3D打印钴铬合金应用于可摘局部义齿支架制作的机械性能评价

于爱琳

摘要：目的：对3D打印钴铬合金在可摘局部义齿支架制作中的机械性能进行评价。方法：制备3D打印钴铬合金的试样，然后测试3D打印钴铬合金试样的显微维氏硬度和机械性能，研究拉伸试样的断口形貌。结果：经过拉伸实验证明，3D打印钴铬合金的屈服强度为（996.8±16.9MPa）、抗拉强度为（997±13.9 MPa）、维氏硬度（346±4HV）、延伸率为（20.89±1.5%），钴铬合金的断口呈典型韧性断裂特征。结论：3D打印钴铬合金的机械性能好，具有很强的耐腐蚀性，可以满足可摘局部义齿支架的性能要求。

关键词：3D打印钴铬合金；可摘局部义齿；支架制作；机械性能

随着科学技术的不断发展，3D打印技术被广泛应用于各个行业内，使用3D打印技术生成的产品结构外形和精度都很高，在小规模、高端定制化的产品制造中应用效果明显。将3D打印数字化技术应用到可摘局部义齿支架的制作中， 能够简化加工工艺流程，提高义齿支架的精度，节约成本和时间。钴铬合金是一种以钴和铬为基质的不锈钢种类，具有很好的抗腐蚀性与耐酸性，因其价格低廉、韧性好、毒性低，成为口腔科牙齿修复的常用金属材料。本文通过对3D打印钴铬合金的机械性能进行研究，评价3D打印钴铬合金是否适用于可摘局部义齿支架的制作中。

1 资料与方法

1.1一般资料

金属3D打印机：Conceptlaser laser CUSING Mlab R，美国；拉伸试样机：Instron 3367 ，美国；显微硬度计：MH-6维氏显微硬度计，中国；扫描电子显微镜：日立S-4800场发射扫描电镜，日本；粗糙度轮廓仪：Taylor Hobson i120，英国。

1.2 方法

1.2.1制备3D打印钴铬合金试样

按照国家标准GB228-2010，设定非比例拉伸试样规格，总长51mm、宽14mm、厚1.5mm，缩窄部的长为10mm、宽5mm，与夹持部弧形相接。使用数字化设计软件构建3D模型，将模型数据导入金属3D打印机中。采用选择性激光熔铸（Selective laser Melting ，简称SLM）方式使钴铬合金材料成型。热处理条件：将温度加热至1150℃保持1小时，加热速率为400℃/h，然后炉内冷却至300℃[1]。

1.2.2测试3D打印钴铬合金的机械性能

使用水砂纸对3D打印钴铬合金试样进行打磨抛光直至表面光洁，X线探伤后采用6个内部无孔试样，在拉伸机上测试3D打印钴铬合金试样的屈服强度、抗拉强度和延伸率，观察扫描电镜下拉伸试样的断口。

1.2.3测试显微硬度

3D打印钴铬合金试样长为14mm，厚为1.5mm，由400目～2000目逐级打磨抛光去除试样表面的腐蚀层，将3D打印钴铬合金试样放在全自动显微硬度计上，测试3D打印钴铬合金试样的显微硬度。在试样上选取10个位置进行测量，取测量数据的平均值作为试样的硬度。用统计学方法表示6个试样的硬度结果[2]。

2 结果

2.1 3D打印钴铬合金试样的机械性能结果

使用拉伸机对3D打印钴铬合金试样的机械性能进行实验，结果表明3D打印钴铬合金的屈服强度为（996.8±16.9MPa）、抗拉强度为（997±13.9 MPa）、维氏硬度（346±4HV）、延伸率为（20.89±1.5%）（如表1所示）。

2.2 3D打印钴铬合金断口形貌

3D打印钴铬合金试样的断口在扫描电镜下显示出明显的颈缩现象，断口具有韧性断裂的特征，高倍照片下可以看到韧窝状花样形貌，如图1所示：

2.3表面粗糙度

3D打印钴铬合金试样的峰谷相对高度较小，表面轮廓曲线较为平坦，表面粗糙度值Ra=0.0056+0.0001?m。

3 讨论

可摘局部义齿是一种患者用于亚缺损部位的自行摘戴的修复体，可摘局部义齿支架是义齿的重要组成部分，在制作过程中对精度、表面粗糙度的要求较高，铸件具有多样性、复杂性的特点，整铸支架容易出现气孔、缩孔缩松、浇不全和表面粗糙等问题，在铸造过程中有很大的影响因素[4]。钴铬合金是口腔修复中常见的一种材料，主要用于整铸支架的制作中，可摘局部义齿支架的结构比较特殊，具有壁薄、结构复杂、卡环不易成形等问题，使用3D打印技术能够很好的解决以上问题，缩短产品试制周期，减少劳动力，提高可摘局部义齿支架的生产率等等。有关3D打印钴铬合金在可摘局部义齿支架机械性能分析中的研究如下：

3.1 3D打印钴铬合金试件成型工艺

使用传统失蜡法对钴铬合金试件进行铸造具有加工周期长、工艺复杂、机械性能不理想、试件内部存在气孔和表面粗糙度不达标等情况。金属在高温环境容易发生氧化，影响修复体的质量。CAM/CAD技术常用于原材料的切削中，虽然这种制造方法的精度高，但是也具有使用成本高、程序较多、操作难度大的问题，在可摘局部义齿支架制作中的应用较少。3D打印技术可以快速成型，是一种以数字模型文件为基础，使用逐层打印的方式将金属或塑料材料制作成所需实体的技术。在此次研究中笔者使用3D打印技术代替传统蜡型制作技术设计可摘局部义齿支架的模型，使用SLM技术将钴铬合金金属粉末逐层堆积。在快速成型技术成型的金属密度接近100%，尺寸精度高，解决传统铸造工艺金属收缩的问题。3D打印钴铬合金的材料密度较高，较高的材料密度可以提升材料的硬度。将3D打印钴铬合金应用到可摘局部义齿支架的制作中保证修复体在抵抗咬合力时不会发生变形和断裂，提高可摘局部义齿支架的使用寿命和经济效益[5]

3.2 3D打印钴铬合金的机械性能

在拉伸试验中得到了3D打印钴铬合金试件的屈服强度为（996.8±16.9MPa），在制作时减少修复体的尺寸与体积，减轻修复体的和重量，在咬合作用下具有很强的抵抗形变能力；抗拉强度为（997±13.9 MPa），抗拉强度可以满足可摘局部义齿支架的力学性能要求；延伸率（20.89±1.5%），制作的局部义齿支架卡环塑性可加工性好，抗折断能力强；传统铸造钴铬合金的平均维氏硬度（320+12HV）， 3D打印钴铬合金试样的维氏硬度（346±4HV）。 在机械性能测试中笔者发现使用SLM技术制作的金属材料内部晶粒较小、排列紧密，更加均质化，具有很高的机械强度。3D打印钴铬合金试件的塑性可以通过颈缩反映出来，颈缩越大，材料塑性越好；韧窝尺寸越大，材料塑性越好。通过观察3D打印钴铬合金断口的形貌可以得知3D打印钴铬合金试件的塑性很好，有利于修复体加工[6]。

参考文献：

[1]张倩，吴文孟，宁宝麟， 等.3D打印钴铬合金应用于可摘局部义齿支架制作的机械性能评价[J].全科口腔医学电子杂志，2016，（1）：87-89.

[2]牛茂，许在俊，李月.基于三维打印技术制作可摘局部义齿支架树脂熔模的适合性研究[J].重庆医学，2015，（9）：1235-1238.

[3]山东迈尔口腔材料有限公司.一种基于3D打印的义齿制造方法：CN201510491078.2[P].2015-11-11.

[4]呼峰.3D打印可摘局部义齿支架适合性的研究[D].首都医科大学，2016.

[5]劉一帆，王伟娜，于海， 等.选择性激光熔覆（SLM）钛合金可摘局部义齿支架的适合性研究[J].实用口腔医学杂志，2017，（3）：302-305.