Metal–Ceramic Bond Strength and Mechanical Properties of Co–Cr Alloy Fabricated by Selective Laser Melting

Abstract

Purpose: The application range of 3D printing technology in the dental field is increasing due to the development of additive manufacturing technology and the advantages of manufacturing methods. However, there is a lack of research on differences in various characteristics when a prosthesis produced by 3D printing is compared with one produced by a conventional method. The purpose of this study is to determine whether there are differences in characteristics (metal-ceramic bond strength, mechanical properties) of metal depending on different manufacturing methods (casting, milling, and selective laser melting).

Materials and methods: To measure the mechanical properties of alloys, Co–Cr alloy specimens were prepared in three different ways: via casting using ingots (Star Loy C, Dentsply Sirona, Pennsylvania, USA), milling using milling disks (Starbond Co–Cr block, Scheftner Dental Alloys, Mainz, Germany), or selective laser melting (SLM) using powder (SP2, EOS, Krailling, Germany). Specimens were fabricated in the shape of a 34 × 13 × 1.5 mm plate in accordance with ISO 22674:2016. Twelve specimens were prepared for each group. The flexural stress–strain curves of the metals were drawn based on the results of three-point bending tests. Afterward, elastic modulus, yield strength, and flexural strength values were calculated. In addition, to measure their metal–ceramic bond strength values, specimens were prepared in the same way as 25 × 3 × 0.5 mm plates in accordance with ISO 9693-1:2012. An 8 × 3 × 1.1 mm ceramic part (Hera Ceram, Heraeus, Hanau, Germany) was applied in the center portion above it. For each of the 12 specimens produced, the metal–ceramic bond strength (τb) value was measured through three-point bending tests. After the experiment, five specimens were randomly selected from each group, and their surface roughness (Ra) values were measured at three sites per specimen. Next, the surface of specimens was analyzed via energy dispersive X-Ray spectroscopy (EDX) after the ceramic part had been removed. In addition, the surface where the metal had broken and the surface from which the ceramic part fell off were observed using scanning electron microscopy (SEM). The results of the tests were checked for equal dispersion by applying the Levene's test, and the influence of manufacturing methods on Ra, elastic modulus, yield strength, flexural strength, and metal–ceramic bond strength values, as well as the percentage of ceramic remaining on the surface, were statistically analyzed using one-way ANOVA (analysis of variance) followed by Tukey's Post-hoc test (α = 0.05).

Results: The Ra values were not statistically different (casting group 1.19 ± 0.58 μm, milling group 0.88 ± 0.46 μm, and SLM group 1.10 ± 0.30 μm), the elastic modulus value was the largest for the casting group (casting group 560.53 ± 21.53 GPa, milling group 473.55 ± 35.02 GPa, and SLM group 464.55 ± 10.77 GPa), and the yield strength value (casting group 567.92 ± 35.53 MPa, milling group 323.86 ± 32.04 MPa, and SLM group 591.18 ± 22.31 MPa) and the flexural strength value (casting group 792.31 ± 81.64 MPa, milling group 494.16 ± 51.93 MPa SLM group 849.48 ± 24.45 MPa) were the smallest for the milling group. By observing the fracture surface of the metals via SEM, characteristic dendritic and inter-dendritic structures resulting from non-uniform cooling after casting were observed in the casting group, uniform surfaces were observed in the milling group, and the SLM group showed nanosized crystalline structures. Wave striations were observed on the fracture surface of the milling group, while the SLM group showed cleavage step patterns. The casting group attained a high τb value (casting group 32.51 ± 2.68 MPa, milling group 26.98 ± 3.97 MPa, and SLM group 29.07 ± 2.90 MPa). However, all three groups passed the ISO standard test. Ceramic remains on the surface after removing the ceramic were observed. From the results of the component analysis using EDX, the proportion of silicon detected on the surface is in the order of the milling group, the SLM group, and the casting group, all of which showed a mixed failure pattern (casting group 36.44 ± 6.37%, milling group 57.10 ± 12.26%, and SLM group 49.50 ± 7.69%).

Conclusions: The Ra values of the Co–Cr alloys produced by the three different methods were not different. Among the mechanical properties tested, the elastic modulus value was high for the casting group and yield strength and flexural strength values were low for the milling group. Every specimen showed a mixed failure pattern. Although there were differences in the results for the casting, milling, and SLM manufacturing methods, it was found that they all passed the test of bond strength according to the ISO standards. Considering many other advantages, the SLM method seems to have the potential to replace the traditional fabrication method.

목 적: 적층 가공 기술의 발달과 제작 방식의 장점으로 인해 치과 영역에 3D 프린팅 기술의 적용 범위가 늘어가고 있다. 하지만 3D 프린팅과 기존의 방식으로 제작한 보철물의 여러 특성을 비교한 연구가 부족하다. 본 연구의 목적은 3D 프린팅 방식의 한 종류인 선택적 레이저 용융 (Selective Laser Melting; SLM) 방식으로 제작한 코발트–크롬 합금의 기계적인 성질과 세라믹과의 결합강도가 기존의 주조, 절삭가공 방식으로 제작한 합금과 차이가 있는지 알아보는 것이다.

재료 및 방법: 먼저 합금의 기계적인 성질을 측정하기 위해서 주괴(Star Loy C, Dentsply Sirona, Pennsylvania, USA)를 이용한 주조, 디스크(Starbond Co–Cr block, Scheftner dental alloys, Mainz, Germany)를 이용한 밀링, 파우더(SP2, EOS, Krailling, Germany)를 이용한 SLM 3가지 다른 방식으로 코발트–크롬 합금을 제작하였다. ISO 22674:2016 규격에 따라 34 × 13 × 1.5 mm 크기의 판 모양으로 시편을 제작했다. 각 그룹별로 12개의 시편을 준비해 3점 굽힘 실험을 통해 금속의 응력–변형 곡선을 그리고, 탄성계수, 항복강도, 굴곡강도를 계산했다. 또한, 금속–세라믹의 결합강도 측정을 위해 ISO 9693-1:2012 규격에 따라 시편을 똑같이 세 가지 방법으로 25 × 3 × 0.5 mm 크기로 제작하고, 그 위의 중앙 부위에 세라믹(Hera Ceram, Heraeus, Hanau, Germany)을 8 × 3 × 1.1 mm 크기로 올린 시편을 각 12개씩 제작했다. 이후에 3점 굽힘 실험을 통해 금속-세라믹 결합 강도(τb)를 측정했다. 실험 후 각 실험군 당 5개의 시편을 무작위로 추출해 시편 당 3개 부위에서 표면의 미세거칠기(Ra)를 측정하고, 세라믹이 탈락한 표면의 성분분석을 진행했다. 또한 주사전자현미경을 이용해 금속의 표면을 관찰했다. 통계적 분석은 각 실험 결과를 Levene's test를 통해 등분산 확인하고, 3가지의 다른 제작방법에 대하여 미세거칠기, 탄성계수, 항복강도, 굴곡강도, 결합강도, 금속 표면에 세라믹이 남아있는 비율을 종속변수로 일원 분산 분석 시행하고, Tukey's post-hoc test로 사후 검정했다 (α = 0.05).

결 과: 미세거칠기는 각 실험군 사이에 통계적인 차이는 없는 것으로 나타났다. (주조군 1.19 ± 0.58 μm, 밀링군 0.88 ± 0.46 μm, SLM군 1.10 ± 0.30 μm) 탄성계수는 주조군에서 더 크게 나타났다. (주조군 560.53 ± 21.53 GPa, 밀링군 473.55 ± 35.02 GPa, SLM군 464.55 ± 10.77 GPa) 항복강도와 (주조군 567.92 ± 35.53 MPa, 밀링군 323.86 ± 32.04 MPa, SLM군 591.18 ± 22.31 MPa) 굴곡강도는 (주조군 792.31 ± 81.64 MPa, 밀링군 494.16 ± 51.93 MPa, SLM군 849.48 ± 24.45 MPa) 밀링군에서 작게 나타났다. 금속의 파절면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 주조군에서는 주조 후에 불균일하게 식으면서 생기는 특징적인 수지상 구조를 관찰할 수 있었고, 밀링군에서는 균일한 표면을 볼 수 있었다. SLM군에서는 나노크기의 결정구조를 볼 수 있었다. 밀링군에서는 파절면에서 물결무늬를 관찰할 수 있었고, SLM군에서는 계단면처럼 보이는 파절양상을 볼 수 있었다. 금속-세라믹 결합강도(τb)를 측정한 결과, 주조군이 높게 나왔다. (주조군 32.51 ± 2.68 MPa, 밀링군 26.98 ± 3.97 MPa, SLM군 29.07 ± 2.90 MPa) 하지만 ISO 규격에 따르면 세 군 모두 기준치를 만족하는 결과를 보였다. 세라믹이 탈락한 면을 보면 금속 표면에 세라믹이 남아있는 것을 관찰할 수 있었다. 성분분석(EDS) 결과 표면에서 규소가 검출된 비율이 밀링군, SLM군, 주조군의 순서로 나타났으며, (주조군 36.44 ± 6.37 %, 밀링군 57.10 ± 12.26 %, SLM군 49.50 ± 7.69 %) 모두 혼합된 탈락양상을 보였다.

결 론: 세 가지 다른 방법으로 제작한 코발트–크롬 합금의 미세거칠기값은 통계적으로 차이가 없었다. 기계적인 성질 중에서 탄성계수는 주조군이 높았고, 항복강도와 굴곡강도는 밀링군이 낮았다. 세라믹 탈락면을 검사하면, 모두 혼합된 탈락양상을 보였다. 주조, 밀링, SLM 제작 방식에 따라 결과의 차이는 있었지만, ISO 기준에 따르면 세 군 모두 결합강도가 임상적으로 사용 가능한 기준을 통과한 것으로 나타났다. 여러 특성을 고려했을 때, 선택적 레이저 용융 방식은 기존의 전통적인 제작방법을 대체할 가능성이 있을 것으로 보인다.