摘要
全口种植固定义齿能有效恢复无牙颌患者的口腔健康、功能和美观。激光粉末床熔融(LPBF)技术虽可实现义齿Ti-6Al-4V合金支架的高效、低成本制造,但现有支撑结构存在强度不足、出现在关键局部区域(基台接口界面和螺丝通道)等问题,导致义齿支架精度不足,显著增加并发症及种植失败风险。因此,本研究提出一种融合了新型摆放角度优化算法和复合支撑结构生成算法的系统性解决方案,并揭示在支撑结构约束下LPBF成型义齿支架的变形。
首先设计了一种基于GPU加速的MOPSO的摆放角度优化算法,以最小化整体及关键局部区域的悬垂面积为优化目标。该策略在确保关键局部区域实现“少支撑”甚至“无支撑”的同时,最小化了支撑结构总体体积。进一步,创新性地构建了一种基于高强轻质截角立方体桁架晶格的复合支撑结构,该支撑结构由用于悬垂面片的晶格-柱状复合支撑结构及用于悬垂边的板状支撑结构组成。通过对比分析本研究提出的复合支撑结构与主流商业软件(Magics、Netfabb)生成的轻量化支撑结构、以及牙科传统柱状支撑结构下LPBF成型义齿支架的变形量,明确了支撑结构对义齿支架最终精度的影响。
本研究提出的摆放角度优化算法可在10秒内计算出义齿支架最优摆放,使关键局部区域待支撑面积占比中位数仅为0.03%,约1/3案例中该值为0,实现了关键区域的“少/无支撑”目标。采用最优摆放与复合支撑结构后,义齿支架左右两侧的XY、Z及角度间隙中位数均低于对照组,且低于150 μm的临床可接受阈值。此外,复合支撑结构质量较传统柱状支撑结构减轻0.49 g,在保证性能的同时实现了轻量化,展现出良好的临床适用性。
本研究提出的新型摆放角度优化算法和桁架晶格-柱状复合支撑结构生成算法为提升LPBF成型全口种植固定义齿金属支架的精度提供了可靠工艺基础,有望有力推动其在临床的进一步应用。
