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2020年10月28日至10月31日，第二十四屆中國國際口腔器具展覽會暨學術研討會(上海口腔展DenTech China)將在上海世博展覽館舉辦。預登記現已開啟，點擊進入！

牙科行業的3D打印近年來始終是熱點專題，2020年上海口腔展上亦將有眾多廠商推出該行業的制品。6月份博主精選了《世界牙科技術》的3D打印機及打印材料的文案，頗受好評，這期咱們精選這篇文案的第二部分，期盼您對3D打印在牙科中的最新應用有進一步的認識。

作者:

Fahad Ahmed Al-Harbi 教授 (英國)

本文原載于《世界牙科技術》2020年第8期《CAD/CAM專刊》第13-18頁。

如今，海量的打印技術和材料被用于修復體制作。針對牙醫和技工室而言，重點的問題在于判斷是不是值得購買以及哪種設備能夠滿足自己的需要。本文介紹了各樣打印技術以及它們的配套材料，并討論了它們在臨床上和技工室運用時的優缺點。本文分為兩部分內容刊登：第1部分介紹用于牙科的3D打印技術（專家論壇 | 3D打印機及打印材料（I）），本文為第二部分，介紹3D打印機特性，關聯的3D打印材料，以及所有技術和材料應用的優缺點。

關鍵詞：增材制造，3D 打印，打印材料

下面討論在決定購買某特定3D打印機類型時應該思慮的有些原因。按照再現精度（分辨率和粗糙度）、CAD和幾何形狀、打印空間體積、支撐結構、打印速度、易用性、后處理和成本等幾個重點方面，來評定和比較各樣增材制造技術。

再現精度（分辨率和粗糙度）

圖11：一臺3D打印機的分辨率，能夠區分為沿x和y軸的水平分辨率（藍色平面）和沿z軸的垂直分辨率（ 紅色箭頭），后者與層厚度相同。

因為給出的值一般與垂直分辨率相關，因此呢以下說到的分辨率亦指的是z軸分辨率。最流行的3D打印技術是SLA，它采用多光子光刻技術，能夠達到小于1μm的分辨率，展示極其精細的細節。SLA的分辨率取決于激光光斑直徑和光敏材料的光譜吸收。而在DLP技術中，分辨率則取決于投影圖像的像素大小。SLS技術的分辨率受粉末粒度的影響：粉末越細，分辨率越高，表面越光滑。運用SLS能夠打印分辨率為1至150μm的物體，然則其表面看起來要比SLA物體粗糙有些。FDM技術可供給100至400μm的較低分辨率，但價格非常便宜。因此呢，從財務方向來看，它適合于制功效于演示和宣傳的一次性樣品等。

物體表示的光滑程度取決于其表面的粗糙度（Ra）。Ra值少于1μm時，表面會顯出光滑。細菌粘附的極限值是Ra 0.2μm，而青年恒牙的牙釉質Ra值則在0.3到0.5μm范圍內。材料噴射打印技術[ MJ，亦叫作為PolyJet Printing（PJ），或Multi-Jet Modeling（MJM）] 可實現最小的Ra值或最佳的紋理，其粗糙度范圍為0.47μm或更小。光滑表面需要略低的分辨率，通常在20至100μm范圍內，盡管SLA的分辨率最高達到1μm以下，但質地略顯粗糙。BJ技術的分辨率約為170μm，但這取決于打印材料的粉末粒度和粘合（粘結劑）材料。一個BJ打印件初看會比較粗糙，但經過后期處理后可大大降低粗糙度。當然，用于工業用途的所有3D打印機類型都比臺式機擁有更高的分辨率。表1比較了區別打印工藝的分辨率和粗糙度。

表1：區別3D打印技術的分辨率和粗糙度。

CAD和幾何形狀

打印空間體積對應于打印對象的最大理學體積。打印空間的體積亦會影響上文說到過的水平分辨率。區別的打印機其打印空間體積各不相同，然則大都數臺式設備的空間均準許一次打印多個模型。

圖12：SLA打印對象需要一個支撐結構，該結構在打印后被分離并清除。

圖13：類似于SLA技術，DLP的打印物體亦需要一個支撐結構。

打印速度取決于打印技術和參數，例如分辨率、打印對象的體積和在打印空間內的物體方位及材料。例如，在打印空間內更水平的定向或與支撐結構的接觸面較小，會加強打印速度并改善表面狀況。因為依賴于多個變量，因此呢很難確定哪個3D打印技術最快，并且給出的速度一般會產生誤導。倘若需求高分辨率、大表面面積和低粗糙度、精細的細節或繁雜的幾何形狀等，都會增多打印時間。另一，許多材料亦需要額外的時間進行準備過程，例如加熱或分配，這會增多全部過程所需的時間。另外，每一個打印對象的運行時間還應包含處理G代碼的時間和后續處理的時間。基本上，針對打印速度的時間分為（短于）半天、全天和24小時周期。

3D打印機的操作并不比激光或噴墨打印機繁雜。3D打印的過程一般包含在打印機軟件中打開和切片3D數據，選取材料及顏色并指定層厚度。而后如有必要，由軟件生成一個支撐結構，其定位和橫截面調節到所需值。參數設置大約需要非常鐘，一旦起始打印，其余過程將是全自動的。打印機表示屏表示所選參數、所需打印時間以及直到完作為止的剩余時間（圖14）。

圖14：打印機屏幕表示打印所需時間和選取的打印參數:3小時30分鐘471層/0.05mm灰色V2/43mL

 專家論壇 | 3D打印機及打印材料（I）

 3D打印高聚合物基材料（1）

 3D打印高聚合物基材料（2）

后處理取決于所運用的技術，并且應按照制造商的說明針對相應的打印過程進行后處理（圖15）。此刻，許多基于SLA技術的新型打印機都集成為了用于后聚合的UV光固化箱。例如，當在SLA技術中運用混合復合樹脂（hybrid composite）時，要將打印對象用乙醇清洗1分鐘，而后UV光固化30分鐘（圖16） ；而針對DLP打印件，為完成此過程，可運用打磨機分離支撐結構，用壓縮空氣去除未聚合的殘留材料，之后進行UV（365nm波長）聚合。

圖15：分離前的SLA打印模型。

圖16：SLA打印對象的后處理包含：與支撐結構分離，用酒精清潔和UV光固化（可看到在上唇和下唇的背面，有兩個或三個細小的凸柱結構，對比圖12）。

倘若運用的3D打印技術需要支撐結構，則應在保證穩定性的同期讓支撐結構盡可能薄，以利于分離。MJ工藝運用凝膠狀的水溶性支撐結構，該結構能夠被清洗掉，因此呢打印出來的物體無需做進一步的處理。然則，針對幾何形狀繁雜的打印對象，去掉支撐結構和后處理，需要海量的時間，乃至可能需要幾天時間。SLS工藝的缺點是，需要進行海量的后處理才可從打印對象上去除未燒結的粉末。為了消除殘留的粉末，SLA和SLS都要進行非常多的后續操作，相比之下，FDM則需要最少的后處理。不外正如前面說到的，FDM分辨率較低，并且運用便宜的FDM設備打印，完成的打印件在層間的表面上會表示出體素線。這些偽影能夠經過化學、加熱或打磨和上釉部分地消除，再或運用價格昂貴的打印機和熱塑性材料亦能夠消除。表2比較了各樣3D打印技術的后處理狀況。

表2：區別3D打印技術的后處理操作。

3D打印機的價格一般取決于分辨率、技術、打印空間的體積和打印速度，種類包含從100美元的臺式打印機到價格為500,000美元乃至更高的工業設備（表3）。其他要思慮的原因還包含耗材和打印材料的成本、設備的用戶友好性和加工質量以及培訓課程、支持和守護等等。

表3：區別3D打印機的價格等級。

決策的最后一點是，特定打印機配套運用的一種或多種材料。隨著3D打印在牙科行業應用的連續增多，需要持續地引入新的“數字材料”以滿足相應需要。咱們能夠從數千種擁有區別機械、理學和美學特性的材料中進行選取。針對特定應用的材料選取基于三個重點標準：第1，打印技術；第二，材料特性（準確性、負重能力、剛性、彈性、耐化學性和熱循環疲勞性、斷裂強度、顏色、透明度、遮色性、美觀性） ；第三，打印對象的生物相容性和是不是能夠滅菌。某些3D打印技術僅限于運用特定的材料類別。例如，SLA需要光固化樹脂，而SLM僅適用于金屬。另一，有些專利的品牌材料的材料化學性質，始終被視為工業奧密而被守護起來。這就造成為了，很難在區別材料類別之間進行比較。增材制造的材料大致可分為聚合物材料或熱塑性塑料、金屬、紙（木材）和陶瓷（圖17）。

圖17：用于口腔行業的區別打印技術的配套材料類別。

能夠打印出擁有生物相容性物體的最佳打印技術可能是FDM，它運用相對便宜的生物相容性材料，如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚乙二醇（PEG）、聚酰胺、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯和WaterShed XC 11122（生物相容性標準：ISO 10993-5-體外細胞毒性，ISO 10993-10-刺激性和皮膚致敏性以及USP VI 級）。3D Systems（NextDent）、EnvisionTEC和Stratasys等制造商的MJ (PolyJet, MJM) 技術，供給擁有區別理學和機械性能的各樣彩色材料。然則，針對醫學和口腔醫學方面的應用，其中有些材料仍需要就生物功能和生物相容性做更準確的科研。

針對材料要思慮的另一點是打印對象的可消毒性，尤其是用于手術的物體。最平常的滅菌辦法是高溫高壓滅菌、環氧乙烷（EtO）熏蒸消毒、過氧化氫等離子體滅菌和γ射線照射。能夠運用FDM打印的適合無菌應用的工業熱塑性塑料包含ULTEM 10十、ULTEM 9085、PC-ISO、尼龍PA、ABSM30i、PPSF/PPSU、PEEK和MED610。然則，能夠經受住以上所有滅菌辦法的材料僅有PC-ISO、PPSF 和ULTEM 9085。滅菌之前，必定要閱讀制造商關于包裝、體積變化和表面損害的說明，由于滅菌過程可能會影響手術的精度以及材料性能或適合性。耐熱材料，如Freeprintmodel T型 （Detax，德國）不僅能夠承受高溫高壓滅菌器的溫度，還適合制作模型用于熱塑壓膜成型臨時修復體、正畸矯治器、板、用于美學冠延長術的導板和美白用的牙套（圖18）。

圖18：由耐熱塑料3D打印的上頜模型（Freeprintmodel T型），適用于熱壓膜成型