U obradi dentalnih keramika do sada se pretežno koriste dijamantni brusni alati vezani za nikal, čija proizvodnja i upotreba su povezani s ekološkim i zdravstvenim izazovima. Institut za proizvodnu tehnologiju i alatne strojeve (IFW) Sveučilišta Leibniz u Hannoveru zajedno s tvrtkom Philipp Persch Nachf. KG razvija u okviru istraživačkog projekta „GreenDentalGrind“ inovativni dentalni brusni alat na bazi bakrene veze. Cilj je resursno štedljivija i biokompatibilnija alternativa uz usporedivu učinkovitost.
U industrijskoj obradi dentalnih keramika trenutno se pretežno koriste galvanizirani dijamantski brusni alati vezani niklom. Iako je ova metoda uspostavljena, povezana je s značajnim ekološkim, zdravstvenim i resursnim izazovima. Obrada otpadnih voda koje sadrže nikl zahtijeva visoke tehničke napore. Osim toga, tijekom obrade mogu se oslobađati niklovi ioni koji potiču kontaktne alergije i predstavljaju zdravstvene rizike pri odgovarajućoj izloženosti. Nadalje, mogući ostaci u obrađenim dentalnim radnim komadima kritički se raspravljaju. Također, s ekonomske perspektive, izbor materijala postaje sve važniji, budući da je nikl skuplji i manje dostupan u usporedbi s bakrom.
U tom kontekstu, alternativni sustavi vezivanja na bazi bakra sve više dolaze u fokus aktualnih razvojnih radova. Cilj je izbjeći nedostatke niklovanja i istovremeno pružiti učinkovitu koncepciju alata za brušenje koja u industrijskoj primjeni pokazuje usporedive karakteristike. Pri tome posebno značajna odstupanja u karakteristikama materijala sustava vezivanja predstavljaju središnji izazov: dok su veziva na bazi nikla obilježena visokom čvrstoćom i jakom afinitetom prema dijamantu, bakar pokazuje znatno duktilnije ponašanje i manju veznu moć prema zrncima za brušenje, što ima neposredne posljedice na zadržavanje zrna i ponašanje pri trošenju.
Formiranje karbida s učinkom (Procesno integrirano formiranje karbida za poboljšanje snage zadržavanja zrna)
Za kompenzaciju materijalnih nedostataka vezanih za bakarnu vezu koriste se dijamantne čestice prekrivene titanom. Kroz ciljano toplinsko tretiranje, one reagiraju u titan karbid (TiC), koji djeluje kao sredstvo za vezivanje između dijamanta i metalne matrice te značajno povećava snagu zadržavanja čestica. Za istraživanje su korištene uzorke ravnog čelika prekrivene dijamantima s titan premazom u bakrovom elektrolitu i galvanizirane. Nakon toga, izvršen je toplinski tretman u FAST sinter presi tipa DSP510 proizvođača Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH pod vakuumom pri temperaturama od 800 °C do 900 °C tijekom vremena zadržavanja od 900 s. Tijekom ovog procesa, ugljik iz dijamanta reagira s titan premazom i formira titan karbid na granici. Zbog svoje mješovite metalno-kovalentne strukture vezivanja, titan karbid može interagirati kako s dijamantom, tako i s metalnom bakrenom matricom. Tako nastala TiC granica poboljšava vezivanje dijamantnih čestica na bakarnu vezu i kompenzira njihovo duktilno ponašanje. To dovodi do povećanih snaga zadržavanja čestica i stvara temelje za poboljšanu trajnost alata te povećanu produktivnost procesa. Za dokazivanje formiranja karbida provedena je rendgenska difrakcijska analiza (XRD) na prethodno dekapiranih uzorcima. Evaluacija difraktograma pokazala je karakteristične refleksije titan karbida (TiC) pri 2 = 42,1° i 49° na obje ispitivane temperature. Time je eksperimentalno potvrđena formacija TiC granice.
Istraživanja primjene novih brusnih alata
Za ocjenu novorazvijenih brusnih iglica provedeni su brusni pokusi na litij-disilikatu, materijalu koji se tipično koristi za dentalne keramičke primjene. Kao referenca korištene su brusne iglice vezane niklom. Istražen je posebno utjecaj preostalog zrna na brusno ponašanje. Rezultati prethodnih ispitivanja u procesu ravnog brušenja pokazuju da brusne iglice vezane bakrom generiraju veće brusne sile od nikl referentnih, dok se postižu usporedive hrapavosti površine. Pri tome su za varijante s 40 % i 50 % preostalog zrna izmjerene najniže brusne sile unutar alata vezanih bakrom.
U daljnjim istraživanjima s kuglastim brusnim alatima pod praktičnim uvjetima 3+2 osi razmatrani su različiti kutovi nagiba od 30°, 45° i 60°. Za referencu nikla korišten je prekomjerak zrna od 60 %, dok su se brusni alati s bakrom istraživali s prekomjercima zrna od 40 %, 60 % i 90 %. Procesne sile varijante s bakrom i 40 % prekomjerka zrna bile su na usporedivoj razini s referencom nikla. Međutim, razlike su se pojavile u omjeru brusne sile μ (vidi sliku 2), koji je za alate s bakrom bio manji. Manji omjer brusne sile ukazuje na veći udio normalne sile u odnosu na tangencijalnu silu i sugerira smanjenu učinkovitost stvaranja strugotine te povećani udio trenja vezivanja tijekom procesa brušenja. Pri malim kutovima nagiba većinom je područje radijusa kuglastog vrha u kontaktu. Zbog niske lokalne brzine rezanja u tom području dolazi do pojačanih trenja i plužnih procesa, što dovodi do relativno visokih udjela normalne sile. Povećanjem kuta nagiba kontakt se premješta prema opsegu alata, čime se povećava lokalna brzina rezanja i potiče stvaranje strugotine. Time se povećava udio tangencijalne sile u odnosu na normalnu silu, što se očituje u rastućem omjeru brusne sile. Referenca nikla pokazuje najviši omjer brusne sile, što ukazuje na relativno visok udio tangencijalne sile i time na izraženiju reznu učinkovitost u procesu brušenja. Bakrena veza s 40 % prekomjerka zrna pokazuje manji omjer brusne sile, no sličan tijek kroz istraživane kutove nagiba. Za bakrene veze s 60 % i 90 % prekomjerka zrna utvrđeni su još niži omjeri brusne sile.
Istraživanja pomoću rasterelektronskog mikroskopa pokazuju da titanom prekriveni dijamanti vezanih za bakar još uvijek nisu potpuno pokriveni. Osobito u području radijusa kuglastog vrha prisutna je mala koncentracija zrna. To dovodi do promijenjenih uvjeta rezanja pri malim kutovima nagiba u usporedbi s potpuno pokrivenom niklovom referencom.
Istraživanja također jasno pokazuju potencijal za optimizaciju novog koncepta vezivanja. Ciljanim prilagodbama vezivanja bakra, primjerice kontroliranim stvrdnjavanjem matrice te homogenijom distribucijom dijamantnih zrna na alatu, posebno u području radijusa kuglastog vrha, mogu se realizirati konkurentni brusni štapići. Ukupno, rezultati potvrđuju potencijal brusnih alata vezanih bakrom kao resursno učinkovite i biokompatibilnije alternative klasičnom niklovom vezivanju. Osobito uspješna procesno integrirana formacija titankarbidnog materijala predstavlja obećavajući pristup za kompenzaciju materijalnih nedostataka bakrene veze i dugoročno omogućava supstituciju brusnih alata vezanih niklom.
Autori: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Kontakt:
