生物陶瓷选区激光熔融成形机理研究

Bioceramics is replacing resin, metal materials and gradually becoming the new mainstream material in the restoration field. The SLM technology is the most promising digital processing method of new generation of dental prostheses and its basic theory is under urgent breakthrough. For bioceramics' characters of high fragility, low fatigue resistance, stress and crack sensitivity and rapid thermal alteration, the project based on the Brook grain growth theory combines the Finite Element modeling with experimental datas analysis to explore the evolution of phase transformation and organization structure during the bioceramics SLM process. In addition to the infrared thermometer, CMOS high-speed camera adopted to monitor the molten pool, finite element analysis of the temperature field and stress field is used to establish the flow and allocation of molten pool model and the stress - microstructure transition model. Besides, induction preheating and laser irradiation preheating methods are applied to construct multiple low temperature gradient fields,thus revealing the cracks generation mechanism of the bioceramic SLM prototyping and proposing crack suppression methods by theoretical analysis.Classify the edge line features of slices, focus on heat conduction and study the influence of edge line features on the surface quality of forming parts.At last, GA-BP algorithm is used on a large number of experimental basis for the establishment of bioceramic SLM forming parts quality prediction model to optimize the molding method and provide theoretical support for the SLM equipment development of bioceramics.

生物陶瓷正在取代树脂、金属材料成为新的主流修复体材料,其SLM技术是最具应用前景的新一代口腔修复体数字化加工技术，基础理论亟待突破。针对生物陶瓷脆性较大、对应力和裂纹敏感及SLM急热急冷的加工特点，本项目基于Brook晶粒生长理论，结合有限元方法，并与实验数据分析相验证，探索生物陶瓷SLM成形过程中相变过程和组织结构演化机理；采用红外测温仪、CMOS高速相机监测熔池，结合有限元温度场、应力场分析建立熔池流动与分配模型以及应力-微观结构转变模型；采用感应预热、激光辐照预热等方式，构建多个低温度梯度温度场，结合理论分析，揭示生物陶瓷SLM成形裂纹产生机理，提出裂纹抑制方法；对切层边缘线特征进行分类，重点考虑热传导，研究边缘线特性对成形件表面质量的影响；采用GA-BP算法，在大量实验基础上建立生物陶瓷SLM成形件质量预测模型，形成成形工艺优化方法，为生物陶瓷SLM装备研制提供基础理论支撑。

陶瓷材料 SLM 技术研究尚处在起步阶段,本项目探索陶瓷材料SLM成形过程中微观组织及其演变规律，揭示陶瓷材料成形机理，提出裂纹抑制方法，研究陶瓷材料成形工艺优化方法。.项目在自主研制的国内首套支持熔池监测、集成自主软件的陶瓷SLM成形试验平台上，开展系列试验，并结合熔池监测数据、有限元分析方法，形成以下重要结果：.a）通过ZrO2、Al2O3粉末在无预热和高温预热下的SLM成形试验、Al2O3浆料变功率SLM成形、Al2O3-MgO混粉成形试验，认为高温预热能够降低激光对冷粉末产生的热冲击，减小材料内部热应力，减少裂纹的产生；浆料比粉末具有更好的成形质量；在Al2O3中加入少量MgO，所需的能量远远低于纯Al2O3，能够抑制了Al2O3晶粒的异常长大并抑制裂纹；Al2O3陶瓷SLM试样主要为柱状晶结构，加入氧化锆可以制备等轴晶，调节扫描速度，可以实现晶粒生长方向的控制。.b）激光功率和扫描速度是影响陶瓷粉末熔化状态、成形件表面质量的主要因素。激光功率200 W，扫描速度90 mm/s时，获得Al2O3接近全致密试样，无明显裂纹产生，微观晶粒组织均匀，显微维氏硬度均值在14.7 GPa左右，已接近传统烧结制备的Al2O3硬度数值。.c）温度场仿真分析结合试验研究，发现熔池最高温度越高，熔池降温速率越大；随着激光功率的增加或者扫描速率的降低，熔池的尺寸逐渐增大；当X方向温度梯度较高时，水平马兰戈尼效应占主要影响，试件表面呈凝固结构呈条状。.d）应力场仿真分析显示，岛式扫描比单向扫描获得更小的应力极值以及应力分布区间；“岛域”划分的越细，其应力最大值越小，有助于抑制裂纹和变形的发生；结合较高的预热温度，试件可以获得与较高激光能量密度工艺参数下相同甚至更高的成形温度，同时承受更小的热应力。.e）陶瓷SLM成形过程中主要存在“平行裂纹”和“垂直裂纹”，多表现为沿晶断裂，极高的温度梯度和激光不断重复加热的热震作用，是产生“垂直裂纹”的主要原因，而“平行裂纹”主要是由凝固裂纹扩展而来。