En el procesamiento de cerámicas dentales, hasta ahora se utilizan predominantemente puntas de rectificado de diamante unidas por níquel, cuya fabricación y uso están asociados con desafíos ecológicos y de salud. El Instituto de Tecnología de Fabricación y Máquinas Herramientas (IFW) de la Universidad Leibniz de Hannover está desarrollando, junto con la empresa Philipp Persch Nachf. KG, un novedoso herramienta de rectificado dental basado en una unión de cobre en el proyecto de investigación "GreenDentalGrind". El objetivo es una alternativa más respetuosa con los recursos y biocompatible con un rendimiento comparable.
En el procesamiento industrial de cerámicas dentales, actualmente se utilizan predominantemente puntas de rectificado de diamante unidas por níquel galvanizado. Aunque este procedimiento está establecido, está asociado con importantes desafíos ecológicos, de salud y de recursos. El tratamiento de aguas residuales que contienen níquel implica un alto esfuerzo técnico. Además, durante el procesamiento pueden liberarse iones de níquel que favorecen las alergias por contacto y representan riesgos para la salud con la exposición correspondiente. Además, se discuten críticamente los posibles residuos en las piezas dentales procesadas. También desde una perspectiva económica, la elección del material adquiere importancia, ya que el níquel es más costoso y menos disponible en comparación con el cobre.
En este contexto, los sistemas de unión alternativos basados en cobre están recibiendo cada vez más atención en los trabajos de desarrollo actuales. El objetivo es evitar las desventajas de la galvanoplastia de níquel y al mismo tiempo proporcionar un concepto de herramienta de rectificado de alto rendimiento que presente propiedades comparables en el uso industrial. En particular, la notable diferencia en las características del material de los sistemas de unión representa un desafío central: mientras que las uniones basadas en níquel se caracterizan por su alta resistencia y una fuerte afinidad por el diamante, el cobre muestra un comportamiento mucho más dúctil y una menor efectividad de unión con respecto a los granos de rectificado, lo que tiene efectos inmediatos en la retención de grano y el comportamiento de desgaste.
Formación de carburo con efecto (formación de carburo integrada en el proceso para mejorar la fuerza de retención de grano)
Para compensar las desventajas del material de la unión de cobre, se utilizan granos de diamante recubiertos de titanio. A través de un tratamiento térmico controlado, estos reaccionan para formar carburo de titanio (TiC), que actúa como intermediario de unión entre el diamante y la matriz metálica y aumenta significativamente la fuerza de retención de grano. Para los estudios, se utilizaron muestras de acero plano en un electrolito de cobre con diamantes recubiertos de titanio y se galvanizaron. Posteriormente, se realizó un tratamiento térmico en la prensa de sinterización FAST del tipo DSP510 del fabricante Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH bajo vacío a temperaturas de 800 °C a 900 °C durante un tiempo de retención de 900 s. Durante este proceso, el carbono del diamante reacciona con el recubrimiento de titanio y forma carburo de titanio en la interfaz. Debido a su estructura de enlace metálico-covalente mixta, el carburo de titanio puede interactuar tanto con el diamante como con la matriz metálica de cobre. La capa de TiC resultante mejora así la unión de los granos de diamante a la unión de cobre y compensa su comportamiento dúctil. Esto conduce a fuerzas de retención de grano aumentadas y establece la base para una mayor vida útil de la herramienta y una mayor productividad del proceso. Para demostrar la formación de carburo, se realizó un análisis de difracción de rayos X (XRD) en muestras previamente despojadas de cobre. La evaluación de los difractogramas mostró en ambas temperaturas estudiadas reflejos característicos de carburo de titanio (TiC) a 2θ = 42,1° y 49°. Así, se pudo confirmar experimentalmente la formación de la capa de TiC.
Estudios de aplicación de las nuevas herramientas de rectificado
Para evaluar las nuevas puntas de rectificado desarrolladas, se realizaron ensayos de rectificado en disilicato de litio, un material que se utiliza típicamente para aplicaciones de cerámica dental. Como referencia se utilizaron puntas de rectificado unidas por níquel. Se estudió especialmente la influencia de la sobresalencia de grano en el comportamiento de rectificado. Los resultados de los estudios preliminares en el proceso de rectificado plano muestran que las puntas de rectificado unidas por cobre generan fuerzas de rectificado más altas que la referencia de níquel, mientras que se logran rugosidades superficiales comparables. Para las variantes con un 40 % y un 50 % de sobresalencia de grano, se midieron las fuerzas de rectificado más bajas dentro de las herramientas unidas por cobre.
En investigaciones adicionales con puntas de rectificado de cabeza esférica bajo condiciones prácticas de 3+2 ejes, se consideraron diferentes ángulos de inclinación de 30°, 45° y 60°. Para la referencia de níquel se utilizó un sobresaliente de grano del 60 %, mientras que las puntas de rectificado unidas por cobre se investigaron con sobresalientes de grano del 40 %, 60 % y 90 %. Las fuerzas del proceso de la variante unida por cobre con un 40 % de sobresaliente de grano estaban en un nivel comparable a la referencia de níquel. Sin embargo, se observaron diferencias en la relación de fuerza de rectificado μ (ver figura 2), que fue menor para las herramientas unidas por cobre. Una relación de fuerza de rectificado menor indica una mayor proporción de la fuerza normal en comparación con la fuerza tangencial y sugiere una eficiencia reducida en la formación de virutas, así como una mayor proporción de fricción de unión durante el proceso de rectificado. Con ángulos de inclinación pequeños, la mayor parte del área del radio de la cabeza esférica está en contacto. Debido a la baja velocidad de corte local en esa área, se producen más procesos de fricción y arado, lo que lleva a proporciones relativamente altas de fuerza normal. A medida que aumenta el ángulo de inclinación, el contacto se desplaza hacia el contorno de la herramienta, lo que aumenta la velocidad de corte local y favorece la formación de virutas. Esto aumenta la proporción de la fuerza tangencial en comparación con la fuerza normal, lo que se manifiesta en una relación de fuerza de rectificado creciente. La referencia de níquel presenta la relación de fuerza de rectificado más alta, lo que indica una proporción relativamente alta de la fuerza tangencial y, por lo tanto, una acción de corte más pronunciada en el proceso de rectificado. La unión de cobre con un 40 % de sobresaliente de grano muestra una relación de fuerza de rectificado menor, pero un comportamiento similar a través de los ángulos de inclinación estudiados. Para las uniones de cobre con un 60 % y un 90 % de sobresaliente de grano, se determinaron relaciones de fuerza de rectificado aún más bajas.
Investigaciones con microscopía electrónica de barrido de las superficies de las herramientas muestran que los diamantes recubiertos de titanio de las puntas de rectificado unidas por cobre aún no están completamente recubiertos. En particular, en el área del radio de la cabeza esférica hay una baja concentración de grano. Esto conduce a condiciones de contacto alteradas en comparación con la referencia de níquel completamente recubierta en ángulos de inclinación pequeños.
Las investigaciones también muestran un claro potencial de optimización del nuevo concepto de unión. A través de ajustes específicos en la unión de cobre, por ejemplo, mediante un control de la fragilidad de la matriz y una distribución más homogénea de los granos de diamante en la herramienta, especialmente en el área del radio de la cabeza esférica, se pueden realizar puntas de rectificado competitivas. En general, los resultados confirman el potencial de las herramientas de rectificado dentales unidas por cobre como una alternativa eficiente en recursos y biocompatible a la unión clásica de níquel. En particular, la exitosa formación de carburo de titanio integrada en el proceso representa un enfoque prometedor para compensar las desventajas del material de la unión de cobre y, a largo plazo, permitir la sustitución de herramientas de rectificado unidas por níquel.
Autores: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
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