選擇性激光熔覆技術(shù)成形質(zhì)量影響因素及其在口腔修復(fù)體制造中的應(yīng)用

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(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(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(jìn)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(hù)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(jī)通過高能量密度的激光束對金屬粉末進(jìn)行逐層熔化，同時受到惰性氣體保護(hù)而在短時間內(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(jìn)行激光掃描時，計算機(jī)模型內(nèi)線條運(yùn)動軌跡決定激光光斑圓心運(yùn)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(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(shí)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(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(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，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(jìn)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(jī)內(nèi)對外形以及尺寸進(jìn)行設(shè)計，對于存在復(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(jìn)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(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(jī)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(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)部通常會有孔隙出現(xiàn)，絕對致密性無法達(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(qiáng)大熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)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?yàn)檫_(dá)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(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[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(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(jìn)行切削前就已經(jīng)對材料實(shí)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。