增材制造技術(shù)制備的鈷鉻牙橋彎曲斷裂的實驗研究

來源：德檢 DeTesting

本文的目的是研究通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的鈷鉻(Co-Cr)牙橋在彎曲測試中的斷裂情況。實驗制備了三組樣品（從第一前磨牙到第二磨牙的四單位牙橋），分別采用傳統(tǒng)手工蠟?zāi)ｈT造、3D打印蠟?zāi)ｈT造和選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)。使用Tira Test 2300 SE/50 kN機器及特別設(shè)計的裝置進行了彎曲測試，確保加載條件盡可能接近實際咀嚼過程。評估了導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)直至完全斷裂的載荷。斷裂表面通過光學(xué)顯微鏡進行了觀察。研究結(jié)果表明，SLM技術(shù)生產(chǎn)的Co212-f合金牙橋在9.255 kN載荷下破壞，這一數(shù)值與Biosil-F合金鑄造樣品的裂紋開始載荷相當(dāng)——傳統(tǒng)鑄造為9.820 kN，3D打印蠟?zāi)ｈT造為10.171 kN。鑄造Co-Cr牙橋的破壞過程分為三個階段——最大載荷導(dǎo)致的裂紋開始萌生、裂紋擴展及最終斷裂；而SLM樣品的破壞則由于整個體積內(nèi)的裂紋網(wǎng)絡(luò)突然發(fā)生。SLM和鑄造生產(chǎn)的Co-Cr牙橋的破壞類型相同——韌性破壞，但由于它們的結(jié)構(gòu)差異，斷裂的發(fā)生方式不同。SLM Co-Cr合金特有的層狀宏觀結(jié)構(gòu)、細小的樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)、相組成——存在ε相以及SLM Co-Cr合金的典型缺陷定義了其在彎曲過程中的斷裂機制。

牙科修復(fù)體在強腐蝕性的唾液環(huán)境的各種應(yīng)力條件下工作。它們的耐久性由所使用的材料的機械性能和抗腐蝕能力決定。由于鈷鉻(Co-Cr)牙科合金具有高強度、高耐磨性和抗腐蝕性以及相對較低的成本，因此它們最常用于制造金屬修復(fù)體的基材（Anusavice (2013)，Lu 等人 (2015)）。

失蠟鑄造工藝是生產(chǎn)這些修復(fù)體的主要技術(shù)。近年來，作為CAD/CAM系統(tǒng)生產(chǎn)模塊一部分的增材制造技術(shù)(AT)得到了快速發(fā)展。利用AT，物體通過聚合、材料沉積、燒結(jié)、熔化等方式逐層構(gòu)建（Van Noort (2012)，Dikova 等人 (2015-2)，Minev R. 和 Minev E. (2016)）。在固定局部義齒(FPD)治療中，AT可以應(yīng)用于3D打印臨時冠和橋、使用3D打印模型鑄造或通過選擇性激光熔融(SLM)直接制造金屬橋架（Dikova (2018)）。通過SLM生產(chǎn)的Co-Cr牙科合金具有特定的微觀結(jié)構(gòu)，這決定了其高硬度和優(yōu)異的機械性能（Lu Y. 等人 (2015)，Barucca 等人 (2015)，Mengucci 等人 (2016)，Mergulhão 等人 (2017)，Mergulhão 等人 (2018)）。物體相對于打印方向的位置和激光掃描策略可能導(dǎo)致機械性能的各向異性（Takaichi 等人 (2013)，Kajima 等人 (2016)，Hong 等人 (2017)）。

牙科材料的強度特性主要是在標準化形狀的樣品上進行研究的（Takaichi 等人 (2013)，Al-abbari (2014)，Choi 等人 (2014)，Mima 等人 (2016)，Zong 等人 (2017)）。彎曲強度通過標準的三點彎曲、四點彎曲或雙軸彎曲測試程序確定（Yang 等人 (2003)）。在研究牙科合金時，大多數(shù)作者使用三點彎曲測試（Mengucci 等人 (2016)，Mergulhão 等人 (2018)，Lian (2014)）。研究發(fā)現(xiàn)，SLM生產(chǎn)的Co-Cr-Mo合金的抗彎強度高于鑄造合金。其值達到873±38 MPa (Lian (2014)) 至 2501.2±9.7 MPa (Mergulhão 等人 (2018))，而在添加Mo的情況下，最高可達2700±25 MPa (Mengucci 等人 (2016))。所得結(jié)果之間的顯著差異不僅歸因于尺度因子和化學(xué)成分，還與制造樣品時的不同條件（構(gòu)建方向）和技術(shù)參數(shù)（激光功率、速度和掃描策略）有關(guān)。

由于固定局部義齒（FPDs）如牙橋和牙冠具有多樣且復(fù)雜的形狀，因此有必要在盡可能接近實際使用條件的實驗條件下研究制作這些修復(fù)體的材料的強度特性。在檢查金屬烤瓷和全瓷構(gòu)造時，大多數(shù)實驗人員會對來自不同牙位的三單位橋進行彎曲測試，既使用解剖形狀的牙齒也使用簡化試樣（Seo 等人 (2006)）。

關(guān)于此類實驗的數(shù)據(jù)較為缺乏，可能是因為測試條件的復(fù)雜性。四單位橋的彎曲測試難度在于牙齒表面的復(fù)雜幾何形狀、兩個力的同時作用以及載荷的分布方式。另一方面，新開發(fā)的牙科合金或采用不同技術(shù)制造的合金的機械性能主要通過拉伸試驗來檢驗。盡管實際上，固定局部義齒（FPDs）主要是通過彎曲受到循環(huán)載荷，但關(guān)于此類實驗或純彎曲測試的數(shù)據(jù)，以及斷裂模式的描述，在文獻中較為罕見。因此，本文的目的是研究從第一前磨牙到第二磨牙的四單位牙橋的彎曲斷裂，這些牙橋由鈷鉻合金通過增材制造技術(shù)——即使用3D打印模型鑄造和選擇性激光熔融（SLM）生產(chǎn)，并與傳統(tǒng)的失蠟鑄造進行比較分析。

材料與方法

樣品制備的材料與技術(shù)
四點彎曲測試（圖1-a, b）對三組樣品（從第一前磨牙到第二磨牙的四單位Co-Cr牙橋）進行了實驗。第一組樣品通過傳統(tǒng)離心鑄造手工蠟?zāi)Ｔ谔刂颇＞咧兄瞥�。第二組樣品使用SolidScape R66+（SolidScape）打印機3D打印的特殊蠟狀聚合物模型進行鑄造。第三組樣品則是直接從虛擬3D模型通過選擇性激光熔融(SLM)技術(shù)使用SLM 125機器（SLM Solutions）制造，樣品的牙齒軸向平行于構(gòu)建方向。前兩組的橋體是由Biosil-F（Degudent）合金（Co-64.8；Cr-28.5；Mo-5.3；Si-0.5；Mn-0.5；C-0.4 wt. %）鑄造而成，而SLM樣品則是由Co212-f ASTM F75合金（Co-65.2；Cr-28.3；Mo-5.48；Si-0.5；Fe-0.164 wt. %）制造。
為了確保樣品的良好重復(fù)性，首先制作了一個基礎(chǔ)橋模型，從中制備了用于鑄造蠟?zāi)５哪＞吆瓦m用于CAD/CAM技術(shù)的虛擬3D模型。關(guān)于樣品制備的詳細信息可在Simov等人(2014)和Dikova等人(2015-1)的研究中找到。

圖1 (a), (b) 牙橋的彎曲測試，(c) 彎曲測試裝置。

彎曲測試
在實驗過程中，為了盡可能真實地模擬橋梁上的負載，設(shè)計并制造了一種特殊的裝置（圖1-c）。為了固定牙橋結(jié)構(gòu)與彎曲裝置沖頭之間的接觸點，進行了咀嚼載荷的模擬（Vasilev 等人 (2016)）�；�于此，使用CAD軟件并根據(jù)專門開發(fā)的方法學(xué)（Vasilev 等人 (2017)），設(shè)計了該裝置。實驗在通用拉壓測試機Tira Test 2300 SE/50kN上進行，加載速率為1.2 mm/min，直到樣品完全破壞（圖1）。每組測試了五個樣品。由于牙橋形狀的復(fù)雜性，評估了導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)和完全破壞的平均載荷。斷裂表面通過光學(xué)金相顯微鏡進行了檢查。

結(jié)果與分析
在我們之前的研究中（Dikova 等人 (2015-1)），對鑄造和SLM生產(chǎn)的Co-Cr牙橋的微觀結(jié)構(gòu)進行了調(diào)查。研究發(fā)現(xiàn)，鑄造Biosil-F合金的微觀結(jié)構(gòu)為粗晶粒，具有樹枝狀形態(tài)，化學(xué)成分不均勻。樹枝狀結(jié)構(gòu)由γ相組成，而在枝晶間空間中存在微共晶和混合型(Cr,Mo)23C6初生碳化物。SLM Co212-f合金的結(jié)構(gòu)則多孔，含有未熔化和部分熔化的粉末顆粒以及裂縫，這些裂縫主要位于各個軌跡和層之間的邊界處。在我們之前的調(diào)查中（Atapek 等人 (2016)）發(fā)現(xiàn)，SLM樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征為層狀形態(tài)，微觀結(jié)構(gòu)細小且化學(xué)成分均勻。熔池底部的微觀結(jié)構(gòu)為胞狀樹枝狀，中心部分為柱狀。樹枝狀結(jié)構(gòu)由γ相組成，同時存在較高量的ε相和混合型M23C6碳化物。所有這些微觀結(jié)構(gòu)特征決定了Co-Cr牙科合金在彎曲過程中的行為、斷裂機制及其類型。

彎曲測試
我們之前通過模擬四單位牙橋在咀嚼載荷下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)兩個橋體之間（5-6號牙）的連接部位是最受力的部分（Vasilev 等人 (2016)）。該部位的等效應(yīng)力最大，達到162 MPa，其次是兩個前磨牙之間（4-5號牙）的連接部位，等效應(yīng)力為147 MPa，以及兩個磨牙之間（6-7號牙）的連接部位，等效應(yīng)力為95 MPa。此外，兩個橋體之間的變形最大，可達到2.3 μm。模擬分析顯示，通過SLM技術(shù)制造的Co212-f合金構(gòu)造的強度能力是Biosil-F合金鑄造構(gòu)造的兩倍。

模擬數(shù)據(jù)通過彎曲實驗得到了驗證。圖2展示了鑄造牙橋的彎曲過程、裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展以及斷裂后的牙橋狀態(tài)。

圖2 (a) 和 (b) 鑄造牙橋的彎曲過程 (c) 破壞后的牙橋

在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)鑄造Co-Cr牙橋的破壞過程分為三個階段：在最高載荷區(qū)域的裂紋起始、裂紋的發(fā)展和構(gòu)造的最終斷裂。樣品1-2和2-2的裂紋出現(xiàn)通過載荷圖上的急劇減少得以確認（圖3）。幾乎所有樣品，無論是使用手工蠟?zāi)＿�是3D打印塑料模型鑄造，都以相同的方式在兩個橋體之間（5-6號牙）的連接區(qū)域破壞。裂紋出現(xiàn)的平均載荷非常接近：傳統(tǒng)鑄造牙橋為9.820 kN，使用3D打印模型鑄造的牙橋為10.171 kN（圖4）。而第二組的最終破壞載荷較高，為17.631 kN，相比第一組的14.097 kN。由于最高載荷區(qū)域——5-6號牙之間的連接器——的截面積差異很�。ǖ谝唤M樣品為24.76 mm²，第二組為23.91 mm²），這些區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力大致相同。使用3D打印模型鑄造的牙橋具有更高的彎曲強度，這歸因于其更高的強度，這一點通過硬度測量得到了證實（Dikova 等人 (2015-1)）。

圖3 Co-Cr牙橋彎曲測試的載荷圖（樣品1-2 - 傳統(tǒng)蠟?zāi)ｈT造，樣品2-2 - 3D打印模型鑄造，樣品3-2 - SLM制造）

在彎曲測試過程中，SLM制造的牙橋在兩個橋體之間（5-6號牙）的連接處突然破壞，沒有裂紋萌生和發(fā)展，這是鑄造樣品的典型特征。實驗中獲得的載荷圖（圖3，樣品3-2）顯示了一個載荷峰值。斷裂發(fā)生在9.255 kN的載荷下，比鑄造樣品出現(xiàn)裂紋的載荷低6%-9%（圖4）。對最大載荷截面的幾何特征進行對比分析表明，5號和6號牙之間連接器的橫截面積在SLM牙橋中最小，為21.92 mm²。由于SLM制造的牙橋的硬度和屈服強度大于鑄造的牙橋（Dolgov 等人 (2016)），并且模擬分析顯示其強度儲備是鑄造牙橋的兩倍（Vasilev 等人 (2016)），我們原本預(yù)期它們會在更大的載荷下破壞。因此，SLM牙橋在鑄造樣品出現(xiàn)裂紋的載荷下斷裂的最可能原因是其多孔結(jié)構(gòu)和最大載荷區(qū)域的截面積較小。一方面，各軌跡和層之間的邊界處的氣孔和微裂紋在彎曲過程中充當(dāng)應(yīng)力集中點（Shifeng 等人 (2014)，Kajima 等人 (2016)），導(dǎo)致最初在最大載荷區(qū)域，隨后在整體生成和擴展多個裂紋。另一方面，最大載荷區(qū)域尺寸較小時，裂紋起始位置彼此更近（Pegues 等人 (2018)）。因此，許多生成的裂紋在最大載荷區(qū)域內(nèi)更快地拓展，從而導(dǎo)致樣品的破壞。

圖4 彎曲測試中牙橋裂紋萌生時和破壞時的載荷。（技術(shù)1 - 傳統(tǒng)蠟?zāi)ｈT造，技術(shù)2 - 3D打印模型鑄造，技術(shù)3 - SLM）

使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的Co-Cr牙橋在3D打印模型鑄造時的平均裂紋萌生時載荷為10.171 kN，而在SLM制造時的破壞載荷為9.255 kN。這些載荷遠超研究中的四單位橋構(gòu)造四個牙齒的總咀嚼載荷——0.962 kN（Filtchev 和 Kalachev (2008)）。優(yōu)化SLM過程的技術(shù)參數(shù)，如激光功率和掃描速度，將導(dǎo)致更致密的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得更高的抗彎強度。

圖5 使用3D打印模型鑄造的Co-Cr牙橋的斷裂表面

鑄造Co-Cr牙橋的斷裂
在使用3D打印模型鑄造的Biosil-F合金樣品的斷裂表面圖片中，可以清楚地看到裂紋的起始位置及其發(fā)展過程（圖5）。在彎曲過程中，裂紋生成發(fā)生在四單位橋的最大載荷區(qū)域——第二前磨牙和第一磨牙之間連接器的下部，圖5中的箭頭指出了這一位置。隨著載荷的增加，裂紋沿著晶�；蛳嘟绲奶蓟�物和ε相擴展，直至最終斷裂。斷裂類型是典型的鑄造結(jié)構(gòu)斷裂——主要是沿晶界斷裂，可見明顯的單個晶粒和樹枝狀結(jié)構(gòu)，這與$Al-abbari (2014)和Choi等人(2014)的研究一致。斷裂宏觀幾何結(jié)構(gòu)不均勻。斷裂表面的高凸起表明，其塑性成分呈現(xiàn)出灰色至深灰色。在樣品的斷裂表面上，可以識別出兩個大致正交方向的纖維條帶形貌，因為不同方向上的分散程度不同。左上角的金屬光澤是穿晶破壞的特征。纖維條帶形貌表明材料的機械性能具有各向異性。

SLM Co-Cr牙橋的斷裂
LM樣品的斷裂表面研究表明，其宏觀幾何結(jié)構(gòu)相對均勻（圖6-a），與鑄造樣品的斷裂表面（圖5）形成鮮明對比。SLM牙橋的斷裂表面（圖6-b, c）呈纖維狀，具有相對粗糙和松散的宏觀結(jié)構(gòu)，沒有纖維條帶或纖維片狀斷裂的區(qū)域。斷裂表面的塑性成分呈現(xiàn)灰色至深灰色，這是SLM樣品與鑄造樣品斷裂類型相似——均為塑性斷裂的證據(jù)。

SLM和鑄造生產(chǎn)的Co-Cr牙橋的破壞類型相同，但由于其結(jié)構(gòu)不同，斷裂方式也有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，在SLM樣品中，熔池邊界（MPB）對破壞方式、宏觀塑性變形和加載過程中的微觀滑移有顯著影響（Shifeng 等人 (2014)）。它們的破壞始于在各單獨熔融軌跡之間的MPB處形成的裂紋。MPB的宏觀紋理可能會導(dǎo)致裂紋線性發(fā)展的變化（Lian (2014)），裂紋將繼續(xù)沿著各層之間的MPB發(fā)展（Shifeng 等人 (2014)）。在裂紋生長和發(fā)展的過程中，除了施加的載荷外，SLM樣品中的高殘余應(yīng)力也會產(chǎn)生額外的影響（Kajima 等人 (2016)）。對于在拉伸中破壞的SLM樣品，觀察到的是塑性斷裂類型，因為帶有塑性斷裂的區(qū)域包圍了“準解理”面（Mengucci 等人 (2016)）。SLM Co-Cr牙科合金的斷裂表面顯示出均勻分布的、比鑄造樣品更細的凹坑，某些區(qū)域觀察到了半解理形貌（Mergulhão 等人 (2018)）。斷裂表面的凹坑形貌由SLM Co-Cr牙科合金微觀結(jié)構(gòu)中的胞狀樹枝狀結(jié)構(gòu)決定，而解理斷裂是面心立方（fcc）晶體結(jié)構(gòu)合金的特征，且由ε-馬氏體的存在促進（Lu 等人 (2015)）。

圖6 (a), (b) 和 (c) SLM制造的Co-Cr牙橋的斷裂表面 (1) SLM Co-Cr牙橋微觀結(jié)構(gòu)示意圖，(2), (3) 彎曲測試中多條微裂紋的起始和擴展

因此，SLM Co-Cr合金Co212-f特有的層狀宏觀結(jié)構(gòu)、細小的樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)、相組成中的ε相以及SLM技術(shù)的典型缺陷共同決定了其在彎曲過程中的斷裂機制。在SLM制造的牙橋中，觀察到了許多不同大小的氣孔、各層和軌跡之間的焊接不良以及它們之間的裂紋（Dikova 等人 (2015-1)）。在斷裂表面的放大視圖中，連接各個氣孔的裂紋清晰可見（圖6-b, c）。因此，這種特定的微觀結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致SLM牙橋不是通過單一裂紋的起始和擴展，而是通過在高載荷區(qū)域生成和發(fā)展一個裂紋網(wǎng)絡(luò)而破壞的前提條件。

圖6-1展示了微觀結(jié)構(gòu)的示意圖，而圖6-2和圖6-3則展示了SLM制造的牙橋的斷裂機制示意圖。在彎曲過程中，最初在兩個橋體之間最大載荷的橫截面的最大載荷區(qū)域，存在于各單獨軌跡之間的熔池邊界（MPB）處的裂紋會發(fā)展，直到它們到達相鄰的氣孔（圖6-2，圖6-b）。由于在彎曲測試中，拉伸載荷的作用方向與構(gòu)建層平行，裂紋主要沿著各單獨軌跡之間的MPB發(fā)展（Lu 等人 (2015)）。隨著載荷的增加，最終達到一個時刻，大部分橫截面區(qū)域被氣孔之間的裂紋網(wǎng)絡(luò)覆蓋（圖6-3），橫截面無法承受載荷，牙橋突然斷裂，形成分裂。這種破壞模式對于像固定局部義齒這樣工作在循環(huán)載荷下的構(gòu)造來說是危險的。因此，在將SLM工藝引入牙科構(gòu)造生產(chǎn)之前，必須優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，以獲得無氣孔和缺陷的致密結(jié)構(gòu)。

結(jié)論
在本研究中，對三組四單位牙橋（從第一前磨牙到第二磨牙）進行了彎曲測試的實驗研究。樣品由鈷鉻（Co-Cr）合金通過傳統(tǒng)失蠟鑄造、使用3D打印模型鑄造和選擇性激光熔融（SLM）制造。研究發(fā)現(xiàn)，使用SLM技術(shù)制造的Co212-f合金牙橋在9.255 kN的載荷下發(fā)生彎曲斷裂，這一數(shù)值與Biosil-F合金鑄造樣品的裂紋出現(xiàn)載荷相當(dāng)：傳統(tǒng)鑄造為9.820 kN，使用3D打印模型鑄造為10.171 kN。Biosil-F Co-Cr合金鑄造牙橋的斷裂過程包括三個階段——裂紋萌生、發(fā)展和最終破壞。相比之下，SLM制造的Co212-f合金牙橋的斷裂是突然發(fā)生的，表現(xiàn)為整個體積內(nèi)裂紋網(wǎng)絡(luò)的生成和發(fā)展導(dǎo)致的斷裂。SLM和鑄造生產(chǎn)的Co-Cr牙橋的破壞類型相同——均為塑性破壞，但由于其結(jié)構(gòu)不同，斷裂方式也有所不同。提出了SLM Co-Cr牙橋的斷裂機制。SLM Co-Cr合金Co212-f特有的層狀宏觀結(jié)構(gòu)、細小的樹枝狀微觀結(jié)構(gòu)、相組成中的ε相以及SLM技術(shù)的典型缺陷共同決定了其在彎曲過程中的斷裂機制。鑄造樣品的斷裂宏觀幾何結(jié)構(gòu)不均勻，具有較高的凸起，表現(xiàn)出塑性成分和不同方向上分散程度不同的纖維條帶形貌。SLM牙橋的斷裂表面則具有相對均勻的宏觀幾何結(jié)構(gòu)，纖維狀且松散的宏觀結(jié)構(gòu)，塑性成分明顯，沒有纖維條帶或纖維片狀形貌的區(qū)域。

通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的Co-Cr牙橋在遠高于研究構(gòu)造中四個牙齒總咀嚼載荷的平均載荷下破壞。因此，在優(yōu)化技術(shù)參數(shù)后，增材制造技術(shù)可以成功應(yīng)用于制造固定局部義齒的金屬基底，無論是用于金屬陶瓷修復(fù)體還是覆蓋聚合物或復(fù)合材料。

致謝
鑄件樣品由瓦爾納醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)院的D.Pavlova和M.Simov制造。3D打印的鑄件模型和SLM試樣是在索菲亞技術(shù)大學(xué)的“工業(yè)CAD/CAM”科學(xué)研究實驗室與Georgi Todorov教授共同生產(chǎn)的。彎曲試驗在瓦爾納的“Multitest”JSK進行。


免責(zé)聲明：本文是《Bendingfracture of Co-Cr dental bridges, produced by additive technologies: experimental investigation》的中文譯文，