3D打印技术与传统铸造工艺对制造牙科钴铬合金烤瓷牙内胆的性能比较与研究 张冬云;高志鹏;董冬冬;刘臻;周岩
【摘 要】对传统铸造工艺与3D打印技术中的选区激光熔化技术在制作金属内胆烤瓷牙的Co-Cr合金方面的性能进行对比. 主要对金属内胆烤瓷面的表面粗糙度、金瓷结合性能、热膨胀系数、力学性能等进行比较研究,出了这两种工艺产生不同性能的原因和相同工艺中不同性能之间的联系. 同时提出了一种热处理方法,可改善3D打印技术存在的不足.%This paper is focus on traditional casting process and 3D printing technology using for producing Co-Cr alloy porcelain fused to metal (PFM) metal tank performance comparison. The performance is mainly roughness of baked porcelain ,metal-ceramic bonding strength ,coefficient of thermal expansion and fracture analysis ,founding the reason why these different happened and the relationship of the same process of different performance ,exploring the method of improving 3D printing performance. 【期刊名称】《电加工与模具》
通用硒鼓【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】5页(P32-35,40)
【关键词】材料;铸造;激光选区熔化;金瓷结合强度;工艺;性能
【作 者】张冬云;高志鹏;董冬冬;刘臻;周岩
【作者单位】北京工业大学激光工程研究院/北京市数字化医疗3D打印工程技术中心,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院/北京市数字化医疗3D打印工程技术中心,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院/北京市数字化医疗3D打印工程技术中心,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院/北京市数字化医疗3D打印工程技术中心,北京 100124;北京工业大学激光工程研究院/北京市数字化医疗3D打印工程技术中心,北京 100124
【正文语种】中 文
【中图分类】TG669
3 D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打
印的方式来构造三维物体的新兴技术，通常采用数字技术材料打印机来实现。现在国内最常用的金属3D打印机的主要工作流程为：首先进行三维图形的绘制和三角形化处理，然后用RPTOOLS软件进行分层，最后将处理好的文件录入打印机中调整参数进行打印。随着3D打印技术的日益发展，许多领域已开始应用3D打印技术。其中，应用最广泛的一项技术为激光选区熔化技术（selective laser melting，SLM）。外国公司根据其技术原理生产出了自己的3D打印机，而在国内该领域还属于起步阶段。
现阶段，3D打印技术应用最广泛的是航天和医疗领域。在航天领域主要用于传统制造领域加工较难的零件，采用3D打印技术进行某些航天零部件的制造可降低成本、缩短周期，有助于设计研发具有新功能、新结构的零部件，提高结构可靠性，还可带动相关产业链的发展［1］。随着3D打印技术的发展和成熟，这一新兴的科技成果开始进入医学领域，在医学模型制造、组织器官再生、临床修复和药物研发试验等领域得到了广泛应用［2］。在这些应用中，目前应用最广泛、成熟的就是牙科材料制造领域，而最重要的应用是制作烤瓷牙牙冠金属内胆。其中，医用钴铬合金是制作烤瓷牙冠金属内胆的主要材料，它具有无刺激性、无毒性、无致癌物、无诱变畸变性的特点［3］。虽然我国制作烤瓷牙的工艺已较成熟，但在钴铬合金材料本身的性能研究上还非常欠缺，如：不同工艺制作烤瓷牙的性
能比较方面还存在不足，烤瓷牙金属内胆材料不同性能之间的联系还没有到。因此，本文重点对传统铸造工艺和3D打印技术在制作烤瓷牙金属内胆方面的性能特点进行比较，并出不同性能特点及其存在差异的原因。
匕首1.1 实验原材料的准备
二代身份证识别系统针对医用钴铬合金材料进行研究，其主要制作工艺有传统铸造及3D打印技术。第一部分为用于制作铸造试样的材料：ASTM F75型的医用钴铬合金，其主要成分见表1。制作方法为：先将模具预热至910℃，再将1450℃的F75铸造液放入Ducatron S3型离心铸造机的模具中。其中，3个制作的试样尺寸为25 mm×3 mm×0.5 mm（长×宽×高），用于对加工面的垂直面进行表面粗糙度测试。根据相关标准［4］，制作的3个试样尺寸为10 mm×10 mm×1 mm（长×宽×高），然后在中间处外镶烤瓷1 mm厚，烤瓷为常用的医用陶瓷，具体尺寸见图1。铸造方法制作试样还有一个底面半径为3 mm、高为2mm的圆柱体，用于热膨胀系数测试。 涂布白板纸
入口雨棚第二部分为3D打印的样品，用于制造该样品的材料是MP1粉末，其主要成分见表2。通过EOS M280制作MP1粉末所应用的工艺参数如下：输出功率195 W，光斑直径100 μm，搭
接率30%，铺粉层厚20 μm。其中，3个制作的试样尺寸为10 mm×10 mm×1 mm（长×宽×高），用于对加工面的垂直面进行粗糙度测试。根据相关标准［4］，制作的3个试样尺寸为25 mm×3 mm×0.5 mm（长×宽×高），然后在中间处外镶烤瓷1 mm厚，烤瓷为常用的医用陶瓷，具体尺寸见图1。如铸造相同，用3D打印的方法制作一个底面半径为3 mm、高为2 mm的圆柱体，用于热膨胀系数测试。
1.2 金瓷结合强度测试
金瓷结合强度是指金属基体与外镶烤瓷的结合强度，跟金与瓷断裂时受到的剪切力有关，包含物理结合力、化学结合力和范德瓦尔斯力，其中主要受力为化学结合力。目前，金瓷结合强度测试方法有拉出和剪出测试、平行界面剪切测试、扭转测试、双轴弯曲测试和三点弯曲测试等。
拉出和剪出测试［3、5］存在应力集中，测试结果易受残余应力的影响；瓷层厚度不易控制，试件瓷层厚度的轻微变化对金瓷结合强度的测试结果影响很大；石膏与金属之间存在摩擦力；试件和金瓷修复体的结构不同，冷却过程中产生的残余应力值不同。这些缺陷使测试结果难以真实反映金瓷结合强度，因此，该测试方法己基本不再使用。
平行界面剪切测试［6-7］的优点是避免了金属弹性模量差异对测试结果的影响。虽然设计存在一定的缺陷，试件上载荷的扭力不能完全传递到金瓷界面，但学者声称该测试方法的界面为单纯的扭剪力，应力分布均匀，结果不受金属机械性能的影响，对瓷层的厚度要求不高，且制作省时。因此认为只要经过改进，该测试方法仍具有良好的前景。
鱼苗孵化设备扭转测试［8-9］提出了用界面断裂模式来判断金瓷修复体的结合强度。然而，使用粘结剂增强金瓷结合强度时不能采用该方法；2个金瓷系统的金瓷结合强度都很差，金瓷界面断裂、金属表面无瓷残留时，无法用该方法对2个系统进行比较；当残留瓷层厚度＜1 nm时，射线能谱分析仪无法测出这一部分的硅含量，结果有误差。
1966年，Lavine等［10］首先把三点弯曲运用到金瓷结合强度的测试上。研究认为在试件金属饲加力，瓷所受的力以拉应力为主。金瓷界面所受的力主要为剪切应力，排除了弹性模量对测试结果的影响，试件易于制作，测试方法简单，结果重复性好，模拟临床情况，可适用于所有金瓷的结合强度测试；虽然还是存在应力集中现象，也不能排除残余应力的影响，但目前仍为较理想的金瓷结合强度检测方法。
根据YY 0621—2008标准［4］，利用万能力学测试仪，通过三点弯曲测试方法进行实验。
用于三点弯曲试验的两支点间的跨距为12～15 mm，十字头运动速度为（1±0.5）mm/min，支撑试样的两支点由硬质钢（或高强度陶瓷）制成，其圆形刃口的半径为0.8～1.0 mm，负荷经第3个半径为0.8～1.0 mm的钢制圆形刃口施加于两支点中央。试验样品尺寸为25 mm×5 mm×2 mm，用30～40 μm的金刚石粉或磨片研磨，用15～20 μm的金刚石粉或磨片进行最后抛光制成试样。测量每个试样的横截面尺寸，精度达0.01 mm，将一个试样置于试验机的正中，使负荷沿垂直于试样长轴方向施加于4 mm宽的试样表面，测定试样断裂所需的负荷，精确到±0.1 N。重复以上步骤对剩余试样进行测试，并计算每个试样的弯曲强度M：
