牙科鈷鉻合金數字化加工應用工藝及常見質量問題改善

尹長軍

（東莞市翔通光電技術有限公司，廣東 東莞523000）

鈷鉻合金材料因其具有良好的物理性能、耐腐蝕性、生物相容性和親民的價格優勢，一直以來是牙科和醫療骨科領域的重要材料。鈷鉻合金作為一款重要的義齒材料，隨著加工技術的飛速進步，鈷鉻金屬義齒在技工廠制造工藝逐步由傳統的鑄造包埋技術向快速普及的CAD/CAM 切削技術、增材制造技術轉變。特別是增材制造技術近幾年在醫療口腔領域的飛速發展和本身所特有的技術優勢，得到了大批義齒加工企業的推崇和引進。但無論是CAD/CAM 切削工藝，還是增材制造工藝，在義齒制作過程中，均存在較多質量問題并急需得到解決，比如牙模無法就位、變形、崩瓷或裂瓷等現象。

本文分別介紹了鈷鉻合金材料CAD/CAM 切削工藝和增材制造工藝流程，并探討了常見質量問題和改善辦法，為進一步普及數字化切削技術和增材制造技在醫療口腔領域的應用提供參考。

1 CAD/CAM 切削工藝

1.1 工藝流程

CAD/CAM 技術在牙科口腔領域的應用最早在20 世紀70 年代，并于1988 年作為商品正式進入醫療口腔領域[1]，鈷鉻軟質金屬采用CAD/CAM 技術制作義齒，其制作工藝流程為：牙形設計—排版—燒結—打磨—噴砂—清洗—上瓷上釉。與傳統鑄造包埋技術相比，CAD/CAM 切削技術工藝流程縮短[2]，因更多采用數字化加工技術，減少了對技工經驗和熟練程度的依賴，生產效率得到明顯提高，合格率更加可控和穩定。

1.2 主要質量問題及改善辦法

1.2.1 牙模就位不良

材料經切削加工后，須進行燒結，使材料冶金結合，燒結后的修復體用牙模進行試戴時，經常會出現就位不良的現象，如翹動、不密貼或過緊等現象，如圖1 所示。原因分析及改善辦法如下。

圖1 無法正常就位的實物照片

佩戴翹動、松動或不密貼問題。首先考慮鈷鉻軟質金屬材料質量本身是否有問題，比如產品壓坯密度嚴重不一致，導致燒結后出現的收縮不均勻。另外，材料在切削加工過程中因受潮，壓坯強度下降，修復體在燒結前已發生變形等均會導致燒結后牙模佩戴時出現翹動或松動等現象。解決這一問題，需要材料制造商提供優質產品，從源頭降低變形概率。材料在存放和切削加工中，需要嚴格控制空氣濕度，根據材料特性和長期應用經驗得知，加工時空氣濕度應小于60%為佳，同時切削機的壓縮空氣系統的氣源也須進行干燥處理，以減小加工倉的濕度。

牙模佩戴過緊問題。佩戴過緊，可能是燒結溫度過高或爐膛溫場嚴重不均所致。根據現有粉末冶金燒結理論[3]和研究資料[4]表明，燒結溫度高于最佳理論溫度后，溫度與變形成正比，需要定期校驗爐溫，確保爐溫準確。牙模佩戴過緊也可能是加工收縮比參數或設計參數不匹配所致。設計參數（以exocad 軟件為例），粘結劑間隙為0.02～0.03 mm，額外水平間隙為0.01～0.02 mm，額外垂直間隙為0.02～0.03 mm。設計間隙過小會出現佩戴過緊的現象。

1.2.2 燒結發黑和脫皮現象

鈷鉻合金切削后再進行燒結時，燒結后經常會出現貨件發黑脫皮的現象，如圖2 所示。原因分析及改善辦法如下。

圖2 燒結后的貨件實物照片

燒結試驗：準備三份切削后待燒的修復體樣品，分別記為1、2、3，燒結爐型號為KJ-B-04 馬弗爐，燒結氣氛分別是一爐通入2 L/min 氬氣，一爐通入1 L/min 氬氣，一爐則不通入氬氣，三爐爐次也分別記為1、2、3，與樣品編號一一對應，燒結溫度為1 270 ℃，保溫1 h。

出爐結果（如圖2）：1 號樣品呈銀灰色，2 號樣品呈墨綠色，3 號樣品呈黑色并出現脫皮現象。結果表明，燒結時未通入氬氣，材料會出現嚴重氧化，出現發黑并伴有脫皮現象。通過燒結試驗得知，控制爐內燒結氣氛，使其在惰性氣氛中燒結，是改善燒結發黑和脫皮的有效手段。

2 增材制造工藝

2.1 工藝流程

增材制造以三維模型數據為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝[5]，最早的一臺3D 打印機于20 世紀80 年代由3D Systems 公司推出[6]。其義齒制作工藝流程為：牙形設計—打印成型—應力釋放—打磨—噴砂—清洗—上瓷上釉。與CAD/CAM 切削工藝相比，增材制造工藝具有大幅節約材料，綜合性能良好等優勢，符合未來技術發展趨勢。

2.2 主要質量問題及改善辦法

2.2.1 變形

在增材制造成型實踐中，變形是很常見的質量問題，會在打磨時出現無法和牙模就位的情況，嚴重時還會出現斷裂。原因分析及改善辦法如下。

增材制造成型工藝中，激光掃描速度極快，激光束停留在粉末上的時間僅0.5～2 ms[7]，鈷鉻合金粉末被快速加熱、熔化、冷卻和凝固，在金屬內部產生溫度梯度，并形成較大的內應力，應力達到屈服極限時，即產生變形，嚴重時還會發生斷裂，如圖3 所示。

改善方法如下：①優化支撐結構。一般支撐類型有十字形、圓柱形和圓錐形。因為十字形支撐與義齒接觸面相對較小，對于較寬厚的義齒可能起不到承載和“拉扯”的作用。而圓柱形支撐雖然接觸面積較大，但成型后卻難以分割，且在一定程度上會浪費原材料。圓錐形支撐與義齒接觸面會有一定角度，能有效綜合前兩種支撐優勢，一定程度上可改善因變形導致的裂紋。②成型后的義齒先不予分割義齒和基板，而是進行整體去應力熱處理后再進行分割。根據不同的成型工藝參數和所用合金粉末不同成分，熱處理制度約有差異，一般鈷鉻合金去應力熱處理溫度為800～900 ℃，高溫保溫1 h，即可充分去除材料內部熱應力，解決打磨工序出現的因變形而無法與模型就位的問題。③優化成型工藝參數，如激光功率大小、鋪粉厚度、掃描間距與掃描速度等，可以進一步改善變形問題。

圖3 翹曲變形示意圖[8]

2.2.2 崩瓷裂瓷

崩瓷或裂瓷是鈷鉻合金烤瓷牙制作過程中最常見的質量問題，也是影響修復體在病人端使用壽命的主要因素之一。

經典的金瓷結合理論認為，金瓷結合主要包括化學結合、機械結合、壓縮結合與范德華力結合四種，其中作用影響最大的是化學結合，其次分別是機械結合、壓縮結合和范德華力結合。在工藝實踐中，主要由牙形設計、材料線膨脹系數選擇以及金屬表面處理狀態三方面所致。

設計環節，金屬內冠、瓷層的厚度以及外觀形態設計不當會導致崩瓷或裂瓷。打磨后的義齒內冠厚度一般不宜低于0.2 mm，瓷層厚度不宜高于2 mm，在設計環節需要為之后工序留有相應加工余量，以保證義齒在咬合時，金屬內冠能有足夠的支撐強度和韌性，達到改善崩瓷或裂瓷的目的。

因為金屬和瓷層各自導熱性能存在較多差異，當瓷層的線膨脹系數等于或大于金屬的線膨脹系數時，在烤瓷階段，特別是降溫時，在瓷層和金屬的拉應力和壓應力作用下易發生崩瓷或裂瓷。瓷層的線膨脹系數適當小于金屬線膨脹系數可有效防止崩瓷或裂瓷，但兩者匹配標準國際上目前并無統一標準，大量工藝實踐認為，金屬線膨脹系數大于瓷層，在0.8～1.2 之間則有利于金瓷結合。

金屬表面粗糙程度、氧化膜厚度會明顯影響金屬潤濕條件，影響金屬和瓷層的機械結合和化學結合。過于粗糙的冠面在殘余應力的作用下會提高崩瓷概率，同時因金屬過于粗糙，瓷層在高溫下難以與金屬完全有效浸潤，從而降低金瓷結合能力。在金屬表面處理環節，須確保冠面打磨圓潤，無明顯菱角、溝壑和縮孔，并須進行噴砂處理，以進一步消除材料局部應力，進而增加材料金瓷結合力。

3 結語

鈷鉻合金材料在義齒行業應用歷時已久，特別是近年來CAD/CAM 切削技術和增材制造技術在醫療牙科領域得到了快速發展，突破了傳統單一的制造方式。但新技術應用過程中也出現了新的質量問題，還需要進一步加大對新問題新疑惑的研究和思考，提升對新技術的消化和應用水平，更好滿足和推動數字化加工技術在牙科領域的應用和發展。