【太孚美®】牙科3D打印钛合金粉末 产品优势5：牙科钛合金不同加工工艺对比

1.引言

成都优材科技有限公司自主研发和生产的牙科激光选区熔化钛合金粉末--【太孚美^®】已分别于2020年1月和2月取得三类医疗器械注册证和生产许可证，这标志着牙科钛合金激光3D打印正式进入合规化和市场化的新时代。优材科技致力于为广大的牙科3D打印加工客户提供优质的粉末原材料，并提供全面的技术支持。

优秀的品质和严格的审查决定了【太孚美^®】本身的市场认可度，对比众多的粉末品牌和合金种类，【太孚美^®】粉末有何特点和优势呢？优材科技将从粉末球形度、粉末流动性、化学纯度、成型牙科修复体耐久性（金相组织和疲劳）、不同金属材料的性能对比、不同成型工艺的对比、成型卡环性能优势、义齿加工企业应用实例、临床病例介绍等方面分享【太孚美^®】的优势。本篇文章将选择牙科钛合金作为加工原材料，对比激光3D打印、切削和铸造三种制作工艺。

2.牙科钛合金常见加工工艺

当前牙科行业中，钛及钛合金修复体主要的加工方式有铸造、切削和3D打印。铸造是最早用来进行牙科修复体制备的加工方式，但是由于工序繁琐，且成品中易出现砂眼、缩孔等缺陷，该加工方式的发展受到了较大的限制；数控切削机床由于RPD的几何结构复杂且精细，很难找到合适的切削附着点，且对于钛合金而言，其较高的硬度和较差的导热性，极大降低了刀具寿命和效率，同时在加工过程中还容易导致支架变形[1]；3D打印是近年来在牙科领域高速发展的一种加工方式，其可以根据患者情况进行个性化设计，对于复杂结构的修复有很高的成型效率和成型精度，且成型的修复体兼顾弹性和塑性。本文就将对这三种加工方式进行对比，来发掘3D打印在牙科加工中相比于另外两种加工方式的特点和优势。

3.不同工艺成型情况对比

本文对三种加工方式进行了对比，以激光选区熔化（SLM）工艺作为3D打印的代表工艺，从下表中可以看出，SLM工艺的原材料几乎没有损耗，利用率要远高于另外两种加工方式；在加工效率上，SLM工艺12个小时可以加工26个支架，而切削在同样时间只能加工4个支架，至于铸造，工序繁琐且需要人工操作，且需要考虑成品率问题，加工效率很不稳定；SLM工艺诞生之初，就凸显了个性化设计的优势，而且可根据患者的情况，设计出最精准、最贴合的模型，进而完成成型，因此在设计自由度和尺寸精度上也是要高于另外两种加工方式的。

表1 三种加工工艺对比

4.成型件组织与性能对比

组织决定性能，不同加工方式对TC4钛合金的组织影响巨大，以下各图分别是SLM工艺、切削和铸造TC4的金相组织[2]。从图中可以看出，3D打印件的组织和切削件的组织明显比较细小，铸造件组织粗大。3D打印件中，各针状组织交错排列，犹如编织网篮状，细小而均匀，这种组织拥有良好的延展性、耐冲击性、断裂韧性等性能。

图1 SLM成型TC4钛合金金相

图2 切削TC4钛合金金相

图3 铸造TC4钛合金金相

进一步对三种加工方式成型件进行力学性能测试，如下表所示。

表2 钛合金三种加工方式力学性能对比

从以上对比表格可以看出，SLM成型钛合金和切削钛合金致密度都是接近100%，结合显微组织，说明合金内部致密，无明显缺陷。而铸造钛合金致密度水平在85%左右，主要是因为在铸造中很容易形成缩孔、砂眼等缺陷，严重影响牙科修复体的使用。此外，SLM成型的钛合金屈服强度最高，可发生的弹性变形超过切削钛合金和铸造钛合金，在临床上就变现出良好的回弹性。

综上所述，SLM成型TC4钛合金，在具有较高强度和硬度的同时，兼具弹性和塑性，更匹配口腔临床使用的要求。

5.临床使用效果对比

由于TC4钛合金切削难度较高，设备成本和材料成本远高于SLM和铸造，因此TC4钛合金牙科修复体常规的加工方式是SLM和铸造工艺。

5.1 固位力

选择SLM工艺（EOS设备和Concept Laser设备）和铸造工艺成型两种不同倒凹深度（0.25mm和0.75mm）的钛合金卡环，进行15,000次循环，模拟患者使用十年的摘戴次数，每1,500次循环记录一次固位力。

图4 SLM工艺和铸造工艺成型0.25mm和0.75mm钛合金卡环的固位力

从图4中可以看出，两种设备均采用SLM工艺成型钛合金卡环，他们的固位力处于同一水平，而铸造卡环的固位力最小，同时在循环一定次数后，下降最为明显。

5.2 摩擦磨损

选择SLM工艺（EOS设备和CL设备）和铸造工艺成型的钛合金样品，采用高精度微动摩擦磨损测试仪（Rtec，USA）进行球面模型体外两体磨损测试，进行120,000次循环次数，模拟口内使用一年时间。

图5 SLM工艺（EOS设备和CL设备）和铸造工艺成型的钛合金样品磨损深度对比

从图5中可以看出，铸造工艺成型的钛合金样品磨损深度要高于SLM成型的样品，临床表现为SLM成型的修复体更耐磨。

5.3 文献研究

本文还研究了国内不同加工方式制作的牙科修复体在临床上的使用效果。从下表的文献结果汇总也可以发现，SLM成型钛合金相比于铸造钛合金在临床上拥有更好的使用效果。

表3 不同加工方式成型钛合金临床应用效果文献研究汇总

6 总结

1、对比SLM、切削、铸造三种加工方式，发现SLM工艺在原材料利用率、加工效率、设计自由度和尺寸精度上都要优于另外两种加工方式，是牙科领域未来重点发展的一种技术。

2、SLM成型件的组织细小且均匀，如编织网篮状，其在强度和塑性上更是要远远优于铸造成型件，而回弹性也要比切削件好。

3、通过对比SLM成型件和铸造件的固位力和摩擦磨损性能，发现SLM成型件均优于铸造件，且在大量文献研究中，SLM成型钛合金相比于铸造钛合金在临床上拥有更好的使用效果。

4、【太孚美^®】作为SLM工艺使用的钛合金粉末，成型的牙科钛合金修复体表现出优异的综合性能，超过了传统的铸造修复体，为3D打印在牙科领域的进一步推广应用提供了重要的支撑。

7 参考文献

[1] Kianoosh Torabi, Ehsan Farjood, Shahram Hamedani. Rapid Prototyping Technologies and their Application in Prosthodontics, a Review of Literature[J]. 2015,16(1):1-9

[2] 肖凌浩. 3D打印技术及其在口腔修复学领域的应用[J]. 口腔颌面修复学杂志，2015,16(6): 359-362

[3] 李豪杰. 3D打印与传统加工TC4钛合金组织与力学性能对比研究[D]. 北方工业大学