Dans le traitement des céramiques dentaires, des meules diamantées liées au nickel sont principalement utilisées, dont la fabrication et l'utilisation sont associées à des défis écologiques et sanitaires. L'Institut de technologie de fabrication et de machines-outils (IFW) de l'Université Leibniz de Hanovre développe, en collaboration avec la société Philipp Persch Nachf. KG, dans le cadre du projet de recherche « GreenDentalGrind », un nouvel outil de meulage dentaire basé sur une liaison en cuivre. L'objectif est de fournir une alternative plus respectueuse des ressources et biocompatible tout en conservant des performances comparables.
Dans le traitement industriel des céramiques dentaires, des meules diamantées liées au nickel par galvanoplastie sont actuellement principalement utilisées. Bien que ce procédé soit établi, il présente des défis écologiques, sanitaires et techniques considérables. Le traitement des eaux usées contenant du nickel nécessite un effort technique important. De plus, des ions nickel peuvent être libérés lors du traitement, favorisant les allergies de contact et posant des risques pour la santé en cas d'exposition prolongée. En outre, les résidus potentiels dans les pièces dentaires traitées sont discutés de manière critique. D'un point de vue économique, le choix des matériaux devient également important, car le nickel est plus coûteux et moins disponible que le cuivre.
Dans ce contexte, des systèmes de liaison alternatifs à base de cuivre sont de plus en plus au centre des travaux de développement actuels. L'objectif est d'éviter les inconvénients de la galvanoplastie au nickel tout en fournissant un concept d'outil de meulage performant qui présente des propriétés comparables en utilisation industrielle. En particulier, la caractéristique des matériaux des systèmes de liaison, qui diffère considérablement, représente un défi central : tandis que les liaisons à base de nickel sont caractérisées par une grande résistance et une forte affinité pour le diamant, le cuivre présente un comportement beaucoup plus ductile et une efficacité de liaison inférieure par rapport aux grains de meulage, ce qui a des conséquences directes sur la tenue des grains et le comportement d'usure.
Formation de carbure avec effet (formation de carbure intégrée au processus pour améliorer la force de maintien des grains)
Pour compenser les inconvénients liés aux matériaux de la liaison en cuivre, des grains de diamant revêtus de titane sont utilisés. Grâce à un traitement thermique ciblé, ceux-ci réagissent pour former du carbure de titane (TiC), qui agit comme un intermédiaire d'adhésion entre le diamant et la matrice métallique, augmentant ainsi significativement la force de maintien des grains. Pour les études, des échantillons d'acier plat ont été recouverts de diamants revêtus de titane dans un électrolyte de cuivre et galvanisés. Ensuite, un traitement thermique a été effectué dans la presse à frittage FAST de type DSP510 du fabricant Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH sous vide à des températures de 800 °C à 900 °C pendant un temps de maintien de 900 s. Au cours de ce processus, le carbone du diamant réagit avec le revêtement de titane et forme du carbure de titane à la frontière. En raison de sa structure de liaison mixte métallique-covalente, le carbure de titane peut interagir à la fois avec le diamant et avec la matrice métallique en cuivre. La couche de TiC ainsi formée améliore l'adhérence des grains de diamant à la liaison en cuivre et compense son comportement ductile. Cela conduit à des forces de maintien des grains accrues et crée les bases d'une durée de vie d'outil améliorée ainsi qu'une productivité de processus accrue. Pour prouver la formation de carbure, une analyse par diffraction des rayons X (XRD) a été réalisée sur des échantillons préalablement décopperisés. L'évaluation des diffractogrammes a montré, pour les deux températures étudiées, des réflexions caractéristiques du carbure de titane (TiC) à 2θ = 42,1° et 49°. Cela a permis de confirmer expérimentalement la formation de la couche de TiC.
Études d'application des nouveaux outils de meulage
Pour évaluer les nouveaux meules développées, des essais de meulage ont été réalisés sur du disilicate de lithium, un matériau typiquement utilisé pour des applications en céramique dentaire. Les meules liées au nickel ont servi de référence. L'influence de la surépaisseur des grains sur le comportement de meulage a été particulièrement étudiée. Les résultats des pré-études dans le processus de meulage à plat montrent que les meules liées au cuivre génèrent des forces de meulage plus élevées que la référence au nickel, tout en atteignant des rugosités de surface comparables. Pour les variantes avec 40 % et 50 % de surépaisseur de grain, les forces de meulage les plus faibles au sein des outils liés au cuivre ont été mesurées.
Dans des études complémentaires avec des meules à tête sphérique sous des conditions pratiques à 3+2 axes, différents angles d'attaque de 30°, 45° et 60° ont été examinés. Pour la référence au nickel, une surépaisseur de grain de 60 % a été utilisée, tandis que les meules liées au cuivre ont été examinées avec des surépaisseurs de grain de 40 %, 60 % et 90 %. Les forces de processus de la variante liée au cuivre avec 40 % de surépaisseur de grain étaient comparables à celles de la référence au nickel. Cependant, des différences ont été observées dans le rapport de force de meulage μ (voir figure 2), qui était plus faible pour les outils liés au cuivre. Un rapport de force de meulage plus faible indique une plus grande proportion de la force normale par rapport à la force tangentielle et suggère une efficacité réduite de la formation de copeaux ainsi qu'une proportion accrue de frottement de liaison pendant le processus de meulage. À de petits angles d'attaque, la zone du rayon de la tête sphérique est principalement en contact. En raison de la faible vitesse de coupe locale dans cette zone, des phénomènes de frottement et de labour se produisent plus intensément, ce qui entraîne des proportions relativement élevées de force normale. Avec l'augmentation de l'angle d'attaque, le contact se déplace vers la circonférence de l'outil, ce qui augmente la vitesse de coupe locale et favorise la formation de copeaux. Cela augmente la proportion de la force tangentielle par rapport à la force normale, ce qui se traduit par un rapport de force de meulage croissant. La référence au nickel présente le rapport de force de meulage le plus élevé, ce qui indique une proportion relativement élevée de la force tangentielle et donc une action de coupe plus marquée dans le processus de meulage. La liaison en cuivre avec 40 % de surépaisseur de grain montre un rapport de force de meulage plus faible, mais un comportement similaire sur les angles d'attaque examinés. Pour les liaisons en cuivre avec 60 % et 90 % de surépaisseur de grain, des rapports de force de meulage encore plus faibles ont été déterminés.
Des études au microscope électronique à balayage des surfaces d'outils montrent que les diamants revêtus de titane des meules liées au cuivre ne sont pas encore complètement recouverts. En particulier, dans la zone du rayon de la tête sphérique, une faible concentration de grains est présente. Cela entraîne des conditions d'engagement modifiées à de petits angles d'attaque par rapport à la référence au nickel entièrement recouverte.
Les études montrent également un potentiel d'optimisation évident du nouveau concept de liaison. Grâce à des ajustements ciblés de la liaison en cuivre, par exemple par un durcissement contrôlé de la matrice ainsi qu'une distribution plus homogène des grains de diamant sur l'outil, en particulier dans la zone du rayon de la tête sphérique, des meules compétitives peuvent être réalisées. Dans l'ensemble, les résultats confirment le potentiel des outils de meulage dentaires liés au cuivre comme alternative efficace en ressources et biocompatible par rapport à la liaison classique au nickel. En particulier, la formation intégrée de carbure de titane représente une approche prometteuse pour compenser les inconvénients liés aux matériaux de la liaison en cuivre et permettre à long terme la substitution des outils de meulage liés au nickel.
Auteurs : Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
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