上海市食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證審評中心 （上海 200020）

內(nèi)容提要： 通過分析激光選區(qū)熔化的工藝參數(shù)對鈦合金（Ti-6Al-4V）義齒試件性能的影響，明確了工藝驗(yàn)證時(shí)需關(guān)注的打印工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能，為義齒企業(yè)和監(jiān)管人員提供參考。研究表明，工藝驗(yàn)證時(shí)應(yīng)考慮試件的各向異性；工藝參數(shù)可重點(diǎn)關(guān)注激光功率、掃描速度、掃描間距；產(chǎn)品的性能指標(biāo)可重點(diǎn)關(guān)注精度、表面粗糙度、夾雜物和孔隙率、密度、硬度等；若粉末原材料已開展了抗晦暗性和耐腐蝕性研究，可進(jìn)行評估以減少重復(fù)驗(yàn)證。

傳統(tǒng)口腔修復(fù)體的加工過程復(fù)雜，耗時(shí)長，修復(fù)體精度低，易產(chǎn)生粘沙、縮孔、裂紋等鑄造缺陷，行業(yè)還面臨著人力資源瓶頸和成本攀升的困難[1]。3D打印以靈活的個(gè)性化定制特色，在口腔修復(fù)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，其性能如拉伸性能、抗疲勞性、致密度也優(yōu)于鑄造工藝，目前使用最廣泛的技術(shù)為激光選區(qū)熔化（SLM）[2,3]。鈦合金具有良好的生物相容性、較低的密度、較好的彈性和舒適度，可打印金屬內(nèi)冠、全冠、可摘局部義齒支架、全口義齒基托、舌側(cè)托槽等，最常用的材料之一為Ti-6Al-4V[4]。

3D打印金屬義齒行業(yè)雖前景廣闊，但其發(fā)展受到了一些阻礙：一是行業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量管理體系規(guī)范性整體差，3D打印工藝缺少必要的確認(rèn)或驗(yàn)證[1]；二是國內(nèi)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于行業(yè)發(fā)展，現(xiàn)有一些定制式義齒相關(guān)規(guī)范性文件可供參考，但未明確規(guī)定3D打印義齒的具體要求[5]。因此，探究3D打印金屬義齒的工藝驗(yàn)證，確保臨床使用的3D打印金屬義齒安全有效已成為一個(gè)亟需解決的問題[1]。

SLM的成型過程受到眾多參數(shù)的影響，如激光功率、掃描速率、掃描間距、層厚、光斑大小、掃描路徑、成型方向、支撐的添加等[6]。本文選擇最關(guān)鍵的工藝參數(shù)激光功率、掃描速度、掃描間距，分析對產(chǎn)品性能的影響，明確工藝驗(yàn)證時(shí)需關(guān)注的工藝參數(shù)和產(chǎn)品性能指標(biāo)，為定制式義齒加工企業(yè)開展3D打印過程確認(rèn)提供參考，也幫助監(jiān)管人員提升審評和核查水平[7]。

1.材料與方法

選用飛爾康快速制造科技有限公司的Ti-6Al-4V，注冊證號為蘇械注準(zhǔn)20182630863。化學(xué)成分（%）：Ti余量，Al 6.19，V4.05，F(xiàn)e0.024，Si＜0.01，C0.01，O 0.0791，N0.006，H0.0025，Cd/Be/Ni＜0.005。粒度15～53μm，松裝密度≥2.15g/cm3，粉末流動性＜40s/50g。

激光功率P、掃描速率V、掃描間距h和層厚t共同影響體能量密度（Bulk Energy Density，以下簡稱E），E=P/(V×h×t)。使用SLM 280打印機(jī)（SLM Solutions公司）打印試件，層厚30μm，打印參數(shù)見表1。尺寸、表面粗糙度制作10mm正方體試件，表面不經(jīng)任何處理，每個(gè)參數(shù)打印3個(gè)；夾雜物和孔隙率、硬度、密度制作10mm正方體試件，表面高度打磨拋光，每個(gè)參數(shù)打印2個(gè)；拉伸性能選擇11、4、10#參數(shù)，按GB 17168-2013[8]制作啞鈴型試件，Z軸和X/Y軸方向各6個(gè)；耐腐蝕性制作34mm×13mm×1.5mm試件，抗晦暗性制作φ10mm×h0.5mm圓形試件，均選擇11、14、15#參數(shù)，Z軸和X/Y軸方向各2個(gè)。試件經(jīng)熱處理。坐標(biāo)軸和打印方向的定義按YY/T 1702-2020[9]。

表1.打印工藝參數(shù)

測試試件X和Y軸方向的尺寸、Z面表面粗糙度；按YY/T 1702-2020[9]測試Z面和X/Y面的夾雜物和孔隙率、硬度。密度按GB/T 1423-1996[10]；拉伸性能、耐腐蝕性、抗晦暗性按GB 17168-2013[8]。接受標(biāo)準(zhǔn)參考YY/T 1702-2020[9]。應(yīng)用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.結(jié)果

試件性能與E的關(guān)系見圖1。隨E的增加，尺寸增大，與預(yù)設(shè)尺寸10mm的誤差增加。E最大的15#試件精度誤差達(dá)0.43mm，遠(yuǎn)超出了接受上限0.05mm。隨E的增加，表面粗糙度呈減小趨勢，均低于接受上限15μm。所有試件硬度均大于接受下限260HV10，且不同的打印參數(shù)對硬度的影響不大，僅當(dāng)E較小時(shí)硬度值較小。隨E的增加，夾雜物和孔隙率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)E較小和較大時(shí)，均超過接受上限2.8%，尤其14#試件孔隙率達(dá)36.67%，肉眼清晰可見。見圖2，當(dāng)E較低時(shí)，孔隙呈現(xiàn)為不規(guī)則的形狀，布滿未融粉末，如7#，當(dāng)E較高時(shí)，孔隙為近似圓形，如15#。隨E的增加，密度整體呈先增大后減小的趨勢，但E最低的14#出現(xiàn)了異常點(diǎn)，是因?yàn)槊芏葴y試為阿基米德原理，不適用于多孔材料。去除異常點(diǎn)后，將夾雜物和孔隙率與密度進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，R2=0.98（P＞0.05），說明存在顯著相關(guān)。

圖1.試件性能與E的關(guān)系

拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果表明，0.2%規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2平均值為（979.8±18.7）Mpa，楊氏模量平均值為（112.9±5.1）Gpa，不同打印參數(shù)間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。沿Z軸打印的試件斷后伸長率平均值為（13.5±0.7）%，顯著高于沿X/Y軸打印試件的平均值（7.4±0.6）%（P＜0.05）。沿Z軸打印的11#的斷后伸長率（15.3%±0.7%）顯著高于4#（13.6%±0.8%）和10#（11.8%±0.8%）（P＜0.05）。

14#、15#和11#釋放到溶液中總金屬離子量分別為13.76、2.73和1.87μg/cm2，遠(yuǎn)小于接收限200μg/cm2，耐腐蝕性檢測全部通過。在溶液中浸泡后，所有試件均無顏色改變，認(rèn)為均具有抗晦暗性。

3.討論

研究表明，E對義齒試件的表面和內(nèi)部性能均有明顯影響，原因分析如下[11]：①E較小時(shí)，熔池能量不足以全部融化粉層，形成了較多不規(guī)則孔隙，導(dǎo)致制件表面粗糙度較大。②隨著E的增大，相鄰熔道和層間結(jié)合更加緊密，因此孔隙較少。③E繼續(xù)增大，粉床吸收的熱量過多，熔池周圍的粉末一同融化，造成了精度誤差偏大，且熔池間的重疊區(qū)較深，引起熔道過燒，伴隨汽化形成了圓形的孔隙。

不同的打印參數(shù)對硬度的影響不大，當(dāng)E太低時(shí)，因熔融不全，硬度有輕微減小。斷后伸長率表示鋼材的延性，結(jié)果表明，當(dāng)打印參數(shù)較適宜時(shí)，試件的延性較好。不同于鑄造和切削工藝，3D打印存在各向異性，如本文斷后伸長率呈現(xiàn)出明顯的各向異性，謝文強(qiáng)等[3]研究鈦合金卡環(huán)疲勞性能時(shí)也發(fā)現(xiàn)了各向異性。

齒科金屬修復(fù)體在口腔環(huán)境中長期受食物和唾液的影響，表面發(fā)生晦暗和腐蝕，影響美觀、功能及生物相容性。本文發(fā)現(xiàn)，抗晦暗性不受打印參數(shù)的影響，為材料的固有化學(xué)屬性。打印工藝參數(shù)可影響耐腐蝕性，14#的E最低，試件表面存在大量孔隙和未融化顆粒，浸提表面積較大，因此釋放到溶液中的重金屬含量較高。即使14#試件孔隙率達(dá)到了肉眼可見的程度，但耐腐蝕性檢測結(jié)果仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接受上限。

通過分析SLM工藝參數(shù)對性能鈦合金義齒試件性能的影響，本研究為SLM打印工藝驗(yàn)證提供思路：試件制備時(shí)應(yīng)考慮各向異性。在眾多的工藝參數(shù)中，可重點(diǎn)考慮激光功率、掃描速度、掃描間距，通過計(jì)算E來設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，減少重復(fù)驗(yàn)證。產(chǎn)品的性能可重點(diǎn)關(guān)注精度、表面粗糙度、夾雜物和孔隙率、密度、硬度等。若粉末原材料已獲得醫(yī)療器械注冊證，開展了耐腐蝕性和抗晦暗性的研究且原料質(zhì)量穩(wěn)定可靠，出于效率和經(jīng)濟(jì)考慮，定制式金屬義齒加工企業(yè)可評估后減少重復(fù)驗(yàn)證。

致謝：特別感謝四川醫(yī)療器械生物材料和制品檢驗(yàn)中心的吳敏華老師、三的部落（上海）科技股份有限公司高健先生在研究過程中給予的熱心幫助和大力支持。