纯钛义齿支架精密铸造缩松预测及参数优化

1、纯钛义齿支架精密铸造缩松预测及铸造工艺优化童铃，王璐，吴树洪，江晓峰重庆医科大学附属口腔医院，口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室，重庆： 401147摘要： 目的 研究铸型温度和铸造压力对纯钛义齿支架缩松形成的影响，指导铸造工艺的优化。 方法 实际铸造一副结构复杂的支架模型，建立包括浇注系统的CAD真型，应用铸造仿真模拟软件ProCAST真拟精密铸造纯钛义齿支架的凝固过程，预测缩松形成的位置及数量。通过分析凝固收缩百分数，修正铸型温度及铸造压力设定值，优化铸造工艺。 结果 A1 组模型中存在大量缩松， A2、 B1 组分别提高了铸造压力和铸型温度后缩松明显改善，其余各组相差不大，提示需采取额外

2、的补缩措施。 结论 提高铸型温度或铸造压力均能大大改善铸件质量，需要采取安置储金球、补充流入道、增加溢流槽等措施避免缩松形成。关键词： 纯钛义齿支架；缩松；计算机数值模拟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基金项目：数值模拟对纯钛义齿支架铸道安插方式的比较研究， 2012-2-120作者简介： 童铃， 女， 硕士研究生， 医师， 研究方向： 固定修复与材料运用。 电话：，E-ma

8、il:tongling0912通讯作者：江晓峰，电话：E-mail:315794149Corresponding author: Jiang Xiaofeng, Tel: E-mail: 315794149自上世纪 80 年代，钛因其良好的理化性能在口腔科修复领域中运用广泛1-3 。纯钛因惯性小、熔点高、粘性大、流铸性差、铸造工艺复杂等特点，使得其铸造困难，易于产生缺陷，直接影响纯钛义齿支架的质量和精度。口腔修复医学依赖于修复工艺技术的进步， 铸造过程的每一操作环节都会引起铸造缺陷的产生4 ， 这就需要设定最佳的铸造参数来尽量避免支架缺陷的产

9、生，提高成品率，缩短产品试制周期，节约成本。本文参考实际生产中参数的设定，预测缩松形成与铸圈温度及铸造压力有关5。SYMBION日进）铸钛系统精密铸造纯钛义齿支架在短短0.2-0.4秒左右，实际中根本无法客观动态观察铸造过程。为解决这一问题，引入计算机数值模拟技术这一有效手段。近30年来随着计算机和CAD/CA眼术的迅猛发展，许多修复工艺物理过程的仿真研究已成为可能6。利用建立的包含浇注系统的CAD真型，应用计算机数值模拟， 应用铸造仿真模拟软件ProCAST， 考虑铸型温度及铸造压力参考值范围进行组合模拟，通过分析充型过程温度场、凝固收缩百分数，比较缩孔形成的位置和数量，寻求最佳铸造参数。在

10、模拟结果的指导下，进行铸造参数的改进和优化，从而确保以最佳的生产工艺方案投入生产。1 预测铸型温度及铸造压力对缩松形成影响分析铸件凝固时，金属遵循由表及里的序列凝固原则，缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属的补缩形成分散和细小的缩孔。好散发在铸件壁厚的轴线区域，常见于铸道与铸件相连处及浇注口附近，此处由于熔金不断流过使型腔壁 过热而最后凝固所致7。缩松隐藏于铸件的内部，外观上不易被发现。缩松的形成 主要与铸造温度、铸型温度有关8。铸型吸热，靠近型腔壁的钛很快就降到凝固温 度，凝固成一层外壳，温度下降，金属钛逐层凝固，凝固层加厚，内部的剩余液 体，由于液体收缩和补充液体阻断，铸件内部出现空

11、隙，直到内部完全凝固，在 铸件上部形成绵松。铸型温度过小会影响绵松的形成，因此提供恒温或很小温度 范围的铸造条件是防止凝固过程缩松产生的有效措施。钛因其本身的物理特性决定其粘度高、流铸性差，需要足够的铸造压力提供 液体钛进入型腔的动力。一方面充型时间跟铸造压力有关，压力越大，充型时间 越短，保证铸件在恒温或很小温度范围条件下充型凝固；另一方面足够的压力在 一定程度上保证液体钛继续注入型腔补偿凝固收缩 9。因此液体钛在足够的铸造压 力推动下快速进入型腔并且提供补偿动力是减少缩松产生的方法之一。2铸型温度及铸造压力参数选择SYMBION日进）齿科铸钛系统铸型温度参考值范围为室温至300C ,铸造压

12、力参考值范围为0.2Mpa至0.4Mpa。尽量采用低温铸造是为了避免钛与包埋料发生 反应，形成表面粗糙7 ;铸造压力越大越容易发生危险，因此工作人员尽量在低于 最大值进行人工调控。实际生产中采用室温铸型温度和0.2Mpa的铸造压力条件下铸造。本实验设定铸型温度分别为室温、150C、300C ；铸造压力分别为0.2Mpa、 0.4Mpa共六组实验，分组见表1:表1实验分组Table 1 the experimental groups 参数组别铸型温度25 C、铸造压力 0.2MPaA1铸型温度25 C、铸造压力 0.4MPaA2铸型温度150 C、铸造压力 0.2MPaB1铸型温度150 C、铸

13、造压力 0.4MpaB2铸型温度300 C、铸造压力 0.2MpaC1铸型温度300 C、铸造压力 0.4MPaC23模型的建立与求解3.1 模型设计设计左侧后牙游离缺失，右侧缺牙间隙前后有基牙及前牙不对称缺失病例， 从缺隙所在部位及鞍基和基牙之间的关系来看，为肯氏R类二分类缺失，代表临 床常见的牙列缺损类型。卡环有 RPA#环组、三臂卡环、隙卡、T型卡环，包括了 常见的卡环设计类型。本实验设计的支架跨过中线，金属基托较大，卡环支托数 目较多，对铸造工艺要求尤其高，因此具有一定的代表意义。3.2 网格划分利用三维激光扫描和逆向工程技术建立支架CAD模型后，在 CAD软件PTC_Creo1.0环

14、境里创建浇注系统、铸型，并将铸件和浇注系统、铸型按实际位置 关系装配到一起，并导出step格式文件。Hypermesh打开已导出的模型step文 件，定义网格尺寸，剖分面网格，导出 unv格式文彳用ProCAST网格剖分模块 MeshCAS打开已保存的面网格 unv文件，在Meshing environment中剖分体网格， 在Quality checking environment中查看网格质量并优化网格，导出 mesh格式体网格文件。PreCAST打开meshcast导出的mesh文件，软件显示模型节点数量 1759587,单元数量9963007以及模型的单位和轮廓尺寸。经检查网格质量，面

15、网 格中没有存在坏三角形，无重复节点和单元。网格各边及各个内角相差不大，边 节点位于边界等份点，网格面不过分扭曲，四周的网格质量较好，如图 1。1 网格剖分示意图Fig.1 Mesh generation diagram3.3 结果分析及讨论PreCAST打开MeshCAST?出的mesh文件，按照菜单从左至右依次输入模型、 设置材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、运行参数，各组缩松模拟结果 见图 2：A1 实验结果显示铸道中充满缩松；支架关键部位如卡环、支托及腭杆包括金属网多处缩松形成，以紫色标识，主要为支架壁厚的轴线处，实验结果与预测基本一致，解释了临床中卡环腭杆折断的原因。A2铸造压

16、力增大一倍，明显减少了缩松形成。缩松主要见于牙位（FDI） 14 隙卡钩， 23、 27卡环肩，局部金属网及铸道与铸件相连处。B1与A1相比铸型温度提高到150C,仅在支架内部见11处 缺陷，位置大致与A2相同，但铸道中没有缩松的形成。B1与B2相比，压力增加 一倍， 缩松仅在 17 金属网有改善。C1、 C2 结果差别不大， 分别在前牙金属网， 23、27卡环肩、右侧主铸道与铸件相连处见小范围缩松，相比 B1、B2在14隙卡钩和 15卡环肩避免了缩松形成。图2缩松示意图Fig.2 shrinkage diagram铸件成功的关键在于 10 ： （ 1）液体钛在流入型腔过程中尽量减少热量衰减，

17、避免金属凝固阻塞流动路径；（ 2）要有足够的铸造压力，提供金属流动的动力以补偿金属凝固收缩； （ 3 ）满足序列凝固原则，液体钛流动平稳，不产生紊流、倒流、涡流现象。在一定范围类提高铸型温度和铸造压力有助于提高支架铸造合格率。以上结果分析表明铸造压力相同的条件下，铸型温度越高，铸件出现缩孔缩松的倾向越小；铸型温度相同的条件下，铸造压力越大，铸件出现缩孔的倾向越小。适当提高铸型温度或铸造压力是保证铸件成品率的有效措施之一。在铸造参数参考值范围内有的缩松是由于遵循了序列凝固原则形成而无法避免，必须采取额外的补救措施：（ 1）安插铸道： A2 中在铸道与铸件相连处各见一处缩孔。提示铸道与铸件的连接不

18、应太厚，防止铸造后金属冷却温度不一。（ 2） 安置储金球：序列凝固原则致使在支架较厚处形成缩孔24 ，因此在如卡环肩处的地方安置储金球，使缩孔在储金球中形成。（3）补充流入道：C2中铸型温度已达到300C、铸造压力已达到0.4Mpa的临 界值，但实验结果仍见少量缩松，需要制作蜡型时增加蜡线条连接以提供有效补 偿收缩。（ 4）增加溢流槽：通过观察缺陷主要在支架充型末端形成，建议最后充型的地方增加溢流槽，起集气、集渣作用。4 结论（1）铸型温度为室温（25C）,铸造压力为0.2MPa时缩松在纯钛义齿支架关 键部位大量存在；（ 2）提高铸型温度或铸造压力均能大大改善铸件质量；（ 3）需要采取额外的措

19、施有效补偿收缩，避免缩松形成，如安置储金球、补充流入道、增加溢流槽等措施。参考文献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