Nella lavorazione delle ceramiche dentali vengono attualmente utilizzati prevalentemente strumenti di rettifica diamantati legati al nichel, la cui produzione e utilizzo sono associati a sfide ecologiche e sanitarie. L'Istituto di Tecnologie di Produzione e Macchine Utensili (IFW) dell'Università Leibniz di Hannover sta sviluppando, insieme all'azienda Philipp Persch Nachf. KG, un nuovo strumento di rettifica dentale basato su un legame in rame nel progetto di ricerca "GreenDentalGrind". L'obiettivo è fornire un'alternativa più sostenibile e biocompatibile con prestazioni comparabili.
Nella lavorazione industriale delle ceramiche dentali, attualmente si utilizzano prevalentemente punte da rettifica diamantate legate galvanicamente al nichel. Sebbene questo metodo sia consolidato, è associato a notevoli sfide ecologiche, sanitarie e di risorse. Il trattamento delle acque reflue contenenti nichel comporta un elevato impegno tecnico. Inoltre, durante la lavorazione possono essere rilasciati ioni di nichel, che favoriscono allergie da contatto e rappresentano rischi per la salute in caso di esposizione adeguata. Inoltre, i possibili residui nei pezzi dentali lavorati sono oggetto di discussione critica. Anche da una prospettiva economica, la scelta del materiale sta guadagnando importanza, poiché il nichel è più costoso e meno disponibile rispetto al rame.
In questo contesto, i sistemi di legame alternativi a base di rame stanno guadagnando sempre più attenzione nelle attuali attività di sviluppo. L'obiettivo è evitare gli svantaggi della galvanizzazione al nichel e, allo stesso tempo, fornire un concetto di utensile da taglio performante che presenti caratteristiche comparabili in uso industriale. In particolare, la caratteristica del materiale dei sistemi di legame, che si discosta notevolmente, rappresenta una sfida centrale: mentre i legami a base di nichel sono caratterizzati da alta resistenza e una forte affinità per il diamante, il rame mostra un comportamento decisamente più duttile e una minore efficacia di legame rispetto ai grani abrasivi, il che ha ripercussioni dirette sulla tenuta dei grani e sul comportamento all'usura.
Formazione di carburi con effetto (Formazione di carburi integrata nel processo per migliorare la forza di ritenzione dei grani)
Per compensare gli svantaggi legati al materiale della legatura in rame, vengono utilizzati grani di diamante rivestiti in titanio. Attraverso un trattamento termico mirato, questi reagiscono formando carburo di titanio (TiC), che funge da intermediario di adesione tra il diamante e la matrice metallica, aumentando significativamente la forza di ritenzione dei grani. Per gli studi, sono stati rivestiti e galvanizzati campioni di acciaio piatto in un elettrolita di rame con diamanti rivestiti in titanio. Successivamente, è stato effettuato un trattamento termico nella pressa di sinterizzazione FAST del tipo DSP510 del produttore Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH sotto vuoto a temperature comprese tra 800 °C e 900 °C per un tempo di mantenimento di 900 s. Durante questo processo, il carbonio del diamante reagisce con il rivestimento di titanio formando carburo di titanio nell'interfaccia. Grazie alla sua struttura di legame misto metallico-covalente, il carburo di titanio può interagire sia con il diamante che con la matrice metallica di rame. La strato interfaciale di TiC migliora così l'adesione dei grani di diamante alla legatura in rame e compensa il loro comportamento duttile. Questo porta a una maggiore forza di ritenzione dei grani e crea le basi per una durata degli utensili migliorata e una maggiore produttività del processo. Per dimostrare la formazione del carburo, è stata eseguita un'analisi diffrattometrica a raggi X (XRD) su campioni precedentemente decuprati. L'analisi dei diffrattogrammi ha mostrato, a entrambe le temperature esaminate, riflessi caratteristici del carburo di titanio (TiC) a 2 = 42,1° e 49°. Ciò ha confermato sperimentalmente la formazione dello strato interfaciale di TiC.
Indagini sull'uso di nuovi strumenti di rettifica
Per la valutazione dei nuovi strumenti da rettifica sono stati effettuati esperimenti di rettifica su litio disilicato, un materiale tipicamente utilizzato per applicazioni ceramiche dentali. Come riferimento sono stati utilizzati strumenti da rettifica legati al nichel. È stato esaminato in particolare l'influenza dell'eccedenza del grano sul comportamento di rettifica. I risultati delle indagini preliminari nel processo di rettifica piana mostrano che gli strumenti da rettifica legati al rame generano forze di rettifica superiori rispetto al riferimento in nichel, mentre si ottengono rugosità superficiali comparabili. Per le varianti con il 40% e il 50% di eccedenza del grano sono state misurate le forze di rettifica più basse all'interno degli strumenti legati al rame.
In ulteriori indagini con punte di rettifica a testa sferica in condizioni pratiche a 3+2 assi sono stati considerati angoli di attacco diversi di 30°, 45° e 60°. Per il riferimento in nichel è stato utilizzato un sovraspessore di grano del 60%, mentre le punte di rettifica legate al rame sono state esaminate con sovraspessori di grano del 40%, 60% e 90%. Le forze di processo della variante legata al rame con un sovraspessore di grano del 40% si sono mantenute su un livello comparabile con il riferimento in nichel. Tuttavia, sono emerse differenze nel rapporto di forza di rettifica μ (cfr. Figura 2), che risultava inferiore per gli utensili legati al rame. Un rapporto di forza di rettifica inferiore indica una maggiore proporzione della forza normale rispetto alla forza tangenziale e suggerisce una ridotta efficienza nella formazione del truciolo, nonché un aumento dell'attrito di legame durante il processo di rettifica. Con angoli di attacco ridotti, la maggior parte dell'area del raggio della testa sferica è in contatto. A causa della bassa velocità di taglio locale in quella zona, si verificano maggiormente fenomeni di attrito e di aratura, che portano a quote relativamente elevate di forza normale. Con l'aumento dell'angolo di attacco, il contatto si sposta verso il perimetro dell'utensile, aumentando così la velocità di taglio locale e favorendo la formazione del truciolo. Di conseguenza, la proporzione della forza tangenziale aumenta rispetto alla forza normale, il che si traduce in un aumento del rapporto di forza di rettifica. Il riferimento in nichel presenta il rapporto di forza di rettifica più alto, indicando una proporzione relativamente elevata della forza tangenziale e quindi un'azione di taglio più marcata nel processo di rettifica. La legatura in rame con un sovraspessore di grano del 40% mostra un rapporto di forza di rettifica inferiore, ma un andamento simile rispetto agli angoli di attacco esaminati. Per le legature in rame con sovraspessori di grano del 60% e 90% sono stati determinati rapporti di forza di rettifica ancora più bassi.
Le indagini con microscopia elettronica a scansione delle superfici degli utensili mostrano che i diamanti rivestiti in titanio dei dischi abrasivi legati al rame non sono ancora completamente coperti. In particolare, nell'area del raggio della testa sferica si osserva una bassa concentrazione di grani. Ciò porta a condizioni di intervento modificate a piccoli angoli di attacco rispetto al riferimento in nichel completamente coperto.
Le indagini mostrano chiaramente un potenziale di ottimizzazione del nuovo concetto di legame. Attraverso adattamenti mirati del legame in rame, ad esempio mediante un indurimento controllato della matrice e una distribuzione più omogenea dei grani di diamante sull'utensile, in particolare nell'area del raggio della punta sferica, è possibile realizzare punte da rettifica competitive. In generale, i risultati confermano il potenziale degli utensili da rettifica dentale legati in rame come alternativa più sostenibile e biocompatibile rispetto al tradizionale legame in nichel. In particolare, la formazione integrata nel processo di carburo di titanio rappresenta un approccio promettente per compensare gli svantaggi legati al materiale del legame in rame e per consentire a lungo termine la sostituzione degli utensili da rettifica legati in nichel.
Autori: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
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