Pri obdelavi dentalkeramik se doslej pretežno uporabljajo diamantni brusni nastavki, vezani z nikljem, katerih proizvodnja in uporaba sta povezana z ekološkimi in zdravstvenimi izzivi. Inštitut za proizvodno tehniko in orodjarstvo (IFW) Univerze Leibniz v Hannovru skupaj s podjetjem Philipp Persch Nachf. KG v raziskovalnem projektu „GreenDentalGrind“ razvija novost v obliki dentalskega brusnega orodja na osnovi bakrove vezave. Cilj je ustvariti okolju prijaznejšo in biokompatibilnejšo alternativo ob primerljivi zmogljivosti.
V industrijski obdelavi dentalkeramik se trenutno pretežno uporabljajo galvanizirani diamantni brusni nastavki, vezani z nikljem. Čeprav je ta postopek uveljavljen, je povezan z znatnimi ekološkimi, zdravstvenimi in tehnološkimi izzivi. Obdelava odpadnih voda, ki vsebujejo nikelj, zahteva visoke tehnične napore. Poleg tega se lahko med obdelavo sproščajo nikljevi ioni, ki spodbujajo kontaktne alergije in predstavljajo zdravstvena tveganja ob ustrezni izpostavljenosti. Poleg tega se kritično razpravlja o morebitnih ostankih v obdelanih dentalnih delih. Tudi z ekonomskega vidika postaja izbira materiala vse pomembnejša, saj je nikelj v primerjavi s bakrom dražji in manj dostopen.
V tem kontekstu postajajo alternativni vezni sistemi na osnovi bakra vse bolj osredotočeni v okviru trenutnih razvojnih del. Cilj je izogniti se pomanjkljivostim niklijeve galvanizacije in hkrati zagotoviti zmogljiv koncept brusilnega orodja, ki v industrijski uporabi kaže primerljive lastnosti. Pri tem predstavlja zlasti bistveno odstopajoča značilnost materiala veznih sistemov osrednjo izziv: medtem ko so nikljeve vezave zaznamovane z visoko trdnostjo in močno afiniteto do diamanta, bakra kaže znatno duktilnejše obnašanje in manjšo vezno moč do brusnih zrn, kar ima neposredne posledice na zadrževanje zrn in obrabno vedenje.
Oblikovanje karbida z učinkom (procesno integrirano oblikovanje karbida za izboljšanje moči zadrževanja zrn)
Za kompenzacijo materialno pogojenih pomanjkljivosti bakrove vezave se uporabljajo titanom premazani diamanti. S ciljno toplotno obdelavo ti reagirajo v titankarbid (TiC), ki deluje kot vezni element med diamantom in kovinsko matrico ter znatno povečuje moč zadrževanja zrn. Za raziskave so bile plošče iz ravnega jekla obložene s titanom premazanimi diamanti v bakrovem elektrolitu in galvanizirane. Nato je potekala toplotna obdelava v FAST sintrirni stiskalnici tipa DSP510 proizvajalca Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH pod vakuumom pri temperaturah od 800 °C do 900 °C z zadrževanjem 900 s. Med tem procesom reagira ogljik iz diamanta s titanovim premazom in tvori titankarbid na meji. Zaradi svoje mešane metalno-kovalentne vezne strukture lahko titankarbid deluje tako z diamantom kot z kovinsko bakreno matrico. Tako nastala TiC mejna plast izboljša vezavo diamantnih zrn na bakreno vezavo in kompenzira njihovo duktilno obnašanje. To vodi do povečane moči zadrževanja zrn in ustvarja temelje za izboljšano življenjsko dobo orodja ter povečano produktivnost procesa. Za dokazovanje nastanka karbida je bila izvedena rentgenska difraktometrijska analiza (XRD) na prej dekupferiranih vzorcih. Analiza difraktogramov je pokazala pri obeh preučevanih temperaturah značilne refleksije titankarbid (TiC) pri 2 = 42,1° in 49°. S tem je bila eksperimentalno potrjena tvorba TiC mejne plasti.
Raziskave uporabe novih brusnih orodij
Za oceno novorazvitih brusnih svinčnikov so bili izvedeni brusni poskusi na litij-disilikatu, materialu, ki se običajno uporablja za zobne keramične aplikacije. Kot referenca so služili brusni svinčniki z vezivom iz niklja. Še posebej je bil preučen vpliv preostanka zrn na brusno vedenje. Rezultati predhodnih preiskav v postopku ravnega brušenja kažejo, da brusni svinčniki z vezivom iz bakra ustvarjajo višje brusne sile kot nikljeva referenca, medtem ko se dosežejo primerljive hrapavosti površin. Pri različicah s 40 % in 50 % preostanka zrn so bile izmerjene najnižje brusne sile znotraj orodij z vezivom iz bakra.
V nadaljnjih raziskavah z kuglastimi brusnimi orodji pod praktičnimi pogoji 3+2 osi so bili obravnavani različni kotni nagibi 30°, 45° in 60°. Za nikelj referenco je bil uporabljen izstop zrn 60 %, medtem ko so bili brusni stroji s povezavo iz bakra preučeni z izstopi zrn 40 %, 60 % in 90 %. Procesne sile bakrene različice z 40 % izstopom zrn so bile na primerljivi ravni z nikelj referenco. Vendar so se razlike pokazale pri razmerju brusne sile μ (glej sliko 2), ki je bila za orodja s povezavo iz bakra nižja. Nižje razmerje brusne sile nakazuje na višji delež normalne sile v primerjavi s tangencialno silo in kaže na zmanjšano učinkovitost pri oblikovanju chipov ter povečano trenje vezave med brusnim procesom. Pri majhnih kotnih nagibih je pretežno območje radija kuglastih glav v stiku. Zaradi tam nizke lokalne hitrosti rezanja se povečujejo trenje in plužne operacije, kar vodi do sorazmerno visokih deležev normalne sile. Z naraščanjem kotnega nagiba se stik premakne proti obodu orodja, kar povečuje lokalno hitrost rezanja in spodbuja oblikovanje chipov. S tem se povečuje delež tangencialne sile v primerjavi z normalno silo, kar se odraža v naraščajočem razmerju brusne sile. Nikelj referenca ima najvišje razmerje brusne sile, kar nakazuje na sorazmerno visok delež tangencialne sile in s tem na izrazitejši rezalni učinek v brusnem procesu. Bakrena vezava z 40 % izstopom zrn kaže nižje razmerje brusne sile, vendar podoben potek skozi preučene kotne nagibe. Za bakrene vezave z 60 % in 90 % izstopom zrn so bila ugotovljena še nižja razmerja brusne sile.
Rasterelektronski mikroskopski pregledi površin orodij kažejo, da titanom obloženi diamanti bakrovih vezanih brusnih palic trenutno še niso popolnoma pokriti. Še posebej na področju polmerov krogličnih glav je prisotna nizka koncentracija zrn. To pri majhnih kotih vstopa povzroča spremenjene pogoje delovanja v primerjavi s popolnoma pokrito nikljevo referenco.
Raziskave jasno kažejo na potencial za optimizacijo novega koncepta vezave. S ciljnimi prilagoditvami bakrene vezave, na primer z nadzorovanim krčenjem matrice ter z bolj homogeno porazdelitvijo diamantnih zrn na orodju, zlasti na področju radija kroglične glave, je mogoče uresničiti konkurenčne brusne svedre. Skupaj rezultati potrjujejo potencial bakrom vezanih dentalskih brusilnih orodij kot virno učinkovite in biokompatibilne alternative klasični nikljevi vezavi. Še posebej uspešna procesno integrirana tvorba titankarbidov predstavlja obetaven pristop za kompenzacijo materialno povezanih pomanjkljivosti bakrene vezave in dolgoročno omogoča zamenjavo nikljevo vezanih brusilnih orodij.
Avtorji: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
Kontakt:
