În prelucrarea ceramicilor dentare, până în prezent, se folosesc în principal burghie diamantate legate cu nichel, a căror fabricare și utilizare sunt asociate cu provocări ecologice și de sănătate. Institutul pentru Tehnologia Fabricării și Mașini Unelte (IFW) al Universității Leibniz din Hannover dezvoltă împreună cu firma Philipp Persch Nachf. KG, în cadrul proiectului de cercetare „GreenDentalGrind”, un instrument de șlefuire dentară inovator pe bază de legătură de cupru. Scopul este de a oferi o alternativă mai prietenoasă cu resursele și biocompatibilă, având o performanță comparabilă.
În prelucrarea industrială a ceramicilor dentare, în prezent, se utilizează în principal burghie de șlefuit cu diamant legate galvanic cu nichel. Deși acest proces este bine stabilit, este asociat cu provocări ecologice, de sănătate și tehnice semnificative. Tratarea apelor uzate procesate care conțin nichel necesită un efort tehnic ridicat. În plus, în timpul prelucrării, pot fi eliberate ionii de nichel, care favorizează alergiile de contact și prezintă riscuri pentru sănătate în cazul unei expuneri corespunzătoare. De asemenea, posibilele reziduuri în piesele dentare prelucrate sunt discutate critic. De asemenea, din perspectiva economică, alegerea materialului devine din ce în ce mai importantă, deoarece nichelul este mai costisitor și mai puțin disponibil în comparație cu cuprul.
În acest context, sistemele alternative de legare pe bază de cupru devin din ce în ce mai relevante în cadrul lucrărilor de dezvoltare actuale. Scopul este de a evita dezavantajele galvanizării cu nichel și, în același timp, de a oferi un concept de unelte de șlefuire performant, care să prezinte proprietăți comparabile în utilizarea industrială. În acest sens, caracteristica materialului legăturilor, care diferă semnificativ, reprezintă o provocare centrală: în timp ce legăturile pe bază de nichel sunt caracterizate printr-o rezistență ridicată și o afinitate puternică pentru diamant, cuprul prezintă un comportament mult mai ductil și o capacitate de legare mai mică față de granulele de șlefuire, ceea ce are efecte imediate asupra retenției granulelor și comportamentului la uzură.
Formarea de carburi cu efect (Formarea de carburi integrată în proces pentru îmbunătățirea forței de retenție a granulelor)
Pentru a compensa dezavantajele legate de materialele din legătura cuprului, se folosesc granule de diamant acoperite cu titan. Printr-o tratament termic controlat, acestea reacționează formând carbura de titan (TiC), care acționează ca un agent de legătură între diamant și matricea metalică, crescând semnificativ forța de retenție a granulelor. Pentru studii, au fost acoperite probe de oțel plat într-un electrolit de cupru cu diamante acoperite cu titan și galvanizate. Ulterior, a avut loc un tratament termic în presa de sinterizare FAST de tip DSP510 a producătorului Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, sub vid, la temperaturi între 800 °C și 900 °C, timp de 900 s. În timpul acestui proces, carbonul din diamant reacționează cu acoperirea de titan, formând carbura de titan la interfață. Datorită structurii sale de legătură mixtă metalică-covalentă, carbura de titan poate interacționa atât cu diamantul, cât și cu matricea metalică de cupru. Stratul de TiC rezultat îmbunătățește astfel legătura granulelor de diamant cu legătura de cupru și compensează comportamentul lor ductil. Acest lucru duce la creșterea forțelor de retenție a granulelor și creează baza pentru o durată de viață a uneltelor îmbunătățită, precum și o productivitate a procesului crescută. Pentru a dovedi formarea carbidei, a fost efectuată o analiză difractometrică cu raze X (XRD) pe probele care au fost de cupru. Evaluarea difractogramelor a arătat, la ambele temperaturi investigate, reflexe caracteristice ale carbidei de titan (TiC) la 2 = 42,1° și 49°. Astfel, formarea stratului de TiC a fost confirmată experimental.
Studii de utilizare a uneltelor de șlefuire inovatoare
Pentru evaluarea noilor știfturi de șlefuire dezvoltate, au fost efectuate teste de șlefuire pe disilicat de litiu, un material utilizat în mod obișnuit pentru aplicații ceramice dentare. Ca referință au fost folosite știfturi de șlefuire legate cu nichel. S-a investigat în special influența surplusului de granule asupra comportamentului de șlefuire. Rezultatele studiilor preliminare în procesul de șlefuire plană arată că știfturile de șlefuire legate cu cupru generează forțe de șlefuire mai mari decât referința cu nichel, în timp ce se obțin rugozități superficiale comparabile. Pentru variantele cu 40% și 50% surplus de granule, au fost măsurate cele mai mici forțe de șlefuire în cadrul uneltelor legate cu cupru.
În cercetările ulterioare cu burghie de șlefuit cu cap sferic în condiții practice de 3+2 axe, au fost analizate unghiuri de înclinare diferite de 30°, 45° și 60°. Pentru referința de nichel, s-a utilizat un surplus de granule de 60%, în timp ce burghiele legate de cupru au fost investigate cu surplusuri de granule de 40%, 60% și 90%. Forțele de proces ale variantei legate de cupru cu un surplus de 40% de granule au fost comparabile cu cele ale referinței de nichel. Totuși, au apărut diferențe în ceea ce privește raportul forței de șlefuire μ (vezi Figura 2), care a fost mai mic pentru uneltele legate de cupru. Un raport mai mic al forței de șlefuire indică o proporție mai mare a forței normale în raport cu forța tangentială și sugerează o eficiență redusă a formării așchiei, precum și o proporție crescută a frecării de legare în timpul procesului de șlefuire. La unghiuri mici de înclinare, zona razei capului sferic este predominant în contact. Datorită vitezei de tăiere locale reduse în acea zonă, apar mai frecvent procese de frecare și de arat, care conduc la proporții relativ mari ale forței normale. Pe măsură ce unghiul de înclinare crește, contactul se deplasează spre circumferința uneltei, ceea ce duce la creșterea vitezei de tăiere locale și favorizează formarea așchiei. Astfel, proporția forței tangentiale în raport cu forța normală crește, ceea ce se reflectă într-un raport al forței de șlefuire în creștere. Referința de nichel prezintă cel mai mare raport al forței de șlefuire, ceea ce indică o proporție relativ mare a forței tangentiale și, prin urmare, o acțiune de tăiere mai pronunțată în procesul de șlefuire. Legătura de cupru cu un surplus de 40% de granule arată un raport mai mic al forței de șlefuire, dar un comportament similar pe parcursul unghiurilor de înclinare investigate. Pentru legăturile de cupru cu surplusuri de 60% și 90% de granule, au fost determinate raporturi și mai mici ale forței de șlefuire.
Investigațiile prin microscopie electronică de raster a suprafețelor uneltelor arată că diamantele acoperite cu titan ale roților de șlefuit legate de cupru nu sunt încă complet acoperite. În special în zona razei capului sferic există o concentrație scăzută de granule. Aceasta duce, la unghiuri de atac mici, la condiții de intervenție modificate în comparație cu referința de nichel complet acoperită.
Cercetările arată, de asemenea, un potențial clar de optimizare a noului concept de legătură. Prin ajustări țintite ale legăturii de cupru, de exemplu, printr-o fragilizare controlată a matricei, precum și printr-o distribuție mai omogenă a granulelor de diamant pe unelte, în special în zona razei capului sferic, se pot realiza unelte de șlefuit competitive. În ansamblu, rezultatele confirmă potențialul uneltelor de șlefuit dentare legate de cupru ca o alternativă eficientă din punct de vedere al resurselor și biocompatibilă la legătura clasică pe bază de nichel. În special, formarea integrată în proces a carbura de titan reprezintă o abordare promițătoare pentru a compensa dezavantajele legate de material ale legăturii de cupru și pentru a permite pe termen lung substituția uneltelor de șlefuit legate de nichel.
Autori: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Contact:
