口腔修復(fù)體制作用3D打印金屬粉末的成型工藝與性能控制要點概述VIP

口腔修復(fù)體制作用3D打印金屬粉末的成型工藝與性能控制要點概述（原創(chuàng)2019-08-22CMDE中國器審）

在傳統(tǒng)口腔修復(fù)體的制作過程中，制作工藝繁瑣，制作周期長，加工過程中依賴人力操作，金屬材料在制作過程中易發(fā)生變形，難以控制尺寸精度，使患者舒適度下降。而采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的修復(fù)體可根據(jù)患者自身進行定制化生產(chǎn)，得到高尺寸精度的金屬修復(fù)體，利用該工藝大大節(jié)省了人工消耗，提高了整體匹配程度。隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，其在口腔醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。根據(jù)《WohlersReport2017》中的統(tǒng)計，2017年醫(yī)療/牙科產(chǎn)業(yè)占據(jù)3D打印產(chǎn)品市場的11.0%。本文對口腔修復(fù)體制作用3D打印金屬粉末的成型工藝進行了介紹，并且根據(jù)成型工藝特點總結(jié)了口腔修復(fù)體制作用3D打印金屬粉末的性能控制要點。

一、3D打印成型工藝

3D打印技術(shù)仍在不斷發(fā)展，打印成型工藝也出現(xiàn)了許多新類型，目前的工藝都是基于離散/堆積原理，實現(xiàn)零部件從無到有的增材制造生產(chǎn)過程。目前，在口腔醫(yī)療領(lǐng)域有較多應(yīng)用的主要有選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）、激光近凈成形技術(shù)（LENS）等。

（一）選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）

選區(qū)激光熔化技術(shù)是利用激光束作為熱源的逐層鋪粉打印技術(shù)。首先由計算機將設(shè)計輸入產(chǎn)品逐層分解，3D打印機將金屬粉末原料平鋪到加工室的打印平臺上后，激光束根據(jù)設(shè)計需求繪制出軌跡，熔化金屬粉末，將一層打印出來后，基板將下降到另一層，然后鋪粉輥再次鋪粉到打印平臺上，繼續(xù)用激光束進行熔化，重復(fù)操作多次后最終得到完整的零部件。該工藝可使用多種材料，打印出的產(chǎn)品尺寸精度高，可以完成對于表面粗糙度要求較高的產(chǎn)品，同時終產(chǎn)品可以獲得較高的致密度和較強的力學(xué)性能，是目前在口腔修復(fù)體領(lǐng)域中使用最廣泛的成型方式。該工藝采用鋪粉方式打印，使用的粉末流動性越好、松裝密度越高，打印出的成品的致密度越好；粉末的粒度越細(xì)，則打印的精度越高，表面粗糙度越好[1]。目前一般采用粒度在15～60μm，球形度較好的粉末。

（二）電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）

電子束選區(qū)熔化技術(shù)與SLM技術(shù)相似，主要區(qū)別為熱源不同。EBSM以電子束為熱源，因此實現(xiàn)該工藝需要具備真空條件。EBSM生產(chǎn)的產(chǎn)品具有雜質(zhì)含量低、致密度高、性能優(yōu)良的特點，但打印精度較SLM差[2]。由于電子束能量較高，因此所使用粉末較粗，目前一般使用粒度在50～90μm，球形度較好的粉末。

（三）激光近凈成形技術(shù)（LENS）

激光近凈成形技術(shù)是通過高能激光束對金屬原料逐層熔化堆積，最終得到高致密度、高性能的大型金屬零部件的制造技術(shù)。該技術(shù)由于采用激光照射送粉器噴出金屬粉末，因此無需粉床，適合大尺寸零部件的生產(chǎn)，但是由于進料過程依靠氣流，因此粉末粒度過細(xì)會出現(xiàn)飛揚，同時易堵塞噴嘴，因此一般需要采用流動性好、粒度較粗的粉末。

二、3D打印金屬粉末性能的要求

結(jié)合口腔醫(yī)療用3D打印金屬粉末的使用條件和成型工藝的要求，應(yīng)該主要從粉末純度、粒度及粒度分布、球形度、流動性及松裝密度幾個方面對粉末所需的性能指標(biāo)進行考量。

（一）粉末純度

作為醫(yī)療器械原材料，3D打印金屬粉末應(yīng)具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，粉末的純度是重要的指標(biāo)之一。在粉末制備過程中，氧、氮、碳等雜質(zhì)元素的引入應(yīng)作為工藝方面的重要驗證。以鈦合金材料為例，鈦合金材料作為口腔修復(fù)體制作中常用的金屬材質(zhì)，隨著氧含量的增加，其塑性會大幅度下降，對于終產(chǎn)品的硬度力學(xué)特性有嚴(yán)重影響。對于3D打印金屬粉末，化學(xué)成分中的氧含量，是影響打印件的重要因素。因此，一般要求鈦合金粉末氧含量需要控制在0.15%以下。同樣的氮和碳等雜質(zhì)元素也會對成品性能產(chǎn)生不利影響，需要嚴(yán)格控制[3]。

同時，在制備粉末過程中可能會由于熔煉等因素引入陶瓷相夾雜，這些難熔的陶瓷相夾雜在金屬粉末進行熔化過程中，無法很好地與基體結(jié)合，容易造成打印體內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致打印體局部性能下降甚至開裂。因此需要保證粉體無陶瓷相夾雜，保證粉末的純凈[4]。

對于研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，在設(shè)計開發(fā)過程中應(yīng)對金屬粉末的化學(xué)成分進行充分的表征和驗證，并在加工過程中對雜質(zhì)元素進行嚴(yán)格控制。

（二）粉末粒度及粒度分布

SLM打印工藝作為目前最常用的逐層鋪粉打印技術(shù)，每層粉末厚度一般是2～6倍的粉末直徑，因此每層粉末的厚度取決于粉末的粒度，如果粉末偏粗，所鋪粉末層厚加厚，每次打印的高度增加，打印精度下降。為保證打印精度，目前常見的做法是控制粉末粒度，一般采用平均粒度15～60μm的粉末作為原材料。有研究表明，在打印過程中，使用粗粉與細(xì)粉的混合粉，可有效提高打印性能，細(xì)粉可在混合后填入粗粉的空隙中，使其粒徑峰值消失，同時混合粉末將呈現(xiàn)“雙峰”分布特征，且整體具有較寬的粒度分布情況，粉末更均勻[5]。

（三）粉末球形度

粉末的球形度定義為顆粒實際截面面積與截面最長直徑計算面積之比，是衡量顆粒與圓相似度的指標(biāo)，一般從0到1不等，完美的圓的球形度值是1。球形度的大小直接影響了顆粒的流動性和堆積性能，粉末球形度高，鋪粉更加均勻，打印構(gòu)件的致密度更高。在實際的打印加工過程中，每層鋪粉后，未加工粉末會進行再次使用，部分粉末熔化或燒結(jié)在一起，影響打印質(zhì)量。因此有必要對粉末的球形度予以規(guī)定。

采用掃描電鏡照片結(jié)合圖像分析軟件可以進行測定，該數(shù)值主要影響顆粒的流動性和松裝密度，在SLM打印過程中更是直接影響鋪粉性能，在鋪粉過程中球形度高的粉末能夠更加均勻地填充打印平臺，因此對于SLM等工藝，一般要求球形度低于0.8μm的粉末比例不超過2%，這樣的粉末在鋪粉時更加均勻，打印件的致密度將更高。

（四）流動性與松裝密度

粉體的流動性主要與其球形度、粒度有關(guān)，球形度越好、粒度越粗流動性越好，良好的流動性能保證粉末在進料過程中更流暢，在鋪粉過程中更均勻，進而減少打印缺陷產(chǎn)生，增加致密度。因此需在粒度和流動性間進行優(yōu)化選擇，保證粉末具有較好的綜合性能。

松裝密度則與粉末粒度、粉末球形度、空心粉率等因素有關(guān)。一般來說粉末粒度越大，松裝密度越大，但對于具有“雙峰”分布特點的粉末，其松裝密度較常規(guī)粉末高，打印出的成品具有更好的致密度?？招姆鄄坏珪档头勰┧裳b密度，還易在打印過程中造成缺陷，所以在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免空心粉的出現(xiàn)。

三、結(jié)束語

3D打印作為快速制造以及個性化制造的代表，逐漸在口腔醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，大大提高了口腔修復(fù)效率。目前，該技術(shù)在國內(nèi)的使用普遍處于臨床實驗階段，且對于3D打印醫(yī)療器械用原材料的明確質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)審查要求仍沒有建立。本文根據(jù)3D打印用粉的制備工藝及成型工藝特點，對口腔用3D打印金屬粉末的性能特征進行了探討，希望在不久的將來口腔醫(yī)療3D打印技術(shù)能夠在我國實現(xiàn)更加廣泛和健康的應(yīng)用。

參考文獻

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