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[30-33]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[34]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[35-36]进行了功能化义齿的个性化定制理论和试验方面的研究[26-27]. 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[37-40]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。
参考文献
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