尹長軍

（東莞市翔通光電技術(shù)有限公司，廣東 東莞523000）

鈷鉻合金材料因其具有良好的物理性能、耐腐蝕性、生物相容性和親民的價格優(yōu)勢，一直以來是牙科和醫(yī)療骨科領(lǐng)域的重要材料。鈷鉻合金作為一款重要的義齒材料，隨著加工技術(shù)的飛速進(jìn)步，鈷鉻金屬義齒在技工廠制造工藝逐步由傳統(tǒng)的鑄造包埋技術(shù)向快速普及的CAD/CAM 切削技術(shù)、增材制造技術(shù)轉(zhuǎn)變。特別是增材制造技術(shù)近幾年在醫(yī)療口腔領(lǐng)域的飛速發(fā)展和本身所特有的技術(shù)優(yōu)勢，得到了大批義齒加工企業(yè)的推崇和引進(jìn)。但無論是CAD/CAM 切削工藝，還是增材制造工藝，在義齒制作過程中，均存在較多質(zhì)量問題并急需得到解決，比如牙模無法就位、變形、崩瓷或裂瓷等現(xiàn)象。

本文分別介紹了鈷鉻合金材料CAD/CAM 切削工藝和增材制造工藝流程，并探討了常見質(zhì)量問題和改善辦法，為進(jìn)一步普及數(shù)字化切削技術(shù)和增材制造技在醫(yī)療口腔領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 CAD/CAM 切削工藝

1.1 工藝流程

CAD/CAM 技術(shù)在牙科口腔領(lǐng)域的應(yīng)用最早在20 世紀(jì)70 年代，并于1988 年作為商品正式進(jìn)入醫(yī)療口腔領(lǐng)域[1]，鈷鉻軟質(zhì)金屬采用CAD/CAM 技術(shù)制作義齒，其制作工藝流程為：牙形設(shè)計—排版—燒結(jié)—打磨—噴砂—清洗—上瓷上釉。與傳統(tǒng)鑄造包埋技術(shù)相比，CAD/CAM 切削技術(shù)工藝流程縮短[2]，因更多采用數(shù)字化加工技術(shù)，減少了對技工經(jīng)驗和熟練程度的依賴，生產(chǎn)效率得到明顯提高，合格率更加可控和穩(wěn)定。

1.2 主要質(zhì)量問題及改善辦法

1.2.1 牙模就位不良

材料經(jīng)切削加工后，須進(jìn)行燒結(jié)，使材料冶金結(jié)合，燒結(jié)后的修復(fù)體用牙模進(jìn)行試戴時，經(jīng)常會出現(xiàn)就位不良的現(xiàn)象，如翹動、不密貼或過緊等現(xiàn)象，如圖1 所示。原因分析及改善辦法如下。

圖1 無法正常就位的實物照片

佩戴翹動、松動或不密貼問題。首先考慮鈷鉻軟質(zhì)金屬材料質(zhì)量本身是否有問題，比如產(chǎn)品壓坯密度嚴(yán)重不一致，導(dǎo)致燒結(jié)后出現(xiàn)的收縮不均勻。另外，材料在切削加工過程中因受潮，壓坯強(qiáng)度下降，修復(fù)體在燒結(jié)前已發(fā)生變形等均會導(dǎo)致燒結(jié)后牙模佩戴時出現(xiàn)翹動或松動等現(xiàn)象。解決這一問題，需要材料制造商提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，從源頭降低變形概率。材料在存放和切削加工中，需要嚴(yán)格控制空氣濕度，根據(jù)材料特性和長期應(yīng)用經(jīng)驗得知，加工時空氣濕度應(yīng)小于60%為佳，同時切削機(jī)的壓縮空氣系統(tǒng)的氣源也須進(jìn)行干燥處理，以減小加工倉的濕度。

牙模佩戴過緊問題。佩戴過緊，可能是燒結(jié)溫度過高或爐膛溫場嚴(yán)重不均所致。根據(jù)現(xiàn)有粉末冶金燒結(jié)理論[3]和研究資料[4]表明，燒結(jié)溫度高于最佳理論溫度后，溫度與變形成正比，需要定期校驗爐溫，確保爐溫準(zhǔn)確。牙模佩戴過緊也可能是加工收縮比參數(shù)或設(shè)計參數(shù)不匹配所致。設(shè)計參數(shù)（以exocad 軟件為例），粘結(jié)劑間隙為0.02～0.03 mm，額外水平間隙為0.01～0.02 mm，額外垂直間隙為0.02～0.03 mm。設(shè)計間隙過小會出現(xiàn)佩戴過緊的現(xiàn)象。

1.2.2 燒結(jié)發(fā)黑和脫皮現(xiàn)象

鈷鉻合金切削后再進(jìn)行燒結(jié)時，燒結(jié)后經(jīng)常會出現(xiàn)貨件發(fā)黑脫皮的現(xiàn)象，如圖2 所示。原因分析及改善辦法如下。

圖2 燒結(jié)后的貨件實物照片

燒結(jié)試驗：準(zhǔn)備三份切削后待燒的修復(fù)體樣品，分別記為1、2、3，燒結(jié)爐型號為KJ-B-04 馬弗爐，燒結(jié)氣氛分別是一爐通入2 L/min 氬氣，一爐通入1 L/min 氬氣，一爐則不通入氬氣，三爐爐次也分別記為1、2、3，與樣品編號一一對應(yīng)，燒結(jié)溫度為1 270 ℃，保溫1 h。

出爐結(jié)果（如圖2）：1 號樣品呈銀灰色，2 號樣品呈墨綠色，3 號樣品呈黑色并出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象。結(jié)果表明，燒結(jié)時未通入氬氣，材料會出現(xiàn)嚴(yán)重氧化，出現(xiàn)發(fā)黑并伴有脫皮現(xiàn)象。通過燒結(jié)試驗得知，控制爐內(nèi)燒結(jié)氣氛，使其在惰性氣氛中燒結(jié)，是改善燒結(jié)發(fā)黑和脫皮的有效手段。

2 增材制造工藝

2.1 工藝流程

增材制造以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嘯5]，最早的一臺3D 打印機(jī)于20 世紀(jì)80 年代由3D Systems 公司推出[6]。其義齒制作工藝流程為：牙形設(shè)計—打印成型—應(yīng)力釋放—打磨—噴砂—清洗—上瓷上釉。與CAD/CAM 切削工藝相比，增材制造工藝具有大幅節(jié)約材料，綜合性能良好等優(yōu)勢，符合未來技術(shù)發(fā)展趨勢。

2.2 主要質(zhì)量問題及改善辦法

2.2.1 變形

在增材制造成型實踐中，變形是很常見的質(zhì)量問題，會在打磨時出現(xiàn)無法和牙模就位的情況，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)斷裂。原因分析及改善辦法如下。

增材制造成型工藝中，激光掃描速度極快，激光束停留在粉末上的時間僅0.5～2 ms[7]，鈷鉻合金粉末被快速加熱、熔化、冷卻和凝固，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，并形成較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，即產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時還會發(fā)生斷裂，如圖3 所示。

改善方法如下：①優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)。一般支撐類型有十字形、圓柱形和圓錐形。因為十字形支撐與義齒接觸面相對較小，對于較寬厚的義齒可能起不到承載和“拉扯”的作用。而圓柱形支撐雖然接觸面積較大，但成型后卻難以分割，且在一定程度上會浪費(fèi)原材料。圓錐形支撐與義齒接觸面會有一定角度，能有效綜合前兩種支撐優(yōu)勢，一定程度上可改善因變形導(dǎo)致的裂紋。②成型后的義齒先不予分割義齒和基板，而是進(jìn)行整體去應(yīng)力熱處理后再進(jìn)行分割。根據(jù)不同的成型工藝參數(shù)和所用合金粉末不同成分，熱處理制度約有差異，一般鈷鉻合金去應(yīng)力熱處理溫度為800～900 ℃，高溫保溫1 h，即可充分去除材料內(nèi)部熱應(yīng)力，解決打磨工序出現(xiàn)的因變形而無法與模型就位的問題。③優(yōu)化成型工藝參數(shù)，如激光功率大小、鋪粉厚度、掃描間距與掃描速度等，可以進(jìn)一步改善變形問題。

圖3 翹曲變形示意圖[8]

2.2.2 崩瓷裂瓷

崩瓷或裂瓷是鈷鉻合金烤瓷牙制作過程中最常見的質(zhì)量問題，也是影響修復(fù)體在病人端使用壽命的主要因素之一。

經(jīng)典的金瓷結(jié)合理論認(rèn)為，金瓷結(jié)合主要包括化學(xué)結(jié)合、機(jī)械結(jié)合、壓縮結(jié)合與范德華力結(jié)合四種，其中作用影響最大的是化學(xué)結(jié)合，其次分別是機(jī)械結(jié)合、壓縮結(jié)合和范德華力結(jié)合。在工藝實踐中，主要由牙形設(shè)計、材料線膨脹系數(shù)選擇以及金屬表面處理狀態(tài)三方面所致。

設(shè)計環(huán)節(jié)，金屬內(nèi)冠、瓷層的厚度以及外觀形態(tài)設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)致崩瓷或裂瓷。打磨后的義齒內(nèi)冠厚度一般不宜低于0.2 mm，瓷層厚度不宜高于2 mm，在設(shè)計環(huán)節(jié)需要為之后工序留有相應(yīng)加工余量，以保證義齒在咬合時，金屬內(nèi)冠能有足夠的支撐強(qiáng)度和韌性，達(dá)到改善崩瓷或裂瓷的目的。

因為金屬和瓷層各自導(dǎo)熱性能存在較多差異，當(dāng)瓷層的線膨脹系數(shù)等于或大于金屬的線膨脹系數(shù)時，在烤瓷階段，特別是降溫時，在瓷層和金屬的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下易發(fā)生崩瓷或裂瓷。瓷層的線膨脹系數(shù)適當(dāng)小于金屬線膨脹系數(shù)可有效防止崩瓷或裂瓷，但兩者匹配標(biāo)準(zhǔn)國際上目前并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大量工藝實踐認(rèn)為，金屬線膨脹系數(shù)大于瓷層，在0.8～1.2 之間則有利于金瓷結(jié)合。

金屬表面粗糙程度、氧化膜厚度會明顯影響金屬潤濕條件，影響金屬和瓷層的機(jī)械結(jié)合和化學(xué)結(jié)合。過于粗糙的冠面在殘余應(yīng)力的作用下會提高崩瓷概率，同時因金屬過于粗糙，瓷層在高溫下難以與金屬完全有效浸潤，從而降低金瓷結(jié)合能力。在金屬表面處理環(huán)節(jié)，須確保冠面打磨圓潤，無明顯菱角、溝壑和縮孔，并須進(jìn)行噴砂處理，以進(jìn)一步消除材料局部應(yīng)力，進(jìn)而增加材料金瓷結(jié)合力。

3 結(jié)語

鈷鉻合金材料在義齒行業(yè)應(yīng)用歷時已久，特別是近年來CAD/CAM 切削技術(shù)和增材制造技術(shù)在醫(yī)療牙科領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，突破了傳統(tǒng)單一的制造方式。但新技術(shù)應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了新的質(zhì)量問題，還需要進(jìn)一步加大對新問題新疑惑的研究和思考，提升對新技術(shù)的消化和應(yīng)用水平，更好滿足和推動數(shù)字化加工技術(shù)在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。