A fogászati kerámiák megmunkálásában eddig túlnyomórészt nikkelkötésű gyémántcsiszolófejeket használnak, amelyek gyártása és használata ökológiai és egészségügyi kihívásokkal jár. A Hannoveri Leibniz Egyetem Gyártástechnikai és Szerszámgépek Intézete (IFW) a Philipp Persch Nachf. KG céggel együttműködve a „GreenDentalGrind” kutatási projekt keretében egy új típusú fogászati csiszolóeszközt fejleszt ki rézkötés alapján. Célja egy erőforrás-kímélőbb és biokompatibilisebb alternatíva kifejlesztése hasonló teljesítmény mellett.
A fogászati kerámiák ipari megmunkálásában jelenleg túlnyomórészt galvanikusan nikkelhez kötött gyémántcsiszolófejeket használnak. Bár ez a módszer elterjedt, jelentős ökológiai, egészségügyi és erőforrás-technikai kihívásokkal jár. A nikkeltartalmú folyamatvizek kezelése magas technikai ráfordítást igényel. Ezenkívül a megmunkálás során nikkelionok szabadulhatnak fel, amelyek érintkezési allergiákat okozhatnak, és megfelelő expozíció esetén egészségügyi kockázatot jelentenek. Továbbá a megmunkált fogászati munkadarabokban esetlegesen megmaradó maradványokat is kritikusan vitatják. Gazdasági szempontból is egyre fontosabbá válik az anyagválasztás, mivel a nikkel a rézhez képest költségesebb és kevésbé elérhető.
E háttérrel a réz alapú alternatív kötési rendszerek egyre inkább a jelenlegi fejlesztési munkák középpontjába kerülnek. A cél az, hogy elkerüljük a nikkelgalvanizálás hátrányait, miközben egy olyan teljesítményorientált csiszolóeszköz koncepciót biztosítsunk, amely ipari felhasználás során hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Különösen a kötési rendszerek jelentősen eltérő anyagjellemzői jelentenek központi kihívást: míg a nikkel alapú kötések magas szilárdsággal és erős affinitással rendelkeznek a gyémánt iránt, a réz sokkal duktilisabb viselkedést mutat, és alacsonyabb kötési hatást gyakorol a csiszoló szemcsékre, ami közvetlen hatással van a szemcse megtartására és a kopásra.
Karbidképzés hatással (Folyamatintegrált karbidképzés a szemcse megtartóerejének javítására)
A rézkapcsolat anyagából adódó hátrányok kompenzálására titánbevonatú gyémánt szemcséket alkalmaznak. Egy célzott hőkezelés során ezek titánkarbidra (TiC) reagálnak, amely a gyémánt és a fémes mátrix közötti tapadást biztosítja, és jelentősen növeli a szemcsetartó erőt. A vizsgálatok során lapos acélmintákat réz elektrolitban titánbevonatú gyémántokkal vontak be és galvanizáltak. Ezt követően hőkezelést végeztek a Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH gyártó DSP510 típusú FAST-sinter présében vákuumban, 800 °C és 900 °C közötti hőmérsékleten, 900 másodperces tartási idővel. E folyamat során a gyémánt szénje reagál a titánbevonattal, és a határfelületen titánkarbidot képez. A titánkarbid vegyes fémes-kovalens kötési szerkezete lehetővé teszi, hogy mind a gyémánttal, mind a fémes réz mátrixszal kölcsönhatásba lépjen. Az így létrejövő TiC határfelület javítja a gyémánt szemcsék tapadását a rézkapcsolathoz, és kompenzálja azok duktilis viselkedését. Ez megnöveli a szemcsetartó erőket, és megalapozza a jobb szerszám élettartamot, valamint a megnövelt folyamat produktivitást. A karbidképződés igazolására röntgendiffraktometriai analízist (XRD) végeztek a korábban dekuppantott mintákon. A diffraktogramok kiértékelése mindkét vizsgált hőmérsékleten a titánkarbid (TiC) jellegzetes reflexeit mutatta 2 = 42,1° és 49°-nál. Ezzel kísérletileg is megerősítették a TiC határfelület képződését.
Új típusú csiszolóeszközök alkalmazási vizsgálatai
A frissen kifejlesztett csiszolófejek értékeléséhez csiszolási kísérleteket végeztek lítium-diszilikáton, amely egy olyan anyag, amelyet tipikusan dentális kerámiás alkalmazásokhoz használnak. Referenciaként nikkelkötésű csiszolófejek szolgáltak. Különösen a szemcseátfedés hatását vizsgálták a csiszolási viselkedésre. Az előzetes vizsgálatok eredményei a síkcsiszolási folyamatban azt mutatják, hogy a rézkötésű csiszolófejek nagyobb csiszolóerőket generálnak, mint a nikkelreferencia, miközben hasonló felületi érdességeket érnek el. A rézkötésű szerszámok esetében a 40% és 50% szemcseátfedésű változatoknál mérték a legalacsonyabb csiszolóerőket.
További vizsgálatok során gömbfejű csiszolókorongokkal, gyakorlati 3+2 tengelyes körülmények között, különböző dőlésszögeket (30°, 45° és 60°) vizsgáltak. A nikkel referencia esetében 60%-os szemcsekiemelkedést alkalmaztak, míg a rézhez kötött csiszolókorongok 40%, 60% és 90%-os szemcsekiemelkedésekkel kerültek vizsgálatra. A 40%-os szemcsekiemelkedésű rézhez kötött változat folyamatereje hasonló szinten volt a nikkel referencia szintjéhez. Azonban eltérések mutatkoztak a csiszolóerő arányában (μ, lásd a 2. ábrát), amely a rézhez kötött szerszámok esetében alacsonyabb volt. Az alacsonyabb csiszolóerő arány a normál erő magasabb arányát jelzi a tangenciális erőhöz képest, és a forgácsképződés csökkent hatékonyságára, valamint a kötési súrlódás növekedésére utal a csiszolási folyamat során. Kis dőlésszögeknél a gömbfej sugara túlnyomórészt érintkezésben van. Az ottani alacsony lokális vágási sebesség miatt fokozottan jelentkeznek súrlódási és ekéző folyamatok, amelyek viszonylag magas normál erő arányokat eredményeznek. A dőlésszög növekedésével a kontaktus a szerszám kerülete felé tolódik, ami növeli a lokális vágási sebességet és kedvez a forgácsképződésnek. Ennek következtében a tangenciális erő aránya a normál erőhöz képest nő, ami a csiszolóerő arány növekedésében nyilvánul meg. A nikkel referencia a legmagasabb csiszolóerő arányt mutatja, ami viszonylag magas tangenciális erő arányra és ezzel együtt kifejezettebb vágási hatásra utal a csiszolási folyamat során. A 40%-os szemcsekiemelkedésű réz kötés alacsonyabb csiszolóerő arányt mutat, de hasonló tendenciát mutat a vizsgált dőlésszögek során. A 60%-os és 90%-os szemcsekiemelkedésű réz kötéseknél még alacsonyabb csiszolóerő arányokat határoztak meg.
A rasterelektronikus mikroszkópos vizsgálatok a szerszámfelületeken azt mutatják, hogy a titánbevonatú gyémántok a rézhez kötött csiszolókorongok esetében jelenleg még nem teljesen be vannak vonva. Különösen a gömbfej sugara területén alacsony a szemcsekoncentráció. Ez kis dőlésszögek esetén megváltozott behatolási feltételekhez vezet a teljesen bevont nikkel referenciaanyaghoz képest.
A vizsgálatok egyúttal egyértelmű optimalizálási potenciált mutatnak az új kötési koncepcióban. A rézkötés célzott módosításával, például a mátrix kontrollált törékenyebbé tételével, valamint a gyémánt szemcsék homogénebb eloszlásával a szerszámon, különösen a gömbfej sugara területén, versenyképes csiszolófejek valósíthatók meg. Összességében az eredmények megerősítik a rézkötésű fogászati csiszolóeszközök potenciálját, mint erőforrás-hatékony és biokompatibilis alternatívát a klasszikus nikkelkötéshez képest. Különösen a titánkarbid sikeres folyamatintegrált képződése ígéretes megközelítést jelent a rézkötés anyagból adódó hátrányainak kompenzálására, és hosszú távon a nikkelkötésű csiszolóeszközök helyettesítésének lehetőségét biztosítja.
Szerzők: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Kapcsolat:
