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韩国材料科学研究所：基于闪烁式数字光处理的功能梯度增材制造，兼具颜色与透明度梯度的氧化锆牙冠精选

已有 5096 次阅读 2026-1-6 11:21 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Abbas S, Gal CW, Zhang S, et al. Flashing digital light processing based functionally graded additive manufacturing of zirconia dental crowns with simultaneous color and translucency gradation. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(9): 9221140. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221140

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221140

ResearchGate：Flashing digital light processing based functionally graded additive manufacturing of zirconia dental crowns with simultaneous color and translucency gradation

1、导读

本文提出一种基于闪烁式数字光处理（DLP）的功能梯度增材制造（FGAM）工艺，用于制备兼具颜色与透明度梯度的高美学性能氧化锆（ZrO₂）牙冠。通过在氧化锆粉末中可控掺杂氧化铁（Fe₂O₃）实现颜色梯度，同时采用三种不同摩尔百分比的氧化钇稳定氧化锆粉末（3、4和5摩尔百分比氧化钇稳定氧化锆，即3YSZ、4YSZ、5YSZ），通过调控烧结后牙冠中的各向同性立方相（c-ZrO₂）含量，同步实现透明度梯度。采用闪烁照明方式进行牙冠打印：连续紫外（UV）闪光的闪光时间为0.2秒，间隔时间为1秒，以此克服连续打印中因散射导致的过度固化问题——该问题会降低设计的结构精度，并引发后处理难题及性能劣化。CIELAB颜色空间（L*、a*、b*值）测试表明，所制备牙冠的着色指数与天然牙齿的梯度外观相符。氧化铁和氧化钇的含量对机械性能和烧结收缩率影响较小。牙冠顶部采用未掺杂的5YSZ组分时，可获得最高的透明度参数。本研究通过闪烁机制成功解决了陶瓷材料功能梯度增材制造中的工艺难题，同时实现了氧化锆牙冠的颜色与透明度梯度调控，为美学牙科领域带来了具有潜在突破性的进展。

2、研究背景

功能梯度材料（FGMs）可在单一构件内实现成分与性能的空间渐变，在需要特定部位性能适配的应用场景中愈发重要。增材制造（AM），尤其是光固化成型技术，凭借其高空间分辨率和数字化控制能力，为功能梯度材料的制备提供了强大平台。然而，由于生坯后处理过程中存在浆料交换、固化精度及层间剥离等问题，实现成分梯度陶瓷结构的制备仍面临挑战。牙冠是陶瓷功能梯度材料的理想应用场景——天然牙齿从牙釉质到牙本质，其颜色、透明度和结构本就呈现渐变特征。相比之下，传统氧化锆牙冠成分均一，难以再现天然牙齿的层次感和光学复杂性。尽管数字光处理（DLP）技术已成为制备陶瓷牙科修复体的热门方法，但大多数DLP打印氧化锆牙冠仍为成分均一结构，对光学梯度的调控能力不足。此外，传统连续曝光DLP技术常因散射导致过度固化，降低梯度结构的尺寸精度和界面分辨率。为解决这些局限，本研究采用闪烁式DLP技术进行氧化锆牙冠的功能梯度增材制造。通过短脉冲、高强度的光照抑制散射效应、提高固化精度，实现单颗牙冠内颜色掺杂剂和氧化锆成分的可控调节。该策略在保持结构完整性和打印精度的同时，同步实现颜色与透明度梯度，为制备更接近天然牙齿外观的牙科修复体提供了可行路径。

3、文章亮点

• 提出新型闪烁式DLP技术，用于功能梯度陶瓷打印；

• 首次通过该方法打印出兼具颜色与透明度梯度的氧化锆牙冠；

• 闪烁曝光通过减少光散射和过度固化，提高打印精度；

• 单次制造过程中同步实现材料成分与美学性能的调控；

• 所开发方法可制备外观更接近天然牙齿的陶瓷牙科修复体。

4、研究结果及结论

本研究旨在同步实现氧化锆牙冠的颜色与透明度梯度，并通过自主研发的薄膜式DLP系统（图1a）——采用闪烁技术运行——解决功能梯度牙冠制备中的打印及后处理难题。根据图1b所示的成分设计，采用闪烁照明和连续照明两种方式，以15微米的层厚打印兼具颜色与透明度梯度的功能梯度牙冠。

Fig. 1. Illustration of DLP-flashing mechanism and FGM dental crown

Fig. 2. Comparison of FGM crowns printed via continuous and flashing illumination

如图2a所示，连续打印导致严重的过度固化，牙冠中空区域完全堵塞。相比之下，采用闪烁照明打印的牙冠结构保持了形状完整性和精度（图2c）。所有打印样品在氮气氛围中以0.5℃/min的升温速率于625℃下脱脂后，均获得无裂纹的素坯。在空气氛围中1500℃下烧结后，可获得颜色与透明度梯度结构；然而，连续打印样品在功能梯度结构的底部界面出现大裂纹（图2b），将牙冠沿裂纹界面切开后，观察到大量残留粉末，且烧结后的牙冠完全不透明，功能梯度成分未呈现任何透明度梯度特征。相反，闪烁照明打印的样品烧结后无裂纹和层间剥离（图2d），功能梯度牙冠质地更均匀，颜色与透明度梯度清晰可辨。

所有功能梯度成分均满足ISO 6872:2024标准中牙科陶瓷材料的最低弯曲强度要求。图3显示了所有成分在1500℃下的最大弯曲强度：未掺杂的5YSZ样品强度较低（约550MPa），而氧化铁掺杂的3YSZ和4YSZ样品强度更高。

Fig. 3. Mechanical properties and translucency of FGM compositions

对于3YSZ和4YSZ样品，弯曲强度随氧化铁掺杂量的增加略有下降。例如，0.02wt%氧化铁掺杂的4YSZ样品强度为696.40MPa，当氧化铁含量增加至0.06wt%时，强度降至约670MPa。已有研究表明，氧化钇掺杂会促进晶粒生长，而氧化铁掺杂会导致残余孔隙率增加，这两种因素均会导致机械性能略有劣化。

透明度方面，如图3所示，0.10wt%和0.08wt%氧化铁掺杂的3YSZ样品相比4YSZ和5YSZ样品更不透明：前者的透明度参数（TP）低于12，而所有4YSZ样品的TP值均高于15；未掺杂氧化铁的5YSZ样品透明度最高（TP>20），成为三种氧化锆材料中透明度最优的材料——这是由于高氧化钇掺杂量使氧化锆中各向同性立方相含量较高所致。

综上，本研究通过闪烁式DLP策略，解决了陶瓷材料功能梯度增材制造的工艺局限，并通过制备兼具颜色与透明度梯度的氧化锆牙冠，满足了牙科修复体的美学需求。闪烁照明（0.2秒闪光时间、1秒间隔时间）可有效降低散射诱导的过度固化程度：在高氧化铁掺杂量（如0.06wt%及以上）的浆料中，连续固化的过度固化程度约为80%，而闪烁固化可将其降至14%。此外，与连续打印样品不同，烧结后的功能梯度牙冠无裂纹产生。氧化钇掺杂量对氧化锆材料的弯曲强度和烧结收缩率影响较小。透明度参数（TP）验证了透明度梯度的存在：5YSZ样品的最大TP值约为22，而0.10wt%氧化铁掺杂的3YSZ样品TP值约为11。

5、作者及研究团队简介

本研究团队隶属于韩国材料科学研究所（KIMS）先进生物与健康材料研究部，专注于3D打印工艺开发及生物材料（包括陶瓷和金属）的增材制造研究。

Hui-suk Yun（通讯作者），韩国材料科学研究所（KIMS）先进生物与健康材料研究部首席研究员。研究方向：陶瓷增材制造、组织工程、净零排放。

Email: yuni@kims.re.kr

ORCID: 0000-0001-5710-8950

Shakeel Abbas（第一作者），研究方向：增材制造（AM）、陶瓷3D打印、功能梯度材料（FGMs）。

个人主页: Google Scholar

Email: abbas@ust.ac.kr

ORCID: 0009-0005-2175-4367

Chang Woo Gal，韩国材料科学研究所（KIMS）先进生物与健康材料研究部高级研究员。研究方向：增材制造、粉末/聚合物加工技术、生物陶瓷。

Email: cwoogal@kims.re.kr

ORCID: 0009-0009-0844-3838

Yeong-Jin Choi，韩国材料科学研究所（KIMS）先进生物与健康材料研究部高级研究员。研究方向：生物陶瓷3D打印及应用、再生医学。

个人主页: Google Scholar

Email: jinchoi@kims.re.kr

ORCID: 0000-0002-5211-8436

Insup Kim，韩国材料科学研究所（KIMS）先进生物与健康材料研究部高级研究员。研究方向：增材制造（AM）、陶瓷3D打印。

个人主页: https://scholar.google.com/citations?user=ilOZ6PcAAAAJ&hl=ko

Email: insup@kims.re.kr

ORCID: 0000-0003-4785-2158

Sinuo Zhang，研究方向：陶瓷增材制造、透明陶瓷。

Email: snow1995@kims.re.kr

ORCID: 0000-0001-7556-5522

Muhammad Bilal，研究方向：增材制造（AM）、多材料制备、生物医学植入物。

个人主页: ‪MUHAMMAD BILAL - ‪Google Scholar

Email: mbilal0407@ust.ac.kr

ORCID: 0009-0005-8015-7298

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。