可摘除局部義齒支架激光快速成型技術(shù)與設(shè)備研究.pdf

1、可摘除局部義齒支架是人體口腔修復(fù)的重要輔助工具，其形狀多為復(fù)雜的三維曲面，一般用鑄造工藝進(jìn)行單件生產(chǎn)。但傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)工序繁瑣復(fù)雜，周期長，容易產(chǎn)生粘砂、縮孔、裂紋、冷隔與偏析等鑄造缺陷。另外，對(duì)于活性高、易氧化的鈦及鈦合金支架，制作環(huán)境難保證，制造成本高。因此，迫切需要尋找一個(gè)新的制造技術(shù)來克服傳統(tǒng)制造方法的不足。
　　 激光快速成型技術(shù)具有制造周期短、精度高、工藝簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以克服傳統(tǒng)鑄造工藝的不足。然而，國內(nèi)外對(duì)于采

2、用激光快速成型技術(shù)進(jìn)行可摘除局部義齒支架制造的相關(guān)研究還在探索之中，缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究。本文以激光直接制造技術(shù)DLF（Direct laser fabrication）和選擇性激光熔化技術(shù)SLM（SelectiveLaser Melting）為基礎(chǔ)，從設(shè)備研制、軟件開發(fā)、基礎(chǔ)工藝、加工效率、成型精度、成型件的微觀組織和機(jī)械性能入手，對(duì)激光快速成型技術(shù)在可摘除局部義齒支架制造上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。主要研究結(jié)果如下：
　

3、　 首先，構(gòu)建了一個(gè)由Nd:YAG 激光器及輔助設(shè)備、數(shù)控工作臺(tái)、送粉系統(tǒng)、控制軟件組成的DLF系統(tǒng)，能夠方便地調(diào)節(jié)各加工工藝參數(shù)。通過相關(guān)工藝研究，獲得了DLF 快速成型優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍：激光功率為200～500W、掃描速度為700～1400mm/min、送粉量為4.2～6.8g/min；系統(tǒng)地分析了DLF 快速成型工藝對(duì)所加工零件的組織、機(jī)械性能的影響。通過測(cè)試，成型件的物相為奧氏體，與粉末材料相同，拉伸強(qiáng)度可達(dá)912MPa 以

4、上，平均顯微硬度為HV261。實(shí)驗(yàn)證明，DLF 技術(shù)雖然在微觀組織和機(jī)械性能方面很優(yōu)異，但由于它采用開環(huán)三軸數(shù)控與同軸送粉方式，對(duì)于復(fù)雜形狀零部件的加工，在精度（尺寸誤差2.5%）和效率（1.06cm 3/h）方面難以滿足實(shí)際要求，特別是對(duì)于復(fù)雜三維曲面的可摘除局部義齒支架而言更加困難。
　　 因此，DLF方法不適合用于直接制造可摘除局部義齒支架。
　　 我們決定采用選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser M

5、elting，SLM）解決支架直接制造問題。為此，本文構(gòu)建了一個(gè)由Yb 光纖激光器、掃描振鏡、氣體凈化裝置、鋪粉裝置、控制系統(tǒng)組成的選擇性激光熔化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作。通過相關(guān)基礎(chǔ)工藝研究，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍：激光功率150～200W、掃描速度5～25mm/min、切片層厚0.02mm～0.04mm。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為了獲得性能理想的金屬零件，在激光加工過程中必須注意如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：(1)基板必須預(yù)先進(jìn)行磨削（

6、Ra 為0.8 μm）、去油污和水分、噴砂毛化處理；(2)切片層厚度在0.01～1.0mm 精確可調(diào)，并且重復(fù)性好；(3)激光功率密度適中，不產(chǎn)生球化或飛濺現(xiàn)象。
　　 通過測(cè)試，SLM 激光快速成型技術(shù)所制備金屬零件致密度可達(dá)96%以上，拉伸強(qiáng)度為635MPa，平均顯微硬度為HV307，成型件的物相為奧氏體，也與粉末材料相同；成型件平均誤差為1.1%，制造效率為1.77cm 3/h。通過對(duì)成型件表面粗糙度的研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度

7、與切片層厚、激光加工參數(shù)、表面傾斜角度有關(guān)。切片層厚越小，表面粗糙度值越?。幌鄬?duì)于XOY 平面的傾斜角度越大，表面粗糙度值越?。辉谄渌鼌?shù)相同情況下，搭接率為30%時(shí)，表面粗糙值最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM 成型件微觀組織性能與機(jī)械性能良好，制造精度和制造效率比DLF 要高。
　　 系統(tǒng)地開展了SLM 快速成型加工效率的研究。結(jié)果表明，在保證成型件精度、微觀組織與機(jī)械性能的前提下，要提高加工效率，應(yīng)該從掃描路徑規(guī)劃、鋪粉工藝、節(jié)約

8、切片與掃描填充計(jì)算時(shí)間等多方面入手。在此基礎(chǔ)上，本文提出了用于路徑規(guī)劃的“二分法”分區(qū)掃描算法，它可以消除掃描區(qū)域中包含內(nèi)環(huán)時(shí)激光加工的跳轉(zhuǎn)用時(shí)；同時(shí)，引入多線程技術(shù)，使切片、掃描填充計(jì)算與激光加工同步執(zhí)行，節(jié)約了加工時(shí)間50%以上，從而提高了制造效率。
　　 利用上述設(shè)備、加工工藝和軟件，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了可摘除局部義齒支架的制造，特別是實(shí)現(xiàn)了鈦合金支架的制造。通過對(duì)制造的可摘除局部義齒支架的形狀精度的測(cè)試表明，