W obróbce ceramiki dentystycznej dotychczas dominują diamentowe narzędzia szlifierskie związane z niklem, których produkcja i użytkowanie wiążą się z wyzwaniami ekologicznymi oraz zdrowotnymi. Instytut Techniki Wytwarzania i Maszyn Narzędziowych (IFW) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze wspólnie z firmą Philipp Persch Nachf. KG w ramach projektu badawczego „GreenDentalGrind” opracowuje nowatorskie narzędzie szlifierskie do dentystyki oparte na wiązaniu miedzi. Celem jest uzyskanie bardziej oszczędnej w zasoby i biokompatybilnej alternatywy przy porównywalnej wydajności.
W przemyśle obróbczy ceramiki dentystycznej obecnie dominują galwanicznie niklowane diamentowe narzędzia szlifierskie. Chociaż ta metoda jest ugruntowana, wiąże się z poważnymi wyzwaniami ekologicznymi, zdrowotnymi i związanymi z zasobami. Obróbka ścieków procesowych zawierających nikiel powoduje wysokie koszty techniczne. Dodatkowo, podczas obróbki mogą być uwalniane jony niklu, które sprzyjają alergiom kontaktowym i przy odpowiedniej ekspozycji stanowią zagrożenie dla zdrowia. Ponadto, możliwe pozostałości w obrabianych elementach dentystycznych są krytycznie dyskutowane. Również z perspektywy ekonomicznej wybór materiału zyskuje na znaczeniu, ponieważ nikiel jest droższy i mniej dostępny w porównaniu do miedzi.
W tym kontekście alternatywne systemy wiązania na bazie miedzi zyskują na znaczeniu w aktualnych pracach rozwojowych. Celem jest unikanie wad niklowej galwanizacji, a jednocześnie dostarczenie wydajnego konceptu narzędzi szlifierskich, który w zastosowaniach przemysłowych wykazuje porównywalne właściwości. Szczególnie wyraźnie odbiegająca charakterystyka materiałowa systemów wiązania stanowi kluczowe wyzwanie: podczas gdy wiązania na bazie niklu charakteryzują się wysoką wytrzymałością i silną afinitetą do diamentu, miedź wykazuje znacznie bardziej plastyczne zachowanie i mniejsze działanie wiążące w stosunku do ziaren szlifierskich, co ma bezpośredni wpływ na trwałość ziaren i zachowanie w warunkach zużycia.
Tworzenie węglików z efektem (Zintegrowane w procesie tworzenie węglików w celu poprawy siły zatrzymywania ziarna)
W celu skompensowania materiałowych wad wiązania miedzi stosuje się diamentowe ziarna pokryte tytanem. Dzięki celowanemu procesowi obróbki cieplnej reagują one na tytkarbid (TiC), który działa jako mediator adhezji między diamentem a metalową matrycą, znacząco zwiększając siłę utrzymania ziaren. Do badań wykorzystano próbki stali płaskiej pokryte diamentami pokrytymi tytanem w elektrolicie miedzi i poddane galwanizacji. Następnie przeprowadzono obróbkę cieplną w prasie Sinter FAST typu DSP510 producenta Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH w warunkach próżni przy temperaturach od 800 °C do 900 °C przez czas utrzymania 900 s. W trakcie tego procesu węgiel diamentu reaguje z powłoką tytanową, tworząc w strefie granicznej tytkarbid. Dzięki swojej mieszanej metaliczno-kowalencyjnej strukturze wiązania tytkarbid może oddziaływać zarówno z diamentem, jak i z metalową matrycą miedzi. Powstająca warstwa graniczna TiC poprawia w ten sposób przyczepność ziaren diamentowych do wiązania miedzi i kompensuje ich plastyczne zachowanie. Prowadzi to do zwiększenia sił utrzymania ziaren oraz tworzy podstawy dla poprawy trwałości narzędzi i zwiększonej wydajności procesu. W celu potwierdzenia tworzenia karbidu przeprowadzono analizę rentgenowską dyfrakcyjną (XRD) na wcześniej odtlenionych próbkach. Analiza dyfraktogramów wykazała przy obu badanych temperaturach charakterystyczne refleksy tytkarbidu (TiC) przy 2 = 42,1° i 49°. W ten sposób udało się eksperymentalnie potwierdzić powstanie warstwy granicznej TiC.
Badania zastosowania nowoczesnych narzędzi szlifierskich
W celu oceny nowo opracowanych narzędzi szlifierskich przeprowadzono próby szlifowania na litowym disilikacie, materiale typowo stosowanym w zastosowaniach ceramiki dentystycznej. Jako odniesienie posłużyły narzędzia szlifierskie z wiązką niklową. Szczególnie zbadano wpływ nadmiaru ziarna na zachowanie podczas szlifowania. Wyniki wstępnych badań w procesie szlifowania płaskiego pokazują, że narzędzia szlifierskie z wiązką miedzianą generują wyższe siły szlifowania niż odniesienie niklowe, podczas gdy osiągane są porównywalne chropowatości powierzchni. Dla wariantów z 40% i 50% nadmiarem ziarna zmierzono najniższe siły szlifowania w obrębie narzędzi z wiązką miedzianą.
W dalszych badaniach z użyciem kulistych narzędzi szlifierskich w warunkach praktycznych 3+2-osiowych rozważano różne kąty natarcia wynoszące 30°, 45° i 60°. Dla referencji niklowej zastosowano nadmiar ziarna wynoszący 60%, podczas gdy narzędzia szlifierskie związane z miedzią badano z nadmiarem ziarna wynoszącym 40%, 60% i 90%. Siły procesowe dla wariantu związku miedzią z 40% nadmiarem ziarna były na porównywalnym poziomie z referencją niklową. Różnice pojawiły się jednak w stosunku siły szlifowania μ (patrz Rysunek 2), który dla narzędzi związanych z miedzią był niższy. Niższy stosunek siły szlifowania wskazuje na wyższy udział siły normalnej w porównaniu do siły stycznej i sugeruje zmniejszoną efektywność wytwarzania wiórów oraz zwiększony udział tarcia wiązań podczas procesu szlifowania. Przy małych kątach natarcia przeważająco obszar promienia kulistego narzędzia jest w kontakcie. Z powodu niskiej lokalnej prędkości skrawania w tym obszarze występują nasilone procesy tarcia i bruzdowania, co prowadzi do stosunkowo wysokich udziałów siły normalnej. Wraz ze wzrostem kąta natarcia kontakt przesuwa się w kierunku obwodu narzędzia, co zwiększa lokalną prędkość skrawania i sprzyja wytwarzaniu wiórów. W rezultacie udział siły stycznej w porównaniu do siły normalnej wzrasta, co objawia się rosnącym stosunkiem siły szlifowania. Referencja niklowa ma najwyższy stosunek siły szlifowania, co wskazuje na stosunkowo wysoki udział siły stycznej, a tym samym na wyraźniejszy efekt skrawania w procesie szlifowania. Związek miedzi z 40% nadmiarem ziarna wykazuje niższy stosunek siły szlifowania, jednak z podobnym przebiegiem w zależności od badanych kątów natarcia. Dla związków miedzi z 60% i 90% nadmiarem ziarna ustalono jeszcze niższe stosunki siły szlifowania.
Badania za pomocą mikroskopu elektronowego skaningowego powierzchni narzędzi pokazują, że diamenty pokryte tytanem w przypadku ściernic związanych miedzią nie są obecnie w pełni pokryte. Szczególnie w obszarze promienia kulistego występuje niska koncentracja ziarna. Prowadzi to do zmienionych warunków obróbczych przy małych kątach natarcia w porównaniu do w pełni pokrytej referencji niklowej.
Badania wyraźnie pokazują potencjał optymalizacji nowatorskiej koncepcji wiązania. Dzięki celowym dostosowaniom wiązania miedzi, na przykład poprzez kontrolowane kruchość matrycy oraz bardziej jednorodne rozmieszczenie ziaren diamentowych na narzędziu, szczególnie w obszarze promienia główki kulistej, można zrealizować konkurencyjne narzędzia szlifierskie. Ogólnie wyniki potwierdzają potencjał narzędzi szlifierskich z wiązaniem miedzi jako zasobooszczędnej i biokompatybilnej alternatywy dla klasycznego wiązania niklowego. Szczególnie udana procesowo zintegrowana produkcja węglika tytanu stanowi obiecujące podejście do zrekompensowania materiałowych wad wiązania miedzi i umożliwienia długoterminowej substytucji narzędzi szlifierskich z wiązaniem niklowym.
Autorzy: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Kontakt:
