[摘要] 3D打印樹脂模型是基于光固化體系的3D打印機將光敏材料通過曝光成像的方式逐層曝光固化于打印 平臺，并利用絲桿機構的位移最終實現光敏材料的3D打印成形的。隱形正畸矯治器是用牙膠片通過壓膜機在3D 打印的樹脂模型上壓膜形成，因此3D打印樹脂模型表面狀態會在矯治器上呈現出來。由于牙膠片是高光透明塑 料，大部分打印機打印出的模型表面光滑，模型壓膜后的矯治器反光嚴重，失去了隱形效果，并且矯治器內壁光滑， 附件少的矯治器很容易發生脫落。本文旨在通過數字化處理，使3D打印出來的模型表面形成橫向紋理，使隱形正 畸矯治器具有更隱形和更好附著的特點，從而解決佩戴反光和容易脫落的技術問題。

　　[關鍵詞] 3D打印; 樹脂模型; 隱形正畸矯治器; 隱形效果; 附著力

　　3D打印技術，又稱增材制造，是一種以數字模型為基礎 發展起來的新型制造技術[1]，其主要采用分層加工和堆疊成 型的方式實現三維實體的制造[2]。通過短短幾十年的發展， 3D打印已經產生了十幾種不同成型原理的打印技術。而其 中光固 化3D 打印是最早出現的3D 打 印 技 術，且 成 熟 度 較 高。由于光的波長只有幾百納米，且在時間和空間上具有可 控性，而光固化樹脂僅在光照下才從液態變為固態，未 受 到 光照的區域依舊保持液態，這些特性為光固化3D 打 印 技 術 及其高精度打印奠定了很好的技術基礎[3]。相較于其他3D 打印技術，光固化3D 打印技術成型具有速度快、打 印 尺 寸 范圍廣、精度高、表面質 量 好、適合做精細件及復雜的模型， 原材料利用率較高等優點[4]。

　　1 光固化3D打印在齒科中的應用

　　光固化 成 形 的 3D 打印機在齒科上的應用非常廣泛。 根據3D科學谷對口腔行業的的研究顯示，2017年全球齒科 3D打印材料的銷售 金 額 達 1.479億 美 元，其中聚合物材料 為1.157億美元，光聚合樹脂材料占多數。從口 腔 醫 療 就 診 患者的治療結 構 來 看，牙齒種植以及牙齒正畸占據主要地 位，牙齒種植患者在所有就診患者中占比約為40.02%，正畸 患者占比為29.9%，其 它 為 口 腔 外 科、牙 周、牙 體 牙 髓 的 治 療。而對于正畸來說，新興的隱形正畸矯治器伴隨著數字化 的浪潮正在飛速發展，每個正畸病例平均需要60個 模 型 的 制作，且這些模型 都 由 3D 打印光固化樹脂制作而成，可 見 3D 打印光固化樹脂在隱 形正畸領域的市場是非常 廣 闊 的[5]。

　　2 數字化隱形正畸

　　2.1 光固化3D打印制作隱形正畸矯治器

　　光 固化3D打印技術在隱形正畸上的應用流程為：以 DLP打印方式為例，醫生從臨床端獲取患者的矯正需求后，通 過 取 印 模或者口腔掃描的方式取得患者口腔數據信息，口腔掃描數 據或者石膏模型被發給矯治器設計生產廠家，廠家將石膏掃 描數據或口腔掃描數據在數字化正畸設計平臺上設計出患 者的正畸模型。這一套模型之間每一步都向著整齊的目標 牙列有微小的變化，直到將牙齒排列整齊。將這一系列STL 格式模型數據輸出給3D打印 機，打印機將數據轉移到打印 切片軟件上根據層厚設定進行排版和切片操作。

　　切 片 的 目 的是將三維的圖形轉化為二維圖像，這 樣 得 到 多 層 圖 像，每 層圖像通過紫外光逐一曝光固化，樹脂液體就經過化學反應 生成了一層固體。每固化一層平臺經過絲桿上移一層，下一 層繼續固化，每層固體之間粘接到一起最終形成了三維牙 模。打印出來的的模型，放在牙膠片壓膜機上進行熱吸塑， 將牙模的形狀轉移到牙膠片上，然后經過后處理就形成了隱 形正畸矯治器。

　　2.2 隱形正畸矯治器的隱形和附著力

　　隨著人們生活水平 的提高，對美的追求也 越 來 越 高，有些年輕人認為以往的托 槽矯治器并不能滿足矯治過程中的美觀性，隱形正畸矯治器 應運而生[6]。這種由牙膠片通過熱吸附在模型上形成的矯 治器，不僅具有很好的 應 力 釋 放，而且最重要的是滿足了青 年人對于美觀性的要求。隱形正畸矯治器的矯治效果已經 被證實能夠達到和托槽矯治器幾乎相同的矯治水平，甚至包 括困難的拔牙矯治病例，這無疑是隱形矯治器迅速崛起占領 市場的最重要因素。

　　隱形正畸矯治器 除 了 美 觀、佩 戴 方 便、矯治效果好等特 點外，對于患者來說讓人難以察覺的佩戴是最主要的需求之 一。但是市場上的矯治器層出不窮，絕大部分矯治器都是內 外壁非常光滑，這種矯治器視覺上由于反光會顯得 非常亮，在患者唾液的作用下，這種效果更加明顯，制做者顯 然忽略了隱形這一用戶需求。另一方面，光滑的內壁對附件 的附著力差，矯治器容易脫落。

　　為了解決上述反光和易脫落 的問題，從而使矯治器 更 加 隱 形，有部分制做者采用牙膠片 在樹脂模型上壓膜后，對內壁光滑的矯治器進行噴砂打磨， 形成漫反射，這樣在一定程度上增加和牙齒的粘接力。但 是，這不僅增加了矯治器的制作環節，噴砂后的矯治器還有 可能存在和牙齒不貼合的情況導致食物殘渣進入矯治器和 牙齒之間對牙齒 造 成 腐 蝕。或者有的制作者通過 3D 打 印機的排版軟件，將原始的文件進行表面處理，運 用 模 糊 算 法 將原始數據表面做的很粗糙，打印好的模型通過壓膜后將粗 糙表面反映到矯治器上，使矯治器內部不再光滑。這種方式 的不足是很難反映出患者原始的口內數據，精確度上會存在 問題。

　　3 帶橫紋隱形矯治器制作方法研究

　　3.1 利用曝光時間差得到橫向紋理的方法

　　針對以上矯治 器不隱形和容易脫落的問題，愛迪特(秦皇島)有限公司的科 美品牌研發人員經過不懈努力，自主研發出了一種能夠產生 橫向紋理的隱 形 矯 治 器，并將此技術申請了專利，專 利 號： 201910730071.5。這種矯治器是通過控制奇數層和偶數層 的曝光時間不同實現的。

　　具 體 來 說，LCD 和 DLP等 層 成 形 的3D打印機，將患者原始口內三維數據通過切片軟件切成 若干層圖像，每層圖像厚度控制在0.1mm，當奇數層的曝光 時間是8s時，尺寸精度能夠和原始數據一致，那 么 偶 數 層 采用7.5s曝光時間，打印出的偶數層的尺寸比原始數據略 小，比如是原始數據的0.98倍，那 么 奇 數 層 再 繼 續 曝 光8s， 得到和原始數據一致的尺寸層，這 樣 循 環 交 替，打 印 成 型 后 模型的尺寸是由曝光時間較長的8秒來決定的，并且由于層 厚是0.1mm，曝光時間短的偶數層尺寸不會對模型的整體 尺寸造成影響，反而最終呈現出來的是帶有橫向紋理的，尺 寸精度和原始數據一致的模型。

　　然而，這種方式仍然存在以 下缺點：(1)現有技術可控程度低，奇數層和偶數層的曝光時 間差選擇不當會導致不出紋理或打印失敗;(2)由 于 奇 數 層 和偶數層曝光時間不同，兩層的材料固化反應程度不同，可 能導致層間結合力差，導致打印失敗;(3)對材料活性依賴性 較強，當材料活性比較 大 時，曝光時間差要根據材料的活性 做更改;(4)打印材料的顏色、活性、透射深度等指標不同，曝 光時間差要重新調整，操作繁瑣。

　　3.2 利用數字化圖像處理得到橫向紋理的方法

　　基于以上 缺點，我們將方案進行了進一步的優化，把曝光時間不同的 方式改為數字化圖像處理方式。在原STL文件的基 礎上，利用3D打印機的切片軟件進行切片，切 片 時 設 置 奇 偶層差值，差值可以設定為0.01～0.20之 間 的 任 一 數值，保留小數點后兩位，打印過程中，通過軟件算法可以使 得在每層相同的曝光時間下，偶數層比奇數層的圖像尺寸更 小一點。

　　這種特定的軟件算法，主要是指被切片而成的二維 圖像數據的微觀組成是像素點，輸入奇偶層差值的時候，差值轉換成相應像素點數據，例如選中某一偶數層的圖像邊緣 兩個像素點，然后把其刪除或者模糊化，那么會得到比原尺 寸小的圖像，再進行光照固化得到比奇數層小的偶數層。因 此只需要在軟件的奇偶層差值輸入數據，就能夠得到不同深 淺的橫向 紋 理 模 型 (數 據 越 大，紋 理 越 深，0 為 沒 有 紋 理， 0.5mm以 上 可 能 會 打 印 失 敗，正畸矯治器一般設定 0.1mm)。從宏觀上得到的層間差顯示為漫反射的 層紋效果，由于層厚為0.05～0.1mm 之間，因此不影響產品 的整體尺寸。

　　4 結論

　　利用像素算法使隱形正畸矯治器產生橫紋的方法，因每 層曝光時間一致，所以不會出現層間結合力差異的問題，對 3D打印材料的選擇范圍廣，生成的橫紋是由像素計算所得， 保證了生成效果，對 材 料 不 挑 剔。同 樣，不需要根據不同材 料的活性或不同3D打印機的 曝 光 量，來調試不同的曝光時 間，只要輸入想要的層間差值就能得到橫紋效果。甚至奇偶 層差值也可以從0～1隨 意 設 置，來滿足不同客戶的需求。 當設置為0時，能夠得到不帶有橫紋的模 型，具 有 更 廣 泛 更 靈活的操控性。相比以前的噴砂，此 方 法 在 STL 源 文 件 上 人為設計漫反射紋理，相比調整不同層固化時間的方法具有 更加穩定、打印成功率高、操作簡單、粘接力更好的優點。

　　口腔醫學評職知識：口腔醫學方面的核心期刊

　　另外此法不限于制作隱形正畸矯治器使用，打印需要產 生紋理或者增加藝術感的模型都適用。此方法避免了改變 奇偶層曝光時間可控程度低，奇數層和偶數層的曝光時間差 選擇不當會導致不出紋理或打印失敗的情況;杜絕了由于奇 數層和偶數層曝光時間不同，兩 層 的 固 化 反 應 程 度 不 同，可 能導致層間結合力差，進而打印失敗的情況�？朔�了當材料 活性、顏色、透射深度等指標不同，曝光時間差要根據材料的 活性做更改，對材料活性依賴性強的繁瑣情況。

　　參考文獻

　　[1] 陳錫康，喬麗萍.3D打印技術在機械制造業中的應用[J].中外交流，2018，(22)：44.

　　[2] 李勇，巴發海，許鶴君.3D打印技術的發展和挑戰[J].理化檢驗 (物理分冊)，2018，54(11)：799-804.

　　[3] 羅燊，徐航.光固化3D打印及其在齒科中的應用[D].北 京：北 京化工大學，2019.

　　[4] 謝彪，王小騰，邱俊峰，等.光固化3D 打印高分子材料[J].山東化工，2014，(11)：70-72.

　　[5] 繆衛東.3D打印技術在口腔醫學領域中的應用及展望[J].新材料產業，2017，(11)：23-28.

　　[6] 顧澤旭，田杰，李變瑢，等.無托槽隱形矯治技術中附件的應用 [J].實用口腔醫學雜志，2010，26(1)：130-133.

　　作者：段光遠* 馬超