《Dental Materials》：Data-driven modeling for build angle optimization to improve accuracy of 3D-printed resin crowns
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本研究通过二次回归模型优化数字光处理（DLP）打印树脂冠的build角度，实验表明中角度（37°和45°）可最小化均方根误差（RMSE），显著优于极端角度，模型有效且数据需求少，为临床提供参数优化依据。
吴凯斌|朱晨|严沁阳|阿列克谢·温科夫斯基|弗朗齐丝卡·施密特|吴哲|邱秉江|李平
中国广州医科大学口腔修复与重建工程研究中心及口腔再生医学基础与应用研究重点实验室，口腔医学院与口腔医院修复科
摘要
目的
利用二次回归模型优化打印角度，以提高3D打印树脂冠的精度。
方法
使用数字光处理（DLP）打印机在四种打印角度（0°、30°、60°、90°）和两种层厚（50 μm、100 μm）下制作树脂冠样本（n = 6个）。通过3D扫描并计算均方根误差（RMSE）来量化尺寸精度。基于实验数据开发并训练了一个二次回归模型，以建立打印角度与尺寸精度之间的预测关系，并进一步验证了最佳打印角度。
结果
中等角度（50 μm层时为37°，100 μm层时为45°）获得了最低的RMSE值，表明这些角度具有最佳的精度。极端角度（0°和90°）显示出统计学上的显著偏差，可能是由于各向异性收缩应力（0°）和重力效应（90°）所致。二次模型有效捕捉了打印角度与几何精度之间的非线性关系（p < 0.0001）。
意义
中等打印角度在保持结构完整性的同时兼顾了尺寸精度，减少了变形，并提高了打印效率。所提出的数据驱动方法实现了基于证据的参数选择，为提高DLP打印牙科修复体的精度提供了一种潜在途径。
引言
增材制造，特别是数字光处理（DLP）技术，能够精确地制作出符合患者需求的牙冠、手术导板和假体部件[1]、[2]、[3]。DLP技术因其高操作效率、最小的后处理废料、简化的制造流程以及个性化定制能力而受到认可[4]、[5]、[6]。然而，DLP打印的牙科树脂修复体的尺寸精度、表面完整性和机械性能受到打印参数的显著影响，包括打印角度、层厚、支撑结构以及后处理协议[7]、[8]、[9]。
对于每种层厚，都存在一个最佳打印角度范围，这不能仅通过离散角度评估来全面描述[10]、[11]。以往，打印角度的优化主要依赖于反复的试错实验，这不仅耗费大量时间和资源，还引入了可能影响可重复性和精度的变异性。在牙科3D打印中，打印出的假体修复体具有独特的几何形状，进一步复杂化了优化过程。此外，最佳打印角度高度依赖于具体因素，如牙冠形状、牙齿位置、切片软件和使用的打印机型号[12]。没有适用于所有情况的通用解决方案，因此需要适应性方法来确定特定情境下的最佳参数组合。
为了提高打印效果，机器学习已被用于优化性能的各个方面[13]、[14]、[15]。预测建模被用来提高精度，例如通过基于光强度和曝光参数的理论模型来改进固化深度的估算[16]。打印角度与精度之间的关系是复杂的，通常表现出传统线性模型难以捕捉的非线性特征[17]、[18]、[19]。先前的研究表明，中等打印角度往往能优化3D打印牙冠的精度，而极端角度则可能根据所使用的材料和打印技术不同，要么加剧不准确性，要么提高精度[20]、[21]。
本研究探索了一种结合传统经验测试与数据驱动统计建模的二次非线性拟合方法。这种可解释的数学模型能够捕捉打印角度与层厚之间的连续非线性相互作用，允许使用最少的数据集准确预测最佳参数组合。假设二次回归模型可以准确预测在临床相关参数范围内最小化DLP打印树脂冠尺寸偏差的最佳打印角度。因此，本研究旨在（1）分析打印角度和层厚对牙冠精度的影响，（2）开发一个非线性拟合模型来预测最佳打印参数，（3）通过实验验证预测的最佳角度。
材料与方法
本研究探讨了打印角度对DLP打印树脂冠精度的影响，并建立了一个基于机器学习的参数优化框架。如图1所示，研究包括三个连续阶段。首先，通过DLP打印制作牙冠样本，然后进行扫描，并与原始计算机辅助设计（CAD）模型进行比较，以计算均方根误差（RMSE）值，从而形成建模的数据集。其次，应用二次回归模型
训练集的精度数据
在不同打印角度和两种层厚（50 μm和100 μm）下打印的牙冠的RMSE值总结在表S1中，并在图3中进行了展示，该图显示了不同组间的表面精度及多重比较分析结果。在50 μm层厚下，30°的打印角度获得了最低的RMSE（0.0211 ± 0.0021 mm），表明其精度最高。将打印角度增加到90°时，RMSE值最高
讨论
本研究结果表明，打印角度（p < 0.0001）显著影响DLP打印树脂冠的尺寸精度。具体而言，中等打印角度（50 μm层时为37°，100 μm层时为45°）被确定为最佳角度，这些角度产生了最低的RMSE值，从而提高了精度。
结论
本研究证明，二次非线性拟合模型有效识别了DLP打印树脂冠的最佳打印角度。中等打印角度（50 μm层时为37°，100 μm层时为45°）产生了最低的RMSE值，证实了打印方向对尺寸精度有显著影响。数据驱动的方法能够在最少数据量的情况下实现高效且可解释的参数优化，凸显了其在提高牙科增材制造精度方面的潜在价值
资助
本工作得到了国家自然科学基金（编号：82301134）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
