構(gòu)，包含微孔以及矩形重相，則會對機械性能產(chǎn)生不利影響，同時還會增加其出現(xiàn)腐蝕的風(fēng)險，對材料疲勞強度產(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，但是在實際制作中極易受到工藝水平影響，在試件內(nèi)部通常會有孔隙出現(xiàn)，絕對致密性無法達到。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)過程中，合金會出現(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。在開展高溫固溶干預(yù)時，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，并且其水平會受到熱處理溫度和冷卻方式的影響，同時其水平也會決定成形件力學(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，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，因此會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，對金瓷結(jié)合產(chǎn)生不利影響[9]。在冷卻時若熱膨脹系數(shù)不匹配，在結(jié)合界面則會出現(xiàn)殘余應(yīng)力以及瞬態(tài)熱應(yīng)力，同時還會有瓷裂以及金屬蠕變等問題，另外在瓷燒結(jié)時會出現(xiàn)較大的溫度梯度，極易在陶瓷以及合金內(nèi)部出現(xiàn)強大熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力到達SLM試件屈服極限時則會出現(xiàn)塑性變形，嚴(yán)重時還會有裂紋和遲發(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，主要是采取減材切削工藝，對于存在中空復(fù)雜結(jié)構(gòu)的義齒支架，在制作過程中無法滿足其需求。對于制作的試件仍需開展精細(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，能夠為達到無模型數(shù)字化自動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，在進行激光高溫熔融鈦合金粉末時會出現(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相鈦合金強度會高于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度[11]。當(dāng)SLM試件成形后，因馬氏體組織較小，呈無序地縱橫交錯排列，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[12]。在熱處理過程中，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，對抑制晶粒長大具有一定作用。將支架置于顯微鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)其質(zhì)地均勻致密，表面無微孔存在。材料強度以及塑性等性能受到顯微組織的發(fā)展而有顯著提升，進而能夠達到較高的力學(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散過程，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，同時硬度以及疲勞性能也有顯著提升。

2.3種植基臺制作 當(dāng)SLM基臺間隙較大時，發(fā)生該種情況的原因主要有成形過程中應(yīng)力使得翹曲變形以及無法形成突出的嵴、角、邊結(jié)構(gòu)，同時成形試件表現(xiàn)存在一定粗糙度，受到上述因素影響，使得基臺在種植體的就位發(fā)生嚴(yán)重影響，因此在種植體同基臺界面有較大間隙[14]。當(dāng)基臺外部表面粗糙時，也會導(dǎo)致菌斑定植以及聚集[15]。對于切削工藝而言，其在進行切削前就已經(jīng)對材料實施預(yù)加工，材料成形只會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。在基臺加工方面，當(dāng)前SLM技術(shù)依舊無法完全取代切削工藝。

3 小 結(jié)

SLM技術(shù)符合綠色、數(shù)字化、智能制造需求，可為個性化治療以及數(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，在個性化手術(shù)器械、個性化植入物、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有較大的發(fā)展空間以及前景，能夠一定程度上推動口腔修復(fù)水平的發(fā)展。