數(shù)字光處理型3D 打印參數(shù)對導(dǎo)板樹脂機(jī)械性能的影響

章家銘 葉盛佳 楊曉燕 忻賢貞 曾 麗 魏 斌

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔修復(fù)科·口腔綜合科*·口腔第一門診#，上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，國家口腔醫(yī)學(xué)中心，國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，上海 200011）

近年來，由于可持續(xù)發(fā)展理念越來越受到重視，新興的增材制造技術(shù)，即3D 打印成型技術(shù)得到飛速發(fā)展[1]，在一些領(lǐng)域逐漸替代了傳統(tǒng)的等材制造與減材制造技術(shù)。其中的數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing，DLP），是將三維實體模型（STL 格式）進(jìn)行切片保存為二維數(shù)據(jù)文件，通過數(shù)字微鏡投影對液態(tài)樹脂進(jìn)行逐層光固化，堆積直至成型結(jié)束[2-5]?；贒LP 技術(shù)的3D 打印已經(jīng)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如義齒基托、正畸托槽、診斷模型、外科導(dǎo)板等。

研究表明，諸多打印參數(shù)影響著DLP 成型件的精度與性能，包括單層固化時間、底層固化時間、層厚、回合等待時間、平臺提升速度、后固化時間、模型設(shè)置角度等[6-11]。由于口腔醫(yī)學(xué)的技術(shù)敏感性以及臨床上對產(chǎn)品更高精度與性能的不斷追求，3D 打印工藝參數(shù)的研究與優(yōu)化對于臨床生產(chǎn)制造具有重要的意義。本實驗對單層固化時間、層厚、后固化處理時間、模型設(shè)置方向等工藝參數(shù)進(jìn)行研究，旨在獲取符合臨床要求的最佳參數(shù)范圍，為臨床應(yīng)用及生產(chǎn)樹脂導(dǎo)板提供依據(jù)與參考。

1 材料和方法

1.1 主要材料、儀器和軟件

1.1.1 主要材料 D031 牙科樹脂 （樂一，中國）。

1.1.2 主要儀器 everes uno DLP 光敏樹脂3D打印機(jī) （Sisma，意大利）；405nm 紫外光固化箱（3DSWAY，中國）；萬能力學(xué)試驗機(jī)（勞埃德EZ 2000，英國）；D 型邵氏硬度計（Syntek，中國）；游標(biāo)卡尺（Deli，中國）。

1.1.3 主要軟件 SolidWorks 3D 建模軟件和ChituBox 切片軟件。

1.2 試樣制備

分別按以下參數(shù)進(jìn)行試樣的制備：

單層固化時間分別為1.2 s、1.3 s、1.4 s、1.5 s、1.6 s，層厚0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min。

單層固化時間為1.5 s，層厚分別為0.025 mm，0.05 mm、0.100 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min。

單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型分別X、Y、Z 方向設(shè)置（如圖1），紫外光固化箱中后固化處理15 min。

圖1 本實驗的 X、Y、Z 方向設(shè)置示意

單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，分別在紫外光固化箱中后固化處理5 min、10 min、15 min、20 min、25 min。

每組分別制備精度測試試樣(50 mm×30 mm×5 mm)，硬度測試試樣(50 mm×50 mm×6 mm，F(xiàn)CLHCSL0265)，彎曲強度測試試樣(80 mm×10mm×4mm，GB/T 9341-2008)，拉伸強度測試試樣(GB/T 1040.2-2006，圖2)各15 個。

圖2 拉伸強度試樣示意

1.3 精度與性能測試

本實驗中，精度的測量結(jié)果用相對誤差表示，使用Deli 電子游標(biāo)卡尺分別測量試樣X、Y、Z 方向的尺寸并根據(jù)式1-1 計算相對誤差，式中a 代表相對誤差，L 代表測得尺寸，L0代表軟件設(shè)計的尺寸，最終結(jié)果取平均值。硬度根據(jù)FCLHCSL0265塑料-硬度的測定-邵氏硬度計法使用D 型邵氏硬度計測量并計算平均值。彎曲性能根據(jù)GB/T 9341-2008 在萬能力學(xué)試驗機(jī)上進(jìn)行測試，并計算每組平均值。拉伸強度根據(jù)GB/T 1040.1-2018 塑料 拉伸性能的測定 第1 部分：總則，在萬能力學(xué)試驗機(jī)上進(jìn)行測試并計算平均值。彎曲強度與拉伸強度均以MPa 為單位（1 MPa=7500 mmHg）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

利用SPSS 26.0 統(tǒng)計學(xué)軟件對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，采用單因素方差分析并計算P值。P＜0.05 表明差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 各項參數(shù)對尺寸精度的影響

2.1.1 單層固化時間對尺寸精度的影響 對單層固化時間分別為1.2 s、1.3 s、1.4 s、1.5 s、1.6 s，層厚0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的精度測試試樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明：尺寸精度隨著單層固化時間的增加先升高再降低，1.3s 時達(dá)到最高精度，X、Y、Z 軸相對誤差分別為0.84%、0.92%、1.02%，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）（圖3A）。

圖3 各種參數(shù)對尺寸精度的影響

2.1.2 層厚對尺寸精度的影響 單層固化時間為1.5 s，層厚分別為0.025 mm，0.05 mm、0.100 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的精度測試試樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明尺寸精度與層厚的關(guān)系并不顯著（P＞0.05）（圖3B）。

2.1.3 模型設(shè)置方向?qū)Τ叽缇鹊挠绊?對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型分別X、Y、Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min的精度測試試樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明尺寸精度與模型的設(shè)置方向關(guān)系并不顯著（P＞0.05）（圖3C）。

2.1.4 后固化處理時間對尺寸精度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，分別在紫外光固化箱中后固化處理5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 的精度測試試樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明尺寸精度隨著后固化時間增加而降低，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）（圖3D）。

2.2 各項參數(shù)對硬度的影響

2.2.1 單層固化時間對硬度的影響 對單層固化時間分別為1.2 s、1.3 s、1.4 s、1.5 s、1.6 s，層厚0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的硬度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：硬度隨單層固化時間的增加而增加，1.4 s 后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（圖4A）。

圖4 各種參數(shù)對硬度的影響

2.2.2 層厚對硬度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚分別為0.025 mm，0.05 mm、0.100 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15min的硬度測試試樣的測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：硬度隨著層厚增加而降低，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（圖4B）。

2.2.3 模型設(shè)置方向?qū)τ捕鹊挠绊?對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型分別X、Y、Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15min 的硬度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明硬度與模型設(shè)置角度關(guān)系并不顯著（圖4C）。

2.2.4 后固化處理時間對硬度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，分別在紫外光固化箱中后固化處理5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 的硬度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：硬度隨著后固化時間增加而增加，20 min后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（圖4D）。

2.3 各項參數(shù)對彎曲強度的影響

2.3.1 單層固化時間對彎曲強度的影響 對單層固化時間分別為1.2 s、1.3 s、1.4 s、1.5 s、1.6 s，層厚0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的彎曲強度結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：彎曲強度隨著單層固化時間增加而增加，1.5 s 后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖5A）。

圖5 各種參數(shù)對彎曲強度的影響

2.3.2 層厚對彎曲強度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚分別為0.025 mm，0.05 mm、0.100 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的彎曲強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明彎曲強度隨著層厚增加而降低，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖5B）。

2.3.3 試樣打印方向?qū)澢鷱姸鹊挠绊?對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型分別X、Y、Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的彎曲強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：彎曲強度在Y 方向打印時最大，Z 方向其次，X 方向最低，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖5C）。

2.3.4 后固化處理時間對彎曲強度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，分別在紫外光固化箱中后固化處理5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 的彎曲強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：彎曲強度隨后固化時間增加而增加，15 min 后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖5D）。

2.4 各項參數(shù)對拉伸強度的影響

2.4.1 單層固化時間對拉伸強度的影響 對單層固化時間分別為1.2 s、1.3 s、1.4 s、1.5 s、1.6 s，層厚0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的拉伸強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明拉伸強度隨單層固化時間增加而增加，1.4 s后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖6A）。

圖6 各種參數(shù)對拉伸強度的影響

2.4.2 層厚對拉伸強度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚分別為0.025 mm，0.05 mm、0.100 mm，模型Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15 min 的拉伸強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明拉伸強度隨著層厚增加而降低，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖6B）。

2.4.3 模型設(shè)置方向?qū)鞆姸鹊挠绊?對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型分別X、Y、Z 方向設(shè)置，紫外光固化箱中后固化處理15min 的拉伸強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明拉伸強度在模型X 方向設(shè)置時最低，Y 方向與Z 方向無顯著差異（如圖6C）。

2.4.4 后固化處理時間對拉伸強度的影響 對單層固化時間為1.5 s，層厚為0.05 mm，模型Z 方向設(shè)置，分別在紫外光固化箱中后固化處理5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 的拉伸強度測試結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：拉伸強度隨后固化處理時間增加而增加，15 min 后趨于平緩，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義（如圖6D）。

3 討論

光固化過程中，液體樹脂吸收特定波長紫外光能量發(fā)生聚合反應(yīng)形成固體樹脂，具有固化收縮的特性，且曝光時間過短則液體樹脂吸收能量不足，聚合反應(yīng)發(fā)生不全，影響固體樹脂精度與物理強度，曝光時間過長則會在打印件邊緣產(chǎn)生過固化部分，又因為紫外光的能量呈高斯分布特性，每一層中的樹脂固化程度并不均勻，存在一定的“暗區(qū)”[12-14]，也會進(jìn)一步影響其成型精度與物理性能，因此后固化處理對打印件而言是必要的。本實驗中打印件精度隨著單層固化時間增加而先增加后降低，而后固化處理整體降低了打印件精度，但大幅增加了其物理性能，其趨勢與齊劍峰等的研究結(jié)果[15]基本一致，且與原理相符。

根據(jù)Lambert-Beer 定律：

A 為吸光度，是對某一特定溶液或物體對光吸收能力的描述，b 為吸收層厚度，c 為吸光物質(zhì)的濃度，K 為摩爾吸光系數(shù)。

對于同種液態(tài)樹脂而言，c 固定不變，A 受到吸收層厚的影響，層厚越大，則每一層吸收光的能量越大。本實驗中，打印件的硬度、彎曲強度、拉伸強度隨著層厚的增加而小幅度降低，趨勢與其原理基本一致，但其降低的幅度不及肖涵等的實驗結(jié)果[13]，可能是由于該實驗使用的是導(dǎo)板樹脂，透光性較強，導(dǎo)致摩爾吸光系數(shù)K 較低所造成的。

根據(jù)Quintana R 等的實驗[8]，模型建立時的設(shè)置角度與方向也會影響打印件的物理性能，這可能與分層堆積造成的打印件內(nèi)部極性有關(guān)本實驗設(shè)置了X、Y、Z 3 個較為有代表性的方向進(jìn)行研究，結(jié)果表明尺寸精度與硬度受設(shè)置角度影響不大，而彎曲強度與拉伸強度明顯均在模型Y 方向設(shè)置時較大。但由于臨床實際打印的物體形狀不規(guī)則或打印角度傾斜時，因為逐層打印的原理會形成邊緣臺階從而影響表面精度，這一點應(yīng)根據(jù)臨床的實際需要再加考慮。

種植導(dǎo)板使用的目的在于提高種植手術(shù)的精確性、安全性，將術(shù)前的數(shù)字化設(shè)計轉(zhuǎn)移到實際手術(shù)中，從而幫助種植體避開下牙槽神經(jīng)管、上頜竇等重要解剖結(jié)構(gòu)，更精確的定位，能有效將術(shù)前設(shè)計的種植體位置轉(zhuǎn)移到患者口內(nèi)頜骨中，使種植體避開神經(jīng)線、上頜竇等重要解剖結(jié)構(gòu)，降低術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險[16]，因而對導(dǎo)板樹脂生產(chǎn)時的精度誤差研究具有臨床意義。因種植導(dǎo)板在術(shù)中受到多種力的作用，使用過程中具有斷裂、變形等風(fēng)險，一旦發(fā)生則會很大程度影響手術(shù)的進(jìn)行，因此探尋其物理性能隨參數(shù)變化的規(guī)律也具有同樣重要的臨床意義。本實驗圍繞everes uno DLP 光敏樹脂3D 打印機(jī)，研究了部分打印工藝參數(shù)對成型件尺寸精度與性能的影響及規(guī)律，結(jié)果表明導(dǎo)板樹脂的打印件的相對誤差最低可控制在1%左右，在打印厚度＜7.5 mm 的導(dǎo)板時可達(dá)到T/CAMDI 038-2020 增材制造(3D 打印)口腔種植外科導(dǎo)板所規(guī)定的尺寸精度要求。在1.3 s 單層固化時間時，成型件的尺寸精度最高，硬度與拉伸強度在1.4 s 后趨于平緩，彎曲強度在1.5 s 后趨于平緩；層厚0.025 mm 時，尺寸精度、硬度、彎曲強度、拉伸強度均達(dá)到相對最優(yōu)值；模型設(shè)置Y 方向時，彎曲強度與拉伸強度達(dá)到相對最優(yōu)值；后固化時間的增加會降低成型件精度，硬度在10 min 后趨于平緩，拉伸強度與彎曲強度均在15 min 后趨于平緩。然而實際的生產(chǎn)應(yīng)用面臨著更多需要考慮的因素，例如層厚影響成型件的邊緣鋸齒程度及成型時間、模型設(shè)置方向大幅影響成型總時間等。因此綜上考量，單層固化時間在1.3 s～1.4 s，層厚0.025 mm，模型根據(jù)實際形狀傾向于Y 方向設(shè)置，后固化時間10 min～15 min 時生產(chǎn)的導(dǎo)板各項性能較優(yōu)。

4 結(jié)論

本實驗利用DLP 型3D 打印機(jī)，研究了光敏樹脂成型相關(guān)參數(shù)與成型件精度、硬度、彎曲強度、拉伸強度的關(guān)系，證明了DLP3D 打印的參數(shù)與打印件的精度、物理性能之間存在一定的規(guī)律，并且不同因素間的影響強弱不同。因此，通過對參數(shù)的篩選，可以實現(xiàn)對單層固化時間、層厚、模型設(shè)置方向、后固化處理時間的優(yōu)化，從而提高打印件的精度和物理性能，對實際生產(chǎn)應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。該研究不僅為今后多因素實驗的因素篩選與因素優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，而且為不同種類樹脂材料的同類型研究提供設(shè)計思路。