蔣偉，許勝，周亞男

(1廣西醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院，南寧530021；2四川大學)

選擇性激光熔覆(SLM)技術是在選擇性激光燒結技術的基礎上進行技術改進而成。以SLM為代表的增材制造(3D打印)技術在很大程度上彌補了傳統(tǒng)制造工藝的復雜結構難加工、成品率不穩(wěn)定等難以解決的問題和缺陷[1]。SLM技術制造的醫(yī)療器械試件具有良好的生物相容性和機械性能，兼具個性化設計的特點，非常適合于口腔修復，如正畸托槽、金屬基底冠、可摘義齒支架、種植體和種植體基臺等本身要求制作精度高且有復雜內部結構的口腔器械。目前在口腔修復中常用的鈷鉻鉬合金、鈦、鈦合金、鎳鉻合金等材料經(jīng)SLM技術制造出的試件在耐腐蝕性、細胞毒性、離子析出率等方面均有良好表現(xiàn)，并具有優(yōu)良的力學性能[2，3]?，F(xiàn)將SLM技術的制造工藝及其在口腔修復中的應用進展綜述如下。

1 影響SLM成形質量的影響因素

SLM是基于CAD/CAM系統(tǒng)的一項技術，由激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)和保護系統(tǒng)組成。首先采用CAD軟件設計出立體模型，將模型數(shù)據(jù)進行轉換，導入SLM成形設備中，成形機利用高能量密度的激光束逐層熔化金屬粉末，并在惰性氣體保護下快速冷卻成形，一層一層融合并堆積，最終形成一個致密的零件。影響SLM成形質量的因素很多，其中工藝參數(shù)(包括激光能量密度、選區(qū)預熱、粉末特征、掃描方式、激光光斑等)對成形質量的影響最為顯著。

1.1 激光能量密度 能量密度E是由激光功率P、掃描速度v、掃描間距s、層厚h決定的，其公式為E=P/(v·s·h)，反映的是單位體積內的激光能量，而能量密度是SLM成形過程中決定材料理化性質和機械性質的重要因素。過低的能量密度會導致熔池尺寸減小，粉末熔化不充分，未熔化和已熔化的粉末黏附在一起，形成大的球化顆粒，導致熔覆層不平整和間隙增大，試件致密度變低[4]；而過大的能量密度會重熔打印層，而且掃描軌跡上的金屬粉末也會因為高能量密度而產生飛濺，冷卻后黏附在試件表面，影響下一層鋪粉，增加Z軸的成形誤差。

1.2 選區(qū)預熱 在SLM成形過程中，以高能激光作為熱源對粉末進行照射成形，熔池與周圍環(huán)境形成較大的溫度梯度，容易產生試件的殘余應力。在成形前對選區(qū)進行預熱可有效降低溫度梯度。李九霄等[5]報道，選區(qū)預熱可提升熔融時的濕潤度，使溫度梯度大幅降低且趨向均勻，從而改善合金的疲勞性能、合金相以及殘余應力。Ali等[6]報道，在一定溫度范圍內，殘余應力與預熱溫度呈反比。

1.3 粉末特征 粉末粒徑?jīng)Q定鋪粉層厚，層厚設置應取決于粉末粒徑分布情況[7]。當粉末中的合金顆粒直徑過大超過層厚時，可導致鋪粉實際厚度大于預設值；而直徑過小時容易導致粉末流動性差，無法均勻鋪展在基板上；兩者均會使Z軸上的制造誤差變大。Huang等[8]認為，口腔合金的層厚在30 μm左右為佳。

1.4 刮板特征 在鋪粉設備中，刮板與基板之間的間隙誤差最終影響鋪粉厚度的均勻性。目前所用的刮板大多為不銹鋼類和橡膠類。為了使鋪粉厚度達到較高的均勻性，要求刮板不能具有磁性，否則會影響金屬粉末的均勻性；同時還應具備硬度和耐磨性。陳光霞[9]認為，陶瓷材料是最佳選擇。

1.5 掃描方式 掃描策略對成型件的性能和缺陷控制有很大影響，主要體現(xiàn)在熔池內能量分布、熱交換傳遞等方面。掃描策略選取不當容易導致熔覆層的溫度梯度變得不均勻，從而引起球化、孔隙等一系列制造缺陷[10]。

1.6 激光光斑 在激光掃描過程中，激光光斑的圓心運動軌跡是按照計算機模型中的線條軌跡運動，而激光光斑本身存在一定的直徑大小，因此會導致激光成形尺寸大于理論尺寸約一個光斑半徑。

除了上述因素對試件的精度和性能以外，支架本身的幾何結構對最終加工精度也有較大的影響。在制造時，具有尖嵴形態(tài)的部位制造誤差尤為顯著[11]。

2 SLM在口腔修復體制造中的應用

2.1 SLM在金屬基底冠制造中的應用

2.1.1 SLM金屬基底冠的密合度 與傳統(tǒng)鑄造法相比，SLM技術加工工序簡單，沒有翻模、筑蠟型、燒結、鑄造等復雜的流程，系統(tǒng)性誤差積累少，制造周期顯著縮短。SLM技術能夠在計算機中設計預成外形和尺寸，完成具有復雜尖窩溝嵴等形態(tài)的牙面制造，因此特別適合制作牙冠。目前使用SLM技術制造金屬基底冠的材料主要是鈷鉻合金。在臨床應用方面，SLM表現(xiàn)出良好的邊緣密合度[8，12～17]，低于120 μm的臨床邊緣密合度要求，在3個牙位內的聯(lián)冠或者單冠的制造中不會隨著牙單位的增加而出現(xiàn)明顯的精度下降[14]，但對于3個牙單位以上基底冠橋制造精度的研究尚未見報道。

此外，即使是在各類牙體解剖形態(tài)和各類粘結劑的影響下，SLM鈷鉻基底冠亦能表現(xiàn)出較其他工藝良好的垂直向邊緣密合性[16]。由此可見SLM具有精度高、品質穩(wěn)定的特點，適合制作多單位的固定修復基底冠。

2.1.2 SLM金屬基底冠的金相組織 在材料微觀結構方面，SLM成形的合金件具有更優(yōu)的顯微組織。Koutsoukis等[16]報道，對3種相同成分的鈷鉻合金進行鑄造、鍛壓切削、SLM成型處理后，顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，SLM成形件的顯微組織主要為面心立方結構γ-Co固溶體和密排六方結構的ε-Co固溶體，質地均一致密。陳光霞[9]報道，SLM鈷鉻合金試件的表面硬度顯著高于鑄造鈷鉻合金。鑄造鈷鉻合金是典型的樹枝晶組織結構，其中夾雜著微孔和矩形重相，相較于SLM與切削工藝而言，鑄造合金容易出現(xiàn)內部微孔，直接導致其機械性能下降并增加發(fā)生腐蝕的概率，而且顯著影響材料的疲勞強度。雖然理論上SLM技術能達成100%致密度的試件，但現(xiàn)實制造中受工藝影響，試件內部往往會形成孔隙，無法達到絕對的致密。

SLM鈷鉻合金基底冠對熱處理的穩(wěn)定性優(yōu)良，在模擬烤瓷多次燒結后，基底冠邊緣會有平均2 μm的尺寸變化。雖然在燒結中合金會發(fā)生相變，伴隨著應力釋放，但其對尺寸的影響較鑄造鈷鉻合金小，鑄造鈷鉻合金在多次燒結后就出現(xiàn)了4～6 μm的尺寸變化[17]。表明相較于夾雜微孔和矩形重相的樹枝晶組織鑄造鈷鉻合金，快速成型的SLM鈷鉻合金具有更佳的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。在高溫固溶處理時，鈷鉻合金相組成主要由FCC結構的γ相及HCP結構的ε相構成。熱處理溫度及冷卻方式?jīng)Q定了γ、ε含量，γ、ε含量影響著成形件的力學性能。研究顯示，將γ相固溶強化到基體中，能夠改善材料的性能。隨著溫度的降低，γ相含量逐漸降低，從γ相轉變?yōu)棣篷R氏體，使顯微組織發(fā)生明顯改變，力學性能急劇下降，大約在900 ℃時發(fā)生這種物相轉變[18]。不同的固溶處理方式對物相也有極大影響，1 150 ℃隨爐冷卻后的主要物相為ε相及少量γ相；經(jīng)過1 150 ℃空氣冷卻和1 150℃水冷卻后的物相為γ相伴隨少量ε相；經(jīng)過1 150 ℃和800 ℃固溶和時效處理后，物相幾乎都是ε相，以及少量的M23C6(M23的組成元素為Cr、Mo、W)強化相，使組織強度更高，但塑形更差。此外，Quante等[19]研究了熱處理對SLM鈷鉻合金烤瓷冠適應性的影響，發(fā)現(xiàn)邊緣適應性為74～99 μm，合面內部間距為252～350 μm，同時發(fā)現(xiàn)在烤瓷冠瓷層燒結以后增大了10～20 μm邊緣距離，但是內部間隙尤其是合面間隙減小了30～50 μm。其原因很可能是因為金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)存在差異，容易導致金瓷結合強度下降以及陶瓷和金屬內部產生較大的殘余應力，導致相對較薄的金屬基底冠的頸部邊緣產生翹曲變形，基底邊緣的冠向移動導致尺寸改變，使得合面間隙變小。

2.1.3 SLM金屬基底冠的金瓷結合性能 采用SLM技術制作的鈷鉻合金，相較傳統(tǒng)工藝，具有更高的金瓷結合力。SLM鈷鉻合金在25～500 ℃時，其平均熱膨脹系數(shù)13.874×10-6/K與瓷的熱膨脹系數(shù)13.5×10-6/K更為接近，而鑄造鈷鉻合金為14.043×10-6/K，容易產生較大的拉應力，不利于金瓷結合。SLM鈷鉻鉬合金的熱膨脹系數(shù)較低，與瓷熱匹配性更好，金瓷結合強度顯著高于鑄造的鈷鉻鉬合金。這主要是由于在冷卻時不匹配的熱膨脹系數(shù)導致在結合界面產生瞬態(tài)熱應力和殘余應力，并會伴隨瓷裂、金屬的蠕變等缺陷，還有瓷燒結時形成較大的溫度梯度，容易在合金和陶瓷的內部形成較大熱應力，其應力達到SLM試件的屈服極限時就會發(fā)生塑性變形，甚至產生裂紋或遲發(fā)性崩瓷[7]。苗恩銘[20]認為，金瓷兩者間的熱膨脹系數(shù)差值在±2%，在1.0×10-6/℃內能獲得理想的金瓷結合。此外，SLM制造的鈷鉻合金基底冠具有更高的致密度，內部缺陷更少，而熱膨脹系數(shù)與樣品內部的氣泡數(shù)量和缺陷數(shù)量有關，所以熱膨脹系數(shù)較鑄造工藝更低，也更接近于外部瓷層的熱膨脹系數(shù)，金瓷結合進一步提高?；瘜W結合是金瓷結合中最主要的作用力，結合界面的氧化膜在化學結合中起關鍵作用，SLM鈷鉻合金與瓷之間的氧化膜無微孔缺陷，冷卻成形時其表面還存在一些尚未完全融化的粉末，導致其表面粗糙度高達9.12～9.74 μm，從而獲得與鑄造組表面不同且更厚的氧化膜結構，經(jīng)過噴砂和預氧化后能獲得更高表面粗糙度和化學結合強度。而鑄造鈷鉻合金與瓷之間的氧化膜較薄、可見微孔和缺陷，整體潤濕性差，其平均結合強度為19.6 N，較鑄造合金高出1.1 N[21]。

2.2 SLM在可摘義齒支架制造中的應用 傳統(tǒng)鑄造工藝制造可摘義齒支架時，由于義齒支架厚度小，又存在不同形態(tài)的連接體、尖嵴、卡環(huán)等復雜結構，在鑄造時難以完全充填成形；并且在鑄造冷卻時試件尺寸容易發(fā)生改變，導致邊緣封閉性下降、固位體變形、機械性能不穩(wěn)定。SLM技術能很好地解決鑄造工藝的不足。目前SLM在可摘義齒的支架制造中主要以鈦合金材料為主。

2.2.1 SLM可摘義齒支架的密合度 雖然目前數(shù)字化CAD/CAM技術在制作牙冠中的運用已經(jīng)成熟并逐漸普及，但畢竟在CAD數(shù)據(jù)輸出制造試件的過程中還是以減材切削工藝為主，無法滿足具有中空復雜幾何結構的義齒支架制造要求。加工出來的試件還需要進一步精細加工和拋光才能符合臨床使用。劉一帆等[22]制造出了制造精度達到(0.089±0.076)mm的可摘局部義齒支架，經(jīng)X線探傷檢查未發(fā)現(xiàn)明顯裂痕、氣孔等缺陷，而鑄造組卡環(huán)臂、連接體處、支架體部等具有精細幾何結構的部位出現(xiàn)氣孔和裂紋；顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，SLM組的顯微硬度高于鑄造組，SLM組表面未發(fā)現(xiàn)微孔，支架質地均勻致密；認為SLM制作的鈦合金全口義齒支架機械性能和微觀結構能適用于臨床需要。陳虎[23]利用SLM制造出的可摘局部義齒支架與模型組織面平均間隙為0.15～0.33 mm，已經(jīng)達到高水平技師精密鑄造水平?？傊琒LM技術用于制造鈦合金支架可以滿足臨床對金屬支架的制作要求，能夠達到較高的制造精度和試件致密度，為實現(xiàn)無模型數(shù)字化自動加工成形開創(chuàng)了一種新方法。

2.2.2 SLM可摘義齒支架的材料性能 Kanazawa等[24]發(fā)現(xiàn)，SLM制造的鈦合金支架在激光高溫熔融鈦合金粉末時發(fā)生的馬氏體相變，成為密排六方結構的α馬氏體相，會有針狀微觀結構出現(xiàn)，橫截面為網(wǎng)格狀形貌，其成形的試件的合金相為大量細小針狀α相和少量初始β柱狀晶組成；而鑄造試件為α-β相，雖然理論上α相的鈦合金強度要低于α-β相，但由于SLM試件中α相穩(wěn)定且致密，材料構建中大量α馬氏體硬脆相的存在在一定程度上有利于提升成行件的強度和硬度，其強度甚至要高于α-β相的鑄造組試件。SLM試件成形后，由于馬氏體組織細小，縱橫排列交錯且無序，大量硬脆相α馬氏體導致延伸率較低，并且其拉伸強度明顯高于傳統(tǒng)鑄造制備的構件。而在口腔臨床中常用的是具有良好綜合性能、組織穩(wěn)定性高、良好韌性和塑性的α+β相鈦合金。為了消除在制造過程中產生的不均勻溫度改變導致的殘余應力和改善合金相，金瑩等[25]對試件進行920 ℃的退火處理，得到更均勻的α-β相。在熱處理中亞穩(wěn)態(tài)α馬氏體分解轉變?yōu)槠瑢訝瞀?β相，交替排列的α-β相可阻止晶粒長大。在顯微觀察下支架質地均勻致密，未見表面有微孔。顯微組織的改善使材料的強度和塑性等性能得到較大提高，從而獲得優(yōu)越的力學性能，同時由于殘余應力的消除，也改善了疲勞裂紋擴散的過程，脆度也相應降低。因此SLM鈦合金試件在微觀結構上較鑄造試件具有更均勻、更致密、更穩(wěn)定的結構，硬度和疲勞性能也高于鑄造鈦合金試件。

2.3 SLM在種植基臺制造中的應用 關于SLM在種植上部結構制作中的應用，目前國內外報道較少。Fernandez等[26]和Markarian等[27]報道的SLM基臺與種植體平均間隙分別為11.3 μm和24.7 μm，切削組為0.730 μm和2.609 μm。造成SLM基臺間隙大的原因可能是在成形過程中的應力導致的翹曲變形[7]，和無法形成明確的邊、角、嵴結構問題，以及其成形的試件表面具有一定的粗糙度，連接部的表面粗糙和上述翹曲變形、細節(jié)成形問題對基臺在種植體的就位有極大影響，導致基臺與種植體界面出現(xiàn)較大縫隙。此外，基臺外部表面粗糙也容易引起菌斑定殖和聚集。而切削工藝在切削之前材料塊就已經(jīng)完成了預加工，僅有切削步驟對材料成形有影響，且不容易發(fā)生尺寸變化，因此試件能達到良好的就位效果。目前SLM仍無法取代切削工藝對基臺的加工。

3 結語

SLM技術是智能制造、數(shù)字化制造、綠色制造發(fā)展的重要方向，是開展數(shù)字化口腔和個性化治療的重要技術支持。隨著SLM在口腔醫(yī)學領域的運用逐漸廣泛，在其他口腔器械如口腔種植體、種植導板、正畸托槽及保持器、口腔外科個性化植入物、個性化手術器械等制造運用還有廣泛空間和前景。