选区激光熔覆制作氧化铝-氧化锆复合陶瓷修复体关键问题研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
81170983
项目类别：
面上项目
资助金额：
57.0万
负责人：
高勃
依托单位：
中国人民解放军第四军医大学
学科分类：
H1507.牙缺损、缺失修复及牙颌畸形的矫治
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
陈静；马良；胡江；吴江；宋侃；刘治；程义成；
关键词：
全瓷修复体氧化铝-氧化锆复合陶瓷选区激光熔覆技术

项目摘要

氧化铝和氧化锆复合陶瓷修复体能再现天然牙色泽，生物学性能好，能承担较大咀嚼载荷，但需预制成机械加工陶瓷坯材，采用牙科CAD/CAM系统进行切削成型后再烧结，难度大、成本高。选区激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）是一种先进的快速增材制造技术，激光的辐照扫描能使粉末材料熔化并快速凝固，在计算机控制下逐层堆积成型致密度达100%的零件，不受结构复杂性限制。但在成型陶瓷材料时存在开裂、表面粘粉和成分偏析的问题，导致力学性能和成型精度低。本研究试图解决上述问题，以氧化铝和氧化锆混合粉末为原料，用SLM技术制备共晶复合陶瓷，通过粉末二级预热实现温度-应力场的精确控制以消除裂纹；利用小光斑、高速扫描消除表面粘粉；调整两种材料配比和工艺参数消除成分偏析，最终为SLM技术应用于全瓷修复体制作奠定基础，也为其进一步延伸至颅颌面外科、骨科等领域制作个性化植入体开辟新的思路。

结项摘要

选区激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）是一种先进的增材制造技术，激光的辐照扫描能使粉末材料逐层堆积成型，制造出性能优异的实体零件，并且不受复杂形状的限制。但在成型陶瓷材料时存在成分偏析、开裂和表面粘粉的问题，导致材料力学性能和成型精度低。本研究试图解决上述问题，以氧化铝和氧化锆混合陶瓷粉末为原料，通过调整两种材料配比和工艺参数消除成分偏析；通过粉末的合适预热和工艺参数的优化实现材料的无裂纹制备；利用小光斑、高速扫描消除表面粘粉；最后实现材料成型过程中的形状控制。研究结果显示：SLM加工陶瓷粉末原料的粒度要求为100μm级但粉末的形貌对成型材料的组织结构和力学性能影响不大；激光扫描速率的提高会使材料的晶相组织趋于细化，但不会影响材料的晶相结构；为避免氧化锆的单相失稳，最合理的Al2O3:ZrO2比例为62.5wt%:37.5wt%；在裂纹问题的研究上发现材料存在裂纹偏转及桥接现象；同时利用有限元技术建立了SLM成型的温度场的模型，并模拟了多种情况下的温度场变化；最后在稳定预热效果的参数条件（激光功率为150W，扫描速率为4000mm/min，预热1min）和合适的工艺参数（层高0.5mm，激光功率150W，扫描速度10mm/min，光斑直径10mm，往返扫描方式）下，使用自制的铺粉装置获得了无裂纹的陶瓷块体材料。目前已按时完成对成分偏析和裂纹问题的研究，但表面粘粉和形状控制的研究尚在进行中。这些研究为今后SLM技术作为口腔陶瓷材料加工技术在修复临床领域的应用打下基础，也为医用个性化陶瓷植入体的制作开辟一个新的思路。