3D打印及其在口腔醫(yī)學中的應用(一)
——3D打印技術(shù)的工作原理

白石柱 張生睿 鐘聲 房銘健 趙瑞峰

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用相應材料通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。Chuck Hull發(fā)明3D打印技術(shù)至今已近四十年[1]，這項技術(shù)在口腔醫(yī)學領(lǐng)域的應用，也從最早只能加工頜骨模型，發(fā)展到可以制作手術(shù)輔助導板、修復體蠟型、金屬(基底)冠橋、個性化種植體、外科假體、個性化托槽、義齒金屬支架、牙列模型、樹脂基托、人工牙、暫時冠、人工牙齦、咬合墊等暫時或永久性的修復體和植入物(圖1)[2-4]。作為口腔數(shù)字化技術(shù)的核心環(huán)節(jié)之一，二十一世紀口腔醫(yī)學的發(fā)展已經(jīng)離不開3D打印，如導板輔助的數(shù)字化種植、隱形矯治、數(shù)字化頜骨手術(shù)重建、數(shù)字化正頜等當前諸多主流口腔臨床技術(shù)都是基于3D打印才能得以被創(chuàng)造并發(fā)展成熟的。

圖 1 3D打印的各種口腔修復體及輔助裝置

3D打印最早被稱為快速原型(rapid prototyping， RP)技術(shù)[5]，即利用打印設(shè)備快速將電腦文件制造出零件的原型。由于早期工藝與材料的限制，設(shè)備制造出的并非成品，只是具有相同外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原型，還不能正常行使功能。隨著工藝和材料的不斷發(fā)展，很多打印出的模型經(jīng)過簡單的后處理就可以得到最終產(chǎn)品，比如金屬打印制作的冠橋、活動義齒金屬支架等；由于已經(jīng)超越了原型的概念，所以不再使用Rapid Prototyping，而更多采用3D打印或者增材制造(additive manufacturing， AM)的概念。增材制造是相對于傳統(tǒng)“減材制造”(subtractive manufacturing, SM)而言的。減材制造是傳統(tǒng)常用的方法，通過手工雕刻，或者使用銑床、CNC機床等設(shè)備，從一塊胚料上去除所有不需要的部分，直至得到所需的零件，目前固定義齒的切削加工就是采取減材制造。這種方法雖然具有較高精度，但常常造成浪費，也限制了一些材料的應用；特別是具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，無法通過減材制造的途徑來直接制作，需要分成很多組件加工完成后再進行裝配，工序復雜，耗時耗力，容易出現(xiàn)偏差。

美國材料與試驗協(xié)會(American society for testing and materials， ASTM)增材制造技術(shù)委員會(F42)對3D打印的定義是[6]：“一種與減材制造相反，利用3D模型數(shù)據(jù)，以逐層堆疊累積的方式將材料連接起來構(gòu)造物體的過程?！奔磁c傳統(tǒng)的去除材料加工方法完全相反，由三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動，利用逐層添加材料的方式直接制造產(chǎn)品的方法。與減材制造工藝相比，增材制造是從零開始的，通過依次在前一層的表面再“打印”新的一層來構(gòu)建零件，直至零件完成。根據(jù)所使用的特定增材制造技術(shù)，每一層的厚度也有所不同，大多在幾十微米到幾百微米之間變化，當前有許多材料可以應用于不同的增材制造工藝。

1 3D打印的工作原理

日常普通打印的原理是將墨水打印在紙張表面，只能實現(xiàn)二維印刷品的打印。3D打印的工作原理是基于離散堆積的思想，將一個物理實體復雜的三維加工方式，離散成一系列二維層片的加工，然后疊加[7]；類似于CT掃描獲得斷層影像后再進行三維重建的過程。具體方法是在軟件中，將模型文件按照一定的層厚進行切片，得到每個斷層的圖像或外形輪廓，再將斷層圖像或輪廓的切片文件轉(zhuǎn)成特定格式文件輸入打印機，進行逐層加工、堆積，形成最終的三維立體零件實物(圖 2)。

圖 2 3D打印離散堆積的工作原理

從成型工藝上3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)成型方法的限制，通過快速自動成型系統(tǒng)與計算機數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，無需任何附加的傳統(tǒng)模具和機械加工就能制造出各種復雜的實體原型，這使得產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降。尤其是對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜的零件，3D打印技術(shù)可以直接加工，相較傳統(tǒng)制作方法是革命性的突破。3D打印另一大特色是能夠?qū)崿F(xiàn)大批量的個性化加工，例如能夠同時加工完成幾副活動義齒支架或幾十個單位的金屬冠橋(圖 3)，生產(chǎn)效率大大提高，因此在醫(yī)學制造領(lǐng)域相較傳統(tǒng)加工方式也具有顯著優(yōu)勢。

圖 3 多個活動義齒支架和金屬冠橋能夠同時加工完成 圖 4 口掃數(shù)據(jù)是沒有封閉的，需要添加底座封閉后才能夠用于打印

2 3D模型文件及其格式

所有3D打印都需要從處理電腦中的三維數(shù)字模型開始，用于3D打印的數(shù)字模型必須采用完全封閉的“水密”體積形式；模型的水密性是指模型的面和面直接緊密的結(jié)合起來，沒有空隙，形成無漏洞的有體積固體。如果模型的表面出現(xiàn)部分缺失或存在間隙，則表示為無限薄表面而不是完整的立體模型，這樣的模型在軟件中是測量不出來體積的；無限薄表面是無法打印的，需要使用軟件修復模型關(guān)閉間隙才可以進行切片處理?？趦?nèi)掃描儀獲取的數(shù)據(jù)都是沒有封閉的，模型掃描儀獲取的數(shù)據(jù)一般也是沒有封閉的，因此需要在軟件中進一步處理，添加底座關(guān)閉間隙以后才能夠用于打印(圖 4)。

模型打印前必須保存為能夠被3D打印設(shè)備識別的文件格式；3D打印中最常用的文件格式是STL文件，STL文件格式是由美國3D Systems 公司于1988 年制定的一個開放的接口協(xié)議，因此它最早的來源是立體光刻語言(STereolithography Language)，但現(xiàn)在也被稱為標準三角語言(standard triangle language)或標準曲面細分語言(standard tessellation language)。目前STL已成為3D打印領(lǐng)域的一種標準數(shù)據(jù)模式，也是目前口腔領(lǐng)域各種掃描設(shè)備、切削設(shè)備、打印設(shè)備以及各類設(shè)計軟件所通用和最常用的數(shù)據(jù)格式。STL文件格式的特點是其三維立體模型由空間中若干小三角形面片的集合組成，每個三角形面片由其三個頂點的坐標和指向模型外部的三角形面片法向量來定義。模型包含的三角面片越多，STL文件的分辨率就越高，模型的質(zhì)量也越好，能夠表現(xiàn)更多的表面細節(jié)，模型越接近實體原始曲面(圖5)；但同時數(shù)據(jù)量也越大，軟件處理模型時占用的計算資源也越多，處理花費時間也越長，對計算機硬件的要求也越高[8]。STL文件的來源有兩種方式：第一種是通過將已有的三維模型表面進行三角化獲得，是用小三角面片去逼近自由曲面，這種方式主要針對外形比較規(guī)則易于通過計算機輔助設(shè)計(computer aided design， CAD)軟件參數(shù)化建模生成的模型，早期軟件中的模型都需要使用CAD軟件來建立，打印前需要將CAD文件轉(zhuǎn)換為STL文件格式；另一種是利用逆向工程或反求工程的方法，將空間中的點云連接成三角面片，具體是將鄰近的三個點通過特定的算法連接起來并確定其法線方向；在口腔醫(yī)學領(lǐng)域空間點云數(shù)據(jù)的來源可以是各類光學掃描儀的掃描結(jié)果或CT數(shù)據(jù)中的像素點，因而這種方式更適合用于結(jié)構(gòu)與外形復雜無法進行參數(shù)化建模的模型(圖 6)。

圖 5 用口內(nèi)掃描儀獲取的眶周模型，三角面片數(shù)量 圖 6 面部掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)后重建三角面片減少后，模型細節(jié)丟失

STL文件能夠在3D打印領(lǐng)域中有廣泛的應用，主要因為其有以下優(yōu)點： (1)文件生成簡單，幾乎所有的CAD軟件均具有輸出STL文件的功能，同時還可以控制輸出STL模型的精度； (2)文件輸出廣泛，幾乎任何三維幾何模型都可以通過表面的三角化生成STL文件； (3)分層算法簡單，由于STL文件數(shù)據(jù)簡單，所以分層算法要相對簡單的多； (4)模型分割容易，當成型的零件很大而很難在打印機上一次成型時，這時候應該將模型分割為多個小的部分分別制造，STL文件的模型分割也比較簡單。

STL文件有兩種數(shù)據(jù)格式，一種是文本格式(ASCII碼格式)，一種是二進制格式(Binary格式)；后者更常用，因為相同的模型保存為Binary格式，其文件大小約是ASCII碼格式的1/6。保存和傳輸STL文件時，最好先將其進行壓縮，壓縮后文件大小可以進一步減少約2/3,能夠有效節(jié)省儲存空間，縮短處理時間。

近年有人提出一些新的3D打印文件格式[9]，包括增材制造文件格式(additive manufacturing file format， AMF)和3D制造格式(3D manufacturing format， 3MF)，主要的改進是向文件中添加了更多信息，包括顏色和材料，并允許使用彎曲的三角形來改善模型質(zhì)量。這些格式大大改進了有些過時的STL格式，不過當前大多數(shù)3D打印設(shè)備仍然在使用STL文件。

3 模型文件打印前的處理

模型文件在開始打印之前，必須要經(jīng)過一些處理工作，包括模型的檢查與修復、確定擺放方向、支撐添加、分層切片后才能最終輸出打印設(shè)備能夠識別的文件。早期(約2010年之前)這些工作幾乎都是在Magics軟件(Materialise公司，比利時)中完成的，近年來隨著桌面型打印設(shè)備的出現(xiàn)與普及，很多免費的開源軟件也被研發(fā)出來用于完成這部分工作。

3.1 檢查與修復

前處理軟件讀取打印文件后，首先就是檢查模型是否存在錯誤與缺陷，SLT模型中常見的錯誤類型有以下幾種： (1)法向錯誤，三角形的頂點次序與三角形面片的法向量不滿足右手規(guī)則； (2)孔洞，主要是由于三角面片的丟失引起的； (3)縫隙，由于頂點不重合引起的，和孔洞一樣都造成了三角面片的缺失； (4)多殼體，通常是由于零件造型時沒有進行布爾運算，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間存在分割面引起，或由一些游離小面片產(chǎn)生的干擾殼體； (5)重疊或自相交，是三角形頂點的處理出現(xiàn)問題造成的。如果對上述這些問題不做修復，會影響到后面的模型分層切片和掃描加工等環(huán)節(jié)，甚至產(chǎn)生加工死機等嚴重后果(圖 7)。

圖 7 SLT模型中常見的錯誤類型

這些錯誤大都是由于三角面片的特性造成的，在軟件中對這些錯誤能夠進行自動檢測與修復是非常重要的，否則依賴操作者手工進行一個個三角形的添加、刪除、修改工作，需要花費大量精力，不僅枯燥、麻煩，而且也容易造成模型變形。但是自動檢測與修復的實現(xiàn)比較復雜，對程序的要求比較高，免費的開源軟件通常沒有提供相應功能，這也是Magics軟件能夠在該領(lǐng)域多年壟斷的重要原因之一。根據(jù)作者的經(jīng)驗，模型利用Geomagic Wrap軟件(3D System公司， 美國)中的網(wǎng)格醫(yī)生功能進行檢測并自動修復后，能夠順利通過Magics軟件的檢測，不需要再進行修復。

3.2 添加支撐

支撐(Support)是3D打印技術(shù)中非常重要的概念，是在加工過程中為3D打印模型懸空部分提供支持的額外輔助結(jié)構(gòu)[10]。有些模型如果沒有支撐來提供支持,懸空部分在開始打印時會因重力垂落在打印平臺上,導致無法成型； 對于金屬3D打印，支撐還可以起到傳熱降溫、抗變形的作用。但同時支撐的添加會增加材料成本，延長打印時間，帶來更多的后處理工作，尤其是會對模型打印效果產(chǎn)生較大影響。因此，合理設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)是復雜模型3D打印中一個非常重要的環(huán)節(jié)，設(shè)置支撐時需要從以下方面考慮：

3.2.1 支撐角度 指支撐面法線方向與成型方向之間的夾角，小于等于設(shè)置角度的區(qū)域都會產(chǎn)生支撐。角度并不是設(shè)置的越小越好，雖然這樣會減少支撐范圍，但同樣意味著模型打印失敗的風險會提高。不同的打印工藝，對支撐設(shè)置角度的要求也不同，支撐角度設(shè)置的合理區(qū)間為40°～70°；至于該如何設(shè)置較佳的角度，則需要考慮模型表面過渡的曲率。球體表面過渡平緩，支撐角度可設(shè)置的小一些；口腔領(lǐng)域大多數(shù)模型表面過渡都較大，突出或凹陷明顯的細節(jié)和結(jié)構(gòu)比較多，則需要設(shè)置更大的角度(圖 8)。

3.2.2 支撐樣式 不同的3D打印軟件會提供不同種類的支撐樣式，例如折線、網(wǎng)格、回環(huán)、三角形等；從實際使用效果來看，“折線”和“網(wǎng)格”兩種樣式較為實用，前者間隙較大，因此模型接觸少，對模型表面影響小，同時也更加容易去除。因此一般情況推薦使用“折線”支撐(圖 9)。

圖 8 設(shè)置不同的支撐角度，軟件中生成的支撐結(jié)構(gòu)不同 圖 9 3D打印常用的支撐樣式

3.2.3 支撐密度 密度越小，支撐間的縫隙越大，也更容易拆除；但同時支撐強度越低，一般20%密度以上的支撐就能獲得足夠的支撐強度。

模型打印前添加支撐大都是在軟件中自動完成的，軟件一般會提供不同樣式的支撐模板，支撐密度、支撐距離等重要的參數(shù)可以在自動生成支撐前根據(jù)需要進行設(shè)定。

3.3 分層切片

切片是將打印模型離散為厚度均等的若干層，同時獲取打印機在打印每一層時所行走的路徑。切片處理是3D打印的基礎(chǔ)，切片參數(shù)的設(shè)置是影響模型成品質(zhì)量的重要條件之一。與切片相關(guān)的參數(shù)主要有層厚與填充：

3.3.1 層厚 3D打印是通過逐層累加制造出零件實物的，相鄰兩層間的間隔就是層厚；加工時上下兩層之間的層厚，必須與模型切片時的層厚一致。因此層厚是與模型精度密切相關(guān)的參數(shù)，每一層越薄模型成品就會看起來越光滑；表面曲率變化不大的模型如果切片設(shè)置的層厚較大，得到的模型表面會出現(xiàn)明顯的臺階效應(圖 10)。層厚也是影響打印時間的最重要因素，層厚減小一半，總層數(shù)就會增加一倍，打印時間也就會隨之延長一倍。目前在口腔領(lǐng)域的應用中，一般將層厚設(shè)置為50或100 μm。

圖 10 表面曲率變化不大的模型打印完成后，模型表面會出現(xiàn)臺階效應；打印層厚越大，臺階效應越明顯

3.3.2 填充 打印完成的模型其內(nèi)部可以不是實心的，能夠通過設(shè)置不同的填充率來改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即根據(jù)自己的需求來調(diào)整填充密度，如果設(shè)置為0%會得到一個空心的模型。薄殼結(jié)構(gòu)的模型如手術(shù)導板、金屬支架、義齒基托等，需要將填充率設(shè)置為100%，得到的就是一個實心的模型，以保證足夠的強度。而一些較厚的模型如下頜骨、牙列模型等，填充率設(shè)置過高不僅延長打印時間而且會浪費很多材料，可以設(shè)置為20%～40%，如果對模型的強度有要求可以再設(shè)置得高一些。

作為系列文章的第一篇，本文對3D打印技術(shù)的基本原理進行了簡介； 后續(xù)文章將會介紹與口腔醫(yī)學相關(guān)的3D打印技術(shù)常用的成型工藝、各種常用材料，以及這項技術(shù)在口腔醫(yī)學中的應用。學習掌握3D打印的原理、方法、材料及其在口腔醫(yī)學中的應用，能夠幫助我們更好地利用這項技術(shù)，發(fā)揮其優(yōu)勢，創(chuàng)造更多的臨床新技術(shù)，促進口腔醫(yī)學的發(fā)展。