ステレオリソグラフィ3Dプリントを用いた蛍石ガラスセラミックスの機械的特性と摩耗挙動の解析

Mechanical properties and wear behaviors analysis of fluorapatite glass-ceramics based on stereolithography 3D printing.

抄録

セラミック材料のステレオリソグラフィー（SL）3Dプリントは，歯科分野において複雑な形状の義歯を作製するための有望な成形技術である。しかし，SLによる成形品は，従来の成形法に比べて機械的特性が劣ることが多く，また，脱バインダー工程に時間がかかるため，この技術の臨床応用には限界がある。本論文では，自作のガラスセラミックス粉末をもとに，SL 3Dプリントによって新規の蛍石（FAp）ガラスセラミックス試料を作製した。レーザー出力と走査速度が，FApガラスセラミックスの機械的特性とトライボロジー特性に及ぼす影響を調べた。また，X線回折装置と走査型電子顕微鏡を用いて，試料の相組成と微細構造を評価した。SL試料の微小硬さ，曲げ強度，弾性率，トライボロジー特性を試験し，従来のドライプレス成形試料と比較した。その結果，適切なレーザーパラメータと比較的短い脱バインダー時間を用いてSL成形したガラスセラミックスの微小硬度，曲げ強度，弾性率はそれぞれ772.05Hv，205.97MPa，97.06GPaとなり，従来の成形試料を上回ることがわかった。この結果から，適切なパラメータを設定したSL 3Dプリンティングプロセスによって，機械的およびトライボロジー的に優れた性能を持つFApガラスセラミックスを効率的に得ることができることが明らかになった。

Stereolithography (SL) 3D printing of ceramic materials is a promising forming technology to prepare denture with complex shape in the dental field. But the SL formed parts often have inferior mechanical properties than traditional forming method, and the debinding process is time assuming, limiting the clinical application of the technology. In this paper, a novel fluorapatite (FAp) glass-ceramics samples were fabricated through SL 3D printing based on self-made glass-ceramic powders. The effect of laser power and scanning speed on mechanical properties and tribological properties of FAp glass-ceramics were investigated. Phase compositions and microstructure of specimens were characterized by X-ray diffractometer and scanning electron microscope. The microhardness, flexural strength, elastic modulus and tribological performances of the SL samples were tested and compared with that of traditional dry pressing formed samples. The results showed that with the appropriate laser parameters and a relatively short debinding time, the SL formed glass-ceramics had microhardness, flexural strength, and elastic modulus of 772.05 Hv, 205.97 MPa, and 97.06 GPa, respectively, which exceeded that of traditional formed samples. The results reveal that it is possible to efficiently obtain FAp glass-ceramics with excellent mechanical and tribological performance by SL 3D printing process with appropriate parameters.