增材制造技术制备的钴铬牙桥弯曲断裂的实验研究

来源：德检 DeTesting

本文的目的是研究通过增材制造技术生产的钴铬(Co-Cr)牙桥在弯曲测试中的断裂情况。实验制备了三组样品（从第一前磨牙到第二磨牙的四单位牙桥），分别采用传统手工蜡模铸造、3D打印蜡模铸造和选择性激光熔融(SLM)技术。使用Tira Test 2300 SE/50 kN机器及特别设计的装置进行了弯曲测试，确保加载条件尽可能接近实际咀嚼过程。评估了导致裂纹出现直至完全断裂的载荷。断裂表面通过光学显微镜进行了观察。研究结果表明，SLM技术生产的Co212-f合金牙桥在9.255 kN载荷下破坏，这一数值与Biosil-F合金铸造样品的裂纹开始载荷相当——传统铸造为9.820 kN，3D打印蜡模铸造为10.171 kN。铸造Co-Cr牙桥的破坏过程分为三个阶段——最大载荷导致的裂纹开始萌生、裂纹扩展及最终断裂；而SLM样品的破坏则由于整个体积内的裂纹网络突然发生。SLM和铸造生产的Co-Cr牙桥的破坏类型相同——韧性破坏，但由于它们的结构差异，断裂的发生方式不同。SLM Co-Cr合金特有的层状宏观结构、细小的树枝状微观结构、相组成——存在ε相以及SLM Co-Cr合金的典型缺陷定义了其在弯曲过程中的断裂机制。

牙科修复体在强腐蚀性的唾液环境的各种应力条件下工作。它们的耐久性由所使用的材料的机械性能和抗腐蚀能力决定。由于钴铬(Co-Cr)牙科合金具有高强度、高耐磨性和抗腐蚀性以及相对较低的成本，因此它们最常用于制造金属修复体的基材（Anusavice (2013)，Lu 等人 (2015)）。

失蜡铸造工艺是生产这些修复体的主要技术。近年来，作为CAD/CAM系统生产模块一部分的增材制造技术(AT)得到了快速发展。利用AT，物体通过聚合、材料沉积、烧结、熔化等方式逐层构建（Van Noort (2012)，Dikova 等人 (2015-2)，Minev R. 和 Minev E. (2016)）。在固定局部义齿(FPD)治疗中，AT可以应用于3D打印临时冠和桥、使用3D打印模型铸造或通过选择性激光熔融(SLM)直接制造金属桥架（Dikova (2018)）。通过SLM生产的Co-Cr牙科合金具有特定的微观结构，这决定了其高硬度和优异的机械性能（Lu Y. 等人 (2015)，Barucca 等人 (2015)，Mengucci 等人 (2016)，Mergulhão 等人 (2017)，Mergulhão 等人 (2018)）。物体相对于打印方向的位置和激光扫描策略可能导致机械性能的各向异性（Takaichi 等人 (2013)，Kajima 等人 (2016)，Hong 等人 (2017)）。

牙科材料的强度特性主要是在标准化形状的样品上进行研究的（Takaichi 等人 (2013)，Al-abbari (2014)，Choi 等人 (2014)，Mima 等人 (2016)，Zong 等人 (2017)）。弯曲强度通过标准的三点弯曲、四点弯曲或双轴弯曲测试程序确定（Yang 等人 (2003)）。在研究牙科合金时，大多数作者使用三点弯曲测试（Mengucci 等人 (2016)，Mergulhão 等人 (2018)，Lian (2014)）。研究发现，SLM生产的Co-Cr-Mo合金的抗弯强度高于铸造合金。其值达到873±38 MPa (Lian (2014)) 至 2501.2±9.7 MPa (Mergulhão 等人 (2018))，而在添加Mo的情况下，最高可达2700±25 MPa (Mengucci 等人 (2016))。所得结果之间的显著差异不仅归因于尺度因子和化学成分，还与制造样品时的不同条件（构建方向）和技术参数（激光功率、速度和扫描策略）有关。

由于固定局部义齿（FPDs）如牙桥和牙冠具有多样且复杂的形状，因此有必要在尽可能接近实际使用条件的实验条件下研究制作这些修复体的材料的强度特性。在检查金属烤瓷和全瓷构造时，大多数实验人员会对来自不同牙位的三单位桥进行弯曲测试，既使用解剖形状的牙齿也使用简化试样（Seo 等人 (2006)）。

关于此类实验的数据较为缺乏，可能是因为测试条件的复杂性。四单位桥的弯曲测试难度在于牙齿表面的复杂几何形状、两个力的同时作用以及载荷的分布方式。另一方面，新开发的牙科合金或采用不同技术制造的合金的机械性能主要通过拉伸试验来检验。尽管实际上，固定局部义齿（FPDs）主要是通过弯曲受到循环载荷，但关于此类实验或纯弯曲测试的数据，以及断裂模式的描述，在文献中较为罕见。因此，本文的目的是研究从第一前磨牙到第二磨牙的四单位牙桥的弯曲断裂，这些牙桥由钴铬合金通过增材制造技术——即使用3D打印模型铸造和选择性激光熔融（SLM）生产，并与传统的失蜡铸造进行比较分析。

材料与方法

样品制备的材料与技术
四点弯曲测试（图1-a, b）对三组样品（从第一前磨牙到第二磨牙的四单位Co-Cr牙桥）进行了实验。第一组样品通过传统离心铸造手工蜡模在特制模具中制成。第二组样品使用SolidScape R66+（SolidScape）打印机3D打印的特殊蜡状聚合物模型进行铸造。第三组样品则是直接从虚拟3D模型通过选择性激光熔融(SLM)技术使用SLM 125机器（SLM Solutions）制造，样品的牙齿轴向平行于构建方向。前两组的桥体是由Biosil-F（Degudent）合金（Co-64.8；Cr-28.5；Mo-5.3；Si-0.5；Mn-0.5；C-0.4 wt. %）铸造而成，而SLM样品则是由Co212-f ASTM F75合金（Co-65.2；Cr-28.3；Mo-5.48；Si-0.5；Fe-0.164 wt. %）制造。
为了确保样品的良好重复性，首先制作了一个基础桥模型，从中制备了用于铸造蜡模的模具和适用于CAD/CAM技术的虚拟3D模型。关于样品制备的详细信息可在Simov等人(2014)和Dikova等人(2015-1)的研究中找到。

图1 (a), (b) 牙桥的弯曲测试，(c) 弯曲测试装置。

弯曲测试
在实验过程中，为了尽可能真实地模拟桥梁上的负载，设计并制造了一种特殊的装置（图1-c）。为了固定牙桥结构与弯曲装置冲头之间的接触点，进行了咀嚼载荷的模拟（Vasilev 等人 (2016)）。基于此，使用CAD软件并根据专门开发的方法学（Vasilev 等人 (2017)），设计了该装置。实验在通用拉压测试机Tira Test 2300 SE/50kN上进行，加载速率为1.2 mm/min，直到样品完全破坏（图1）。每组测试了五个样品。由于牙桥形状的复杂性，评估了导致裂纹出现和完全破坏的平均载荷。断裂表面通过光学金相显微镜进行了检查。

结果与分析
在我们之前的研究中（Dikova 等人 (2015-1)），对铸造和SLM生产的Co-Cr牙桥的微观结构进行了调查。研究发现，铸造Biosil-F合金的微观结构为粗晶粒，具有树枝状形态，化学成分不均匀。树枝状结构由γ相组成，而在枝晶间空间中存在微共晶和混合型(Cr,Mo)23C6初生碳化物。SLM Co212-f合金的结构则多孔，含有未熔化和部分熔化的粉末颗粒以及裂缝，这些裂缝主要位于各个轨迹和层之间的边界处。在我们之前的调查中（Atapek 等人 (2016)）发现，SLM样品的微观结构特征为层状形态，微观结构细小且化学成分均匀。熔池底部的微观结构为胞状树枝状，中心部分为柱状。树枝状结构由γ相组成，同时存在较高量的ε相和混合型M23C6碳化物。所有这些微观结构特征决定了Co-Cr牙科合金在弯曲过程中的行为、断裂机制及其类型。

弯曲测试
我们之前通过模拟四单位牙桥在咀嚼载荷下的表现，发现两个桥体之间（5-6号牙）的连接部位是最受力的部分（Vasilev 等人 (2016)）。该部位的等效应力最大，达到162 MPa，其次是两个前磨牙之间（4-5号牙）的连接部位，等效应力为147 MPa，以及两个磨牙之间（6-7号牙）的连接部位，等效应力为95 MPa。此外，两个桥体之间的变形最大，可达到2.3 μm。模拟分析显示，通过SLM技术制造的Co212-f合金构造的强度能力是Biosil-F合金铸造构造的两倍。

模拟数据通过弯曲实验得到了验证。图2展示了铸造牙桥的弯曲过程、裂纹的出现和发展以及断裂后的牙桥状态。

图2 (a) 和 (b) 铸造牙桥的弯曲过程 (c) 破坏后的牙桥

在实验过程中，发现铸造Co-Cr牙桥的破坏过程分为三个阶段：在最高载荷区域的裂纹起始、裂纹的发展和构造的最终断裂。样品1-2和2-2的裂纹出现通过载荷图上的急剧减少得以确认（图3）。几乎所有样品，无论是使用手工蜡模还是3D打印塑料模型铸造，都以相同的方式在两个桥体之间（5-6号牙）的连接区域破坏。裂纹出现的平均载荷非常接近：传统铸造牙桥为9.820 kN，使用3D打印模型铸造的牙桥为10.171 kN（图4）。而第二组的最终破坏载荷较高，为17.631 kN，相比第一组的14.097 kN。由于最高载荷区域——5-6号牙之间的连接器——的截面积差异很小（第一组样品为24.76 mm²，第二组为23.91 mm²），这些区域产生的应力大致相同。使用3D打印模型铸造的牙桥具有更高的弯曲强度，这归因于其更高的强度，这一点通过硬度测量得到了证实（Dikova 等人 (2015-1)）。

图3 Co-Cr牙桥弯曲测试的载荷图（样品1-2 - 传统蜡模铸造，样品2-2 - 3D打印模型铸造，样品3-2 - SLM制造）

在弯曲测试过程中，SLM制造的牙桥在两个桥体之间（5-6号牙）的连接处突然破坏，没有裂纹萌生和发展，这是铸造样品的典型特征。实验中获得的载荷图（图3，样品3-2）显示了一个载荷峰值。断裂发生在9.255 kN的载荷下，比铸造样品出现裂纹的载荷低6%-9%（图4）。对最大载荷截面的几何特征进行对比分析表明，5号和6号牙之间连接器的横截面积在SLM牙桥中最小，为21.92 mm²。由于SLM制造的牙桥的硬度和屈服强度大于铸造的牙桥（Dolgov 等人 (2016)），并且模拟分析显示其强度储备是铸造牙桥的两倍（Vasilev 等人 (2016)），我们原本预期它们会在更大的载荷下破坏。因此，SLM牙桥在铸造样品出现裂纹的载荷下断裂的最可能原因是其多孔结构和最大载荷区域的截面积较小。一方面，各轨迹和层之间的边界处的气孔和微裂纹在弯曲过程中充当应力集中点（Shifeng 等人 (2014)，Kajima 等人 (2016)），导致最初在最大载荷区域，随后在整体生成和扩展多个裂纹。另一方面，最大载荷区域尺寸较小时，裂纹起始位置彼此更近（Pegues 等人 (2018)）。因此，许多生成的裂纹在最大载荷区域内更快地拓展，从而导致样品的破坏。

图4 弯曲测试中牙桥裂纹萌生时和破坏时的载荷。（技术1 - 传统蜡模铸造，技术2 - 3D打印模型铸造，技术3 - SLM）

使用增材制造技术生产的Co-Cr牙桥在3D打印模型铸造时的平均裂纹萌生时载荷为10.171 kN，而在SLM制造时的破坏载荷为9.255 kN。这些载荷远超研究中的四单位桥构造四个牙齿的总咀嚼载荷——0.962 kN（Filtchev 和 Kalachev (2008)）。优化SLM过程的技术参数，如激光功率和扫描速度，将导致更致密的微观结构，从而获得更高的抗弯强度。

图5 使用3D打印模型铸造的Co-Cr牙桥的断裂表面

铸造Co-Cr牙桥的断裂
在使用3D打印模型铸造的Biosil-F合金样品的断裂表面图片中，可以清楚地看到裂纹的起始位置及其发展过程（图5）。在弯曲过程中，裂纹生成发生在四单位桥的最大载荷区域——第二前磨牙和第一磨牙之间连接器的下部，图5中的箭头指出了这一位置。随着载荷的增加，裂纹沿着晶粒或相界的碳化物和ε相扩展，直至最终断裂。断裂类型是典型的铸造结构断裂——主要是沿晶界断裂，可见明显的单个晶粒和树枝状结构，这与$Al-abbari (2014)和Choi等人(2014)的研究一致。断裂宏观几何结构不均匀。断裂表面的高凸起表明，其塑性成分呈现出灰色至深灰色。在样品的断裂表面上，可以识别出两个大致正交方向的纤维条带形貌，因为不同方向上的分散程度不同。左上角的金属光泽是穿晶破坏的特征。纤维条带形貌表明材料的机械性能具有各向异性。

SLM Co-Cr牙桥的断裂
LM样品的断裂表面研究表明，其宏观几何结构相对均匀（图6-a），与铸造样品的断裂表面（图5）形成鲜明对比。SLM牙桥的断裂表面（图6-b, c）呈纤维状，具有相对粗糙和松散的宏观结构，没有纤维条带或纤维片状断裂的区域。断裂表面的塑性成分呈现灰色至深灰色，这是SLM样品与铸造样品断裂类型相似——均为塑性断裂的证据。

SLM和铸造生产的Co-Cr牙桥的破坏类型相同，但由于其结构不同，断裂方式也有所不同。研究发现，在SLM样品中，熔池边界（MPB）对破坏方式、宏观塑性变形和加载过程中的微观滑移有显著影响（Shifeng 等人 (2014)）。它们的破坏始于在各单独熔融轨迹之间的MPB处形成的裂纹。MPB的宏观纹理可能会导致裂纹线性发展的变化（Lian (2014)），裂纹将继续沿着各层之间的MPB发展（Shifeng 等人 (2014)）。在裂纹生长和发展的过程中，除了施加的载荷外，SLM样品中的高残余应力也会产生额外的影响（Kajima 等人 (2016)）。对于在拉伸中破坏的SLM样品，观察到的是塑性断裂类型，因为带有塑性断裂的区域包围了“准解理”面（Mengucci 等人 (2016)）。SLM Co-Cr牙科合金的断裂表面显示出均匀分布的、比铸造样品更细的凹坑，某些区域观察到了半解理形貌（Mergulhão 等人 (2018)）。断裂表面的凹坑形貌由SLM Co-Cr牙科合金微观结构中的胞状树枝状结构决定，而解理断裂是面心立方（fcc）晶体结构合金的特征，且由ε-马氏体的存在促进（Lu 等人 (2015)）。

图6 (a), (b) 和 (c) SLM制造的Co-Cr牙桥的断裂表面 (1) SLM Co-Cr牙桥微观结构示意图，(2), (3) 弯曲测试中多条微裂纹的起始和扩展

因此，SLM Co-Cr合金Co212-f特有的层状宏观结构、细小的树枝状微观结构、相组成中的ε相以及SLM技术的典型缺陷共同决定了其在弯曲过程中的断裂机制。在SLM制造的牙桥中，观察到了许多不同大小的气孔、各层和轨迹之间的焊接不良以及它们之间的裂纹（Dikova 等人 (2015-1)）。在断裂表面的放大视图中，连接各个气孔的裂纹清晰可见（图6-b, c）。因此，这种特定的微观结构是导致SLM牙桥不是通过单一裂纹的起始和扩展，而是通过在高载荷区域生成和发展一个裂纹网络而破坏的前提条件。

图6-1展示了微观结构的示意图，而图6-2和图6-3则展示了SLM制造的牙桥的断裂机制示意图。在弯曲过程中，最初在两个桥体之间最大载荷的横截面的最大载荷区域，存在于各单独轨迹之间的熔池边界（MPB）处的裂纹会发展，直到它们到达相邻的气孔（图6-2，图6-b）。由于在弯曲测试中，拉伸载荷的作用方向与构建层平行，裂纹主要沿着各单独轨迹之间的MPB发展（Lu 等人 (2015)）。随着载荷的增加，最终达到一个时刻，大部分横截面区域被气孔之间的裂纹网络覆盖（图6-3），横截面无法承受载荷，牙桥突然断裂，形成分裂。这种破坏模式对于像固定局部义齿这样工作在循环载荷下的构造来说是危险的。因此，在将SLM工艺引入牙科构造生产之前，必须优化技术参数，以获得无气孔和缺陷的致密结构。

结论
在本研究中，对三组四单位牙桥（从第一前磨牙到第二磨牙）进行了弯曲测试的实验研究。样品由钴铬（Co-Cr）合金通过传统失蜡铸造、使用3D打印模型铸造和选择性激光熔融（SLM）制造。研究发现，使用SLM技术制造的Co212-f合金牙桥在9.255 kN的载荷下发生弯曲断裂，这一数值与Biosil-F合金铸造样品的裂纹出现载荷相当：传统铸造为9.820 kN，使用3D打印模型铸造为10.171 kN。Biosil-F Co-Cr合金铸造牙桥的断裂过程包括三个阶段——裂纹萌生、发展和最终破坏。相比之下，SLM制造的Co212-f合金牙桥的断裂是突然发生的，表现为整个体积内裂纹网络的生成和发展导致的断裂。SLM和铸造生产的Co-Cr牙桥的破坏类型相同——均为塑性破坏，但由于其结构不同，断裂方式也有所不同。提出了SLM Co-Cr牙桥的断裂机制。SLM Co-Cr合金Co212-f特有的层状宏观结构、细小的树枝状微观结构、相组成中的ε相以及SLM技术的典型缺陷共同决定了其在弯曲过程中的断裂机制。铸造样品的断裂宏观几何结构不均匀，具有较高的凸起，表现出塑性成分和不同方向上分散程度不同的纤维条带形貌。SLM牙桥的断裂表面则具有相对均匀的宏观几何结构，纤维状且松散的宏观结构，塑性成分明显，没有纤维条带或纤维片状形貌的区域。

通过增材制造技术生产的Co-Cr牙桥在远高于研究构造中四个牙齿总咀嚼载荷的平均载荷下破坏。因此，在优化技术参数后，增材制造技术可以成功应用于制造固定局部义齿的金属基底，无论是用于金属陶瓷修复体还是覆盖聚合物或复合材料。

致谢
铸件样品由瓦尔纳医科大学医学院的D.Pavlova和M.Simov制造。3D打印的铸件模型和SLM试样是在索菲亚技术大学的“工业CAD/CAM”科学研究实验室与Georgi Todorov教授共同生产的。弯曲试验在瓦尔纳的“Multitest”JSK进行。


免责声明：本文是《Bendingfracture of Co-Cr dental bridges, produced by additive technologies: experimental investigation》的中文译文，