【太孚美®】牙科3D打印钛合金粉末 产品优势6：支架耐用性

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。本文章将从材料组织和疲劳性能两方面为大家介绍一下3D打印支架的耐用性优势。

2.组织决定性能

3D打印支架的微观组织决定了支架的性能，致密的均匀的组织具有较优的综合性能，这种组织更易获得较优的疲劳性能，这对支架的耐用性尤其重要。

我们将3D打印样品的微观组织（金相照片）与铸造的进行了对比，如下图所示：

 

图1 3D打印钛合金金相图

 

 

图2 铸造钛合金金相图

从微观组织上看，3D打印钛合金组织更加的均匀致密，而铸造钛合金金相中存在一些孔洞，这些孔洞会对产品的耐用性产生非常大的不利影响。此外，3D打印钛合金的组织都是细小的，铸造钛合金的组织都是粗大的，这种粗大的组织容易发生破碎，降低产品的性能。

3.钛合金大连接体疲劳性能

为了更充分的验证3D打印成型牙科支架的疲劳性能，开展大连接体疲劳测试，分别采用3D 工艺和真空铸造工艺制备测试样品，并对两种工艺制备的大连接体样品疲劳性能进行了对比。

对测试样品进行反复弯折，当样品出现断裂或循环次数达到十万次时，终止试验，记录给样品施加的最大载荷，如下表所示。

表1 3D打印和铸造测试样品疲劳测试结果

从表中可以看出，给3D打印大连接体施加最大450N的载荷下，反复弯折63650次后断裂，施加最大405N的载荷下，可以反复弯折十万次；而铸造样品，施加最大405N的载荷下，只能反复弯折56774次，施加最大360N的载荷下，可以反复弯折十万次。

组织决定了性能，正是由于铸造大连接体中存在较多的孔洞和其它缺陷，这才导致它的疲劳性能较差；而3D打印大连接体组织均匀，无明显缺陷，这就决定了它的疲劳性能要明显由于铸造大连接体。

5.钛合金卡环疲劳性能

为了更好的判定成型件的耐用性，我们又对3D打印和铸造的卡环进行了模拟患者十年摘戴实验，并对两种卡环的固位力进行对比。

实验选择EOSINT M280 SLM增材制造、Concept laser M2 SLM增材制造、铸造两种不同倒凹深度（0.25mm和0.75mm）的钛合金卡环，进行15,000次循环。

 

图3 倒凹深度0.25mm卡环固位力对比

 

 

图4 倒凹深度0.75mm卡环固位力对比

从图中可以看出，3D打印的卡环在模拟十年摘戴后，其固位力要优于铸造卡环；同时可以看出，3D打印卡环在摘戴过程中，固位力下降的幅度也要小于铸造卡环。因此，3D打印的卡环疲劳性能更优，稳定性也更好。

6.钴铬合金卡环疲劳性能研究

日本的研究学者对钴铬合金卡环进行了疲劳测试研究，按照0°、45°、90°三种方向成型卡环，如下图所示，图中还显示了卡环的结构：固定部（固定在疲劳机上）、卡环臂以及载荷加载位置。对三种方向成型的卡环进行热处理，热处理工艺有两种：（1）在1150℃下保温1h；（2）在1150℃下保温6h。

疲劳试验方法：采用正弦循环加载的方式，5HZ的加载频率，疲劳测试终止条件是最大载荷降低到初始载荷的85%，或者循环超过了106次。

 

图5 卡环设计及成型方向

表2 不同状态下的卡环样本名称

 

将疲劳测试结果汇总在下表中，所有测试样品均未达到循环106次，对于0°和45°成型的卡环来说，热处理1h后其疲劳寿命得到提升，而对于90°成型的卡环，经过热处理后其疲劳寿命下降。对于所有的卡环，热处理1h后的疲劳寿命要长于热处理6h的。

表3 疲劳循环次数及初始载荷

 

7.不同合金卡环的挠曲疲劳

按照图中所示方法进行挠曲疲劳测试，初始载荷是能够让卡环产生0.6mm的变形，加载后，循环到初始载荷降低20%时或者卡环产生裂纹时停止，计算循环次数。

测试的卡环样品被分为两类：未激活卡环和激活卡环。激活卡环是指在卡环夹持端的另外一边让其发生0.5mm的弯曲变形，这是为了测试卡环的恢复能力。

 

图6 疲劳强度测试方法

表3 测试材料牌号、成分及供应商

 

图7 疲劳裂纹

每种合金准备10个样品，制备的卡环分为激活组和未激活组，进行疲劳试验，初始载荷的平均值如下表所示。从表中可以看出，钴铬合金卡环产生0.6mm的形变，所需要的初始载荷最高；而纯钛、钛合金和金合金卡环所需的初始载荷差别不大。另外，卡环经过激活后其初始载荷大大降低了。

表4 疲劳测试初始载荷

卡环经过循环加载后，循环一定的次数出现裂纹，统计各合金卡环的循环次数。钴铬合金卡环的循环次数最高，都在20000次以上，最高的达到29621次；钛合金卡环循环次数是20181次，纯钛的循环次数最低，仅为4533次；时效硬化降低了金合金卡环的循环次数，硬化前的循环次数为21317，硬化后循环次数为16045。

钴铬合金卡环激活后，其疲劳抗力得到提升，表现为循环次数大幅增加；但是钛及钛合金卡环激活后，其疲劳抗力显著下降。

表5 疲劳测试循环次数

8.结论

1、3D打印钛合金组织更加的均匀致密，而铸造钛合金组织粗大且存在一些孔洞，这些孔洞会对产品的耐用性产生非常大的不利影响。

2、3D打印大连接体的疲劳极限载荷要高于铸造大连接体。

3、3D打印卡环在摘戴过程中，固位力下降的幅度也要小于铸造卡环。因此，3D打印的卡环疲劳性能更优，稳定性也更好。

4、不同成型方向的卡环，其疲劳性能存在一定的差异，热处理也会对疲劳性能产生影响。0°和45°成型的卡环热处理1h后其疲劳寿命得到提升，而对于90°成型的卡环，经过热处理后其疲劳寿命下降。对于所有的卡环，热处理1h后的疲劳寿命要长于热处理6h的。

5、不同合金材料的铸造卡环疲劳性能有明显差异。钴铬合金卡环的循环次数最高，都在20000次以上，最高的达到29621次；钛合金卡环循环次数是20181次，纯钛的循环次数最低，仅为4533次；时效硬化降低了金合金卡环的循环次数，硬化前的循环次数为21317，硬化后循环次数为16045。

6、【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良好的耐用性，大大延长了修复体的使用寿命，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。

9 参考文献

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[4] Pekka K. Vallittu. Deflection fatigue of cobalt-chromium, titanium, and gold alloy cast denture clasp[J].