选择性激光熔覆技术成形质量影响因素及其在口腔修复体制造中的应用

牟荣 综述 曾河清 审校

(汉中市口腔医院口腔工艺科，陕西 汉中 723000)

通过对选择性激光烧结技术进行改进，可发展为选择性激光熔覆技术(SLM)。传统制造工艺存在复杂结构加工难度大以及成品率稳定性差等不足，采用SLM技术进行增材制造，可有效解决上述问题。SLM技术在口腔修复中可发挥重要作用，种植体、种植体基台、可摘义齿支架、金属基底冠以及正畸托槽等口腔器械内部结构复杂，对制作精确度要求较高，而应用SLM技术能够有效制作上述口腔器械，进而提升口腔修复效果[1]。当前在口腔修复中，采用SLM技术所制作的镍铬合金、钛合金、钴铬钼合金等试件在离子析出率、细胞毒性以及耐腐蚀性等方面可发挥良好效果，同时存在较高的力学性能[2]。但是在临床长期应用过程中发现，SLM技术成形质量会对口腔修复效果产生一定影响，因此，了解影响SLM技术成形质量因素，并采取相应措施干预，对提升口腔修复效果具有重要作用。为此，现就影响SLM技术成形质量因素和其在口腔修复体制作中的使用情况进行以下阐述。

1 对SLM技术成形质量产生影响的因素

SLM技术主要包含保护系统、铺粉系统以及激光系统。通过CAD软件将立体模型设计完成，同时转换模型数据，输入SLM成形设备内，成形机通过高能量密度的激光束对金属粉末进行逐层熔化，同时受到惰性气体保护而在短时间内冷却成形，逐层融合以及堆积，进而制作出致密的部件。对SLM技术成形质量产生影响的因素较多，最为常见的有激光光斑、扫描方式、刮板特征、粉末特征、选区预热以及激光能量密度。

1.1激光光斑 在进行激光扫描时，计算机模型内线条运动轨迹决定激光光斑圆心运动轨迹，但是激光光斑自身有一定直径，故而会出现激光成形尺寸超过理论尺寸约半个光斑。

1.2扫描方式 成形试件性能以及缺陷控制一定程度上受到扫描方式的影响，可表现在热交换传递以及熔池内能量分布等方面。若扫描方式未能正确选择，极易出现熔覆层温度梯度差异较大等情况，进而发生孔隙以及球化等制作缺陷。

1.3刮板特征 铺粉设备内，基板同刮板间缝隙误差会对铺粉均匀程度产生一定影响，当前临床所选择的刮板一般是橡胶类或不锈钢类。为保障均匀的铺粉厚度，对刮板特征作出一定要求，其一不可存在磁性，其二要有耐磨性以及硬度[3]。

1.4粉末特征 铺粉层厚度会受到粉末颗粒直径影响，故而需要依据粉末颗粒直径分布情况判断铺粉层厚度。若粉末内合金颗粒直径大于层厚时，会出现铺粉实际厚度超过预计值；当粉末内合金颗粒直径过小时，极易发生粉末流动性差情况，影响其在基板上的均匀铺展[4]。上述两种情况均会导致Z轴上制作误差增大。

1.5选区预热 SLM成形中，热源选择高能激光，利用其对粉末开展照射成形，当熔池同四周环境出现明显温度梯度时，极易出现试件残余应力。因此，在成形前对选区实施预热能够一定程度上降低温度梯度。

1.6激光能量密度 层厚、扫描间距、扫描速度以及激光功率决定能量密度，计算公式是：激光功率/(层厚×扫描间距×扫描速度)=能量密度[5]。激光能量密度能够体现单位体积内激光能量，另外其也是SLM成形过程中对材料机械性质以及理化性质发挥关键作用的因素。当能量密度较低时，会使得熔池尺寸下降，粉末无法充分熔化，当已经熔化的粉末同未能熔化的粉末粘接在一起时，可出现较大的球化颗粒，使得熔覆层平整度较差，间隙较大，对试件致密度产生不利影响；当能量密度过大时，会对打印层进行重新熔化，并且扫描轨迹上金属粉末会因高能量密度而出现飞溅，当冷却后会粘连在试件表面，对下一层铺粉产生影响，导致Z轴成形误差。

2 口腔修复体制作中SLM技术的应用情况

2.1金属基底冠制作 (1)在密合度方面，相较于传统铸造技术，SLM技术操作简便，无翻模、筑蜡型、烧结以及铸造等复杂操作，系统性误差小，制作周期明显减少。SLM技术可在计算机内对外形以及尺寸进行设计，对于存在复杂尖窝沟嵴等形态的牙面进行制作，故而在制作牙冠方面可发挥重要作用。当前利用SLM技术，并选择钴铬合金制作金属基底冠。在临床使用过程中，可发挥较高的边缘密合度，对于120 μm以下的临床边缘密合度需求，在进行单冠或三个牙位内的联冠制作时，不会因牙单位增加而降低精确度，但目前在三个牙单位以上基底冠桥制作精确度方面还需临床进行深入研究[6]。另外，当受到各种粘接剂以及各种牙体解剖形态的影响，相较于其他制作工艺，SLM钴铬基底冠同样能够发挥出较高的垂直向边缘密合性。因此SLM技术存在精确度高以品质稳定等优点，能够用于多单位的固定修复基底冠制作。(2)在金相组织方面，材料微观结构中，SLM技术制作的合金件存在更高的显微组织。通过显微组织分析可知，密排六方结构的ε-Co固溶体以及面心立方结构γ-Co固溶体组成SLM成形件显微组织，质地均匀密度高[7]。对于铸造钴铬合金而言，其属于树枝晶组织结构，包含微孔以及矩形重相，则会对机械性能产生不利影响，同时还会增加其出现腐蚀的风险，对材料疲劳强度产生不利影响。尽管在理论方面，SLM技术可以完成100%致密度的试件，但是在实际制作中极易受到工艺水平影响，在试件内部通常会有孔隙出现，绝对致密性无法达到。采用SLM技术制作的钴铬合金基底冠在热处理方面具有良好的稳定性，在进行烤瓷多次烧结模拟后，金属基底冠边缘可有2 μm左右的尺寸改变。尽管在烧结过程中，合金会出现相变，并释放着应力，但是相较于铸造合金其尺寸改变较小。在开展高温固溶干预时，钴铬合金相是由密排六方结构的ε相和面心立方结构γ相组成，并且其水平会受到热处理温度和冷却方式的影响，同时其水平也会决定成形件力学性能[8]。(3)在金瓷结合性能方面，利用SLM技术所制作的钴铬合金，其金瓷结合力较高。SLM钴铬合金处于25℃～500℃时，平均热膨胀系数同瓷热膨胀系数较为接近，但是相较于铸造钴铬合金而言，其平均热膨胀系数则显著高于瓷，因此会出现较大拉应力，对金瓷结合产生不利影响[9]。在冷却时若热膨胀系数不匹配，在结合界面则会出现残余应力以及瞬态热应力，同时还会有瓷裂以及金属蠕变等问题，另外在瓷烧结时会出现较大的温度梯度，极易在陶瓷以及合金内部出现强大热应力，当应力到达SLM试件屈服极限时则会出现塑性变形，严重时还会有裂纹和迟发性崩瓷。

2.2可摘义齿支架制作 (1)数据并制作试件时，主要是采取减材切削工艺，对于存在中空复杂结构的义齿支架，在制作过程中无法满足其需求。对于制作的试件仍需开展精细加工以及抛光，才可应用于临床。将SLM技术应用在钛合金支架制作中，符合临床制作金属支架的需求，并且在制作精确度以及试件致密度方面可发挥较高效果，能够为达到无模型数字化自动加工成形提供一种新方式[10]。(2)在材料性能方面，采用SLM技术所制作的钛合金支架，在进行激光高温熔融钛合金粉末时会出现马氏体相变，形成α马氏体相，可形成针状微观结构，在横截面有网格状形态大量α相以及少量β相构成成形试件合金相。尽管在理论上α-β相钛合金强度会高于α相，但是因SLM试件内α相稳定和致密，在材料构建中有较多α马氏体硬脆相，可提高成形件硬度以及强度[11]。当SLM试件成形后，因马氏体组织较小，呈无序地纵横交错排列，较多硬脆相α马氏体使得延伸率下降，相较于传统技术所制作的构件，其在拉伸强度方面有显著升高。在口腔修复应用中，主要是选择α+β相钛合金，其存在韧性塑性良好、组织稳定性高以及综合性能高等优势[12]。在热处理过程中，亚稳态α马氏体能够分解并转变成片层状α-β相，并且α-β相呈交替排列，对抑制晶粒长大具有一定作用。将支架置于显微镜下观察，可发现其质地均匀致密，表面无微孔存在。材料强度以及塑性等性能受到显微组织的发展而有显著提升，进而能够达到较高的力学性能，另外消除残余应力，可一定程度上改善疲劳裂纹扩散过程，降低脆度[13]。在微观结构上，SLM钛合金试件相较于铸造试件结构更加均匀、致密以及稳定，同时硬度以及疲劳性能也有显著提升。

2.3种植基台制作 当SLM基台间隙较大时，发生该种情况的原因主要有成形过程中应力使得翘曲变形以及无法形成突出的嵴、角、边结构，同时成形试件表现存在一定粗糙度，受到上述因素影响，使得基台在种植体的就位发生严重影响，因此在种植体同基台界面有较大间隙[14]。当基台外部表面粗糙时，也会导致菌斑定植以及聚集[15]。对于切削工艺而言，其在进行切削前就已经对材料实施预加工，材料成形只会受到切削步骤的影响，尺寸改变较小或不发生改变，故而试件可以有效就位。在基台加工方面，当前SLM技术依旧无法完全取代切削工艺。

3 小 结

SLM技术符合绿色、数字化、智能制造需求，可为个性化治疗以及数字化口腔提供技术支持。伴随SLM技术在口腔医学中的广泛使用，在个性化手术器械、个性化植入物、保持器、正畸托槽、种植导板以及口腔种植体等制作中将会有较大的发展空间以及前景，能够一定程度上推动口腔修复水平的发展。