Při zpracování dentálních keramik se dosud převážně používají diamantové brusné nástroje s niklovým spojem, jejichž výroba a použití jsou spojeny s ekologickými a zdravotními výzvami. Institut pro výrobní techniku a strojní nástroje (IFW) na Leibnizově univerzitě v Hannoveru vyvíjí společně se společností Philipp Persch Nachf. KG v rámci výzkumného projektu „GreenDentalGrind“ novou dentální brusnou nástroj na bázi měděného spojení. Cílem je šetrnější a biokompatibilnější alternativa při srovnatelné výkonnosti.
V průmyslovém zpracování dentálních keramik se v současnosti převážně používají galvanicky niklované diamantové brusné nástroje. I když je tento postup zavedený, je spojen s významnými ekologickými, zdravotními a technickými výzvami. Zpracování odpadních vod obsahujících nikl vyžaduje vysoké technické náklady. Kromě toho mohou být při zpracování uvolňovány niklové ionty, které podporují kontaktní alergie a představují zdravotní rizika při odpovídající expozici. Dále se kriticky diskutují možné zbytky v opracovaných dentálních dílech. Také z ekonomického hlediska nabývá volba materiálu na významu, protože nikl je ve srovnání s mědí nákladnější a méně dostupný.
V tomto kontextu se alternativní vazební systémy na bázi mědi stále více dostávají do centra aktuálních vývojových prací. Cílem je vyhnout se nevýhodám niklové galvanizace a zároveň poskytnout výkonný koncept brusného nástroje, který vykazuje srovnatelné vlastnosti v průmyslovém použití. Zvláštní výzvou je přitom výrazně odlišná charakteristika materiálu vazebních systémů: Zatímco niklové vazby se vyznačují vysokou pevností a silnou afinitou k diamantu, měď vykazuje výrazně duktilnější chování a nižší vazební účinek vůči brusným zrnům, což má přímý dopad na udržení zrn a opotřebení.
Tvorba karbidu s účinkem (procesně integrovaná tvorba karbidu pro zlepšení pevnosti zrna)
Pro kompenzaci materiálových nevýhod měděné vazby se používají diamantové zrna potažené titanem. Cílenou tepelnou úpravou reagují na titan karbid (TiC), který funguje jako spojovací prostředek mezi diamantem a kovovou matricí a významně zvyšuje sílu uchycení zrn. Pro zkoumání byly ploché ocelové vzorky pokryty titanem potaženými diamanty v měděném elektrolytu a galvanizovány. Následně proběhla tepelná úprava v lisovací peci FAST typu DSP510 výrobce Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH pod vakuem při teplotách od 800 °C do 900 °C po dobu 900 s. Během tohoto procesu reaguje uhlík diamantu s titanovým povlakem a vytváří v rozhraní titan karbid. Díky své smíšené metalicko-kovalentní vazební struktuře může titan karbid interagovat jak s diamantem, tak s kovovou měděnou matricí. Vzniklá TiC mezivrstva tím zlepšuje spojení diamantových zrn s měděnou vazbou a kompenzuje jejich duktilní chování. To vede k zvýšeným silám uchycení zrn a vytváří základ pro zlepšenou životnost nástroje a zvýšenou produktivitu procesu. Pro prokázání tvorby karbidu byla provedena rentgenová difraktometrická analýza (XRD) na dříve zbavených mědi vzorcích. Vyhodnocení difraktogramů ukázalo u obou zkoumaných teplot charakteristické reflexy titan karbidu (TiC) při 2 = 42,1° a 49°. Tím byla experimentálně potvrzena tvorba TiC mezivrstvy.
Výzkum použití nových brusných nástrojů
Pro hodnocení nově vyvinutých brusných nástrojů byly provedeny brusné pokusy na lithiadisilikátu, materiálu, který se typicky používá pro dentální keramické aplikace. Jako referenční sloužily brusné nástroje s niklovým spojem. Zvláštní pozornost byla věnována vlivu přebytku zrna na brusné chování. Výsledky předběžných zkoušek v plošném broušení ukazují, že brusné nástroje s měděným spojem vykazují vyšší brusné síly než niklová reference, přičemž jsou dosaženy srovnatelné drsnosti povrchu. U variant s 40 % a 50 % přebytkem zrna byly naměřeny nejnižší brusné síly v rámci nástrojů s měděným spojem.
Ve následných výzkumech s kulovými brusnými nástroji za podmínek praxe 3+2 osy byly zkoumány různé úhly náběhu 30°, 45° a 60°. Pro niklovou referenci byl použit přebytek zrna 60 %, zatímco měděné brusné nástroje byly zkoumány s přebytky zrna 40 %, 60 % a 90 %. Procesní síly měděné varianty s 40 % přebytkem zrna byly na srovnatelné úrovni s niklovou referencí. Rozdíly se však projevily v poměru brusné síly μ (viz obrázek 2), který byl pro měděné nástroje nižší. Nižší poměr brusné síly naznačuje vyšší podíl normální síly vůči tangenciální síle a naznačuje sníženou účinnost tvarování třísky a zvýšený podíl tření spojení během brusného procesu. Při malých úhlech náběhu je převážně oblast poloměru kulového hrotu v kontaktu. Vzhledem k nízké místní řezné rychlosti zde dochází k zesíleným třecím a pluhovacím procesům, které vedou k relativně vysokým podílům normální síly. Se zvyšujícím se úhlem náběhu se kontakt posouvá směrem k obvodu nástroje, což zvyšuje místní řeznou rychlost a podporuje tvarování třísky. Tím se zvyšuje podíl tangenciální síly vůči normální síle, což se projevuje ve zvyšujícím se poměru brusné síly. Niklová reference vykazuje nejvyšší poměr brusné síly, což naznačuje relativně vysoký podíl tangenciální síly a tím i výraznější řezný účinek v brusném procesu. Měděné spojení s 40 % přebytkem zrna vykazuje nižší poměr brusné síly, avšak podobný průběh přes zkoumané úhly náběhu. Pro měděná spojení s 60 % a 90 % přebytkem zrna byly zjištěny ještě nižší poměry brusné síly.
Rasterelektronové mikroskopické zkoumání povrchů nástrojů ukazuje, že titanem potažené diamanty měděných brusných kotoučů dosud nejsou zcela pokryty. Zejména v oblasti poloměru kulové hlavy je nízká koncentrace zrn. To vede při malých úhlových nastaveních k odlišným podmínkám zásahu ve srovnání s plně pokrytou niklovou referencí.
Výzkumy zároveň ukazují výrazný potenciál pro optimalizaci nového vazebního konceptu. Cílenými úpravami měděné vazby, například kontrolovaným zpevněním matrice a homogennějším rozložením diamantových zrn na nástroji, zejména v oblasti poloměru kulové hlavy, lze realizovat konkurenceschopné brusné nástroje. Celkově výsledky potvrzují potenciál mědí vázaných dentálních brusných nástrojů jako zdrojově efektivní a biokompatibilní alternativy k tradičnímu niklovému vázání. Zejména úspěšná procesně integrovaná tvorba titankarbidu představuje slibný přístup k vyrovnání materiálových nevýhod měděné vazby a k dlouhodobé možnosti substituce niklově vázaných brusných nástrojů.
Autoři: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Kontakt:
