3D打印及其在口腔醫學中的應用（二）
——常用成型工藝

白石柱 張生睿 鐘聲 房銘健 趙瑞峰

國際標準化組織（international organization for standardization，ISO）和美國材料與試驗協會（american society for testing and materials，ASTM）將3D打印根據工藝分為七組特定的技術［1－2］：立 體 光 固 化 （vat photopolymerization），材 料 噴 射（material jetting），粘接劑噴射 （binder jetting），粉末床熔融（powder bed fusion），材料擠出 （material extrusion），定向能量沉積 （directed energy deposition）和薄材疊層 （sheet lamination）（圖 1）。

圖1 增材制造技術工藝分類示意圖

定向能量沉積和薄材疊層技術因為在醫學領域的應用有限，因此本文將重點探討五種已被廣泛用于口腔醫療領域的3D打印技術。對這些3D打印技術基本原理、優勢與不足的了解，將有助于牙科醫生與技師根據具體用途選擇更適當的技術工藝。

1 立體光固化（vat photopolymerization）

光固化成型是一種用高強度光選擇性固化液體光聚合材料的技術，通常采用激光或投影的形式。待打印模型由每一層材料經過光源照射固化后層疊而成，通常一次固化的樹脂厚度少于250μm。在一層新樹脂固化后，打印平臺上升或下降，改變待打印物體在打印槽中的位置，暴露出一層新的樹脂待固化。這個過程一直持續到整個模型打印完成。光固化技術最常見的形式是立體光刻（stereolithography，SLA）和數字光處理（digital light processing，DLP）。

1.1 立體光刻（SLA）

SLA打印機一般由三個基本部分組成：（1）高強度光源，例如激光或紫外光；（2）盛有光固化液體樹脂的材料缸及托盤；（3）引導光源有選擇地照射和固化樹脂的控制系統。同時在光源鏡頭表面X軸和Y軸方向上分布多個電流計，通過振鏡的偏轉快速引導光源光束進行掃描，從而投射到打印槽固化樹脂。

根據光源位置的不同，SLA打印機有兩種打印零件的方式：自底向上和自頂向下（圖2）。自底向上的打印機光源位于樹脂缸的下面，光源穿過透明的樹脂缸底部固化樹脂。一旦待打印物體一層被固化，結構變得穩定，該物體就被抬高一層，下方再次充滿液態樹脂，這樣下一層就可以光照繼續固化。對于自底向上的打印機，每一層都需要粘附在打印平臺上，因此打印機在打印平臺向上移動一層之前執行一個分離步驟，將該層與打印缸的底部分離。自底向上打印機通常有不粘涂層附著在打印缸的底部，例如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）或氟化乙烯丙烯（fluorinated ethylene propylene，FEP），以協助材料與打印缸分離。

圖2 SLA打印原理示意圖

與自底向上打印機相比，自頂向下打印機將光源定位在打印平臺的上方。打印件從樹脂缸的頂部開始隨著打印過程的進行逐漸向下移動。一般通過刮刀幫助機器在激光固化下一層之前把新的樹脂刮均勻。對于自頂向下的打印機，打印完成后零件從樹脂中升起，從打印平臺移除取下進行清洗等后處理操作。

自頂向下和自底向上的打印技術通常都需要網格形式的支撐結構。在零件設計階段，一些必要的結構支撐提供了3D打印部件的穩定性。對于自頂向下打印機，通常要求支撐用于懸垂區域，而對于自底向上的機器，由于需要能夠支持整個構件的重量，添加支撐的選擇會更復雜（圖3）。

圖3 SLA打印的不同方式添加不同支撐

作為最早發明且應用成熟的技術，光固化成型是目前牙科領域應用最多的增材制造工藝之一。許多桌面型的自底向上打印機在牙科行業非常受歡迎，如FormLab系列打印機（亞利桑那，美國），被廣泛用于牙科種植導板、咬合墊、矯治器和義齒等的制作。

1.2 數字光處理（DLP）

DLP最初是由德州儀器公司的Larry Hornbeck在1987年開發，其技術核心為數字微鏡系統（digital micromirror device，DMD）。該系統采用邊長約16μm的可控方形微鏡，通過靜電場所施加的力觸發單元使微鏡傾斜而實現控制，將光引導到打印平臺上，這樣使數字投影儀能夠即時照亮被打印層的整個橫截面，而不像SLA用激光和振鏡來決定樹脂固化的面積。對于具有復雜輪廓的零件，因為每一層都是同時曝光，而不是用激光逐點固化，因此DLP可以比傳統的SLA實現更快的打印速度。

對DLP打印機來說，一個微鏡對應一個像素點。由于DMD的微鏡數量有限，當打印平臺的尺寸增大時，每個像素沿X軸和Y軸的邊長也隨之增大，會導致精度降低。成本較低的DLP打印機使用分辨率較低的6DMD芯片（1 280 dpi×720 dpi），占用的區域也相應較??；如果使用分辨率較高的DMD芯片（如HD 1920 dpi×1 080 dpi），可以在相同的區域下獲得更高的目標精度；使用4K DMD芯片（3 840 dpi×2 160 dpi）時，能夠在保持較大打印區域的同時實現高分辨率。

由于其高效率和高精度相結合的特點，DLP打印機已經成為口腔領域應用最多的桌面型打印機。其最主要的應用是主模型和分段模型的數字化制造，尤其是針對種植修復模型的打印制造是DLP技術的一個典型應用：技工室在打印過程中對模型的精度要求很高，因為替代體的定位精度對修復體的鄰接和咬合關系有決定性的影響（圖4）。

圖4 DLP打印的種植修復模型

近年來隨著軟件的發展，CBCT數據（DICOM格式）能夠與模型掃描儀或口內掃描儀獲取的牙列表面數據（STL格式）進行配準與融合，這可以使我們在種植方案規劃時提前考慮到解剖、手術和修復體等多方面因素，調整種植體角度，優化植入位置，并最終借助打印的手術導板戴在患者口內來準確實施種植規劃。DLP打印技術因為其低成本、快速生產的特性，在這方面特別具有優勢（圖5），也已經成為手術導板打印的主流方式。

圖5 DLP打印的種植手術導板

1.3 連續數字光處理（continuous liquid interface production，CLIP）

2017年，一種名為連續數字光處理（CLIP）的自底向上的DLP新方法獲得專利［3］。CLIP是一種光化學過程，其工作原理是將光通過透氧窗口投射到紫外光固化樹脂的儲槽中。隨著一系列紫外線圖像的投影，打印層被固化，打印平臺升起。與普通DLP工藝的區別是，氧氣填充在打印缸底部形成一個死區，避免了打印材料在缸體底部的粘附，因此消除了分離步驟，顯著提升了打印速度（圖6）。這也給人了一種錯覺，即打印件像是實時構建的，各層之間沒有分離。自2017年推出以來，許多公司已經采用了類似的技術，利用這種透氧膜或透氧窗口的原理來加快制造過程。

圖6 CLIP技術原理示意圖

采用光固化方法打印模型結束后，需要將打印件從機器平臺上移除，然后通過溶劑（最常見的是異丙醇）在水槽或零件清洗機中清洗，之后去除制造過程中產生的支撐結構，并將模型放入具有特殊光源和穩定熱源的腔室中，以硬化模型表面上的殘留樹脂。對于有些樹脂，要求在去除支撐前進行零件的固化，以限制可能發生的翹曲。有些材料打印后還需要進行數小時的熱處理，以最終完成固化過程并獲得合適的材料特征和性能。

2 材料噴射（material jetting）

材料噴射成型是一種將材料液滴（通常是液態光聚合物）選擇性地沉積到打印平臺上，用紫外光固化或根據環境條件來固化的加工打印過程（圖7）。與常規的二維噴墨打印機類似，材料沿打印平臺表面的X軸和Y軸水平噴射或濺射。在待固化聚合物層上方使用高強度的紫外光照射，使其能夠迅速從液態固化成為固態。這一過程反復進行，用每一層新涂層與上一層粘接，直至完整打印出零件。零件打印完成后從平臺中取出，通過壓力清洗機、加熱或水浴等基本操作來去除支撐結構。使用材料噴射技術打印的模型可以通過打磨、拋光或涂敷等方式進行后處理以達到最佳的表面外觀。有些打印機使用蠟和環境溫度代替光聚合物和光，打印的蠟?？梢酝ㄟ^牙科傳統的“失蠟鑄造”來制作鑄件，也可以打印顏面贗復體的蠟型，常規裝盒充填硅橡膠完成贗復體的制作。

圖7 材料噴射打印工藝原理示意圖

材料噴射技術的一個特殊優點是可以實現多材料多色彩打印。多材料噴射型打印機可以使打印的模型同時包含有顏色、透明度、硬度、機械性能等特性都不同的多種材料，甚至可以將不同的材料混合在一起，從而得到顏色、光潔度以及硬度都不同的新材料。材料噴射打印技術中使用的液態樹脂也可以模擬光固化打印樹脂的一些特性，如透明度、鑄造能力、耐久性、耐高溫性、外科／牙科的可用性和靈活性等。

Stratasys公司（明尼蘇達，美國）的系列產品，包括J720牙科打印機或J750數字化解剖結構打印機，是多材料多色彩模式打印機的代表［4］。材料噴射機器相比其他技術打印層厚更薄，從而能夠很好的打印出精細的結構。由于材料噴射技術可以打印透明或半透明的材料，其在醫學中常被用來打印例如骨骼、血管、肌肉、神經等可以清晰展現內外部解剖結構的模型。這些模型能夠幫助醫務人員更好的制定手術計劃，幫助他們為常規和高度復雜的手術做好準備（圖8）。近些年已有學者嘗試通過多材料打印來直接制作顏面贗復體。

圖8 多材料多色彩模式打印設備打印的解剖模型

3 粘接劑噴射（binder jetting）

粘接劑噴射成型是一種通過選擇性加入液體粘結劑或粘接膠而逐層粘接粉末材料成型的打印技術（圖9）。在打印過程中，液體物質被用來在粉末顆粒之間形成初始粘接，通常這種粘接較弱，需要通過浸潤、熱處理或兩者共同作用來增強粘接效果。粘接劑噴射打印過程從打印平臺上的一層粉末開始，單個或多個打印噴頭沿平臺的X和Y軸水平移動，并涂上粘合劑，如果粘接順利，給粉末涂上顏色。隨著材料的硬化，打印平臺下降，沿著打印平臺鋪設一層新的粉末再次進行粘接。打印物體在未結合粉末床內可以實現自支撐，因此打印前不需要給模型添加支撐。打印完成后，零件周圍剩余的未結合材料粉末就可以通過真空清除并回收，所有殘余粉末在密閉腔內用空氣吹走。最后，通過不同材料的浸潤實現打印件表面硬化，浸潤材料包括氰基丙烯酸酯、蠟、樹脂等。

圖9 粘接劑噴射打印工藝的原理

粘接劑噴射成型一般分為兩大類：利用砂巖材料的石膏打印和利用金屬粉末的金屬打印。全彩色零件可以用石膏打?。ㄊ褂糜湍?，彩色粘接劑或透明粘接劑），但這些模型往往比較脆弱，力學性能有限。目前粘接劑噴射成型的金屬打印，有包括不銹鋼、鈦、銅和鎢等不同類型的金屬粉末可供選擇。

在口腔應用方面，粘接劑噴射系統非常適合打印彩色解剖訓練模型和術前規劃模型，也可以用于制作顏面贗復體等。用粘接劑噴射技術打印制造的模型可以通過不同顏色來區分不同的結構，能顯示出包括靜脈、動脈和其他病理組織等的解剖結構。

4 粉末床熔融（powder bed fusion）

粉末床熔融成型是一種利用熱能選擇性融合粉末床表面精確區域的3D打印過程。融合過程通常用電子束或激光實現。粉末床融合法有幾種常用的技術，包括選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS）、選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）、電子束選區熔化（electron beam melting，EBM）、直接金屬激光燒結（direct metal laser sintering，DMLS）、直接金屬激光熔化（direct metal laser melting，DMLM）和多射流熔融（multi jet fusion，MJF）等成型技術。不同技術主要通過所使用的熱能來區分。一般來說，粉末床熔融打印機可以通過燒結或熔化聚合物、純金屬或金屬合金來制造一些具有高強度的3D打印件。

除了SLS和MJF使用聚合物以外，其他粉末床熔融技術都使用金屬材料。SLS最常見的聚合物是尼龍，它具有質量輕而強度高的特點。其他一些聚合物包括聚醚酮、聚芳醚酮、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚苯乙烯和熱塑性彈性體聚氨酯。用于SLM、DMLM、DMLS或EBM的金屬粉末包括鋁、金、鉑、鈀和純鈦等純金屬以及鈷鉻、鈦合金和不銹鋼等金屬合金［5］?？谇活I域最常見的金屬是商用純鈦、G23鈦和鈷鉻合金。

SLS打印過程中，首先將打印的粉末材料放置在打印平臺上，用刀片或滾輪將粉末鋪展成薄層。隨著打印平臺的降低，激光束選擇性地燒結粉末使其凝固。一旦一層打印完成，成型活塞下降，在最近燒結層上方繼續平鋪一層新的粉末材料，這一過程逐層進行，直至打印完畢（圖 10）。由于未燒結／熔化的材料仍保留原始位置來支撐打印模型，因此對于SLS打印技術并不需要專門設計支撐。打印后的零件需要在取出前先進行冷卻。冷卻結束后，用壓縮空氣或其他材料噴在打印件表面以除去未熔融粉末。

圖10 SLS打印原理示意圖

4.1 激光燒結成型（SLS）制造金屬冠橋

使用金屬合金材料的增材制造技術從2002年開始就在牙科領域得到了成功的應用［6］。激光燒結技術在牙科領域的應用，標志著金屬加工的一次革命。經過多年的發展，激光燒結技術現已成為制造金屬冠橋的標準工藝。通過優化后處理方式，可以制作絕對無應力和精確適合的金屬支架，包括一些跨度較大的固定義齒橋架?？稍谕粔K底板上擺放很多打印件，從而能使以單個冠修復體來計算的生產時間縮短到幾分鐘（圖11），因此該工藝流程應用在金屬材料固定修復體制作中大大降低成本，提高了效率。

圖11 同一底板擺放多個修復體同時打印

激光燒結技術制造的金屬冠和義齒支架其力學性能與鑄造修復體相當。在冠的內部和邊緣，激光燒結的修復體會顯示出平行于打印過程Z軸的細小但肉眼可見的條紋。盡管如此，激光燒結冠的適合性還是在臨床可接受的范圍之內。有研究表明，激光燒結的鈷鉻合金冠甚至比鑄造的鈷鉻合金冠具有更好的邊緣適應性。相對于鑄造或銑削加工的修復體，粗糙的表面利于激光燒結冠橋與樹脂的粘接，而且與烤瓷飾面也更容易結合，所以口腔用金屬基底冠已經廣泛采用SLS技術打印，方便修復技師后續堆瓷操作。

4.2 激光燒結成型（SLS）制造活動義齒金屬支架

在義齒支架數字化制作技術的具體應用中，既可以通過數控機床進行切削和研磨，也可以采用增材制造即3D打印技術制作。3D打印也可以分為間接制作和直接制作兩種方法。在間接法中，支架用蠟或樹脂打印出來，然后用失蠟技術鑄造加工。在直接法中，設計完成的數據文件通過激光燒結直接加工成鈷鉻合金實體（圖12）。

圖12 激光燒結制作活動義齒金屬支架

有研究者進行了一項關于鑄造金屬支架和激光燒結支架機械性能比較的體外研究［7］，結果表明激光燒結卡環具有良好的機械性能：通過鑄造和激光燒結方式制作的卡環初始脫位力基本相同；人工老化后，激光燒結卡環的固位力并沒有下降；與鑄造卡環相比，激光燒結卡環的氣孔和缺陷更小，整體分布更均勻。

5 材料擠出（material extrusion）

材料擠出成型是一種通過噴嘴選擇性噴射材料的過程。在大多數情況下，打印過程中通過熱量熔化／軟化來擠出材料。熔化的材料在恒定壓力下以連續流的形式通過噴嘴，逐層選擇性地沉積在打印平臺上形成打印零件（圖13）。材料擠出通常被稱為熔絲制造（fused filament fabrication，FFF），同時也以商業術語熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM）而廣為人知［8］。

圖13 材料擠出打印原理示意圖

材料擠出打印件的分辨率由噴嘴直徑、絲直徑和層厚來決定。大多數材料擠出打印機上都可以對電機速度、零件填充、擠出速度和噴嘴溫度等參數進行調整，以獲得所需的打印效果。為了節省材料的使用量，材料擠出零件可以打印成具有低密度內部結構的填充物。填充百分比和形狀的選擇可以根據零件的用途以及所使用打印機的類型而變化。常見的填充幾何圖形包括三角形、矩形和蜂窩狀。雖然材料擠出過程有許多因素可能會影響最終模型的質量，但當這些因素得到有效控制時，就可以生產出極其堅固耐用的零件。

與其他3D打印的零件相似，材料擠出的零件需要添加支撐才能成功打印。不同點在于，材料擠出成型可以用與主模型材料相同的噴嘴打印支撐，也可以用不同的單獨噴嘴使用不同材料打印，后者的支撐一般可以通過熱水浴或溶劑（如堿性溶液）溶解。如果支撐結構使用了不可拆卸或相同的材料，則這些支撐需要從打印件上手動去除。在某些情況下，零件也可以在打印平臺上固定方向，而不需要支撐。

材料擠出型打印機可選擇的材料很廣泛，聚乳酸和丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物是最常用的材料，其他一些材料包括高沖擊聚苯乙烯、尼龍、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯醇和熱塑性聚氨酯，此外還有一些玻璃和纖維加強的創新材料。材料通常被預制成熱塑性長絲芯，直徑為1.75或3.00 mm。一般建議將未使用過的纖維絲芯存儲在陰涼、干燥、黑暗的區域，只在需要打印時打開使用。近年來，已經能夠實現材料擠出型金屬3D打印，通過在支撐結構和零件之間添加陶瓷釋放層，以方便打印完成后去除支撐。

目前材料擠出技術在口腔領域最常見的應用是被用來制作頜骨模型等等體積較大的單色塑料件。一些輔助設備如個別托盤等也常用材料擠出技術制作。多絲機已經可以打印制造包含兩種或兩種以上的材料或顏色的醫學模型。

6 小 結

本文對五種3D打印技術常用成型工藝及其在醫學特別是口腔領域的應用概況進行了介紹。每種打印技術都有其自身的優勢，而打印機的選擇應該取決于打印件的使用目的［9－11］。建議醫院在決定采購打印機之前，對設備的初始硬件成本、打印最大尺寸、打印速度、環境要求、材料選擇、附屬設備和維護費用等因素進行綜合考慮。除此以外還應對勞動力的需求進行優先考慮，專職或兼職人員對于全流程數字化工作的掌握程度和對打印設備的操作熟練程度，對于成功運行和維護一個3D打印實驗室至關重要。隨著應用的增加、技術的進步、成本的降低、設備的普及，希望每個3D打印實驗室的規模都會不斷擴大，從而能更好的為醫生和患者服務。