純鈦義齒支架精密鑄造縮松預(yù)測(cè)及參數(shù)優(yōu)化

1、純鈦義齒支架精密鑄造縮松預(yù)測(cè)及鑄造工藝優(yōu)化童鈴，王璐，吳樹(shù)洪，江曉峰重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶： 401147摘要： 目的 研究鑄型溫度和鑄造壓力對(duì)純鈦義齒支架縮松形成的影響，指導(dǎo)鑄造工藝的優(yōu)化。 方法 實(shí)際鑄造一副結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支架模型，建立包括澆注系統(tǒng)的CAD真型，應(yīng)用鑄造仿真模擬軟件ProCAST真擬精密鑄造純鈦義齒支架的凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)縮松形成的位置及數(shù)量。通過(guò)分析凝固收縮百分?jǐn)?shù)，修正鑄型溫度及鑄造壓力設(shè)定值，優(yōu)化鑄造工藝。 結(jié)果 A1 組模型中存在大量縮松， A2、 B1 組分別提高了鑄造壓力和鑄型溫度后縮松明顯改善，其余各組相差不大，提示需采取額外

2、的補(bǔ)縮措施。 結(jié)論 提高鑄型溫度或鑄造壓力均能大大改善鑄件質(zhì)量，需要采取安置儲(chǔ)金球、補(bǔ)充流入道、增加溢流槽等措施避免縮松形成。關(guān)鍵詞： 純鈦義齒支架；縮松；計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬Prediction of shrinkage porosity in titanium denture frameworks casting and optimization the casting techniqueTong Ling,Wang Lu,Wu Shuhong,Jiang Xiaofeng(The affiliated hospital of Stomatology , Chongqing Medical Un

3、iversity, Chongqing key Laboratory of oral disease and biomedicine, Chongqing, 401147,China)Abstract: Objective To investigate the effect of model temperature and casting pressure on shrinkage porosity in titanium denture frameworks, to guide the optimization the casting technique. Methods A complex

4、 model of RPD framework was fabricated. Geometry of the framework and sprue gate digital model was established by using 3D laser scanning technology and reverse engineering technology.Solidification and prediction of position and quantity of shrinkage porosity in titanium denture frameworks casting

5、were performed using the the simulation software ProCAST. By analyzing solidification shrinkage percentage, optimizing the casting technique.Results a lot of shrinkages were in group A1.When casting pressure and mold temperature increased respectively in group A2 and B1, simulation results shew that

6、 the porosity decreased.The other groups were the same but the difference was not significant, therefore, additional measures of shrinkage compensating measures were advised. Conclusion Increase the model temperature or pressure casting could greatly improve the quality of castings. In addition,some

7、 additional measures such as ensconcing the reservoir, increasing the inflow tract, setting the overflow slot should be taken.Key words: Titanium RPD Framework; Shrinkage Porosity;Computer Simulation基金項(xiàng)目：數(shù)值模擬對(duì)純鈦義齒支架鑄道安插方式的比較研究， 2012-2-120作者簡(jiǎn)介： 童鈴， 女， 碩士研究生， 醫(yī)師， 研究方向： 固定修復(fù)與材料運(yùn)用。 電話：，E-ma

8、il:tongling0912通訊作者：江曉峰，電話：E-mail:315794149Corresponding author: Jiang Xiaofeng, Tel: E-mail: 315794149自上世紀(jì) 80 年代，鈦因其良好的理化性能在口腔科修復(fù)領(lǐng)域中運(yùn)用廣泛1-3 。純鈦因慣性小、熔點(diǎn)高、粘性大、流鑄性差、鑄造工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，使得其鑄造困難，易于產(chǎn)生缺陷，直接影響純鈦義齒支架的質(zhì)量和精度?？谇恍迯?fù)醫(yī)學(xué)依賴于修復(fù)工藝技術(shù)的進(jìn)步， 鑄造過(guò)程的每一操作環(huán)節(jié)都會(huì)引起鑄造缺陷的產(chǎn)生4 ， 這就需要設(shè)定最佳的鑄造參數(shù)來(lái)盡量避免支架缺陷的產(chǎn)

9、生，提高成品率，縮短產(chǎn)品試制周期，節(jié)約成本。本文參考實(shí)際生產(chǎn)中參數(shù)的設(shè)定，預(yù)測(cè)縮松形成與鑄圈溫度及鑄造壓力有關(guān)5。SYMBION日進(jìn)）鑄鈦系統(tǒng)精密鑄造純鈦義齒支架在短短0.2-0.4秒左右，實(shí)際中根本無(wú)法客觀動(dòng)態(tài)觀察鑄造過(guò)程。為解決這一問(wèn)題，引入計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)這一有效手段。近30年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和CAD/CA眼術(shù)的迅猛發(fā)展，許多修復(fù)工藝物理過(guò)程的仿真研究已成為可能6。利用建立的包含澆注系統(tǒng)的CAD真型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬， 應(yīng)用鑄造仿真模擬軟件ProCAST， 考慮鑄型溫度及鑄造壓力參考值范圍進(jìn)行組合模擬，通過(guò)分析充型過(guò)程溫度場(chǎng)、凝固收縮百分?jǐn)?shù)，比較縮孔形成的位置和數(shù)量，尋求最佳鑄造參數(shù)。在

10、模擬結(jié)果的指導(dǎo)下，進(jìn)行鑄造參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，從而確保以最佳的生產(chǎn)工藝方案投入生產(chǎn)。1 預(yù)測(cè)鑄型溫度及鑄造壓力對(duì)縮松形成影響分析鑄件凝固時(shí)，金屬遵循由表及里的序列凝固原則，縮松是指鑄件最后凝固的區(qū)域沒(méi)有得到液態(tài)金屬的補(bǔ)縮形成分散和細(xì)小的縮孔。好散發(fā)在鑄件壁厚的軸線區(qū)域，常見(jiàn)于鑄道與鑄件相連處及澆注口附近，此處由于熔金不斷流過(guò)使型腔壁 過(guò)熱而最后凝固所致7?？s松隱藏于鑄件的內(nèi)部，外觀上不易被發(fā)現(xiàn)?？s松的形成 主要與鑄造溫度、鑄型溫度有關(guān)8。鑄型吸熱，靠近型腔壁的鈦很快就降到凝固溫 度，凝固成一層外殼，溫度下降，金屬鈦逐層凝固，凝固層加厚，內(nèi)部的剩余液 體，由于液體收縮和補(bǔ)充液體阻斷，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)空

11、隙，直到內(nèi)部完全凝固，在 鑄件上部形成綿松。鑄型溫度過(guò)小會(huì)影響綿松的形成，因此提供恒溫或很小溫度 范圍的鑄造條件是防止凝固過(guò)程縮松產(chǎn)生的有效措施。鈦因其本身的物理特性決定其粘度高、流鑄性差，需要足夠的鑄造壓力提供 液體鈦進(jìn)入型腔的動(dòng)力。一方面充型時(shí)間跟鑄造壓力有關(guān)，壓力越大，充型時(shí)間 越短，保證鑄件在恒溫或很小溫度范圍條件下充型凝固；另一方面足夠的壓力在 一定程度上保證液體鈦繼續(xù)注入型腔補(bǔ)償凝固收縮 9。因此液體鈦在足夠的鑄造壓 力推動(dòng)下快速進(jìn)入型腔并且提供補(bǔ)償動(dòng)力是減少縮松產(chǎn)生的方法之一。2鑄型溫度及鑄造壓力參數(shù)選擇SYMBION日進(jìn)）齒科鑄鈦系統(tǒng)鑄型溫度參考值范圍為室溫至300C ,鑄造壓

12、力參考值范圍為0.2Mpa至0.4Mpa。盡量采用低溫鑄造是為了避免鈦與包埋料發(fā)生 反應(yīng)，形成表面粗糙7 ;鑄造壓力越大越容易發(fā)生危險(xiǎn)，因此工作人員盡量在低于 最大值進(jìn)行人工調(diào)控。實(shí)際生產(chǎn)中采用室溫鑄型溫度和0.2Mpa的鑄造壓力條件下鑄造。本實(shí)驗(yàn)設(shè)定鑄型溫度分別為室溫、150C、300C ；鑄造壓力分別為0.2Mpa、 0.4Mpa共六組實(shí)驗(yàn)，分組見(jiàn)表1:表1實(shí)驗(yàn)分組Table 1 the experimental groups 參數(shù)組別鑄型溫度25 C、鑄造壓力 0.2MPaA1鑄型溫度25 C、鑄造壓力 0.4MPaA2鑄型溫度150 C、鑄造壓力 0.2MPaB1鑄型溫度150 C、鑄

13、造壓力 0.4MpaB2鑄型溫度300 C、鑄造壓力 0.2MpaC1鑄型溫度300 C、鑄造壓力 0.4MPaC23模型的建立與求解3.1 模型設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)左側(cè)后牙游離缺失，右側(cè)缺牙間隙前后有基牙及前牙不對(duì)稱缺失病例， 從缺隙所在部位及鞍基和基牙之間的關(guān)系來(lái)看，為肯氏R類(lèi)二分類(lèi)缺失，代表臨 床常見(jiàn)的牙列缺損類(lèi)型?？ōh(huán)有 RPA#環(huán)組、三臂卡環(huán)、隙卡、T型卡環(huán)，包括了 常見(jiàn)的卡環(huán)設(shè)計(jì)類(lèi)型。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的支架跨過(guò)中線，金屬基托較大，卡環(huán)支托數(shù) 目較多，對(duì)鑄造工藝要求尤其高，因此具有一定的代表意義。3.2 網(wǎng)格劃分利用三維激光掃描和逆向工程技術(shù)建立支架CAD模型后，在 CAD軟件PTC_Creo1.0環(huán)

14、境里創(chuàng)建澆注系統(tǒng)、鑄型，并將鑄件和澆注系統(tǒng)、鑄型按實(shí)際位置 關(guān)系裝配到一起，并導(dǎo)出step格式文件。Hypermesh打開(kāi)已導(dǎo)出的模型step文 件，定義網(wǎng)格尺寸，剖分面網(wǎng)格，導(dǎo)出 unv格式文彳用ProCAST網(wǎng)格剖分模塊 MeshCAS打開(kāi)已保存的面網(wǎng)格 unv文件，在Meshing environment中剖分體網(wǎng)格， 在Quality checking environment中查看網(wǎng)格質(zhì)量并優(yōu)化網(wǎng)格，導(dǎo)出 mesh格式體網(wǎng)格文件。PreCAST打開(kāi)meshcast導(dǎo)出的mesh文件，軟件顯示模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量 1759587,單元數(shù)量9963007以及模型的單位和輪廓尺寸。經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量，面

15、網(wǎng) 格中沒(méi)有存在壞三角形，無(wú)重復(fù)節(jié)點(diǎn)和單元。網(wǎng)格各邊及各個(gè)內(nèi)角相差不大，邊 節(jié)點(diǎn)位于邊界等份點(diǎn)，網(wǎng)格面不過(guò)分扭曲，四周的網(wǎng)格質(zhì)量較好，如圖 1。1 網(wǎng)格剖分示意圖Fig.1 Mesh generation diagram3.3 結(jié)果分析及討論P(yáng)reCAST打開(kāi)MeshCAST?出的mesh文件，按照菜單從左至右依次輸入模型、 設(shè)置材料、設(shè)定界面條件、邊界條件、初始條件、運(yùn)行參數(shù)，各組縮松模擬結(jié)果 見(jiàn)圖 2：A1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鑄道中充滿縮松；支架關(guān)鍵部位如卡環(huán)、支托及腭桿包括金屬網(wǎng)多處縮松形成，以紫色標(biāo)識(shí)，主要為支架壁厚的軸線處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)基本一致，解釋了臨床中卡環(huán)腭桿折斷的原因。A2鑄造壓

16、力增大一倍，明顯減少了縮松形成?？s松主要見(jiàn)于牙位（FDI） 14 隙卡鉤， 23、 27卡環(huán)肩，局部金屬網(wǎng)及鑄道與鑄件相連處。B1與A1相比鑄型溫度提高到150C,僅在支架內(nèi)部見(jiàn)11處 缺陷，位置大致與A2相同，但鑄道中沒(méi)有縮松的形成。B1與B2相比，壓力增加 一倍， 縮松僅在 17 金屬網(wǎng)有改善。C1、 C2 結(jié)果差別不大， 分別在前牙金屬網(wǎng)， 23、27卡環(huán)肩、右側(cè)主鑄道與鑄件相連處見(jiàn)小范圍縮松，相比 B1、B2在14隙卡鉤和 15卡環(huán)肩避免了縮松形成。圖2縮松示意圖Fig.2 shrinkage diagram鑄件成功的關(guān)鍵在于 10 ： （ 1）液體鈦在流入型腔過(guò)程中盡量減少熱量衰減，

17、避免金屬凝固阻塞流動(dòng)路徑；（ 2）要有足夠的鑄造壓力，提供金屬流動(dòng)的動(dòng)力以補(bǔ)償金屬凝固收縮； （ 3 ）滿足序列凝固原則，液體鈦流動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生紊流、倒流、渦流現(xiàn)象。在一定范圍類(lèi)提高鑄型溫度和鑄造壓力有助于提高支架鑄造合格率。以上結(jié)果分析表明鑄造壓力相同的條件下，鑄型溫度越高，鑄件出現(xiàn)縮孔縮松的傾向越??；鑄型溫度相同的條件下，鑄造壓力越大，鑄件出現(xiàn)縮孔的傾向越小。適當(dāng)提高鑄型溫度或鑄造壓力是保證鑄件成品率的有效措施之一。在鑄造參數(shù)參考值范圍內(nèi)有的縮松是由于遵循了序列凝固原則形成而無(wú)法避免，必須采取額外的補(bǔ)救措施：（ 1）安插鑄道： A2 中在鑄道與鑄件相連處各見(jiàn)一處縮孔。提示鑄道與鑄件的連接不

18、應(yīng)太厚，防止鑄造后金屬冷卻溫度不一。（ 2） 安置儲(chǔ)金球：序列凝固原則致使在支架較厚處形成縮孔24 ，因此在如卡環(huán)肩處的地方安置儲(chǔ)金球，使縮孔在儲(chǔ)金球中形成。（3）補(bǔ)充流入道：C2中鑄型溫度已達(dá)到300C、鑄造壓力已達(dá)到0.4Mpa的臨 界值，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍見(jiàn)少量縮松，需要制作蠟型時(shí)增加蠟線條連接以提供有效補(bǔ) 償收縮。（ 4）增加溢流槽：通過(guò)觀察缺陷主要在支架充型末端形成，建議最后充型的地方增加溢流槽，起集氣、集渣作用。4 結(jié)論（1）鑄型溫度為室溫（25C）,鑄造壓力為0.2MPa時(shí)縮松在純鈦義齒支架關(guān) 鍵部位大量存在；（ 2）提高鑄型溫度或鑄造壓力均能大大改善鑄件質(zhì)量；（ 3）需要采取額外的措

19、施有效補(bǔ)償收縮，避免縮松形成，如安置儲(chǔ)金球、補(bǔ)充流入道、增加溢流槽等措施。參考文獻(xiàn)1 Andersson, M., et al., Clinical results with titanium crowns fabricated withmachine duplication and spark erosionJ. Acta Odontologica, 1989. 47(5): p. 279-286.2 Bergman, B., et al., A 2-year follow-up study of titanium crownsJ. Acta Odontologica, 1990. 48(2): p. 113-117.3 Blackman, R., N. Barghi, and C. Tran, Dimensional changes in c