随着科技的进步， 人们对生活质量的追求日渐提高，越来越重视口腔健康，对义齿修复材料和技术更是精益求精。义齿材料作为一种医用生物材料，除了要具有良好的力学性能和易于加工制作的特点外， 更要具备良好的生物相容性和化学稳定性， 并且要兼顾美观的功能。

目前应用于口腔临床修复的材料主要有 3 种：

金属、复合树脂、陶瓷。

金属材料长期使用会造成金属离子游离；

树脂材料气化不均匀铸造时会导致结构缺陷，影响义齿的力学性能；

陶瓷材料由于在口腔环境中具有良好的生物相容性和化学稳定性，表面光洁，质地致密不易磨损， 而且具有和天然牙齿相似的色泽和热膨胀系数，成为牙科冠桥修复的首选材料.

传统的陶瓷义齿是手工制作，工序复杂，不能满足患者一次性就医的要求。

CAD/CAM 技术在口腔修复领域的引入，使快速、精准的设计和制造个性化义齿成为了可能. 采用计算机控制的切削系统代替整个技工制作过程，大大缩短了口腔修复体的制作周期，但是由于切削的材料是强度和硬度都非常高的陶瓷块， 切削困难大，刀具磨损明显,因此对刀具的材料和工艺要求很高，无形中提高了加工设备的成本，而且基于减法制造的切削技术也造成了材料的浪费， 利用率和加工效率都不高。随着快速成型技术的兴起和逐渐成熟，牙科 CAD/CAM 数控切削技术迟早会被先进的增材制造快速成型技术取而代之。

1 快速成型技术在口腔修复领域的应用

1.1 快速成型技术的发展现状

快速成型技术是把复杂的三维实体加工制造转化为一系列简单的二维平面的加工， 可以快速实现复杂结构的制作。 1990 年，快速成型技术开始应用于医学领域并且越来越广泛，如牙体修复、骨科植入物、支架和药物输送等由多种材料或功能梯度材料组成的复杂形状的地方。快速成型技术目前可用的材料包括石膏、树脂、金属、陶瓷等，在口腔医学的应用中，主要集中在批量制作金属全冠和基底冠、 树脂全冠及可摘除局部义齿支架树脂铸型.应用于陶瓷构件加工领域的快速成型技术主要有以下几:分层实体制造、熔融沉积成型、形状沉积成型、立体光刻成型、选区激光烧结、三维打印、喷墨打印。目前正飞速发展的是粉末材料选择性粘结、微滴喷射成型、熔融沉积制造工艺。衡量一种快速成型工艺的优劣主要是看该工艺的加工精度、表面粗糙度、加工速度、材料强度、加工成本、环境要求等. 由于快速成型技术叠加原理的限制，层与层之间会存在过渡，造成构件表面曲线不连续，表面粗糙度较低，另外利用快速成型技术生产的陶瓷部件由于受陶瓷材料本身性质的影响，存在力学性能不够、强度不高、收缩率大等问题。

1.2 快速成型技术在口腔修复领域的应用

快速成型技术在口腔修复领域中的应用， 主要集中在金属冠、全瓷冠、可摘除局部义齿、全口义齿和颌面部修复体的设计与制作方面。 从制作的修复体材料归类可以分为利用激光固化成型技术制作树脂模型、利用激光烧结成型技术制作金属修复体和利用微滴喷射技术制作陶瓷修复体。

（1）激光固化成型技术用来制作树脂材料的口腔修复体，如可摘除局部义齿支架、牙齿矫正器等，精度高、粗糙度好，材料强度较高。 吴琳应用该技术成功制作出了可摘除支架的树脂模型。Williams 等利用该技术制作出树脂模型后再进行铸造， 成功制成金属基托铸件。 Azari 等制作出固定修复体的蜡型，这些成功的实例都论证了该技术制作树脂模型的可行性。 目前在临床上已经出现了利用激光固化快速成型设备制作固定义齿树脂模型的技工室，但是在温度控制、成型速度等成型工艺方面还有待改进。

（2）激光烧结成型技术用来制作金属材料的义齿基底冠或基托，精度较高，后处理容易，不需要支撑材料。 2006 年英航博士 R.J.Williams 等首次利用激光烧结快速成型技术制作双边远端扩展可摘除局部铬钴义齿框架并成功应用于 1 名 75 岁老人的口腔，表明该技术用于局部可摘除义齿的制作方面具有巨大的潜力。 吴江、胡江、韩彦峰等应用激光快速成型技术分别制作出全口义齿钛基托、镍铬合金基底冠、纯钛基底冠。从而证实应用该技术制作口腔金属修复体是可行的，但是这种技术只能对金属进行直接烧结，制作的成本较高而且金属粉末的选择范围有限，目前这种工艺的研究方向是成型精度的改进和成型材料的研究.　　

（3）微滴喷射成型技术具有较好的精度和表面粗糙度、使用材料广泛、工艺灵活、制作成本低廉、环境友好. 伴随着该技术成功应用在氧化锆、氧化铝等陶瓷材料加工领域的相关报道,现已有不少学者将此方法应用在了口腔陶瓷修复体的制作方面。 Ebert 等1使用该技术成功制作出全瓷冠的样本， 其硬度和抗压强度等力学性能完全满足临床要求， 显示出了此种工艺的巨大潜力。 德国亚琛工业大学的 Emre 魻zkol 等利用直接喷墨打印方法制作了氧化钇稳定氧化锆材质的牙桥框架， 经过该方法制作的样本和注塑的参考样本四点弯曲试验的对比， 验证了直接喷墨打印方法在制造 3Y-TZP 牙体修复体方面是一种具有发展前景的先进制造技术。

另外国内的一些高等院校，如华中科技大学、南京医科大学、第四军医大学、新疆大学、福建医科大学、新疆医科大学等都对快速成型技术应用于口腔修复领域进行了研究. 华中科技大学针对激光直接制造（DLF）和选择性激光熔化（SLM）两种激光快速成型技术制造金属可摘除局部义齿支架进行了深入的研究，证明采用 DLF 成型的工件精度低于 SLM,由于在高度方向 DLF 难以控制精度，所以不适于应用在可摘除义齿支架的制作方面。 并且自主研发了影响 SLM 激光快速成型构件精度的关键部分---自动铺粉装置， 试验证明该装置能满足 SLM 激光快速制造的精度要求。 新疆大学设计出气动挤出沉积多孔生物骨支架成型机，包括气动挤出机构、 喷头机构及三轴运动机床平台等硬件设计和软件功能的实现， 并且深入研究了成型材料的调配比例、扫描速度、气动压力及成型后的低温干燥和高温烧结等因素对牙槽骨质量的影响。 采用此工艺制备的人工牙槽骨支架具有良好的外观形貌和孔隙结构，并且开拓性地进行了动物试验，证实此工艺制作的人工牙槽骨具备良好的生物相容性、可降解性、力学性能等，可以用于骨组织的缺损修复。以南京医科大学和第四军医大学为代表的医科院校主要对应用快速成型技术制作的口腔修复体（可摘除义齿支架，牙颌骨）的计算机辅助设计与制作在临床的初步应用进行了试验和研究。

2 ，基于陶瓷挤出成型工艺的快速成型技术

伴随着快速成型技术的蓬勃发展， 传统的陶瓷挤出成型方式与之结合起来。 目前比较典型的基于挤出成型工艺的快速成型技术主要有 3 种： 陶瓷熔融沉积成型工艺（FDC）、冰冻自由成型工艺（FEF）、浆料微挤压工艺（SME）。　

（1）陶瓷熔融沉积成型是将陶瓷粉末和有机粘结剂均匀混合， 形成具有一定粘度的陶瓷浆料并将其制成细丝， 然后再用 FDC 设备制备陶瓷生坯的成型技术。 如何将陶瓷浆料制成细丝，是此项技术的关键，也是研究的热点。 美国罗格斯大学陶瓷研究中心研制出了专门的有机粘剂 RU 系列产品， 来配合陶瓷粉末制备成陶瓷浆料，以使浆料能够满足制备细丝的粘度、柔韧性、强度等性能，并且使用该技术成功地制备出了氮化硅陶瓷制件.　　

（2）冰冻自由成型是以水为溶剂，添加少量的有机物，制备高固相含量的陶瓷浆料。 在成型过程中，由于工作台面温度低于陶瓷浆料的凝固温度， 从而使浆料挤出后迅速凝固，提高了陶瓷浆料的成型性能。具有成型快，精度高，能够加工复杂陶瓷制件等优点，解决了环境污染，致密度不足，脱脂速度慢等问题。 美国密苏里大学罗拉分校的研究人员已经使用该成型工艺用水基陶瓷浆料结合挤出冰冻成型成功地制作了氧化铝、硼化锆等陶瓷零件.　　

（3） 浆料微挤压成型是针对微小尺寸的复杂结构陶瓷构件成型的一种新型工艺。 美国康涅狄格大学最先将此技术应用在水基牙科陶瓷浆料数字化制造义齿方面。 以 63.4%的二氧化硅和 16.7%的氧化铝为主要原料，加以适当比例的氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾，通过球磨法得到亚微米级的牙科陶瓷粉末颗粒，将其调配成具有良好塑性的陶瓷浆料挤压成丝并堆积成牙坯模型， 经烧结后义齿模型从 X,Y,Z 方向收缩均匀， 它的微结构与传统工艺制作的义齿的微结构是相同的， 而且从计算机设计义齿模型到打印出来仅需要30 min, 这种工艺的开发为陶瓷义齿的快速成型制作提供了新的研究方向。

3， 浆料微挤压快速成型技术在义齿制作方面的应用

经过美国康涅狄格大学 Leon L.Shaw 团队的理论分析和初步试验验证， 基于浆料微挤压成型的义齿制作方法是具有可行性的。 它相较于其他成型工艺来说制作过程简单，材料和设备成本低廉，环境友好，因此该技术也得到国内很多学者的大力支持， 纷纷投入研究。河北工业大学的徐安平教授等基于浆料微挤压成形原理和计算机辅助无模数字化制造技术开发了选择性浆料挤压沉积快速成形系统， 主要是针对微型陶瓷器件制造而开发的。 其中的选择性指的是对材料和空间位置的选择，所用材料范围广，可以是 1 种、2 种或者多种。 鉴于牙齿由内到外的多层结构徐安平教授提出将该技术应用于义齿这种非均质结构的设计与制作，并进行初步的试验研究，图 1 展示了使用选择性浆料挤出系统制作陶瓷牙冠坯体的挤出成形过程。 他的研究论证了基于浆料微挤压成形的快速成型制造技术应用于义齿制作领域的可行性， 并提出未来的工作将集中在多组分材料牙冠的工艺设计和制造方面。河北工业大学的朱东彬等进行了功能化义齿的个性化定制理论和试验方面的研究. 他首次提出了功能化义齿的概念， 即除满足其特定口腔环境所需的力学性能、物化性能、生物相容性、美学性能等基本性能外，还具有保健功能的牙齿。义齿的功能化主要通过功能化材料来实现。 通过稀土元素与电极性矿物材料的协同作用与设计， 研制出义齿功能化的关键活化材料及功能化二氧化锆陶瓷义齿材料的制备技术，运用选择性浆料挤出堆积成形快速成型工艺， 成功地制作出有益于人体健康的功能化陶瓷义齿牙坯模型，开创了功能化义齿修复研究的新领域。 他的研究为义齿修复材料设计领域开辟了新的研究方向。

兰州理工大学的刘洪军等针对基于挤压成型工艺的固体自由成型技术制作义齿方面， 深入研究了水基牙科 3Y-ZrO2陶瓷浆料的制备工艺和流变特性的主要影响因素（固体体积分数、分散剂含量、pH 值、搅拌时间、添加剂等），使用自制的挤出设备进行了大量的试验研究，并对浆料的挤出性能进行了评价。他的研究为微挤压成形制作义齿的材料制备提供了较为准确的数值参考， 为近一步推动该工艺的发展做出了巨大的贡献。　

目前国内外的研究成果主要集中在陶瓷义齿微挤压成形的上游研究领域， 包括适用于此工艺制作的陶瓷义齿材料的制备和流变特性的研究， 对于工艺参数（如挤出速度、挤出头长度、挤出口尺寸）对陶瓷浆料挤出过程的影响也进行了初步探索， 而针对陶瓷义齿的精密挤出成型设备及关键部件的设计尚未有相关报道，这为今后的研究提供了广阔的空间。

4，微挤压快速成型技术存在的问题和研究方向

4.1 微挤压快速成型技术存在的典型问题

微挤压快速成型技术应用于义齿制作的关键就是解决陶瓷浆料挤压堆积成型的精度问题。 从整个过程来看， 影响义齿制造精度的 3 个因素为原始 CAD模型的数据处理、数控系统的误差、陶瓷浆料的收缩率。 分别涉及软件、设备和材料 3 个领域。 存在的典型问题如下：　　

（1）快速成型机所识别的 STL 文件格式是通过对CAD 三维模型的一系列格式转换最终导出的，在文件格式转化过程中非常容易出现模型面结构破损和法线不正确等问题，破损的三维模型很难被修复，因此如何对三维模型数据进行修补和完善是需要攻克的技术难题之一。

（2）高精准的三维运动平台是实现稳定挤出的前提与保证， 因此开发高精度的控制系统使之与工作平台的机械系统完美地配合从而有效地减小数控系统的误差也是问题之一。　

（3）陶瓷浆料的收缩率受到温度、固含量、粘结剂等多方面因素的影响， 过大或过小都会影响最终成型的精度，而且为下一步工序造成困难，影响烧结质量。因此有效地控制陶瓷浆料的收缩率是亟待解决的关键问题之一，可以借鉴冰冻自由成型的方法，令工作台面温度低于陶瓷浆料的凝固温度， 从而使浆料挤出后迅速凝固，这样不仅提高了陶瓷浆料的成型性能，而且有利于后续工序的方便进行。 具体的可行性有待进一步试验验证。　　

（4）堆积成形后的实体模型最需要改进的问题就是“层纹”现象，尤其对于尺寸较小的复杂曲面无法通过打磨消除层纹。 可以通过设置多方向交叉打印喷头对三维切片数据进行打印的方法避免“层纹”的出现，但是设备的成本也会因为打印喷头的增多而提高，而且软件需要更新使控制系统更加复杂， 因此要全面考虑增加的喷头数量。　　

（5）另外，陶瓷浆料在挤压过程中还经常会出现液相迁移、 内部平面结构各向异性变化和流动不稳定等现象，这些都不利于浆料的挤压堆积成型，要避免这些现象应该主要从成型材料方面入手综合考虑挤压成型工艺条件（如挤压力、挤压速度、挤出头直径）等因素的影响来寻找解决方法，尽量减少以上现象的发生。

4.2 微挤压快速成型技术的研究方向

用于陶瓷义齿制作的快速成型技术涉及到计算机、材料、机械、自动化等多个学科领域，是多学科的交叉融合，具有重要的理论意义和实际应用价值。作为机械行业的研究人员，应该从以下几点着重展开研究。　

（1）成型设备研发。重点研究挤出成型系统的创新设计和优化以提高成型过程的精度。 尤其是微挤压快速成型系统的挤出头设计是提高精度的关键。 针对挤出头的设计可以从挤出头功能段结构、内部流道形状、选用材料、加工工艺等方面入手研究。　　

（2）材料组分设计。陶瓷浆料的流变特性对挤出设备的设计有直接的影响， 因此在陶瓷材料组分的设计和优化配置对成型精度影响方面也要有深入了解和研究。 用于挤出成型的陶瓷浆料是由固体粉料和溶剂混合而成的， 在制备时要含有尽量少的有机物保证最小的干燥与烧结收缩， 具有良好的稳定性和流变学特性以利于成型， 同时还要保证挤出后形成的坯体具有一定的保持形状的能力。 满足以上要求需要研究的重点问题是陶瓷浆料悬浮液的优化配置， 包括分散剂的使用、固含量的比例控制、成型工艺的控制、工艺参数之间的影响关系等。　　

（3）成型过程精度控制。针对微挤压成型精度的控制问题，在排除数控系统误差的情况下，可以从成型工艺参数对挤出成形质量的影响方面考虑。 建立符合陶瓷浆料流体特性模型，通过计算流体力学的理论分析，仿真软件模拟挤压过程和试验验证相结合的方法，寻找最佳成型工艺参数组合， 使基于微挤压成形的义齿制作工艺逐步走向成熟。　　

（4）生物相容性验证。采用微挤压成形工艺制造的义齿牙坯， 虽然在材料的主要性能上已经达到相关的国际标准，但是距离临床应用还有一段距离，还需完善生物相容性方面的研究和临床试验研究。

总而言之， 今后一段时间内快速成型技术在义齿制作领域的研究重点在成型工艺、 成型设备和成型材料组分设计等方面。 而基于微挤压工艺的快速成型技术作为一种新兴的陶瓷材料成形工艺制作过程简单、设备成本低廉、对环境无污染，是最具有发展潜力的一种加工方法， 必将成为快速成型技术的一个研究热点和重要发展方向。同时相对应成套设备的研制与开发、控制软件的设计与调试，也是今后热门的研究领域。

来源：学术堂