3D打印鈷鉻合金應(yīng)用于可摘局部義齒支架制作的機(jī)械性能評(píng)價(jià)

于愛琳

摘要：目的：對(duì)3D打印鈷鉻合金在可摘局部義齒支架制作中的機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。方法：制備3D打印鈷鉻合金的試樣，然后測(cè)試3D打印鈷鉻合金試樣的顯微維氏硬度和機(jī)械性能，研究拉伸試樣的斷口形貌。結(jié)果：經(jīng)過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)證明，3D打印鈷鉻合金的屈服強(qiáng)度為（996.8±16.9MPa）、抗拉強(qiáng)度為（997±13.9 MPa）、維氏硬度（346±4HV）、延伸率為（20.89±1.5%），鈷鉻合金的斷口呈典型韌性斷裂特征。結(jié)論：3D打印鈷鉻合金的機(jī)械性能好，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，可以滿足可摘局部義齒支架的性能要求。

關(guān)鍵詞：3D打印鈷鉻合金；可摘局部義齒；支架制作；機(jī)械性能

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)內(nèi)，使用3D打印技術(shù)生成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形和精度都很高，在小規(guī)模、高端定制化的產(chǎn)品制造中應(yīng)用效果明顯。將3D打印數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到可摘局部義齒支架的制作中， 能夠簡(jiǎn)化加工工藝流程，提高義齒支架的精度，節(jié)約成本和時(shí)間。鈷鉻合金是一種以鈷和鉻為基質(zhì)的不銹鋼種類，具有很好的抗腐蝕性與耐酸性，因其價(jià)格低廉、韌性好、毒性低，成為口腔科牙齒修復(fù)的常用金屬材料。本文通過(guò)對(duì)3D打印鈷鉻合金的機(jī)械性能進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)3D打印鈷鉻合金是否適用于可摘局部義齒支架的制作中。

1 資料與方法

1.1一般資料

金屬3D打印機(jī)：Conceptlaser laser CUSING Mlab R，美國(guó)；拉伸試樣機(jī)：Instron 3367 ，美國(guó)；顯微硬度計(jì)：MH-6維氏顯微硬度計(jì)，中國(guó)；掃描電子顯微鏡：日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本；粗糙度輪廓儀：Taylor Hobson i120，英國(guó)。

1.2 方法

1.2.1制備3D打印鈷鉻合金試樣

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB228-2010，設(shè)定非比例拉伸試樣規(guī)格，總長(zhǎng)51mm、寬14mm、厚1.5mm，縮窄部的長(zhǎng)為10mm、寬5mm，與夾持部弧形相接。使用數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建3D模型，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入金屬3D打印機(jī)中。采用選擇性激光熔鑄（Selective laser Melting ，簡(jiǎn)稱SLM）方式使鈷鉻合金材料成型。熱處理?xiàng)l件：將溫度加熱至1150℃保持1小時(shí)，加熱速率為400℃/h，然后爐內(nèi)冷卻至300℃[1]。

1.2.2測(cè)試3D打印鈷鉻合金的機(jī)械性能

使用水砂紙對(duì)3D打印鈷鉻合金試樣進(jìn)行打磨拋光直至表面光潔，X線探傷后采用6個(gè)內(nèi)部無(wú)孔試樣，在拉伸機(jī)上測(cè)試3D打印鈷鉻合金試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，觀察掃描電鏡下拉伸試樣的斷口。

1.2.3測(cè)試顯微硬度

3D打印鈷鉻合金試樣長(zhǎng)為14mm，厚為1.5mm，由400目～2000目逐級(jí)打磨拋光去除試樣表面的腐蝕層，將3D打印鈷鉻合金試樣放在全自動(dòng)顯微硬度計(jì)上，測(cè)試3D打印鈷鉻合金試樣的顯微硬度。在試樣上選取10個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，取測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為試樣的硬度。用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法表示6個(gè)試樣的硬度結(jié)果[2]。

2 結(jié)果

2.1 3D打印鈷鉻合金試樣的機(jī)械性能結(jié)果

使用拉伸機(jī)對(duì)3D打印鈷鉻合金試樣的機(jī)械性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明3D打印鈷鉻合金的屈服強(qiáng)度為（996.8±16.9MPa）、抗拉強(qiáng)度為（997±13.9 MPa）、維氏硬度（346±4HV）、延伸率為（20.89±1.5%）（如表1所示）。

2.2 3D打印鈷鉻合金斷口形貌

3D打印鈷鉻合金試樣的斷口在掃描電鏡下顯示出明顯的頸縮現(xiàn)象，斷口具有韌性斷裂的特征，高倍照片下可以看到韌窩狀花樣形貌，如圖1所示：

2.3表面粗糙度

3D打印鈷鉻合金試樣的峰谷相對(duì)高度較小，表面輪廓曲線較為平坦，表面粗糙度值Ra=0.0056+0.0001?m。

3 討論

可摘局部義齒是一種患者用于亞缺損部位的自行摘戴的修復(fù)體，可摘局部義齒支架是義齒的重要組成部分，在制作過(guò)程中對(duì)精度、表面粗糙度的要求較高，鑄件具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，整鑄支架容易出現(xiàn)氣孔、縮孔縮松、澆不全和表面粗糙等問題，在鑄造過(guò)程中有很大的影響因素[4]。鈷鉻合金是口腔修復(fù)中常見的一種材料，主要用于整鑄支架的制作中，可摘局部義齒支架的結(jié)構(gòu)比較特殊，具有壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、卡環(huán)不易成形等問題，使用3D打印技術(shù)能夠很好的解決以上問題，縮短產(chǎn)品試制周期，減少勞動(dòng)力，提高可摘局部義齒支架的生產(chǎn)率等等。有關(guān)3D打印鈷鉻合金在可摘局部義齒支架機(jī)械性能分析中的研究如下：

3.1 3D打印鈷鉻合金試件成型工藝

使用傳統(tǒng)失蠟法對(duì)鈷鉻合金試件進(jìn)行鑄造具有加工周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、機(jī)械性能不理想、試件內(nèi)部存在氣孔和表面粗糙度不達(dá)標(biāo)等情況。金屬在高溫環(huán)境容易發(fā)生氧化，影響修復(fù)體的質(zhì)量。CAM/CAD技術(shù)常用于原材料的切削中，雖然這種制造方法的精度高，但是也具有使用成本高、程序較多、操作難度大的問題，在可摘局部義齒支架制作中的應(yīng)用較少。3D打印技術(shù)可以快速成型，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，使用逐層打印的方式將金屬或塑料材料制作成所需實(shí)體的技術(shù)。在此次研究中筆者使用3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)蠟型制作技術(shù)設(shè)計(jì)可摘局部義齒支架的模型，使用SLM技術(shù)將鈷鉻合金金屬粉末逐層堆積。在快速成型技術(shù)成型的金屬密度接近100%，尺寸精度高，解決傳統(tǒng)鑄造工藝金屬收縮的問題。3D打印鈷鉻合金的材料密度較高，較高的材料密度可以提升材料的硬度。將3D打印鈷鉻合金應(yīng)用到可摘局部義齒支架的制作中保證修復(fù)體在抵抗咬合力時(shí)不會(huì)發(fā)生變形和斷裂，提高可摘局部義齒支架的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益[5]

3.2 3D打印鈷鉻合金的機(jī)械性能

在拉伸試驗(yàn)中得到了3D打印鈷鉻合金試件的屈服強(qiáng)度為（996.8±16.9MPa），在制作時(shí)減少修復(fù)體的尺寸與體積，減輕修復(fù)體的和重量，在咬合作用下具有很強(qiáng)的抵抗形變能力；抗拉強(qiáng)度為（997±13.9 MPa），抗拉強(qiáng)度可以滿足可摘局部義齒支架的力學(xué)性能要求；延伸率（20.89±1.5%），制作的局部義齒支架卡環(huán)塑性可加工性好，抗折斷能力強(qiáng)；傳統(tǒng)鑄造鈷鉻合金的平均維氏硬度（320+12HV）， 3D打印鈷鉻合金試樣的維氏硬度（346±4HV）。 在機(jī)械性能測(cè)試中筆者發(fā)現(xiàn)使用SLM技術(shù)制作的金屬材料內(nèi)部晶粒較小、排列緊密，更加均質(zhì)化，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度。3D打印鈷鉻合金試件的塑性可以通過(guò)頸縮反映出來(lái)，頸縮越大，材料塑性越好；韌窩尺寸越大，材料塑性越好。通過(guò)觀察3D打印鈷鉻合金斷口的形貌可以得知3D打印鈷鉻合金試件的塑性很好，有利于修復(fù)體加工[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]張倩，吳文孟，寧寶麟， 等.3D打印鈷鉻合金應(yīng)用于可摘局部義齒支架制作的機(jī)械性能評(píng)價(jià)[J].全科口腔醫(yī)學(xué)電子雜志，2016，（1）：87-89.

[2]牛茂，許在俊，李月.基于三維打印技術(shù)制作可摘局部義齒支架樹脂熔模的適合性研究[J].重慶醫(yī)學(xué)，2015，（9）：1235-1238.

[3]山東邁爾口腔材料有限公司.一種基于3D打印的義齒制造方法：CN201510491078.2[P].2015-11-11.

[4]呼峰.3D打印可摘局部義齒支架適合性的研究[D].首都醫(yī)科大學(xué)，2016.

[5]劉一帆，王偉娜，于海， 等.選擇性激光熔覆（SLM）鈦合金可摘局部義齒支架的適合性研究[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，2017，（3）：302-305.