本发明涉及3d打印，特别是一种生物陶瓷牙模光固化3d打印方法。
背景技术：
1、在牙齿矫正和修复领域，3d打印技术提供了一种更加准确，高效和定制的方法来制造牙齿和修复齿科问题。避免了传统制造方法上可能造成的微裂纹和导致力学性能的降低。
2、由于其优异的生物相容性，陶瓷材料被推荐为首选材料，从牙齿修复体、种植体到植骨材料，都是首选材料。与金属不同的是，陶瓷材料不存在离子释放或腐蚀问题，而且在软组织和硬组织中都具有长期稳定性。此外，在制作修复体时，陶瓷材料也显示出了显著的优势，可以使修复体长期看起来尽可能的自然。从美学的角度来看，全瓷修复材料在光学上模仿天然牙的效果比金属有明显的优势；在牙龈退缩的情况下，在牙龈区域和种植体都不会出现灰色阴影。
3、目前的全瓷冠(如氧化锆)cam铣削加工中，陶瓷样品是由预制毛坯在预烧结状态下加工而成的，由于陶瓷固有强度较低，铣削加工中薄边框可能会出现断裂，从而导致设计和制造出来的样品之间出现明显的差异。基于这个原因，薄边框和边缘通常需要在这些区域进行过度的轮廓设计，以防止加工过程中边缘断裂。然而，这也导致这些区域中大量的后处理工作。
4、生物陶瓷人体结构的打印在临床医学，特别是在组织重建方面的应用是非常有价值的。所谓“生物陶瓷牙模”就是一种用于医用植入的陶瓷牙模。医用生物陶瓷有两项十分重要的指标要求，一是要有较优异的力学性能，二是有较好的生物相容性。满足这两项要求的关键一点除了材料的选择，更重要的是将生物陶瓷牙模表面设计为多孔结构，控制孔隙率大小，这样可以保证组织细胞的生物活性较好。进行生物陶瓷牙模的制备为齿科修复和重建提供了一定的参考价值。而这样的多孔结构和薄壁打印也是当前3d光固化打印方式面临的挑战之一。
5、当前的3d打印技术根据其工艺原理的不同，主要分为光固化成型，喷射粘接成型，挤出成型以及激光选区烧结和激光选区熔化等类型。其中，以光固化成型技术sla和dlp的打印精度和效率高的优点而得到了较快的发展。dlp技术是基于光聚合反应的3d打印技术。与sla技术相比，dlp大多采用的是led面光源，而sla采用的是点光源。实际上，dlp技术也是基于动态掩膜的sla技术。是将掩膜光进行图案化处理并照射到光敏浆料表面然后进行层层固化的过程。起初的dlp技术是使用lcd液晶显示器作为动态掩膜生成器，后来随着数字微镜设备(dmd)的出现，因其极具竞争力的填充系数和反射率可大幅度提高显示分辨率与对比度的优势，使dlp技术在3d打印方面的应用更加成熟。
6、目前的dlp光固化打印方法大多为单一采用dmd芯片进行投影的技术虽然也可以实现多孔结构和薄壁的打印，但是这样的使面光源的入射存在一定的角度，容易造成边缘固化的问题。这样的缺点都是通过改进陶瓷浆料的材料和设备来解决的。
7、d-dlp型3d打印主要的光学器dmd是一种由许多个高速数字式光反射开关组成的阵列，包含许多小铝制反射镜面。每一个小镜片对应一个像素，镜片的多少决定了显示分辨率的高低。每个镜片将通过投影光学器件反射光线来显示白色像素，或者将光线反射至光吸收器来显示黑色像素。灰度级将由在每一帧期间引导至投影路径的时间光线长度所决定。dmd的高速像素数据速率，适用于无比快速的3d扫描，3d打印和感应解决方案，打印的投影原理如图2所示。
8、m-dlp型3d打印是基于micro led进行打印图层的投影方式。是通过将led结构薄膜化，小型化和矩阵化。使像素点距离从毫米级降至微米级别，并在一个芯片上高度集成的固体自发光显示技术。micro led不需要背光源，在功耗，亮度，色彩饱和度，寿命和响应速度上更有优势。同时，micro led由于结构简单，单个像素只需要rgb三种颜色的灯珠就可以实现，打印的投影原理如图3所示。
9、中国专利申请号cn201611080123.6公开了一种通过3d打印技术实现的仿生结构空心牙模制作方法，该空心牙模包括表面薄壁和内支撑结构；所述内支撑结构为薄壁框架结构，并内接于所述表面薄壁，对所述表面薄壁进行支撑；该制作方法具体包括对患者牙齿的3d扫描、对3d模型进行3d重构和通过3d打印机输出。中国专利申请号cn202111001312.0公开了一种用于3d打印牙模的固化装置及其固化方法，包括圆形块，所述圆形块顶部外壁安装有电动机，且电动机输出轴底部外壁安装有旋转轴，所述旋转轴底部外壁安装有放置块，且放置块底部外壁安装有等距离分布的弧形架，本发明能够通过设置有电动机，带动旋转轴下的放置块转动，从而带动弧形架上的圆形轴转动，从而将固定机构转入到弧形罩内部，弧形橡胶顶块将t形板顶开，通过设置有固化机构，通过第一光固化灯、第二光固化灯能够对牙模进行固化处理，开启电动导轨，能够带动电动滑块上的第二光固化灯上下移动，从而可以对牙模表面充分照射固化。中国专利申请号cn201710264287.2公开了一种基于micro led技术的dlp打印设备，包括micro led屏幕、液池、光敏材料、3d打印工作台。采用micro led屏幕的3d打印可命名为micro led digital light processing(简称m-dlp)。其中micro led屏幕由m(1≤m≤100000)行n(1≤n≤100000)列micro led像素组成。microled屏幕位于液池下方，micro led屏幕可作为液池底板或紧挨液池底板放置。中国专利申请号cn202210436248.7公开了一种3d打印形状记忆牙模的制备方法，包括以下步骤：(1)提供光敏3d打印形状记忆材料；(2)根据患者的口腔数据确定矫治器的矫正参数，构建矫治器牙模的三维模型数据；(3)根据矫治器牙模的三维模型数据对所述光敏3d打印形状记忆材料进行3d打印，得到3d打印形状记忆牙模。本发明使用光敏3d打印形状记忆材料制备3d打印形状记忆牙模，所得牙模具有形状记忆功能，在经过压模成型后，能够恢复初始形状，实现牙模的多次循环利用，从而大幅降低牙模的制作成本，并简化隐形矫治器的制备工艺，提高了口腔正畸治疗准确性。
10、基于此，现有的光固化dlp型3d打印的方式会影响薄壁和空心结构的成型。在现有的生物陶瓷牙模的3d打印方法中，均为改进材料或者设备。未提及将d-dlp型和m-dlp型打印方式进行组合的方法来实现生物陶瓷牙模实心和薄壁以及空心结构的打印。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，采用d-dlp和m-dlp组合式打印的方法，能够准确捕捉模型细微和复杂的特征，清晰呈现点，尖角，表面细节，完美打印出光滑无毛刺，近乎无层纹的模型。
2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
3、一种生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，包括以下步骤：
4、s1、通过3d扫描仪扫出牙齿数据，将获得的牙齿数据应用solidworks软件设计出生物陶瓷牙模的三维数字化模型，再使用切片软件将生物陶瓷牙模的三维数字化模型切割成若干层二维切片，将若干层二维切片保存为slc格式导入至d-dlp型的打印方式与m-dlp型的打印方式组合而成的3d打印机中，在3d打印机的打印工作台上铺设用刮刀刮平的预设厚度为0.5mm的单层光敏陶瓷浆料，通过投影405nm波长的光源照射固化，然后将光敏陶瓷浆料装入3d打印机的料缸中，通过下沉式运动模式进行打印，一个切片打印完成后下沉一层切片的高度，打印下一层切片，逐层累积，最后形成牙模生坯；
5、s2、用刮刀将打印完成后的牙模生坯取下后用水枪进行清洗5-10min，去除生物陶瓷牙模表面和孔隙中未固化的光敏陶瓷浆料，然后在室温下干燥12h后，对干燥后的牙模生坯进行去胶处理，获得牙模素坯；
6、s3、将牙模素坯置于马弗炉中进行脱脂烧结72h，之后随炉冷却，得到所述的生物陶瓷牙模。
7、优选地，所述步骤s1中，二维切片的厚度为30um。
8、进一步地，所述步骤s1打印过程为：
9、所述3d打印机的控制器对每层二维切片进行边缘检测以区分牙列结构和牙列贴合薄面结构：当检测为牙列结构的二维切片时3d打印机选择d-dlp型的打印方式打印该层；当检测为牙列贴合薄面结构的二维切片时3d打印机选择m-dlp型的打印方式打印该层。
10、进一步地，所述光敏陶瓷浆料的制备过程为：
11、按质量比1：3～10称取光引发剂tpo和溶解剂nmp，加入到玻璃烧杯中，将烧杯置于超声清洗机内进行3-5min超声震荡溶解，待烧杯中的光引发剂溶解完全后，向烧杯中加入10wt.％的二官能度丙烯酸酯hdda和12wt.％的三官能度丙烯酸酯peg600da和5wt.％的tmpta光敏树脂以及2wt.％粉体分散剂byk-111得到光敏树脂混合溶液；搅拌均匀后置于高速分散器上；按照tmpta光敏树脂与生物陶瓷粉质量比为3：7取生物陶瓷粉并将生物陶瓷粉缓缓倒入已配好的光敏树脂混合溶液中；倒入过程中开启高速分散器进行搅拌，当陶瓷粉完全倒入后，持续搅拌30分钟；将得到的初步混合的陶瓷浆料使用陶瓷三辊研磨机反复研磨3次，使上述各组分混合均匀，得到光敏陶瓷浆料。
12、进一步地，所述边缘检测具体过程为：
13、当3d打印机检测到二维切片后，将每层待检测的二维切片作为区域卷积神经网络r-cnn的输入；卷积层使用卷积核对输入图像进行卷积操作以提取牙模图像中的轮廓；激活函数对卷积层的输出进行非线性变换以增加网络的非线性表达能力；池化层对卷积层输出的特征图进行降采样操作以降低特征图的尺寸，减少参数数量，并保留主要的特征信息；最后由全连接层将卷积层输出的特征图转换为一维向量，并将其输入到全连接层以进行图像的分类；当检测到的图像边缘比较平缓时，说明该二维切片为牙模的实心的部分，全连接层将其图像分类为牙列结构，3d打印机的控制器选择d-dlp型的打印方式；而出现图像的曲线弯折度较明显，角点分布不均的时候，说明该二维切片为牙列贴合薄面结构，全连接层将其图像分类为包含有空心结构的牙列贴合薄面结构，3d打印机的控制器选择m-dlp型的打印方式。
14、进一步地，所述步骤s3中，在烧结的过程中，分为两个阶段，第一阶段以2℃/min加热至600℃时脱去素坯中的有机物，再逐渐上升至1600℃实现素坯牙模的致密化。
15、优选地，所述生物陶瓷粉的材料包括羟基磷灰石、磷酸钙颗粒，其粒径范围为1-20um。
16、与现有技术相比，本发明将由dmd芯片实现的d-dlp与基于micro led的m-dlp型的图案化的投影光固化成型技术组合，通过轮廓提取识别实现打印生物陶瓷牙模实心部分与空心部分结构的打印要求，进而实现生物陶瓷牙模的牙列与贴合薄面结构的打印。
17、本发明关键点在于其投影成像的技术采用的为dmd芯片和micro led进行组合的方式。d-dlp型拥有快速的光切换和整体投影的能力，可以高效实现实心牙列结构的打印。m-dlp型由m*n个um尺度的发光二极管集合到一起，形成micro led芯片，每一个micro led对应一个由rgb三种颜色灯珠组成的像素点，均可单独控制亮灭而形成投影面光斑的亮暗区；使得牙模孔隙贴合面的孔洞结构打印成为可能。在孔结构的打印时对应像素点的暗区，使得曝光强度相对降低，这样在成型的过程中可以实现空心或孔的结构的打印，减少边缘固化，实现大尺寸模型的微结构制备。
1.一种生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于：所述步骤s1中，二维切片的厚度为30um。
3.根据权利要求1所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，所述步骤s1打印过程为：
4.根据权利要求1所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，所述光敏陶瓷浆料的制备过程为：
5.根据权利要求3所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，所述边缘检测具体过程为：
6.根据权利要求1所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，所述步骤s3中，在烧结的过程中，分为两个阶段，第一阶段以2℃/min加热至600℃时脱去素坯中的有机物，再逐渐上升至1600℃实现素坯牙模的致密化。
7.根据权利要求4所述的生物陶瓷牙模光固化3d打印方法，其特征在于，所述生物陶瓷粉的材料包括羟基磷灰石、磷酸钙颗粒，其粒径范围为1-20um。
