基于數(shù)字光處理工藝的牙模樹脂3D打印精度研究?

羅辰宇，烏日開西·艾依提

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

3D打印是一種將材料通過逐層堆積的方式來制作復(fù)雜三維零件的制造技術(shù)[1]，其中光固化（Stereo Lithography,SL）是一種最早的3D打印技術(shù)，其原理是光源激發(fā)光敏樹脂進(jìn)行聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)樹脂從液態(tài)到固態(tài)的過程[2].數(shù)字光處理（Digital Light Processing,DLP）是一種具有高成型效率和高精度的光固化3D打印技術(shù)[3]，DLP的核心部件DMD芯片形成的投影可以表現(xiàn)為三維模型切片后各層的截圖，實(shí)現(xiàn)樹脂的層層固化.與傳統(tǒng)的SL光固化技術(shù)相比，DLP 3D打印技術(shù)速度快、精度高，非常適于打印尺寸較小、對細(xì)節(jié)特征要求較高的模型，比如珠寶熔模、牙模等.傳統(tǒng)牙模的制作材料為蠟，蠟?zāi)Ｔ诩庸み^程中容易受力、熱的作用產(chǎn)生變形，導(dǎo)致后續(xù)金屬牙冠鑄造中產(chǎn)生誤差.采用DLP 3D打印技術(shù)，結(jié)合口腔三維掃描、逆向工程等技術(shù)，可以快速制備形狀精確的光敏樹脂牙模，在個性化定制、降低生產(chǎn)成本方面有了明顯的提高.

理論上，3D打印可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜度的三維零件，但由于任何一種3D打印技術(shù)都受材料和工藝的限制，所以無法實(shí)際制作出與設(shè)計(jì)模型形狀完全一致的三維零件.為了評價3D打印不同特征形狀時的精度，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)3D打印工藝的精度測試件，通過打印并測試樣件的精度來分析各種工藝參數(shù)對打印精度的影響規(guī)律.由于3D打印原理和工藝特點(diǎn)差別很大，因此沒有統(tǒng)一的測試樣件標(biāo)準(zhǔn).通常根據(jù)具體3D打印工藝的特點(diǎn)針對性地設(shè)計(jì)測試樣件，并對打印出的樣件的尺寸精度、表面精度等進(jìn)行測量分析，掌握工藝參數(shù)對打印質(zhì)量的影響規(guī)律[4?10].本文結(jié)合DLP 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用背景，根據(jù)牙體生理結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)，將復(fù)雜的牙體形態(tài)特征簡化為與之對應(yīng)的便于表征的標(biāo)準(zhǔn)幾何特征，設(shè)計(jì)了一個含有多種幾何特征的用于評價DLP牙模樹脂打印精度的DLP 3D打印精度測試件，通過調(diào)控DLP工藝參數(shù)分析對測試件成型的影響，根據(jù)細(xì)微特征還原度和各特征的成型尺寸誤差兩個方面綜合評價DLP牙模樹脂的3D打印精度，最終使用獲得的最佳工藝參數(shù)打印牙齒模型并對尺寸精度進(jìn)行分析評價.

1 精度測試件制備

1.1 測試件的設(shè)計(jì)

為了還原牙體生理結(jié)構(gòu)形態(tài)并方便尺寸的測量及細(xì)節(jié)特征信息的觀測，根據(jù)牙體生理結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的牙體形態(tài)特征簡化為與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)幾何特征.切牙的頸部和切端可看作薄壁，尖牙的牙尖細(xì)長鋒利，簡化為圓錐特征.磨牙從第一前磨牙至第三后磨牙，牙冠面積逐漸增大，牙頸部厚而圓類似圓柱的形態(tài)，因此通過設(shè)置一系列漸變尺寸的孔和圓柱，以及半球斜坡等特征來簡化表現(xiàn)磨牙的形態(tài)結(jié)構(gòu).精度測試件底座尺寸設(shè)計(jì)為40 mm×15 mm×6 mm的長方體，底座上設(shè)置不同的幾何局部特征，包括圓孔、圓柱、薄壁、半球、圓柱孔、斜坡、圓錐，特征尺寸如表1所示，圖1為設(shè)計(jì)的精度測試件示意圖.本測試件的設(shè)計(jì)遵循以下原則：（1）局部特征均勻分布在底座的中心和邊界；（2）局部特征包括大、中、小等尺寸；（3）包含一系列幾何特征相同、尺寸不同的局部特征；（4）打印成型耗材少，節(jié)省時間，便于觀測；（5）符合DLP 3D打印的工藝特點(diǎn).

表1 測試件的特征尺寸

圖1 精度測試件示意圖

1.2 測試件的打印

測試件采用MoonRay-D DLP 3D打印機(jī)制備，材料為廣東智維立體成型科技有限公司的膚色不透明牙模樹脂.SLS、SLA等打印工藝需通過設(shè)定激光功率、掃描速度、掃描方式、分層切片厚度等多個工藝參數(shù)完成打印.而DLP打印機(jī)的面曝光方式僅需要設(shè)定單層曝光時間和分層切片厚度即可完成打印.在前期的基礎(chǔ)工藝參數(shù)試驗(yàn)中，找到了較好的單層曝光時間區(qū)間為4～6 s.分層厚度可以設(shè)置為10 μm、20 μm、50 μm、100 μm，當(dāng)分層厚度為100 μm時，模型階梯效應(yīng)明顯，而分層厚度為10 μm時，打印時間過長，因此不考慮這兩個參數(shù).首先分析曝光時間對測試件精度的影響，設(shè)置基層層數(shù)為6層，基層曝光時間為15 s，分層厚度為50 μm，單層曝光時間分別為4 s、5 s、6 s.確定最佳的單層曝光時間后，保持其他的參數(shù)設(shè)置，將分層厚度分別設(shè)置為20 μm和50 μm，討論分層厚度對測試件精度的影響.每次打印完成后取下測試件，將其放置于無水乙醇中浸泡以清洗掉未固化的樹脂，再將清洗后的測試件放置于紫外固化箱中進(jìn)行二次固化120 s.固化后的測試件使用VHX-6000超景深顯微鏡對測試件上特征形狀進(jìn)行測量.圖2(a)中由左至右分別為單層曝光時間4 s、5 s、6 s的測試件，總體上成型效果較好.

圖2 打印的精度測試件

2 測試件尺寸精度分析

2.1 曝光時間對測試件精度的影響

DLP工藝的特點(diǎn)在于精度較高，且能夠體現(xiàn)微小的細(xì)節(jié)特征.與圓柱、球體等特征相比，尖角特征是3D打印的難點(diǎn).設(shè)計(jì)的測試件由凸起的圓椎體、側(cè)面的菱形凹陷特征來測試尖角特征的打印效果.圖3中由左至右分別為超景深顯微鏡拍攝的單層曝光時間4 s、5 s、6 s的測試件上的圓錐特征.

圖3 三種曝光時間下圓錐特征對比

由圖3可知，三種曝光時間下，圓錐表面較光滑，無明顯的臺階效應(yīng)，體現(xiàn)出DLP工藝打印精度高、表面質(zhì)量好的優(yōu)勢.當(dāng)單層曝光時間為4 s時，打印的圓錐尖缺失高度為0.39 mm，圓錐角34.95°（圖3左圖），打印過程在接近尖頂時，光照截面的直徑越來越小，能量越來越低，加之曝光時間過短，對錐尖的固化效果造成影響，形成了平臺狀的錐尖缺損.當(dāng)曝光時間過長時（如6 s），散射的光也會使周圍的液態(tài)樹脂產(chǎn)生固化，打印平臺無法將周圍固化的樹脂拉起，導(dǎo)致尖部缺失高度為0.53 mm，圓錐角34.48°（圖3右圖）.單層曝光時間5 s（圖3中圖）的圓錐尖成型效果最好.

側(cè)面特征的設(shè)計(jì)依據(jù)是用于評判一個打印系統(tǒng)在無支撐結(jié)構(gòu)下的成型能力，測試件側(cè)面特征在DLP 3D打印系統(tǒng)中均得到了還原，如圖4所示.在顯微鏡下觀測的側(cè)面菱形沉孔特征，由左至右依次是曝光時間4 s、5 s、6 s的成型效果.

圖4 三種曝光時間下菱形孔特征對比

由圖4可知，當(dāng)曝光時間為4 s時，菱形沉孔特征的四個角不銳利、棱邊不平直，曝光時間短導(dǎo)致每個分層截面在打印時邊緣沒有充分固化，打印平臺提拉過程中會造成未充分固化樹脂的變形，尖角處出現(xiàn)了鈍化.5 s和6 s的曝光時間制備試樣的四個角比4 s時尖，5 s時更為銳利.6 s時棱邊的平直情況較5 s時有所下降，因曝光時間延長會使已附著至打印臺的樹脂二次固化進(jìn)而產(chǎn)生過固化現(xiàn)象，造成棱邊變形.三個曝光時間制作的菱形的上方尖角都是圓角狀態(tài)，這主要與打印方向有關(guān).DLP是底部投影照射，倒置上提式打印，圖4中菱形沉孔頂部的尖角在打印時處于下方，內(nèi)凹的菱形內(nèi)部的樹脂由于表面張力的作用，在提拉上升的過程中也不會完全流出來，形成尖角區(qū)域有較多的樹脂聚集，固化后就容易形成圓角.

圖5為不同曝光時間下精度測試件直徑和z方向尺寸的誤差百分比.尺寸最小的孔1在三種曝光時間下均未成型，并且當(dāng)曝光時間為4 s時，尺寸最小的圓柱1也未成型，這與圓錐尖部因不能充分固化而不能很好成型的原因相似.

圖5 不同曝光時間的特征尺寸

2.2 分層厚度對測試件精度的影響

圖6為不同分層厚度的精度測試件徑向（直徑）和高度方向（z方向）尺寸的誤差百分比.當(dāng)分層厚度為20 μm時，除了尺寸最小的孔1與圓柱1特征未成型，其余成型的孔特征直徑誤差百分比均小于分層厚度為50 μm的情況，圓柱、圓錐等凸特征的直徑誤差百分比則大于分層厚度為50 μm的情況.圓柱2、圓柱3等小尺寸特征的高度方向（z方向）誤差百分比明顯大于分層厚度為50 μm的情況，圓柱4、圓柱5等大尺寸特征的高度方向（z方向）誤差百分比較明顯小于分層厚度為50 μm的情況，其余特征的誤差百分比無明顯差別.

圖6 不同層厚的特征尺寸

當(dāng)分層厚度為20 μm時，細(xì)微孔的還原能力較差，但普通孔特征情況比分層厚度為50 μm時好；凸特征如圓柱、半球、圓錐等的徑向（直徑）尺寸的誤差高于分層厚度為50 μm的情況；分層厚度為20 μm在小尺寸特征的z方向尺寸誤差小于分層厚度為50 μm的情況，在大尺寸特征的高度方向（z方向）尺寸誤差大于分層厚度為50 μm的情況.根據(jù)局部特征還原情況和尺寸誤差以及制作時間等方面的綜合考量，分層厚度為50 μm時，精度測試件的打印效果最好.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分層厚度并不是越薄越好.對于待打印的CAD模型來說，分層厚度越薄則z向誤差越小，使臺階效應(yīng)減小.DLP是利用特定波長的紫外光照射液態(tài)光敏樹脂，通過光聚合反應(yīng)使其固化.紫外光照射液態(tài)樹脂的穿透深度與曝光時間有關(guān)，當(dāng)曝光時間確定時，樹脂層越薄越容易被紫外光穿透，越容易被固化.當(dāng)分層厚度較小時，同樣的曝光時間能使樹脂的固化程度高于分層厚度較大的情況，即產(chǎn)生過固化現(xiàn)象.過固化會導(dǎo)致每層的固化厚度大于設(shè)定的層高，在水平方向也會使固化的面積略大于實(shí)際區(qū)域的面積，同時增大打印過程中的翹曲變形，從而導(dǎo)致打印過程中的誤差增大.曝光時間過短時樹脂未能被完全固化，此時固化的層厚、固化區(qū)域的面積、固化層的硬度都相對較小，對打印精度造成負(fù)面影響.當(dāng)曝光時間過長時，會產(chǎn)生過固化現(xiàn)象，影響打印精度.

3 DLP 3D打印牙模精度分析

通過打印制作一組牙齒下牙列模型，采用上文獲取的工藝參數(shù)在打印牙模方面進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.牙模數(shù)據(jù)來自合作醫(yī)院提供的患者下牙列數(shù)據(jù).使用口內(nèi)三維掃描儀掃描患者下牙列獲取三維點(diǎn)云信息，導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 12進(jìn)行數(shù)據(jù)處理生成可打印的STL模型，將STL模型導(dǎo)入DLP打印終端.根據(jù)試樣打印精度的綜合分析，設(shè)置模型擺放位置為牙模高度方向與打印方向平行，打印參數(shù)為單層曝光時間5 s、分層厚度50 μm.打印的牙模如圖7所示.

圖7 牙模測量項(xiàng)目示意圖

通過實(shí)體牙模測量和計(jì)算機(jī)輔助測量進(jìn)行精度分析.牙模測量項(xiàng)目包括牙冠高度（crown height）、尖牙間距（intercanine distance）和磨牙間距（intermolar distance）.牙冠高度測量牙齒為下切牙C1、C2、D1、D2.尖牙間距測量牙齒C3至D3的距離.磨牙間距測量牙齒C6至D6的距離，如圖7所示.計(jì)算機(jī)輔助測量通過三維掃描儀獲取DLP 3D打印的牙頜模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Studio 12進(jìn)行三維重建后，與原始數(shù)模對齊配準(zhǔn)對比偏差評估DLP 3D打印牙模精度.

每個項(xiàng)目測量三次并求平均值（表2），DLP 3D打印下牙列的牙冠高度C1～D2分別為6.82 mm、7.23 mm、6.67 mm、7.55 mm，尖牙間距為36.44 mm，磨牙間距為55.34 mm.對比原始牙下牙列數(shù)模，牙冠高度的誤差區(qū)間為0.01～0.22 mm，尖牙間距和磨牙間距的誤差為0.22 mm和0.29 mm.DLP 3D打印牙模對牙冠高度的還原表現(xiàn)更好，這與測試件中薄壁高度的還原情況相一致，尖牙和磨牙的間距誤差相對較大.通過3D掃描獲得的DLP 3D打印牙齒模型數(shù)據(jù)與原參考模型配準(zhǔn)差異的分布如圖8所示.DLP 3D打印下牙模型數(shù)據(jù)集偏差整體呈收縮式，前牙區(qū)的偏差較小，水平內(nèi)收誤差在0.23 mm左右.相較前牙區(qū)，后牙區(qū)磨牙的水平和垂直偏差都比較明顯，最大誤差在0.88 mm左右，這與測量項(xiàng)目的結(jié)果和測試件的誤差情況相一致.造成這種誤差是由于牙列的整體模型呈弓狀，前牙區(qū)可以近似地看作在一條水平線上彼此形成支抗，而后牙區(qū)的磨牙相對獨(dú)立，在結(jié)構(gòu)上沒有形成支抗抵御殘余應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致磨牙區(qū)隨樹脂固化向內(nèi)收縮的行為被放大.使用通過測試件獲取的工藝參數(shù)打印的牙模滿足±1 mm以內(nèi)誤差的臨床使用標(biāo)準(zhǔn).

圖8 下牙列偏差分布

表2 牙列測量項(xiàng)目表

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種根據(jù)牙體生理結(jié)構(gòu)形態(tài)簡化后含有多種幾何特征的精度測試件，測試DLP 3D打印牙模樹脂材料的工藝參數(shù)對精度的影響.通過控制打印工藝參數(shù)，分析局部特征還原度和特征尺寸誤差兩個方面對DLP 3D打印的制作精度進(jìn)行綜合評價.當(dāng)單層曝光時間為5 s、分層厚度為50 μm時，測試件上各特征的精度測試結(jié)果比其它參數(shù)好.

使用通過測試件獲得的工藝參數(shù)打印下牙列模型，并從實(shí)體牙模測量和計(jì)算機(jī)輔助測量兩個方面對牙模成型精度進(jìn)行評價，最終獲得牙模精度誤差為0.191 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.142 mm，均方根值為0.244 mm，使用該組工藝參數(shù)打印的DLP 3D牙模符合±1 mm以內(nèi)誤差的臨床使用需求.