CN106725944A - 一种激光辅助3d打印石墨烯牙齿的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺，该技术结合石墨烯与激光热处理技术，经3D打印得高质量石墨烯牙齿，所述的石墨烯添加至牙齿基体材料中，不改变基体材料本身的性能，降低牙齿热膨胀系数，提高整体力学性能，所述的激光热处理技术，以高强激光照射在牙齿材料上，用以提高其耐磨性、金瓷结合紧密度、材料的致密度，本发明基于激光可提供瞬时高温、可控辐照、淬火时间短的特性，所打印的石墨烯牙齿不但能准确贴合患者的牙床，而且具备高稳定性、耐磨性及机械强度，经金瓷结合强度测试、热膨胀系数实验、表面粗糙度测试等多项测试均表明，使用该技术制得的石墨烯牙齿相对传统材料，具有更优秀的性能，具备产业化的发展前途。

Description

一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺

技术领域

本发明涉及牙齿制备领域，特别是一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺。

背景技术

3D打印以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

牙齿，作为一种对于牙体的的现代化的修复手段，是一种理想的修复体。牙齿在缺损或缺失牙的部位，用铸造贵金属作为支撑的内核，再在其外部用烤瓷来达到与真牙的颜色和功能相仿的修复方法，旨在恢复牙体的形态功能，抗折力强且颜色、外观逼真，表面光滑，耐磨性强不会变形，色泽稳定，属永久性修复体。

石墨烯是由碳原子构成的二维片状单层结构的新型材料，其中的碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂窝状结构。石墨烯材料具备强的机械韧度、良好的耐酸碱性、很高的柔韧性、温度稳定性，尤其是其理论杨氏模量达1.0TPa，断裂强度为130GPa，是极具潜力的牙冠基体材料。

激光热处理是以高能量激光束快速扫描工件，使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点以上，激光束离开被照射部位时，由于热传导作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，得到较细小的硬化层组织，硬度一般高于常规淬火硬度。

结合石墨烯与激光热处理处理，经3D打印石墨烯牙齿，这不仅从实际上，而且从理论上也都有很大的意义。将石墨烯与激光热处理的技术相结合，用于3D打印牙齿，不但可以加工具备紧密贴合人体牙床的牙齿，提高牙齿的耐磨、耐酸碱性及机械强度，而且通过激光照射区域瞬时的加热，实现瞬时的淬火，提高牙冠金属内胆的表面粗糙度，从而保证石墨烯牙冠金属内胆与外镶烤瓷的结合力。

现阶段传统制备牙齿的方法包含：高温融化、热压成型，交替冷却、周期性骤热处理等步骤。该法常常涉及手动口腔印模术，而从从患者口内取出托盘时，可能会产生倒凹，从而导致作出来的牙齿修复体不密合，影响舒适度、耐磨性、机械强度其使用寿命。另外在周期性骤热处理的过程中，常常会因淬火不彻底的问题，而消耗更多的热能。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺，克服了传统牙齿的高能耗、加工时间长、淬火不完全的问题。

本发明的技术方案为：一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺，它包括如下步骤：

(1)3D打印牙冠金属内胆：选取牙冠金属内胆粉体基体材料比例为：Co:60-64％；Cr:25-30％；Mo:5-7％；Si:<1％；Mn<1％；Fe<0.8％；Ni<0.1％)；铺粉层厚为15～25um，设置温度为600-800℃，加热1-2h，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至900～1000℃，保持2-3h，冷却至200～300℃，加入石墨烯，比例为W(基体):W(石墨烯)＝20：1-200:1；所设置的激光辅助3D制作牙冠金属内胆的工艺参数为：所用激光功率为100～500W，光斑直径80～100um；设计的石墨烯牙冠金属内胆的尺寸为20～25mm×2～3mm×0.1～1.0mm，激光辐照持续时间为5～10s；

(2)在石墨烯牙冠金属内胆的外围3D打印牙冠：选取硅酸锂玻璃陶瓷、二氧化锗、金刚砂粉、石墨粉、硅酸锂，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至700～1800℃，保持0.2-3h，冷却至100～500℃，加入石墨烯，石墨烯比例为0.1-30％，球磨至粒度小于100um，采用3D打印机进行3D打印牙冠；采用激光进行热处理，所用激光功率为80～300W，光斑直径50～300um，激光热处理时间为0.5～10ms；

(3)3D外镶烤瓷：选取外镶烤瓷材料为市售氧化铬瓷粉，经1000～1400℃溶化后，在前面所述石墨烯牙冠的中间处外镶1-2mm厚的氧化铬烤瓷即得3D打印石墨烯牙齿。

本发明的有益效果如下：

所制备的材料克服了传统牙齿的高能耗、加工时间长、淬火不完全的问题，该材料具备永久性的耐磨性和高的机械强度。在制备的过程中，所使用的热处理步骤少，时间短，易于调控所制备的牙齿的性能与质量，所使用的激光可以辐照到牙齿的任何部分，解决了盲孔和深孔的热处理问题。另外激光束辐照的面积可控，有利于加大热处理的针对性。该制备过程中，引入石墨烯材料，提高了基体的机械强度及断裂强度，有利于提高耐磨性及寿命。除此以外，通过瞬时淬火，提升了牙冠金属内胆的表面粗糙度，从而保证了外镶烤瓷的结合力，有利于二者结合不强带来的牙齿外部脱落问题，口腔的临床应用上具有很强的竞争力。

该技术结合石墨烯与激光热处理技术，经3D打印得高质量石墨烯牙齿，所述的石墨烯添加至牙齿基体材料中，不改变基体材料本身的性能，降低牙齿热膨胀系数，提高整体力学性能，所述的激光热处理技术，以高强激光照射在牙齿材料上，用以提高其耐磨性、金瓷结合紧密度、材料的致密度，本发明基于激光可提供瞬时高温、可控辐照、淬火时间短的特性，所打印的石墨烯牙齿不但能准确贴合患者的牙床，而且具备高稳定性、耐磨性及机械强度，经金瓷结合强度测试、热膨胀系数实验、表面粗糙度测试等多项测试均表明，使用该技术制得的石墨烯牙齿相对传统材料，具有更优秀的性能，具备产业化的发展前途。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

本实施例的激光辅助3D打印石墨烯牙齿的配方和工艺，它包括如下步骤：

(1)3D打印牙冠金属内胆：选取牙冠金属内胆粉体基体材料比例如下(Co:63％；Cr:25％；Mo:7％；Si:0.8％；Mn:0.8％；Fe:0.8％；Ni:0.08％)；铺粉层厚为17um，设置温度为680℃，加热2h，经球磨机研磨至粉体粒度为80um。升温至980℃，保持2h，冷却至280℃，加入石墨烯，比例为W(基体):W(石墨烯)＝120：1。所设置的激光辅助3D制作牙冠金属内胆的工艺参数如下：所用激光功率为198W，光斑直径80～100um。所设计的石墨烯牙冠金属内胆的尺寸为23mm×2.8mm×0.5mm(长×宽×高)，激光辐照持续时间为5s。

(2)石墨烯牙冠金属内胆的外围3D打印牙冠：选取硅酸锂玻璃陶瓷、二氧化锗、金刚砂粉、石墨粉、硅酸锂，以任意比例进行混合，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至1400℃，保持0.7h，冷却至100℃，加入石墨烯，石墨烯比例为1.3％，球磨至粒度小于70um，采用3D打印机进行3D打印牙冠。采用激光进行热处理，所用激光功率为190W，光斑直径150um，激光热处理时间为1s。

(3)3D外镶烤瓷：选取外镶烤瓷材料为市售氧化铬瓷粉，经1300℃溶化后，在前面所述石墨烯牙冠的中间处外镶1.2mm厚的氧化铬烤瓷即得3D打印石墨烯牙齿。

实施例2

本实施例的激光辅助3D打印石墨烯牙齿的配方和工艺，它包括如下步骤：

(1)3D打印牙冠金属内胆：选取牙冠金属内胆粉体基体材料比例如下(Co:50％；Cr:28％；Mo:5％；Si:1.2％；Mn:0.8％；Fe:0.5％；Ni:0.1％)；铺粉层厚为15um，设置温度为720℃，加热1.8h，经球磨机研磨至粉体粒度为50um。升温至880℃，保持2.8h，冷却至120℃，加入石墨烯，比例为W(基体):W(石墨烯)＝80：1。所设置的激光辅助3D制作牙冠金属内胆的工艺参数如下：所用激光功率为200W，光斑直径80um。所设计的石墨烯牙冠金属内胆的尺寸为22mm×2.6mm×0.5mm(长×宽×高)，激光辐照持续时间为3s。

(2)在石墨烯牙冠金属内胆的外围3D打印牙冠：选取硅酸锂玻璃陶瓷、二氧化锗、金刚砂粉、石墨粉、硅酸锂，以任意比例进行混合，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至1400℃，保持0.5h，冷却至130℃，加入石墨烯，石墨烯比例为1.6％，球磨至粒度小于70um，采用3D打印机进行3D打印牙冠。采用激光进行热处理，所用激光功率为172W，光斑直径150um，激光热处理时间为1.3s。

(3)3D外镶烤瓷：选取外镶烤瓷材料为市售氧化铬瓷粉，经1400℃溶化后，在前面所述石墨烯牙冠的中间处外镶1.3mm厚的氧化铬烤瓷即得3D打印石墨烯牙齿。

实施例3

本实施例的激光辅助3D打印石墨烯牙齿的配方和工艺，它包括如下步骤：

(1)3D打印牙冠金属内胆：选取牙冠金属内胆粉体基体材料比例如下(Co:46％；Cr:32％；Mo:6％；Si:0.6％；Mn:0.9％；Fe:1.5％；Ni:0.03％)；铺粉层厚为14um，设置温度为660℃，加热2.3h，经球磨机研磨至粉体粒度为70um。升温至980℃，保持2h，冷却至160℃，加入石墨烯，比例为W(基体):W(石墨烯)＝100：1。所设置的激光辅助3D制作牙冠金属内胆的工艺参数如下：所用激光功率为178W，光斑直径85um。所设计的石墨烯牙冠金属内胆的尺寸为23mm×2.7mm×0.5mm(长×宽×高)，激光辐照持续时间为5s。

(2)在石墨烯牙冠金属内胆的外围3D打印牙冠：选取硅酸锂玻璃陶瓷、二氧化锗、金刚砂粉、石墨粉、硅酸锂，以任意比例进行混合，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至1450℃，保持0.7h，冷却至130℃，加入石墨烯，石墨烯比例为1.2％，球磨至粒度小于60um，采用3D打印机进行3D打印牙冠。采用激光进行热处理，所用激光功率为190W，光斑直径150um，激光热处理时间为2s。

(3)3D外镶烤瓷：选取外镶烤瓷材料为市售氧化铬瓷粉，经1300℃溶化后，在前面所述石墨烯牙冠的中间处外镶1.2mm厚的氧化铬烤瓷即得3D打印石墨烯牙齿。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种激光辅助3D打印石墨烯牙齿的工艺，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)3D打印牙冠金属内胆：选取牙冠金属内胆粉体基体材料比例为：Co:60-64％；Cr:25-30％；Mo:5-7％；Si:<1％；Mn<1％；Fe<0.8％；Ni<0.1％)；铺粉层厚为15～25um，设置温度为600-800℃，加热1-2h，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至900～1000℃，保持2-3h，冷却至200～300℃，加入石墨烯，比例为W(基体):W(石墨烯)＝20：1-200:1；所设置的激光辅助3D制作牙冠金属内胆的工艺参数为：所用激光功率为100～500W，光斑直径80～100um；设计的石墨烯牙冠金属内胆的尺寸为20～25mm×2～3mm×0.1～1.0mm，激光辐照持续时间为5～10s；

(2)在石墨烯牙冠金属内胆的外围3D打印牙冠：选取硅酸锂玻璃陶瓷、二氧化锗、金刚砂粉、石墨粉、硅酸锂，经球磨机研磨至粉体粒度小于100um，升温至700～1800℃，保持0.2-3h，冷却至100～500℃，加入石墨烯，石墨烯比例为0.1-30％，球磨至粒度小于100um，采用3D打印机进行3D打印牙冠；采用激光进行热处理，所用激光功率为80～300W，光斑直径50～300um，激光热处理时间为0.5～10ms；

(3)3D外镶烤瓷：选取外镶烤瓷材料为市售氧化铬瓷粉，经1000～1400℃溶化后，在前面所述石墨烯牙冠的中间处外镶1-2mm厚的氧化铬烤瓷即得3D打印石墨烯牙齿。