目前，陶瓷牙齒制造中存在粘結強度弱、使用壽命短等技術瓶頸，且成型陶瓷牙齒用金剛石工具中金剛石分布不均，致使陶瓷牙齒質量保障受限。近日，河南理工大學采用3D打印技術，將有序排列的金剛石磨粒成型了金剛石工具，用于加工制造陶瓷牙齒。對3D打印制備的金剛石工具進行了磨削性能試驗，結果表明，金剛石顆粒的磨損狀態是正常的，而金剛石工具表面上沒有出現金剛石顆粒脫落現象。

       金剛石工具成型的瓶頸問題

       陶瓷材料具有良好的生物相容性、耐腐蝕、耐磨損、良好的化學穩定性和獨特的美觀性，在牙科應用中廣泛應用。然而，要將預制高強度、高硬度氧化鋯陶瓷塊加工成牙科制品需要使用切削及磨削效率較高的加工工具，金剛石工具是適用于成型陶瓷制品的首選，然而在常規的金剛石工具中，由于金剛石顆粒僅埋藏在涂層金屬中，涂層金屬、金屬基體與金剛石之間不存在實質性的化學鍵力，導致金剛石顆粒的粘聚力較弱，容易脫落而失效。通用的釬焊成型金剛石工具不能保證金剛石磨料顆粒的有序排列和足夠的磨削工作層厚度，而且磨損后沒有連續補充磨粒，從而降低了使用壽命。因此迫切需要開發一種具有有序排列磨料顆粒的新型牙科陶瓷金剛石工具。

▲金剛石工具示意圖

       通過激光燒結3D打印技術直接制造金剛石工具，制造工藝簡單，性價比高。此外，利用激光快速掃描技術使金剛石顆粒的三維分布更加有序，大大提高了金剛石工具的制造性能。

▲選擇性激光燒結3D打印技術

       3D打印金剛石工具工藝

       首先，利用三維制圖軟件構建了牙科金剛石工具的CAD模型，通過層次切片生成層次掃描路徑幾何信息。然后，以鎳鉻合金粉末和金剛石為原料，通過3D打印機制備出排列有序的金剛石顆粒的牙科陶瓷加工金剛石工具。最后對3D打印出的金剛石砂輪進行了牙體氧化鋯陶瓷磨削性能測試。

▲金剛石工具實體模型

▲金剛石磨粒有序分布圖

▲金剛石工具成型平臺

       金剛石工具測試表征

       經過掃描電子顯微鏡下觀察，發現金剛石顆粒周圍分布著許多新月形鎳鉻合金晶粒，說明鎳鉻合金對金剛石顆粒表面具有良好的潤濕性。即在燒結過程中，熔融鎳鉻合金與金剛石之間會發生潤濕反應。此外，金剛石顆粒具有完整的晶粒形狀，沒有裂紋或額外的熱損傷。

▲金剛石顆粒脫落后形成的凹坑

▲3D打印金剛石工具中Ni-Cr合金與

       金剛石顆粒的結合形貌圖

▲3D打印金剛石工具的局部SEM圖像

       在X射線衍射光譜中發現有碳化物存在，這有利于提高金屬基體與金剛石顆粒的結合強度。

▲X射線衍射譜圖

       金剛石工具磨削實驗設備及方法

       所制備的金剛石工具安裝在牙科加工系統中。采用CNC技術，將氧化鋯預制塊進行磨削試驗，加工成標準的前磨牙陶瓷牙冠，并分析了重載磨削條件下磨料顆粒的損失規律。

▲金剛石工具測試平臺

       金剛石磨料顆粒在整個磨削過程中的磨損狀態可分為三種類型:頂部磨損、尖端破碎和整體破碎。在磨削過程中沒有觀察到磨料顆粒脫落的情況，而金剛石顆粒在磨削過程中經歷了頂部磨損和尖端碎片化，仍然可以作為有效的磨料顆粒，并通過磨料顆粒尖端碎片化過程中產生的新的切削刃對磨削過程做出貢獻。

▲完整形狀

▲前端磨損

▲前端斷裂

▲整體斷裂

▲金剛石工具磨料形態變化數據統計

       結語

       采用三維制圖軟件和計算機控制技術，基于激光燒結3D打印成型技術和激光快速掃描成型技術，快速生產出排列有序的金剛石磨料顆粒并用于牙科陶瓷加工的金剛石工具。

       金剛石工具的3D打印過程簡單，三維磨料分布可控，保證了多層磨料顆粒的有序排列。金剛石顆粒表面產生含Cr碳化物，提高了金屬基體與金剛石顆粒的結合強度。

       在重載磨削條件下，通過3D打印技術制備的金剛石工具的磨料顆粒具有足夠的耐磨性和抗斷裂性，沒有脫落現象，證實了結合強度的提高。