選擇性激光熔覆技術(shù)成形質(zhì)量影響因素及其在口腔修復(fù)體制造中的應(yīng)用進(jìn)展

蔣偉，許勝，周亞男

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

選擇性激光熔覆(SLM)技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)而成。以SLM為代表的增材制造(3D打印)技術(shù)在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造工藝的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)制造的醫(yī)療器械試件具有良好的生物相容性和機(jī)械性能，兼具個(gè)性化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，非常適合于口腔修復(fù)，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(tái)等本身要求制作精度高且有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的口腔器械。目前在口腔修復(fù)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(shù)制造出的試件在耐腐蝕性、細(xì)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(xué)性能[2，3]。現(xiàn)將SLM技術(shù)的制造工藝及其在口腔修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 影響SLM成形質(zhì)量的影響因素

SLM是基于CAD/CAM系統(tǒng)的一項(xiàng)技術(shù)，由激光系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)組成。首先采用CAD軟件設(shè)計(jì)出立體模型，將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入SLM成形設(shè)備中，成形機(jī)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(hù)下快速冷卻成形，一層一層融合并堆積，最終形成一個(gè)致密的零件。影響SLM成形質(zhì)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(yù)熱、粉末特征、掃描方式、激光光斑等)對(duì)成形質(zhì)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(nèi)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(zhì)和機(jī)械性質(zhì)的重要因素。過低的能量密度會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(huì)重熔打印層，而且掃描軌跡上的金屬粉末也會(huì)因?yàn)楦吣芰棵芏榷a(chǎn)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(yù)熱 在SLM成形過程中，以高能激光作為熱源對(duì)粉末進(jìn)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(chǎn)生試件的殘余應(yīng)力。在成形前對(duì)選區(qū)進(jìn)行預(yù)熱可有效降低溫度梯度。李九霄等[5]報(bào)道，選區(qū)預(yù)熱可提升熔融時(shí)的濕潤(rùn)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(yīng)力。Ali等[6]報(bào)道，在一定溫度范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力與預(yù)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(shè)置應(yīng)取決于粉末粒徑分布情況[7]。當(dāng)粉末中的合金顆粒直徑過大超過層厚時(shí)，可導(dǎo)致鋪粉實(shí)際厚度大于預(yù)設(shè)值；而直徑過小時(shí)容易導(dǎo)致粉末流動(dòng)性差，無法均勻鋪展在基板上；兩者均會(huì)使Z軸上的制造誤差變大。Huang等[8]認(rèn)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(shè)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(dá)到較高的均勻性，要求刮板不能具有磁性，否則會(huì)影響金屬粉末的均勻性；同時(shí)還應(yīng)具備硬度和耐磨性。陳光霞[9]認(rèn)為，陶瓷材料是最佳選擇。

1.5 掃描方式 掃描策略對(duì)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(nèi)能量分布、熱交換傳遞等方面。掃描策略選取不當(dāng)容易導(dǎo)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(yùn)動(dòng)軌跡是按照計(jì)算機(jī)模型中的線條軌跡運(yùn)動(dòng)，而激光光斑本身存在一定的直徑大小，因此會(huì)導(dǎo)致激光成形尺寸大于理論尺寸約一個(gè)光斑半徑。

除了上述因素對(duì)試件的精度和性能以外，支架本身的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)最終加工精度也有較大的影響。在制造時(shí)，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(fù)體制造中的應(yīng)用

2.1 SLM在金屬基底冠制造中的應(yīng)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(shù)加工工序簡(jiǎn)單，沒有翻模、筑蠟型、燒結(jié)、鑄造等復(fù)雜的流程，系統(tǒng)性誤差積累少，制造周期顯著縮短。SLM技術(shù)能夠在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)預(yù)成外形和尺寸，完成具有復(fù)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(shù)制造金屬基底冠的材料主要是鈷鉻合金。在臨床應(yīng)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(gè)牙位內(nèi)的聯(lián)冠或者單冠的制造中不會(huì)隨著牙單位的增加而出現(xiàn)明顯的精度下降[14]，但對(duì)于3個(gè)牙單位以上基底冠橋制造精度的研究尚未見報(bào)道。

此外，即使是在各類牙體解剖形態(tài)和各類粘結(jié)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(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合制作多單位的固定修復(fù)基底冠。

2.1.2 SLM金屬基底冠的金相組織 在材料微觀結(jié)構(gòu)方面，SLM成形的合金件具有更優(yōu)的顯微組織。Koutsoukis等[16]報(bào)道，對(duì)3種相同成分的鈷鉻合金進(jìn)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(jié)構(gòu)γ-Co固溶體和密排六方結(jié)構(gòu)的ε-Co固溶體，質(zhì)地均一致密。陳光霞[9]報(bào)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部微孔，直接導(dǎo)致其機(jī)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(qiáng)度。雖然理論上SLM技術(shù)能達(dá)成100%致密度的試件，但現(xiàn)實(shí)制造中受工藝影響，試件內(nèi)部往往會(huì)形成孔隙，無法達(dá)到絕對(duì)的致密。

SLM鈷鉻合金基底冠對(duì)熱處理的穩(wěn)定性優(yōu)良，在模擬烤瓷多次燒結(jié)后，基底冠邊緣會(huì)有平均2 μm的尺寸變化。雖然在燒結(jié)中合金會(huì)發(fā)生相變，伴隨著應(yīng)力釋放，但其對(duì)尺寸的影響較鑄造鈷鉻合金小，鑄造鈷鉻合金在多次燒結(jié)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(shí)，鈷鉻合金相組成主要由FCC結(jié)構(gòu)的γ相及HCP結(jié)構(gòu)的ε相構(gòu)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(xué)性能。研究顯示，將γ相固溶強(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)棣篷R氏體，使顯微組織發(fā)生明顯改變，力學(xué)性能急劇下降，大約在900 ℃時(shí)發(fā)生這種物相轉(zhuǎn)變[18]。不同的固溶處理方式對(duì)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(shí)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(qiáng)化相，使組織強(qiáng)度更高，但塑形更差。此外，Quante等[19]研究了熱處理對(duì)SLM鈷鉻合金烤瓷冠適應(yīng)性的影響，發(fā)現(xiàn)邊緣適應(yīng)性為74～99 μm，合面內(nèi)部間距為252～350 μm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在烤瓷冠瓷層燒結(jié)以后增大了10～20 μm邊緣距離，但是內(nèi)部間隙尤其是合面間隙減小了30～50 μm。其原因很可能是因?yàn)榻饘倥c陶瓷的熱膨脹系數(shù)存在差異，容易導(dǎo)致金瓷結(jié)合強(qiáng)度下降以及陶瓷和金屬內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致相對(duì)較薄的金屬基底冠的頸部邊緣產(chǎn)生翹曲變形，基底邊緣的冠向移動(dòng)導(dǎo)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(jié)合性能 采用SLM技術(shù)制作的鈷鉻合金，相較傳統(tǒng)工藝，具有更高的金瓷結(jié)合力。SLM鈷鉻合金在25～500 ℃時(shí)，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(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，不利于金瓷結(jié)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(jié)合強(qiáng)度顯著高于鑄造的鈷鉻鉬合金。這主要是由于在冷卻時(shí)不匹配的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致在結(jié)合界面產(chǎn)生瞬態(tài)熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，并會(huì)伴隨瓷裂、金屬的蠕變等缺陷，還有瓷燒結(jié)時(shí)形成較大的溫度梯度，容易在合金和陶瓷的內(nèi)部形成較大熱應(yīng)力，其應(yīng)力達(dá)到SLM試件的屈服極限時(shí)就會(huì)發(fā)生塑性變形，甚至產(chǎn)生裂紋或遲發(fā)性崩瓷[7]。苗恩銘[20]認(rèn)為，金瓷兩者間的熱膨脹系數(shù)差值在±2%，在1.0×10-6/℃內(nèi)能獲得理想的金瓷結(jié)合。此外，SLM制造的鈷鉻合金基底冠具有更高的致密度，內(nèi)部缺陷更少，而熱膨脹系數(shù)與樣品內(nèi)部的氣泡數(shù)量和缺陷數(shù)量有關(guān)，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(jié)合進(jìn)一步提高。化學(xué)結(jié)合是金瓷結(jié)合中最主要的作用力，結(jié)合界面的氧化膜在化學(xué)結(jié)合中起關(guān)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(shí)其表面還存在一些尚未完全融化的粉末，導(dǎo)致其表面粗糙度高達(dá)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(jié)構(gòu)，經(jīng)過噴砂和預(yù)氧化后能獲得更高表面粗糙度和化學(xué)結(jié)合強(qiáng)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(rùn)濕性差，其平均結(jié)合強(qiáng)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(yīng)用 傳統(tǒng)鑄造工藝制造可摘義齒支架時(shí)，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(fù)雜結(jié)構(gòu)，在鑄造時(shí)難以完全充填成形；并且在鑄造冷卻時(shí)試件尺寸容易發(fā)生改變，導(dǎo)致邊緣封閉性下降、固位體變形、機(jī)械性能不穩(wěn)定。SLM技術(shù)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(shù)在制作牙冠中的運(yùn)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(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的義齒支架制造要求。加工出來的試件還需要進(jìn)一步精細(xì)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(dá)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(xì)幾何結(jié)構(gòu)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(zhì)地均勻致密；認(rèn)為SLM制作的鈦合金全口義齒支架機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)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(dá)到高水平技師精密鑄造水平。總之，SLM技術(shù)用于制造鈦合金支架可以滿足臨床對(duì)金屬支架的制作要求，能夠達(dá)到較高的制造精度和試件致密度，為實(shí)現(xiàn)無模型數(shù)字化自動(dòng)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(shí)發(fā)生的馬氏體相變，成為密排六方結(jié)構(gòu)的α馬氏體相，會(huì)有針狀微觀結(jié)構(gòu)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(xì)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(qiáng)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(gòu)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(qiáng)度和硬度，其強(qiáng)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(xì)小，縱橫排列交錯(cuò)且無序，大量硬脆相α馬氏體導(dǎo)致延伸率較低，并且其拉伸強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)鑄造制備的構(gòu)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(chǎn)生的不均勻溫度改變導(dǎo)致的殘余應(yīng)力和改善合金相，金瑩等[25]對(duì)試件進(jìn)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(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝瞀?β相，交替排列的α-β相可阻止晶粒長(zhǎng)大。在顯微觀察下支架質(zhì)地均勻致密，未見表面有微孔。顯微組織的改善使材料的強(qiáng)度和塑性等性能得到較大提高，從而獲得優(yōu)越的力學(xué)性能，同時(shí)由于殘余應(yīng)力的消除，也改善了疲勞裂紋擴(kuò)散的過程，脆度也相應(yīng)降低。因此SLM鈦合金試件在微觀結(jié)構(gòu)上較鑄造試件具有更均勻、更致密、更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，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(tái)制造中的應(yīng)用 關(guān)于SLM在種植上部結(jié)構(gòu)制作中的應(yīng)用，目前國內(nèi)外報(bào)道較少。Fernandez等[26]和Markarian等[27]報(bào)道的SLM基臺(tái)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(tái)間隙大的原因可能是在成形過程中的應(yīng)力導(dǎo)致的翹曲變形[7]，和無法形成明確的邊、角、嵴結(jié)構(gòu)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(xì)節(jié)成形問題對(duì)基臺(tái)在種植體的就位有極大影響，導(dǎo)致基臺(tái)與種植體界面出現(xiàn)較大縫隙。此外，基臺(tái)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(yù)加工，僅有切削步驟對(duì)材料成形有影響，且不容易發(fā)生尺寸變化，因此試件能達(dá)到良好的就位效果。目前SLM仍無法取代切削工藝對(duì)基臺(tái)的加工。

3 結(jié)語

SLM技術(shù)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(gè)性化治療的重要技術(shù)支持。隨著SLM在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用逐漸廣泛，在其他口腔器械如口腔種植體、種植導(dǎo)板、正畸托槽及保持器、口腔外科個(gè)性化植入物、個(gè)性化手術(shù)器械等制造運(yùn)用還有廣泛空間和前景。