具有层纹的隐形正畸矫治器制作方法研究

　　[摘要] 3D打印树脂模型是基于光固化体系的3D打印机将光敏材料通过曝光成像的方式逐层曝光固化于打印 平台，并利用丝杆机构的位移最终实现光敏材料的3D打印成形的。隐形正畸矫治器是用牙胶片通过压膜机在3D 打印的树脂模型上压膜形成，因此3D打印树脂模型表面状态会在矫治器上呈现出来。由于牙胶片是高光透明塑 料，大部分打印机打印出的模型表面光滑，模型压膜后的矫治器反光严重，失去了隐形效果，并且矫治器内壁光滑， 附件少的矫治器很容易发生脱落。本文旨在通过数字化处理，使3D打印出来的模型表面形成横向纹理，使隐形正 畸矫治器具有更隐形和更好附着的特点，从而解决佩戴反光和容易脱落的技术问题。

　　[关键词] 3D打印; 树脂模型; 隐形正畸矫治器; 隐形效果; 附着力

　　3D打印技术，又称增材制造，是一种以数字模型为基础 发展起来的新型制造技术[1]，其主要采用分层加工和堆叠成 型的方式实现三维实体的制造[2]。通过短短几十年的发展， 3D打印已经产生了十几种不同成型原理的打印技术。而其 中光固 化3D 打印是最早出现的3D 打 印 技 术，且 成 熟 度 较 高。由于光的波长只有几百纳米，且在时间和空间上具有可 控性，而光固化树脂仅在光照下才从液态变为固态，未 受 到 光照的区域依旧保持液态，这些特性为光固化3D 打 印 技 术 及其高精度打印奠定了很好的技术基础[3]。相较于其他3D 打印技术，光固化3D 打印技术成型具有速度快、打 印 尺 寸 范围广、精度高、表面质 量 好、适合做精细件及复杂的模型， 原材料利用率较高等优点[4]。

　　1 光固化3D打印在齿科中的应用

　　光固化 成 形 的 3D 打印机在齿科上的应用非常广泛。 根据3D科学谷对口腔行业的的研究显示，2017年全球齿科 3D打印材料的销售 金 额 达 1.479亿 美 元，其中聚合物材料 为1.157亿美元，光聚合树脂材料占多数。从口 腔 医 疗 就 诊 患者的治疗结 构 来 看，牙齿种植以及牙齿正畸占据主要地 位，牙齿种植患者在所有就诊患者中占比约为40.02%，正畸 患者占比为29.9%，其 它 为 口 腔 外 科、牙 周、牙 体 牙 髓 的 治 疗。而对于正畸来说，新兴的隐形正畸矫治器伴随着数字化 的浪潮正在飞速发展，每个正畸病例平均需要60个 模 型 的 制作，且这些模型 都 由 3D 打印光固化树脂制作而成，可 见 3D 打印光固化树脂在隐 形正畸领域的市场是非常 广 阔 的[5]。

　　2 数字化隐形正畸

　　2.1 光固化3D打印制作隐形正畸矫治器

　　光 固化3D打印技术在隐形正畸上的应用流程为：以 DLP打印方式为例，医生从临床端获取患者的矫正需求后，通 过 取 印 模或者口腔扫描的方式取得患者口腔数据信息，口腔扫描数 据或者石膏模型被发给矫治器设计生产厂家，厂家将石膏扫 描数据或口腔扫描数据在数字化正畸设计平台上设计出患 者的正畸模型。这一套模型之间每一步都向着整齐的目标 牙列有微小的变化，直到将牙齿排列整齐。将这一系列STL 格式模型数据输出给3D打印 机，打印机将数据转移到打印 切片软件上根据层厚设定进行排版和切片操作。

　　切 片 的 目 的是将三维的图形转化为二维图像，这 样 得 到 多 层 图 像，每 层图像通过紫外光逐一曝光固化，树脂液体就经过化学反应 生成了一层固体。每固化一层平台经过丝杆上移一层，下一 层继续固化，每层固体之间粘接到一起最终形成了三维牙 模。打印出来的的模型，放在牙胶片压膜机上进行热吸塑， 将牙模的形状转移到牙胶片上，然后经过后处理就形成了隐 形正畸矫治器。

　　2.2 隐形正畸矫治器的隐形和附着力

　　随着人们生活水平 的提高，对美的追求也 越 来 越 高，有些年轻人认为以往的托 槽矫治器并不能满足矫治过程中的美观性，隐形正畸矫治器 应运而生[6]。这种由牙胶片通过热吸附在模型上形成的矫 治器，不仅具有很好的 应 力 释 放，而且最重要的是满足了青 年人对于美观性的要求。隐形正畸矫治器的矫治效果已经 被证实能够达到和托槽矫治器几乎相同的矫治水平，甚至包 括困难的拔牙矫治病例，这无疑是隐形矫治器迅速崛起占领 市场的最重要因素。

　　隐形正畸矫治器 除 了 美 观、佩 戴 方 便、矫治效果好等特 点外，对于患者来说让人难以察觉的佩戴是最主要的需求之 一。但是市场上的矫治器层出不穷，绝大部分矫治器都是内 外壁非常光滑，这种矫治器视觉上由于反光会显得 非常亮，在患者唾液的作用下，这种效果更加明显，制做者显 然忽略了隐形这一用户需求。另一方面，光滑的内壁对附件 的附着力差，矫治器容易脱落。

　　为了解决上述反光和易脱落 的问题，从而使矫治器 更 加 隐 形，有部分制做者采用牙胶片 在树脂模型上压膜后，对内壁光滑的矫治器进行喷砂打磨， 形成漫反射，这样在一定程度上增加和牙齿的粘接力。但 是，这不仅增加了矫治器的制作环节，喷砂后的矫治器还有 可能存在和牙齿不贴合的情况导致食物残渣进入矫治器和 牙齿之间对牙齿 造 成 腐 蚀。或者有的制作者通过 3D 打 印机的排版软件，将原始的文件进行表面处理，运 用 模 糊 算 法 将原始数据表面做的很粗糙，打印好的模型通过压膜后将粗 糙表面反映到矫治器上，使矫治器内部不再光滑。这种方式 的不足是很难反映出患者原始的口内数据，精确度上会存在 问题。

　　3 带横纹隐形矫治器制作方法研究

　　3.1 利用曝光时间差得到横向纹理的方法

　　针对以上矫治 器不隐形和容易脱落的问题，爱迪特(秦皇岛)有限公司的科 美品牌研发人员经过不懈努力，自主研发出了一种能够产生 横向纹理的隐 形 矫 治 器，并将此技术申请了专利，专 利 号： 201910730071.5。这种矫治器是通过控制奇数层和偶数层 的曝光时间不同实现的。

　　具 体 来 说，LCD 和 DLP等 层 成 形 的3D打印机，将患者原始口内三维数据通过切片软件切成 若干层图像，每层图像厚度控制在0.1mm，当奇数层的曝光 时间是8s时，尺寸精度能够和原始数据一致，那 么 偶 数 层 采用7.5s曝光时间，打印出的偶数层的尺寸比原始数据略 小，比如是原始数据的0.98倍，那 么 奇 数 层 再 继 续 曝 光8s， 得到和原始数据一致的尺寸层，这 样 循 环 交 替，打 印 成 型 后 模型的尺寸是由曝光时间较长的8秒来决定的，并且由于层 厚是0.1mm，曝光时间短的偶数层尺寸不会对模型的整体 尺寸造成影响，反而最终呈现出来的是带有横向纹理的，尺 寸精度和原始数据一致的模型。

　　然而，这种方式仍然存在以 下缺点：(1)现有技术可控程度低，奇数层和偶数层的曝光时 间差选择不当会导致不出纹理或打印失败;(2)由 于 奇 数 层 和偶数层曝光时间不同，两层的材料固化反应程度不同，可 能导致层间结合力差，导致打印失败;(3)对材料活性依赖性 较强，当材料活性比较 大 时，曝光时间差要根据材料的活性 做更改;(4)打印材料的颜色、活性、透射深度等指标不同，曝 光时间差要重新调整，操作繁琐。

　　3.2 利用数字化图像处理得到横向纹理的方法

　　基于以上 缺点，我们将方案进行了进一步的优化，把曝光时间不同的 方式改为数字化图像处理方式。在原STL文件的基 础上，利用3D打印机的切片软件进行切片，切 片 时 设 置 奇 偶层差值，差值可以设定为0.01～0.20之 间 的 任 一 数值，保留小数点后两位，打印过程中，通过软件算法可以使 得在每层相同的曝光时间下，偶数层比奇数层的图像尺寸更 小一点。

　　这种特定的软件算法，主要是指被切片而成的二维 图像数据的微观组成是像素点，输入奇偶层差值的时候，差值转换成相应像素点数据，例如选中某一偶数层的图像边缘 两个像素点，然后把其删除或者模糊化，那么会得到比原尺 寸小的图像，再进行光照固化得到比奇数层小的偶数层。因 此只需要在软件的奇偶层差值输入数据，就能够得到不同深 浅的横向 纹 理 模 型 (数 据 越 大，纹 理 越 深，0 为 没 有 纹 理， 0.5mm以 上 可 能 会 打 印 失 败，正畸矫治器一般设定 0.1mm)。从宏观上得到的层间差显示为漫反射的 层纹效果，由于层厚为0.05～0.1mm 之间，因此不影响产品 的整体尺寸。

　　4 结论

　　利用像素算法使隐形正畸矫治器产生横纹的方法，因每 层曝光时间一致，所以不会出现层间结合力差异的问题，对 3D打印材料的选择范围广，生成的横纹是由像素计算所得， 保证了生成效果，对 材 料 不 挑 剔。同 样，不需要根据不同材 料的活性或不同3D打印机的 曝 光 量，来调试不同的曝光时 间，只要输入想要的层间差值就能得到横纹效果。甚至奇偶 层差值也可以从0～1随 意 设 置，来满足不同客户的需求。 当设置为0时，能够得到不带有横纹的模 型，具 有 更 广 泛 更 灵活的操控性。相比以前的喷砂，此 方 法 在 STL 源 文 件 上 人为设计漫反射纹理，相比调整不同层固化时间的方法具有 更加稳定、打印成功率高、操作简单、粘接力更好的优点。

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　　另外此法不限于制作隐形正畸矫治器使用，打印需要产 生纹理或者增加艺术感的模型都适用。此方法避免了改变 奇偶层曝光时间可控程度低，奇数层和偶数层的曝光时间差 选择不当会导致不出纹理或打印失败的情况;杜绝了由于奇 数层和偶数层曝光时间不同，两 层 的 固 化 反 应 程 度 不 同，可 能导致层间结合力差，进而打印失败的情况。克服了当材料 活性、颜色、透射深度等指标不同，曝光时间差要根据材料的 活性做更改，对材料活性依赖性强的繁琐情况。

　　参考文献

　　[1] 陈锡康，乔丽萍.3D打印技术在机械制造业中的应用[J].中外交流，2018，(22)：44.

　　[2] 李勇，巴发海，许鹤君.3D打印技术的发展和挑战[J].理化检验 (物理分册)，2018，54(11)：799-804.

　　[3] 罗燊，徐航.光固化3D打印及其在齿科中的应用[D].北 京：北 京化工大学，2019.

　　[4] 谢彪，王小腾，邱俊峰，等.光固化3D 打印高分子材料[J].山东化工，2014，(11)：70-72.

　　[5] 缪卫东.3D打印技术在口腔医学领域中的应用及展望[J].新材料产业，2017，(11)：23-28.

　　[6] 顾泽旭，田杰，李变瑢，等.无托槽隐形矫治技术中附件的应用 [J].实用口腔医学杂志，2010，26(1)：130-133.

　　作者：段光远* 马超