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| 在傳統口腔修復體的制作過(guò)程中，制作工藝繁瑣，制作周期長(cháng)，加工過(guò)程中依賴(lài)人力操作，金屬材料在制作過(guò)程中易發(fā)生變形，難以控制尺寸精度，使患者舒適度下降。而采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的修復體可根據患者自身進(jìn)行定制化生產(chǎn)，得到高尺寸精度的金屬修復體，利用該工藝大大節省了人工消耗，提高了整體匹配程度 。隨著(zhù)3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，其在口腔醫療領(lǐng)域的應用不斷增加。根據《Wohlers Report 2017》中的統計，2017年醫療/牙科產(chǎn)業(yè)占據3D打印產(chǎn)品市場(chǎng)的11.0%。本文對口腔修復體制作用3D打印金屬粉末的成型工藝進(jìn)行了介紹，并且根據成型工藝特點(diǎn)總結了口腔修復體制作用3D打印金屬粉末的性能控制要點(diǎn)。 一、3D打印成型工藝 3D打印技術(shù)仍在不斷發(fā)展，打印成型工藝也出現了許多新類(lèi)型，目前的工藝都是基于離散/堆積原理，實(shí)現零部件從無(wú)到有的增材制造生產(chǎn)過(guò)程。目前，在口腔醫療領(lǐng)域有較多應用的主要有選區激光熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區熔化技術(shù)（EBSM）、激光近凈成形技術(shù)（LENS）等。 （一）選區激光熔化技術(shù)（SLM） 選區激光熔化技術(shù)是利用激光束作為熱源的逐層鋪粉打印技術(shù)。首先由計算機將設計輸入產(chǎn)品逐層分解，3D打印機將金屬粉末原料平鋪到加工室的打印平臺上后，激光束根據設計需求繪制出軌跡，熔化金屬粉末，將一層打印出來(lái)后，基板將下降到另一層，然后鋪粉輥再次鋪粉到打印平臺上，繼續用激光束進(jìn)行熔化，重復操作多次后最終得到完整的零部件。該工藝可使用多種材料，打印出的產(chǎn)品尺寸精度高，可以完成對于表面粗糙度要求較高的產(chǎn)品，同時(shí)終產(chǎn)品可以獲得較高的致密度和較強的力學(xué)性能，是目前在口腔修復體領(lǐng)域中使用最廣泛的成型方式。該工藝采用鋪粉方式打印，使用的粉末流動(dòng)性越好、松裝密度越高，打印出的成品的致密度越好；粉末的粒度越細，則打印的精度越高，表面粗糙度越好。目前一般采用粒度在15～60μm，球形度較好的粉末。 （二）電子束選區熔化技術(shù)（EBSM） 電子束選區熔化技術(shù)與SLM技術(shù)相似，主要區別為熱源不同。EBSM以電子束為熱源，因此實(shí)現該工藝需要具備真空條件。EBSM生產(chǎn)的產(chǎn)品具有雜質(zhì)含量低、致密度高、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，但打印精度較SLM差。由于電子束能量較高，因此所使用粉末較粗，目前一般使用粒度在50～90μm，球形度較好的粉末。 （三）激光近凈成形技術(shù)（LENS） 激光近凈成形技術(shù)是通過(guò)高能激光束對金屬原料逐層熔化堆積，最終得到高致密度、高性能的大型金屬零部件的制造技術(shù)。該技術(shù)由于采用激光照射送粉器噴出金屬粉末，因此無(wú)需粉床，適合大尺寸零部件的生產(chǎn)，但是由于進(jìn)料過(guò)程依靠氣流，因此粉末粒度過(guò)細會(huì )出現飛揚，同時(shí)易堵塞噴嘴，因此一般需要采用流動(dòng)性好、粒度較粗的粉末。 二、3D打印金屬粉末性能的要求 結合口腔醫療用3D打印金屬粉末的使用條件和成型工藝的要求，應該主要從粉末純度、粒度及粒度分布、球形度、流動(dòng)性及松裝密度幾個(gè)方面對粉末所需的性能指標進(jìn)行考量。 （一）粉末純度 作為醫療器械原材料，3D打印金屬粉末應具有穩定的物理化學(xué)性能，粉末的純度是重要的指標之一。在粉末制備過(guò)程中，氧、氮、碳等雜質(zhì)元素的引入應作為工藝方面的重要驗證。以鈦合金材料為例，鈦合金材料作為口腔修復體制作中常用的金屬材質(zhì)，隨著(zhù)氧含量的增加，其塑性會(huì )大幅度下降，對于終產(chǎn)品的硬度力學(xué)特性有嚴重影響。對于3D打印金屬粉末，化學(xué)成分中的氧含量，是影響打印件的重要因素。因此，一般要求鈦合金粉末氧含量需要控制在0.15%以下。同樣的氮和碳等雜質(zhì)元素也會(huì )對成品性能產(chǎn)生不利影響，需要嚴格控制。 同時(shí)，在制備粉末過(guò)程中可能會(huì )由于熔煉等因素引入陶瓷相夾雜，這些難熔的陶瓷相夾雜在金屬粉末進(jìn)行熔化過(guò)程中，無(wú)法很好地與基體結合，容易造成打印體內部缺陷，導致打印體局部性能下降甚至開(kāi)裂。因此需要保證粉體無(wú)陶瓷相夾雜，保證粉末的純凈。 對于研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，在設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中應對金屬粉末的化學(xué)成分進(jìn)行充分的表征和驗證，并在加工過(guò)程中對雜質(zhì)元素進(jìn)行嚴格控制。 （二）粉末粒度及粒度分布 SLM打印工藝作為目前最常用的逐層鋪粉打印技術(shù)，每層粉末厚度一般是2～6倍的粉末直徑，因此每層粉末的厚度取決于粉末的粒度，如果粉末偏粗，所鋪粉末層厚加厚，每次打印的高度增加，打印精度下降。為保證打印精度，目前常見(jiàn)的做法是控制粉末粒度，一般采用平均粒度15～60μm的粉末作為原材料。有研究表明，在打印過(guò)程中，使用粗粉與細粉的混合粉，可有效提高打印性能，細粉可在混合后填入粗粉的空隙中，使其粒徑峰值消失，同時(shí)混合粉末將呈現“雙峰”分布特征，且整體具有較寬的粒度分布情況，粉末更均勻。 （三）粉末球形度 粉末的球形度定義為顆粒實(shí)際截面面積與截面最長(cháng)直徑計算面積之比，是衡量顆粒與圓相似度的指標，一般從0到1不等，完美的圓的球形度值是1。球形度的大小直接影響了顆粒的流動(dòng)性和堆積性能，粉末球形度高，鋪粉更加均勻，打印構件的致密度更高。在實(shí)際的打印加工過(guò)程中，每層鋪粉后，未加工粉末會(huì )進(jìn)行再次使用，部分粉末熔化或燒結在一起，影響打印質(zhì)量。因此有必要對粉末的球形度予以規定。 采用掃描電鏡照片結合圖像分析軟件可以進(jìn)行測定，該數值主要影響顆粒的流動(dòng)性和松裝密度，在SLM打印過(guò)程中更是直接影響鋪粉性能，在鋪粉過(guò)程中球形度高的粉末能夠更加均勻地填充打印平臺，因此對于SLM等工藝，一般要求球形度低于0.8μm的粉末比例不超過(guò)2%，這樣的粉末在鋪粉時(shí)更加均勻，打印件的致密度將更高。 （四）流動(dòng)性與松裝密度 粉體的流動(dòng)性主要與其球形度、粒度有關(guān)，球形度越好、粒度越粗流動(dòng)性越好，良好的流動(dòng)性能保證粉末在進(jìn)料過(guò)程中更流暢，在鋪粉過(guò)程中更均勻，進(jìn)而減少打印缺陷產(chǎn)生，增加致密度。因此需在粒度和流動(dòng)性間進(jìn)行優(yōu)化選擇，保證粉末具有較好的綜合性能。 松裝密度則與粉末粒度、粉末球形度、空心粉率等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)粉末粒度越大，松裝密度越大，但對于具有“雙峰”分布特點(diǎn)的粉末，其松裝密度較常規粉末高，打印出的成品具有更好的致密度�？招姆鄄坏珪�(huì )降低粉末松裝密度，還易在打印過(guò)程中造成缺陷，所以在生產(chǎn)過(guò)程中應盡量避免空心粉的出現。 三、結束語(yǔ) 3D打印作為快速制造以及個(gè)性化制造的代表，逐漸在口腔醫療領(lǐng)域廣泛應用，大大提高了口腔修復效率。目前，該技術(shù)在國內的使用普遍處于臨床實(shí)驗階段，且對于3D打印醫療器械用原材料的明確質(zhì)控標準和技術(shù)審查要求仍沒(méi)有建立。本文根據3D打印用粉的制備工藝及成型工藝特點(diǎn)，對口腔用3D打印金屬粉末的性能特征進(jìn)行了探討，希望在不久的將來(lái)口腔醫療3D打印技術(shù)能夠在我國實(shí)現更加廣泛和健康的應用。 |
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