作者：
Josef Schweiger，牙科技师（德）
慕尼黑大学附属医院修复科
Daniel Edelhoff 教授
Oliver Schubert 博士
Kurt-Juergen Erdelt 博士
Johannes Trimpl 牙科技师
Jan-Frederik Güth 博士
制作数字化牙科模型是数字化工作流程的一个关键部分。只有当数字模型满足了牙科治疗对精度、长期稳定性和尺寸精度的要求时，这种技术才能够得到使用。此外，还要看到数字化加工模型的未来附加值。本文对于制作数字化模型的多种可能性做了全面的概述。
本文分两部分发布，本篇是第二部分，第一部分已于2024年12月3日发布。
关键词：数字化工作流程，3D打印，增材制造，减材制造，硅胶3D打印，Modelbuilder，Slicing
CAD Modelbuilder软件
数字模型制作的一个基本组成部分是，扫描数据在CAD软件内生成模型的几何形状。这些所谓的Modelbuilder程序为用户提供了各种模型设计可能。除颜色模型外，大多数程序都可以形成上述模型类型。
Modelbuilder软件执行的基本功能和步骤如下：
• 导入口内3D扫描数据，
• 导入的三维数据集边缘定位，
• 代型几何形状的设计，
• 模型体的设计，
• 可选的义龈设计，
• 用于安装在𬌗架中的连接几何形状的设计。
下面介绍常见的Modelbuilder模型构建软件作为示例：
• SHERA Modelbuilder：SHERA建模软件为上述的大多数模型类型提供了各种CAD设计工具。第一步对口内扫描仪的3D扫描数据在边缘区域进行定位和去伪影，以便设计一个非磨损的模型底座。在下一步，确定模型类型或者代型类型。SHERA Modelbuilder提供了许多预定义的代型形状。在将牙齿编号分配给对应的代型后，确定预备体边缘和代型就位道。然后对位模型，使生成的模型底座尽可能地垂直于𬌗面。还有一个可选择的功能：可逐点标记代型边缘来创建一个义龈。用户可以非常快速而直观地执行该步骤。通过最终的计算，工作模型、牙齿代型和牙龈以开放的STL文件被存储，并且可以直接用于3D打印（图25至27）。
• 3Shape Modelbuilder：3Shape建模软件可以导入3Shape TRIOS或者外部3D口内扫描系统的数据。为了能够设计出一个干净的模型底座，在第一步中需对边缘区域的扫描数据进行修剪，因为边缘通常是锯齿状的。下一步将扫描与咬合平面对齐。同样这一步也很重要，因为模型底座需要垂直于𬌗面。随后，通过标记预备体边缘确定牙齿代型，以及它们在模型底座内的就位道，最后在模型底座内生成代型几何形状。如果需要，可以在模型制作之前就设计修复体。通过𬌗架-接口的定义完成模型设计。3Shape为牙科技师提供了各种连接几何形状。模型和各个代型的数据以STL格式被传递，以用于最终的制作（图28至32）。
• exocad Modelbuilder：这个建模软件的结构被设计得对用户非常友好。它可以从口内扫描系统导入各种文件格式，如STL或PLY文件。操作时先修剪3D数据集不光滑的边缘，然后关闭数据集内存在的孔。如果需要，该软件还可以在最终咬合位置剪切模型穿透部分。之后，确定修复体的预备（体）边缘，从而定义可分离的牙齿代型边界。然后，用户可以个性化地修整软件自动给出的初始建议。最后，计算可摘除的牙齿代型和整个模型并输出相关数据（图33至35）。
• 3M边缘标记软件（3M Margin Marking Software）：3M True Definition扫描仪的扫描数据由临床医生上传到3M Connection Center （3M，德国）。通过该门户网站平台，牙科技师可以下载数据并将其加载到边缘标记软件内。在那里，数据被进一步处理。首先，牙列被定位在一个数字简易𬌗架中。然后设定切割面和预备体边缘。这些可以在一维、二维或三维中确定。不过，预备体的3D观察提供了有价值的附加信息，便于准确地确定边缘线。经过这些操作步骤后，可以导出数据做进一步的处理。除了特定的3M ULDC格式外，数据还可以作为3Shape-ready-Format格式（.3OXZ）或ExoCAD-ready-File文件格式（.exo）被输出。在这些格式中，不仅包含了预备体边缘，还关闭了存在的数据孔。在3M工作流程中，接下来可使用这些数据制作模型。除了在Innovation Meditech制作模型外，该数据还可用于其他3D打印机的模型制作。系统在此输出中是开放的（图36至38）。
CAM Slicing软件
用于增材制造方法的CAM软件/Slicing软件的基本任务是，将CAD设计数据为3D打印做准备。也就是不仅要将数据集放在打印平台上，还要生成相应的支撑结构。在Slicing软件内还定义了材料特定的光照参数和各构造层的厚度。数据分解在单个层内完成切片（Slicing）过程，以便使切片数据能够分层传输到打印机上。
对Slicing软件的要求：
• 打印对象应能够快速地自动放置在打印空间内。
• 切片时的计算应花费很少的时间。
• 能够以视觉方式显示局部最小值。
• 应在软件内无错误地显示STL数据集。
• 操作可直观、快速地被学会。
• 理想地将Slicing软件与不同的3D打印机单独匹配。
Slicing软件的事例介绍：
• CAMbridge：CAMbridge软件（3Shape）为DLP和SLA技术或激光烧结技术提供切片数据。从Modelbuilder软件下载STL模型数据集后，模型被虚拟放置在打印平台上。模型数据可以直接放在平台上或与支撑结构放在一起。每一结构层被计算后，可以使用模拟工具查看它们。在SLA技术或激光烧结方法中，该步骤可以显示由打印对象限制的激光束运动路径。最后，输出分层数据（图39和40）。
• NetFabb：NetFabb软件是Autodesk公司（美国）的一个程序，用于编辑三维模型并为3D打印进行优化。但是，该软件也可以在没有3D打印机的情况下使用，因为它在一个结构清晰的用户界面中结合了一个成熟的CAD软件的许多特点。NetFabb提供了多种功能，用以设计个性化支撑结构及确定其尺寸，以便它们可以适用于不同的适应证。针对不同制造商的材料，该软件还可以快速而轻松地给出相应的曝光参数（图41至43）。
• BEGO CAMcreator：BEGO公司（德国）的BEGO CAMcreator是一款应用清晰明了、简单易用的Slicing-Software（切片软件）。只需点击几下鼠标，用户就可以快速地访问切片数据集。通用的工作流程保证了应用中的安全性，但也因此减少了设计时的自由度和材料制造商的选择（图44）。
• Formlabs PreForm：Formlabs通过PreForm软件提供了一个易于使用且免费的工具，用于为SLA打印过程准备模型。如果需要，可以自动定位模型并自动生成支撑结构。该软件可以很好地对齐模型，以便有效地进行打印。智能的支撑结构设计确保得到干净的打印结果。在PreForm软件中可以在25到100μm之间选择层厚度。层厚度不仅取决于要打印的对象，还取决于所选材料。最后，切片数据被传输到3D打印机上（图45和46）。
输出设备
模型既可以采用增材也可使用减材制造方法制作。以CAM软件的数据为基础，在增材制造过程中模型以逐层累积叠加的形式建立起来；而在减材制造过程中，铣刀以特定的刀具路径，通过对材料的切削制作出模型。
在数字化工作流程中，以增材制造方式制作模型目前有以下5种方法：
• 选择性激光烧结（SLS）;
• 光固化立体成型（SLA）;
• 数字光处理（DLP）;
• Polyjet技术/多喷建模成型技术(MJM);
• 依需喷墨技术（drop-on-demand technology）。
选择性激光烧结（SLS）
通过激光烧结方法制作模型，主要使用的材料是聚酰胺。为了熔化聚酰胺粉末，需要将打印空间预热到接近打印材料熔点的温度（熔化边界温度），从而可以显著降低通过激光束熔合所需的能量。Zfx-Dental（德国）提供了使用激光烧结技术制作牙科模型的实例。它还提供完整的解决方案，除了具体模型外还提供一个连接系统和一个简易𬌗架（图47）。
光固化立体成型（SLA）
光固化立体成型（SLA = Stereo Lithography Apparatus）是最早的3D打印工艺之一。早在上世纪80年代，这项技术就由Chuck Hull（3D Systems公司的创始人）开发并于1984年获得专利。其工作原理基于：光聚合物通过一个在XY平面内可控制的激光束固化，并逐层形成一个三维体。在牙科领域，目前出现了一些越来越具有成本效益的SLA打印机，例如Form 2（Formlabs，美国）。由于投资成本低，许多用户都有机会转向3D打印。在SLA技术中，在每一构造层中，分层切片数据必须由激光一条条打印出来，因此与DLP技术相比，打印时间明显更长（图48和49）。
数字光处理（Digital Light Processing，DLP）
DLP方法基于，使用数字微镜器件（DMD）在打印平台上逐层照射。该技术由Texas Instruments（TI）开发并获得专利。DMD芯片由高反射方形微镜（边长16μm）组成，这些微镜围绕旋转轴通过电流脉冲倾斜。因此，可以通过短光脉冲以像素方式固化平台上的材料层。平台下降后，可以光照下一层材料。该技术使DLP打印机能够非常快速而有效地构建物体。不过，它的缺点是价格较高，这是由投影光机的高成本带来的（图50和51）。
Polyjet技术/多喷建模成型技术（Multijet Modeling，MJM）
在Polyjet工艺（也称为Multijet Modeling - MJM）中，光聚合物以微小的液滴形式被喷射到打印平台上，并逐层堆积后用UV光固化。层厚度可以非常薄并且最小达到16μm。此外，还可以使用所谓的多材料3D打印方式，即同时喷出不同的材料。采用此技术的打印机有：Objet打印机和J750打印机（Stratasys，美国）以及ProJet MJP 5600打印机（3D-Systems，美国）等。
采用依需喷墨技术（drop-on-demand technology）的硅胶3D打印
硅胶3D打印目前仅在牙科技术中偶尔使用。然而，德国慕尼黑大学医院的修复门诊与Wacker Chemie公司旗下的ACEO® Campus（德国）合作所作的首次尝试显示，该技术具有很大的潜力。在数字模型制作领域，可以使用这种增材制造技术制作硅橡胶义龈（图52至55），因为它能达到与手工制作的硅橡胶相同的化学、机械和触觉特性。使用ACEO®依需喷墨技术结合UV交联可以加工100%硅胶弹性体。打印材料和支撑材料同时被印刷，因此也可以打印悬突、桥和空腔结构。支撑结构是水溶性的，因此易于去除。可打印的硅胶肖氏硬度介于20至60ShA之间，且有不同的颜色。ACEO®使医疗应用达到医疗器械2b类。Z方向上的最小层厚度目前为0.4mm。另一种可能性是在打印过程中使用不同的硅胶，实现同时的多材料3D打印。
一些公司在数字工作流程中更倾向于以铣削技术制作牙科模型。CADstar（奥地利）在隐形矫正（Aligner）技术中，以减材技术加工的模型显示这是一个特别有效的方法。其中，主要使用一种半成品的坯料（材料块）用于减材制作，这种材料块已经具备了颌模型和牙列的抽象几何形状，因此可以节省材料和铣削时间。用于制作正畸模型的这种半成品材料块由CADstar以铸造方法制造。根据制造商的说明，铣削的模型显示没有变形、收缩，并且在压模工艺中也表现得非常稳定。此外，模型不必在后续步骤中做手动处理，这进一步提高了效率。为了获得最高的细节度，每个模型的加工时间约为25分钟。借助一个互换机器人，可以在全自动模式下工作。模型材料块主要以铣削方式制作压模用的模型，以应用在Staraligner矫正技术中。这种创新方法大大减少了铣削时间，使得减材制造技术可以经济地用于模型制作（图56至59）。
两种加工方法都显示了各自的优点和缺点。因此，要进行权衡，以便能够提出最终的操作建议。这种考量应尽可能适应技工室和临床的个体需求。特别是，经济方面的考虑也应包括在整体分析中（表1）。
模型的3D打印（增材制造），在经济方面显示出优势，因为对机器的投资较少并且制作时间较短。缺点则表现在后续处理上需要更多的投入，其中包括支撑结构的清洁、去除和打磨，以及其他后续的费用。
模型的铣削（减材制作）制作展现出高质量的材料特点，以及很高的模型精度。但是模型加工所需的时间相对较长。当然也有一个例外就是CADstar，它使用了半成品的材料块。
数字化工作流程从口内状况的三维数字化采集为起始。然而，完全无模型的工作流程仅适用于全解剖形态的、小型的单层材料修复体的制作。一旦需要做一些手动操作步骤，就需要物理模型辅助。但是，用户应该知道数字模型只能与扫描数据一样准确，才能意味着无需物理模型来检查修复体，例如检查边缘的密合度。当然，如果修复体和模型匹配且彼此密合，也可以验证技工室操作过程的正确。
模型的精度取决于许多因素，例如扫描的准确性、Modelbuilder和Slicing软件以及制作过程。特别是在3D打印的情况下，各构造层的厚度显著影响着模型的精度，因为在Z构造方向上会产生台阶。这反过来也意味着，虽然在一定程度上较小的层厚度可以提高精度，但另一方面也会导致打印时间的增加。
为了减少材料消耗、打印时间及由此带来的模型成本，现在模型也趋于采用空心打印。慕尼黑大学医院修复门诊的一个尚未发表的研究显示，打印的实心模型会随时间发生变形行为。目前还没有关于空心模型对比实心模型在形状变化方面的科学数据。
彩色模型的制作可能是数字化工作流程未来的杀手级应用。由于可以通过3D彩色打印将色彩信息固定在打印件内（而这无法在传统印模中传递），因此依照作者的观点，颜色模型将会成为数字化工作流程的一个重要突破。
