激光抛光技术用于显著提升薄壁LPBF（激光粉末熔融）工艺制造的牙科Co-Cr-Mo合金框架的性能

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Laser polishing for integrated enhancement of thin-walled LPBFed dental Co-Cr-Mo alloy frameworks

　　

李星 | 王全杰 | 关英春

合肥工业大学合肥创新研究院，安徽，230012，中国

摘要

使用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的 removable partial denture（RPD）框架具有高精度和短生产周期的优势；然而，对这些薄壁、复杂形状的组件进行表面后处理却面临重大挑战。传统的机械方法耗时、劳动密集，并且难以在这些复杂的结构上均匀应用。在这项研究中，我们提出了一种高效的激光抛光方法来对LPBF制造的RPD框架进行后处理。结果表明，在优化的激光抛光参数下，RPD框架的表面粗糙度从Sa 12.75 μm降低到了Sa 0.72 μm。表面层的微观结构从完全的ε-马氏体转变为细密的奥氏体和ε-马氏体混合物，熔融层中的位错密度也有所增加。由于晶粒细化和高密度的位错，微观硬度和极限抗拉强度得到了提升。改进的耐腐蚀性归因于精细的晶粒结构和钼的富集，这有助于形成更具保护性的钝化膜，并促进稳定、电解质衍生的生物整合膜的形成。此外，激光抛光引起的平均和最大尺寸偏差分别为21 μm和253 μm，表明对框架的尺寸精度影响较小。

引言

牙齿缺陷是口腔康复诊所中极为常见的临床表现。由于其广泛的适应性和良好的成本效益比， removable partial denture（RPD）仍然是部分牙齿缺失患者常用的治疗选择（Choong等人，2024年）。

金属RPD框架常用的材料是Co-Cr-Mo合金和纯钛（Thapa等人，2025年；Liu等人，2024年）。近年来，激光粉末床熔融（LPBF）技术被广泛应用于个性化金属框架的制造。与传统铸造方法相比，LPBF技术具有更高的精度、更短的生产时间以及更好的机械性能（Guan等人，2023年；Maalhagh-Fard等人，2025年）。然而，由于增材制造中材料的逐层堆叠以及激光与粉末相互作用时熔池的非平衡状态，LPBF制造的RPD框架表面质量较差。

通常，LPBF制造的RPD框架需要经过多步骤的机械抛光和化学抛光，以达到镜面效果才能供患者使用。这些步骤可以去除粘附的粉末，降低表面粗糙度，增强表面完整性，并保持尺寸精度。先前的研究表明，牙科合金的表面形态很大程度上取决于抛光介质和抛光工艺（??lu等人，2015年）。通过比较电化学抛光和机械抛光方法对Co-Cr-Mo合金表面的处理效果，发现使用绿色橡胶盘和高光泽抛光膏的机械抛光方法具有最佳的表面光洁度。电化学抛光用于改善表面粗糙度并减小微LPBF支架的支柱尺寸，表面粗糙度从1.55 μm降低到1.09 μm（He等人，2024年）。总体而言，传统的LPBF框架后处理方法不仅耗时，还可能对操作人员造成健康风险。此外，对于薄壁、复杂几何形状的组件来说，这种处理方法也难以均匀应用。

激光抛光作为一种有前景的后处理技术，以其精度、无工具磨损和环保性而受到关注（Temmler等人，2011年；Nüsser等人，2022年；Sai等人，2025年）。尽管过去十年中有许多研究探索了其在增材制造金属工件上的应用，但大多数研究集中在简单几何形状的样品上（Liu等人，2023年；Xu等人，2024年；Xu等人，2025年；Liu等人，2025年；Zhang等人，2025年；Bordatchev等人，2026年）。尽管如此，在将该技术应用于更复杂形状的样品方面也取得了显著进展。例如，通过使用带有误差合成模块的同步控制结构，成功实现了大面积表面的抛光（Cui等人，2021年）。此外，机器人技术与专用软件的结合使得能够抛光和谐不锈钢表面，显著降低了粗糙度（Braun等人，2019年）。还有研究针对曲线形状进行了探索：一项研究使用旋转轴配合振镜扫描仪抛光棒状钛样品（Lee等人，2020年），另一项研究使用层调节失焦方法抛光半球形Co-Cr组件，实现了高达93%的粗糙度降低（Yung等人，2018年）。尽管取得了这些进展，但对于高度复杂、患者定制的结构，激光抛光的效果仍不充分了解。

RPD框架是牙齿修复中的关键组件，作为支撑人造牙齿的金属结构，用于部分牙齿缺失的患者。在生物医学领域，RPD框架必须具备高的生物相容性、出色的机械强度和精确的 fit，以确保患者舒适度和口腔健康。然而，增材制造的框架面临表面质量的问题。鉴于临床对患者特定的、薄壁且形状复杂的RPD框架的需求，本研究提出了一种新的激光抛光技术来处理LPBF制造的RPD框架。与通常关注整体或简单几何形状增材制造样本的传统激光抛光研究不同，本研究特别针对壁薄且几何形状复杂的框架，阐明了此类结构在激光抛光过程中的独特行为和要求。我们优化了激光功率（影响表面质量的关键因素），并系统研究了激光抛光对微硬度、拉伸性能、耐腐蚀性和尺寸精度等关键性能特性的影响。这些发现为在LPBF制造的RPD框架生产中应用激光抛光提供了重要指导。

节选

样品制备

在本研究中，使用LPBF工艺制备了Co-Cr-Mo合金（Co-28.2Cr-6.3Mo，重量百分比）RPD框架，以进行后续的后处理。本研究使用的LPBF设备的主要参数为：最大激光功率500 W，构建尺寸280 mm × 280 mm × 300 mm，光斑尺寸80 μm。操作参数设置为：激光功率180 W，扫描速度850 mm/s，层厚30 μm，巢距也为80 μm，使用氩气作为

表面质量

图2展示了原始构建的RPD框架和经过激光抛光的RPD框架的表面形态。由于牙科框架的复杂3D几何形状，很难在不切割或变形的情况下获得可靠的OM（光学显微镜）和SEM（扫描电子显微镜）图像。因此，我们选择LCSM（激光共聚焦扫描显微镜）作为表征表面形态的主要方法，因为它更适合处理这种复杂形状。LCSM观察是在抛光区域的顶部表面进行的，分析位置

激光抛光处理的RPD框架的表面完整性

在RPD框架的LPBF过程中，由于激光和粉末相互作用时的高加热和冷却速率，熔池发生了非平衡流动，导致表面出现了一些飞溅物。此外，在激光处理之前，RPD框架经过了长时间的热处理，尽管使用了高纯度氩气作为保护气体，但框架表面仍然发生了明显的氧化反应。因此，在抛光之前的表面质量较差，表面粗糙度较大

结论

本研究采用激光抛光技术对薄壁、复杂几何形状的Co-Cr-Mo合金框架进行了后处理。比较了激光处理前后的表面完整性、材料性能和尺寸精度。主要发现包括：

(a)

激光抛光有效处理了薄壁、复杂几何形状的RPD框架，表面粗糙度从Sa 12.75 μm降低到Sa 0.72 μm。在表面形成了约62 μm厚的熔融层，呈现出柱状结构

CRediT作者贡献声明

李星：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据管理。王全杰：研究，数据管理。关英春：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，资金获取

未引用参考文献

Li等人，2021年；Liu和Wen，2022年；Nüsser和Willenborg，2022年；Sai和Mandal，2025年。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国防基础科学研究计划（Grant No. JCKY-2024601B007）的资助。