口腔颌面修复学杂志2018年5月第19卷第3期
CHINESEJOURNALOFPROSTHODONTICS MAY2018VOL.19NO.3
陈永亮史翠平刘伟才苏俭生李家
【摘要】目的：比较光固化成型技术(stereo lithography apparatus, SLA)与格融堆积成型技术(fused depositionm odeling, FDM) 制作上颌无牙颌 3D 打印个别托盘的精确度，并与传统手工方法进行对比。方法：采用同 一个标准上颌无牙颌石膏模型灌注5个超硬石膏模型。利用3D扫描仪将模型组织面数据扫描导入计算机中，在 Geomagic软件中设计个别托盘C A D数据，以S T L格式保存，将数据分别导入采用SL A及F D M的3D打印机中，制作3D打印个别托盘。对照组采用传统手工方法制作个别托盘。在Geomagic及Im agew are软件中分析不同方法 制作的个别托盘给印模材料的预留空间大小，在SPS S中利用两独立样本t检验的统计学方法比较其精确度。结果：个别托盘预留空间为：（SLA 组)0.98-1.06m m±0.05-0.14m m，(FDM 组)0.98-1.03m m±0.13-0.19m m，(手工 组)1.04-1.16m m±0.31-0.41m m。3D打印制作的个别托盘相较于手工制作的个别托盘，预留空间分布更接近于1mm，精确度更高(P<0.01)。S L A比F D M制作的个别托盘预留空间分布更接近于1mm，精确度更高，差别 有统计学意义(P<0.01)。结论：两种3D打印技术制作的个别托盘精确度均优于手工制作的个别托盘，且光固化 成型技 术比熔融堆积成型技术制作的个别托盘精确度更高，采用光固化成型技术3D打印机制作个别托盘值得临床推广。
关键词：3D打印；个别托盘；光固化成型；熔融堆积成型
[中国图书分类号]R783.1 [文献标识码] A [文章编号]1009-3761(2018)03-0151-05
Comparison of SLA and FDM 3D printing technology in producing custom edentulous trays
CHENYong-liang, SHICui-ping, LIU Wei-cai, SU Jian-sheng, LIJia. (College ofstomatology, Tongji University, Shanghai 200072, China)
【Abstract】Objective: To compare the accuracy of SLA and FDM 3D printing technology in making maxillary edentulous custom trays, and compare them with traditional manual methods. Methods: Five cast models were made using the same standard maxillary edentulous model. Using the 3D scanner to scan the model's tissue surface data into computer, designing custom tray CAD data in Geomagic software, saving in STL format, and importing the data into a 3D printer using SLA and FDM technology, respectively, to make 3D printed custom trays. The control group used traditional manual methods to make custom trays. In Geomagic and Imageware software, the size of the reserv
ed space for the impression materials was analyzed and compared. Result: Reserved space for custom trays was: (SLA group) 0.98-1.06mm±0.05-0.14mm, (FDM group) 0.98-1.03mm±0.13-0.19mm, (Manual group) 1.04-1.16mm±0.31-0.41mm. Compared with hand-made custom trays, the custom trays produced by 3D printing have a distribution closer to 1mm and a higher accuracy (P<0.01).
The reserved space distribution of SLA 3D printed custom trays was closer to 1mm than that of FDM printed custom trays, and the accuracy was higher. The difference was statistically significant (P<0.01). Conclusion: The accuracy of custom trays produced by the two 3D printing technologies are all superior to the hand-made custom trays, and the SLA technology
*基金项目：上海市科学技术委员会(项目编号：16411960900,17411972500)
陈永亮上海牙组织修复与再生工程技术研究中心本科生上海200072
史翠平同济大学附属口腔医院口腔技工中心上海牙组织修复与再生工程技术研究中心技师上海200072
刘伟才同济大学附属口腔医院数字化口腔诊疗中心上海牙组织修复与再生工程技术研究中心主任医师上海200072 苏俭生同济大学附属口腔医院口腔修复科上海牙组织修复与再生工程技术研究中心主任医师教授上海200072
李家通讯作者同济大学附属口腔医院口腔修复科上海牙组织修复与再生工程技术研究中心副主任医师上海
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is more accurate than FDM technique in making custom trays. Therefore, the use of SLA technology in making 3D printing custom trays is worth dinically promoting.
Key words: 3D-printing; custom tray; SLA; FDM
由于我国社会老龄化进程不断加快以及人口数 目持续增长，牙列缺失患者数目庞大，临床上对于 全口义齿需求较大。如何快速、准确地制作全口义 齿是口腔修复亟需解决的临床问题[1]。相比于传统 全口义齿修复，数字化全口义齿修复可提高全口义 齿制造精度；减少患者就诊次数；使义齿制作标准 化等[2]。准确的无牙颌印模是保证全口义齿长期稳 定行使功能的基础。因此，全口义齿数字化印模及
个别托盘的精确完成是实现全口义齿数字化修复的 重要前提[3]。与手工制作相比，借助3D打印技术制 作个别托盘具有临床操作时间短、精度高等优势[1]。3D打印是基于三维C A D模型数据，通过增加材 料逐层制造的方式，得到三维物理实体模型的制造 方法[4]，具有制造过程数字化、简化制作工艺、节 省制作时间等特点。目前，3D打印的制造工艺主 要以熔融堆积成型、光固化成型、选择性激光烧 结、叠层实体制造、三维喷涂粘结为主'目前，应用3D打印技术制作全口义齿个别托盘及其精确 度的研究较少[6-8]。
本研究将利用光固化成型技术、熔融堆积成型 技术以及传统手工分别制作上颌无牙颌个别托盘，通过3D扫描以将个别托盘模型数据导入计算机分 析其预留空间的大小分布，由预留空间精确度比较 两种制作工艺的适用性。将3D打印出的个别托盘 通过3D扫描仪将模型数据扫描入计算机中，与Geomagic软件中设计的个别托盘数据进行比较，分析不同3D打印机打印个别托盘过程中产生的误 差及稳定性。本研究将为数字化技术制作个别托盘 的临床应用提供基础。
1.材料与方法
1.1材料与仪器3D扫描仪(Auto Scan-DS100+，先临三维）、逆向工程软件(Geomagic Studio 12，Raindrop，美国）、SLA 3D 打印机(SLA300，上海印梦园)、FDM3D打印机(Replicator 2X，MakerBot，美国)、逆向工程软件(Imageware 13, EDS，美国），光固化树脂片(MEGADENTA，德国)。
1.2石膏模型准备及3D数据获取用同一个标准无牙颌上颌石膏模型灌注5个相同的超硬石膏 模型，分别编号为1-5，将模型置于3D扫描仪 中，在计算机中的配套软件上单击扫描，即可得到 扫描出的组织面数据，以STL格式保存。
1.3个别托盘CAD数据制作将扫描的石膏模型数据导入Geomagic 12进行边缘修整；使用 偏移命令，沿模型表面法向偏移1mm，形成个别 托盘内表面；使用抽壳命令，将形成的个别托盘内 表面沿模型表面法向偏移2mm，形成个别托盘外 表面并得到2mm厚的个别托盘实体；将设计好的 手柄添加到个别托盘上，设计好的个别托盘数据以 STL格式保存。
1.4 3D打印制作个别托盘将设计好的个别托盘数据分别导入SL A及FDM3D打印机。分别 以光敏树脂及聚乳酸(PLA)为原料，制作S L A个 别托盘及FDM个别托盘，如图1。
C：F D M-3D打印个别托盘
图13D打印制作的成品个别托盘
1.5手工制作个别托盘首先将1mm厚的蜡 片烤软，平铺在石膏模型组织面上，冷却后，将 2mm厚的光固化树脂片平铺在蜡片上，并修整至 合适的形态(由进行数字化个别托盘边缘确定的同
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一名医师完成该过程)。利用多余的树脂片制成手 柄并粘接到托盘上，用光固化灯照射10min，使其 充分固化，得到个别托盘，如图2。
A：无牙颌上颌石膏模型；B：铺蜡片
C：手工个别托盘制作完成
图2手工制作个别托盘
1.6测定个别托盘预留空间的分布分别将两 种工艺制作的3D打印个别托盘及手工制作个别托 盘的组织面数据扫描入计算机中，无需对个别托盘 进行打磨抛光，在Geomagic 12中，利用最佳拟 合对齐命令，将实物的扫描数据与原始个别托盘设 计数据进行对齐；将对齐后的扫描数据与原始石膏 模型数据一起导入Imageware 13中，在Image- ware 13 中由计算机随机选取两个模型上约 1000 个对应的样本点，计算个别托盘组织面与石膏模型 组织面之间对应样本点的距离分布情况，即预留空 间的大小分布，如图3。
A：手工个别托盘；B：FDM-3D打印个别托盘；
C：SLA-3D打印个别托盘
图3在Imageware 13软件中计算个别托盘预留空间分布
1.7 3D打印误差分析将3D打印个别托盘 的扫描数据与设计数据导入Geomagic 12中，利 用最佳拟合对齐命令对齐以后，通过偏差命令比较 两种不同制作工艺的3D打印误差。再将数据导入 Imageware 13件中，选取约1000个样本点，得到 每一组数据的打印误差，比较不同制作工艺的3D 打印误差，如图4。
A：手工个别托盘与石膏模型扫描数据相匹配
仓库管理流程B：3D打印个别托盘成品与误差分析
图4 3D打印过程误差分析
1.8统计学分析所有数据均用平均值±标准差(Mean土SD)表示。利用SPSS2
2.0进行统计分 析，通过t检验及方差分析对各组数据进行比较，P<0.05差异有统计学意义。
2■结果
本研究通过预留空间的大小分布来比较不同工 艺制作个别托盘的精确性。理想的预留空间分布为 个别托盘组织面与石膏模型之间各样本点之间的距 离均为1mm。对于预留空间的大小分布，如表1，表2, 3D打印制作的个别托盘相比于手工制作的 个别托盘，预留空间更接近于1mm，且手工制作 的个别托盘预留空间明显偏大。
表1FDM3D打印个别托盘与HM(手工制作个别托盘)预留空间
比较(mm)
组别
预留空间Mean土 SD(N)
t P
FDM HM
10.99±0.19(1004) 1.16±0.36(1004)13.09<0.01
2 1.01±0.13(1005) 1.05±0.41(1005) 3.09<0.01
3 1.03±0.13(1004) 1.08±0.31(1004) 5.00<0.01
40.98±0.15(1006) 1.05±0.31(1006) 6.69<0.01
50.99±0.13(1004) 1.04±0.39(1004) 3.56<0.01
将两种工艺制作的3D打印个别托盘预留空间 进行比较，如表3，差别有统计学意义(P<0.01)。虽然预留空间的均值无明显差别，但可以发现SLA 工艺制作的个别托盘预留空间大小更加稳定。对于
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热扩散系数
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表2 SLA 3D打印个别托盘与HM(手工制作个别托盘)预留空间
比较(mm)
组别预留空间Mean土SD(N)
t P SLA H M
1 1.06±0.14(1004) 1.16±0.36(1004)8.23<0.01
20.98±0.06(1005) 1.05±0.41(1005) 5.23<0.01婴儿印泥
3 1.01±0.06(1004) 1.08±0.31(1004)7.79<0.01
4 1.01±0.06(1006) 1.05±0.31(1006) 3.52<0.01
5 1.00±0.05(1004) 1.04±0.39(1004) 3.75<0.01
3D打印的误差分析如图4，可发现个别托盘中央 部分的误差较小，边缘部分误差较大。分析两种 3D打印机打印过程的误差是否有统计学差异，如 表4，差别有统计学意义(P<0.05)，说明总体上 看，S L A工艺的3D打印误差(0.003-0.021mm土0.045-0.065mm)比FDM工艺(0.007-0.031mm土0.13-0.15mmM、。如表4，分别对两种工艺的各 组数据进行方差分析发现两种3D打印机打印过程 产生的各组误差，无统计学差异，表明两种3D打 印机产生的误差均较稳定(P>0.05)。
表3 SLA 3D打印个别托盘与F D M 3D打印个别托盘预留空间
比较(mm)
组别预留空间Mean土 SD(N)
t P SLA FD M
1 1.06±0.14(1004)0.99±0.19(1004)9.12<0.01 20.98±0.06(1005) 1.01±0.13(1005) 6.01<0.01
3 1.01±0.06(1004) 1.03±0.13(1004) 5.24<0.01
4 1.01±0.06(1006)0.98±0.15(1006)7.44<0.01
5 1.00±0.05(1004)0.99±0.13(1004) 3.33<0.01
表4 3D打印成品与CAD数据的误差分析(mm)
组别模型偏差M ean±SD(N)
t P SLA FD M
10.018±0.065(1004)0.007±0.13(1006) 2.34<0.05
20.004±0.055(1005)0.015±0.13(1003) 2.42<0.05
ctcs2
30.010±0.060(1003)0.031±0.15(1004) 4.17<0.05
40.021±0.048(1004)0.009±0.14(1004) 2.52<0.05
50.003±0.045(1005)0.013±0.13(1005) 2.26<0.05
3.讨论
本研究通过对预留空间大小分布来评价不同方 法制作个别托盘的精确性。实验结果表明，SLA 3D打印个别托盘比FDM3D打印个别托盘预留空 间大小分布更接近1mm，且两种3D打印工艺制 作的个别托盘相较于传统手工方法均有更好的精确 度。临床上制取无牙颌印模一般采用二次印模法[9]，操作较为繁琐，流程复杂，且制取的初印模型难以长期保存，不能反复利用。因此，传统手工方法制 作个别托盘的精确度与医师经验、蜡片在制作过程 中厚度的改变、个别托盘在制作过程中产生形变、蜡片本身厚度不均等因素有关。而两种3D打印技 术由于采用数字化设计，在软件中设计个别托盘，可根据不同印模材料的需要设置预留空间的大小，消除了蜡片本身因素对预留空间大小的影响。
熔融堆积成型技术是将打印材料加热熔融挤入 喷头之中，在计算机的控制下，喷头按特定的轨迹 逐步打印出成品[10]。孙玉春等[11,12]采用熔融堆积成 型技术(FDM)，以聚乳酸(PLA)为材料完成了全口 义齿个别托盘的制作，并研究了其终印模的性能。相比于熔融堆积成型技术，光固化成型技术具有尺
寸精度高、表面质量优良、可制作结构复杂的模型 等优点[13，14]。光固化成型3D打印技术是在液体槽 中充满光敏树脂。由计算机控制振镜系统将紫外激 光束按照指定路径，在液态树脂表面进行扫描，不 断光固化，直至打印完成[15]。影响光固化成型过程 的因素主要有固化体系的粘度、固化速度、固化深 度、激光强度及光敏树脂的固化收缩率™。部分学 者将二氧化钛纳米微粒加入光敏树脂，应用于光固 化成型技术制作全口义齿，使成品具有一定抗菌性 能[17]。熔融堆积成型技术具有产品强度高，设备成 本低，原料成本低等优点，但成型精度较低，产品 表面较粗糙。熔融堆积成型技术使用的材料为聚乳 酸(PLA)，具有生物可降解、强度高、收缩率小、尺寸稳定等优点[18]，但最大的缺点是产品表面较粗 糙。原因是FDM工艺采用喷头吐丝的方式将材料 挤出，由于喷头大小的限制，不可避免地会在产品 表面产生丝状的不规则面。相比之下，光固化成型 技术采用激光固化液态树脂，逐层成型，因此采用 光敏树脂的产品表面光滑，如图1。光敏树脂个别 托盘在边缘修整，打磨抛光等方面相比于聚乳酸个 别托盘粗糙的表面有很大的便利，也能减少取模时 对患者口腔组织的刺激。
本研究表明光固化成型技术相较熔融堆积成型 技术预留空间分布更接近1mm且更稳定。考虑到 由于光固化成型技术制作的成品表面更光滑，对最 终精度有较大影响。由于本研究的特殊性，采用了 适用于小型模型扫描，精度更高的齿科专用3D扫 描仪D S100+，扫描精度<0.015mm。考虑到本
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次实验预留空间为1mm，所选扫描仪的精度能够 满足实验需求。本实验对无牙颌石膏模型及个别托 盘均采用同一扫描仪扫描，以减小误差。在个别托 盘预留空间的计算过程中，将手工制作的个别托盘 与个别托盘的设计数据通过最佳拟合命令进行对齐，为减小最佳拟合的误差，在软件的命令设置中，将 采样点数目设置为10000，公差设置为〇.〇〇1mm 以最大程度减小误差。本实验采用的光固化成型 3D打印机精度为0.05-0.1mm，由于设置精度越 高，打印时间越长。考虑到实际因素，本实验采用0.1mm精度。而熔融堆积成型3D打印机精度为0.1-0.3mm，本实验采用0.1mm精度。光固化成 型技术3D打印机的精度要优于熔融堆积成型3D 打印机。熔融堆积成型3D打印成品时间约为45min，光固化成型技术3D打印成品时间约为30min,3D扫描及软件设计的时间约为10m in而 传统手工制作总耗费时间约为20min。虽然从总时 间来看，3D打印技术耗时较长，但主要时间为3D 打印机工作时间，人工花费时间要少于传统手工方 法。从材料成本上看，三种制作方法成本相差不大。
以光敏树脂为材料的光固化成型技术相比于以 聚乳酸为材料熔融堆积成型技术制作的个别托盘精 度更高，模型表面更光滑。因此，采用光固化成型 技术3D打印机制作个别托盘值得推广。
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