FULL TEXT

2008, tom IX, nr 1 (30)
Anna M. Ryniewicz, Wojciech Ryniewicz
Badania wytrzymałościowe i tribologiczne tytanu
przeznaczonego do wykonawstwa stałych uzupełnień
protetycznych
The tribological tests and the tests of the strength of titaniumium designated for constant
prosthetic restorations
Streszczenie
Istotnym problemem przy stosowaniu nowego materiału
na konstrukcje nośne uzupełnień stałych jest sprawdzenie
jego parametrów mechanicznych.
Celem badań było określenie dla tytanu przeznaczonego
do systemu CAD/CAM właściwości wytrzymałościowych
i tribologicznych.
Do badań wytypowano fabryczne półprodukty tytanu o oznaczeniu Everest T Blank w kształcie walców i bloczków, przeznaczone do wykonywania podbudowy koron i mostów.
Badania tytanu obejmowały wyznaczenie: charakterystyk
wytrzymałościowych w próbie ściskania, parametrów chropowatości warstwy wierzchniej, rozkładu mikrotwardości
w strukturze wewnętrznej fabrycznych półproduktów, odporności na zużycie tribologiczne.
Tytan Everest T Blank, w aspekcie biomechaniki, jest materiałem preferowanym na długie konstrukcje protetyczne
w odcinku bocznym, do obróbki w systemie CAD/CAM.
Wskazują na to badania wytrzymałościowe tego materiału.
Konstrukcja nośna będzie posiadała odporność na obciążenia okluzyjne, a równocześnie będzie charakteryzowała
się jednorodną strukturą materiału przy wymuszeniach
skupionych. Zastosowanie takiej technologii wykonawstwa
uzupełnień protetycznych daje możliwość użycia biomateriału nowej generacji o ukształtowanych wcześniej właściwościach mechanicznych, kompatybilnego z tkankami zębowymi i kostnymi.
Tytan Everest T Blank posiada małą odporność na zużycie
ścierne, co ogranicza jego zastosowanie w przypadku konstrukcji pozbawionych licowania, eksploatowanych w warunkach zużycia tribologicznego.
-
-
-
-
-
Summary
When placing new kinds of materials on the supporting
structures of prosthetic restoration, the essential concern
is checking their mechanical parameters.
The aim of the tests was determination of the strength and
tribological properties for titanium designated for CAD/
CAM system.
The manufactured semi-finished products: Everest T-Blank in the
shape of cylinders and blocks were indicated to the tests.These
materials are used to substructure crowns and bridges.
The tests of titanium included determination of the strength
characteristics in compression test, roughness parameters
of surface layer, distribution of microroughness in internal
42
structure of manufactured semi-finished products and resistance on tribological wear.
Titanium Everest T-Blank, in the biomechanical aspect, is
preferred material to long prosthetic constructions in lateral segment, to treatment in CAD/CAM system, which is
proven by the strength tests. The supporting structure will
have resistance on occlusion loads and, at the same time,
will characterize homogenous structure of materials by
concentrated extortions. The application of the technology
of execution of prosthetic restoration gives possibility of
using new generation biomaterials with special mechanical
properties compatible with tooth and bone tissues.
Titanium Everest T-Blank has small wear resistance.
This disadvantage limits its usage in constructions devoid of
facing, exploited in the conditions of tribological wear.
Katedra Protetyki Stomatologicznej Instytutu Stomatologii
Uniwersytetu Jagiellońskiego
Kierownik: prof. zw. dr hab. n. med. Stanisław Majewski
Słowa kluczowe:
Key words:
tytan, titanium,
system CAD/CAM, CAD/CAM system,
wytrzymałość, strength,
moduł Younga, Young’s modulus,
mikrotwardość, microroughness,
tribologia, tribology,
zużycie
wear
Wstęp
Tytan i jego stopy wykorzystywane w stomatologii podlegają
systematycznemu udoskonalaniu. Podstawą do czynionych zmian
jakościowych tworzyw są doświadczenia kliniczne ich użytkowania, a także postęp w technologiach wykonywania. Ogromną rolę
w rozwoju tych materiałów odgrywają badania podstawowe nad
dokładnym poznaniem struktur i własności tych materiałów.
Tytan stosowany w protetyce ma swój specyficzny zespół właściwości, zdeterminowany anatomicznie i fizjologicznie oraz
potrzebami stosowanej techniki wytwarzania i użytkowania.
Na implanty i konstrukcje protetyczne stosowany jest głównie
tytan czysty technicznie, który w swoim składzie zawiera dodatkowo niewielkie ilości azotu, węgla, wodoru żelaza i tlenu.
Pierwiastki te poprawiają wytrzymałość zmęczeniową biomateriału. Metal ten charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na korozję wżerową, międzykrystaliczną i naprężeniową
oraz biozgodnością [1].
2008, tom IX, nr 1 (30)
Ryc. 1. Tytan Everest T Blank w formie walców i bloczków, przeznaczony na
próbki do badań.
Ryc. 2. Maszyna wytrzymałościowa Instron 3345 do badania materiałów stomatologicznych.
Tytan występuje w dwóch odmianach alotropowych a i b.
Odmiana a jest trwała do temperatury 882°C i krystalizuje w sieci heksagonalnej. Odmiana b jest trwała od temperatury 882°C do temperatury topnienia 1668° i krystalizuje w
sieci regularnej, przestrzennie centrowanej [2]. Tytan ma gęstość zależną od odmiany alotropowej i czystości – zawiera się
w przedziale 4,3 do 4,5 g/cm3. Parametry wytrzymałościowe elementów lub konstrukcji wykonywanych z tytanu zależą od procesu technologicznego, w wyniku którego są one uzyskiwane. Szczególnie istotny jest rodzaj
i charakter przeróbki plastycznej, której poddawany jest tytan.
Przykładowo wytrzymałość na rozciąganie prętów prasowanych
na zimno w stanie wyżarzonym wynosi ok. 420 MPa. Po 85%
zgniocie – wytrzymałość na rozciąganie osiąga 856 MPa [3,4].
W przypadku stałych konstrukcji protetycznych, uzyskanie
odpowiednich parametrów strukturalnych i wytrzymałościowych tytanu jest uzależnione od procesu wykonawstwa
tych konstrukcji. Zważywszy na konieczność poddania tytanu skomplikowanej przeróbce plastycznej oraz zapewnienia
modelowania kształtu konstrukcji w warunkach laboratorium protetycznego, według indywidualnych cech pacjenta –
najbardziej zaawansowaną technologią jest system CAD/CAM
(CAD – Computer Aided Design, CAM – Computer Aided
Manufacturing) [5]. W tej technologii wykorzystuje się fabrycznie przygotowane walce i bloczki z tytanu, z których na drodze
komputerowo sterowanego frezowania, przy intensywnym chłodzeniu wodą, wycina się zamodelowane konstrukcje nośne.
przeznaczony jest do wykonawstwa koron i mostów w systemie CAD/CAM. Z tych fabrycznych półproduktów, z technicznie czystego tytanu, wycięto i przygotowano próbki badawcze.
Kształty i wymiary próbek były zgodne z wymaganiami aparatury badawczej i celem realizowanych testów. Do badań porównawczych wytypowano również inne materiały niż tytan
T Blank, które mogą być stosowane w tej samej procedurze
technologicznej. Przygotowanie próbek do badań wymagało
cięcia walców i bloczków na równoległościenne elementy, szlifowania i polerowania warstw wierzchnich, wyciskania krążków z zastosowaniem specjalnej matrycy.
-
-
-
-
-
Cel i zakres pracy
Celem opracowania była analiza właściwości mechanicznych
tytanu o oznaczeniu Everest T Blank, którą przeprowadzono
na podstawie badań wytrzymałościowych i tribologicznych.
Badania tytanu obejmowały wyznaczenie:
- charakterystyk wytrzymałościowych w próbie ściskania,
- parametrów chropowatości warstwy wierzchniej,
- rozkładu mikrotwardości w strukturze wewnętrznej fabrycznych półproduktów,
- odporności na zużycie tribologiczne.
Materiał badań
W opracowaniu postanowiono sprawdzić i ocenić parametry
wytrzymałościowe i tribologiczne tytanu o nazwie firmowej
Everest T Blank, który w formie walców i bloczków (ryc. 1)
Metody badań
Przy stosowaniu nowych materiałów na konstrukcje nośne,
istotnym zagadnieniem jest sprawdzenie ich parametrów wytrzymałościowych.
Badania odporności na ściskanie przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej Instron 3345 z zastosowaniem specjalistycznych uchwytów (ryc. 2). W badaniach materiałów
konieczny jest pomiar zadawanych sił i wywołanych nimi odkształceń. Próbki z badanych materiałów wykonano w postaci
prętów o przekroju A0 i długości pomiarowej L0. Obciążenie
P zwiększano w sposób quasi-statyczny tzn. powolny od zera
aż do wartości powodującej zniszczenie próbki. Wykres ściskania ilustruje zależność między umownym naprężeniem
i względnym odkształceniem liniowym.Tangens kąta nachylenia
wykresu do osi poziomej określa moduł sprężystości wzdłużnej dla badanego materiału (moduł Younga).
Oprogramowanie Bluehill obsługujące maszynę umożliwia
otrzymanie pełnych wyników w formie raportu z opracowaniem statystycznym i na ich podstawie sporządzono wykresy
zależności naprężenia
od odkształcenia liniowego
dla badanych próbek w zakresie odkształceń sprężystych oraz wyznaczono moduły Younga
.
Badania topografii powierzchni próbek z tytanu Everest T
Blank wykonano na profilografometrze firmy Taylor Hobson (ryc. 3). Parametry chropowatości warstwy wierzchniej
[6] wyznaczono na próbkach, które powstały z firmowych
walców i bloczków przez cięcie, szlifowanie i polerowanie.
43
2008, tom IX, nr 1 (30)
Były one przeznaczone do dalszych procedur badawczych:
jedna seria do badań mikrotwardości oraz druga seria (po
wycięciu krążków) do badań tribologicznych. Odpowiednia
ujednolicona chropowatość próbek była niezbędna do wykonania pomiarów mikrotwardości oraz wykonania badań odporności na zużycie. Dla każdej z próbek przeznaczonych do
dalszych badań wykonano serię pomiarów warstwy wierzchniej z zastosowaniem diamentowej końcówki pomiarowej
o zaokrągleniu ostrza 2 µm. Otrzymane wyniki analizowano
na pomocą programu komputerowego, a następnie wyznaczono parametry chropowatości warstwy wierzchniej badanych
próbek z tytanu Everest T Blank.
Badania mikrotwardości tytanu Everest T Blank metodą
Vickersa przeprowadzono za pomocą urządzenia Instron
Tester 2100 (ryc. 4) według znormalizowanej procedury [7].
Miały one na celu ocenę odporności struktury walców i bloczków na losowe obciążenia skupione. Badania przeprowadzono
na powierzchniach uzyskanych w wyniku pocięcia półfabrykatów na równoległe elementy i uzyskaniu odpowiedniej chropowatości powierzchni. Grubość próbek badawczych wynosiła
2 mm i została określona na podstawie normy. Badania przeprowadzono w dwóch trybach, przy zastosowaniu nominalnych sił obciążających: F1 = 1,961 N (wyznaczono mikrotwardość HV 0,2) i F2 = 4,903 N (wyznaczono mikrotwardość HV
0,5). Badania polegały na wciśnięciu diamentowego wgłębnika
w kształcie ostrosłupa prawidłowego o podstawie kwadratowej w powierzchnię badanych próbek, a następnie zmierzeniu
długości przekątnych odcisku. Badania przeprowadzono w temperaturze 20°C. Kształt i wymiary próbki do badań oraz rozmieszczenie na niej punktów pomiarowych przedstawiono na ryc. 5.
Badania tribologiczne przeprowadzono na maszynie Four
Ball Wear TB Roxana (ryc. 6) z zastosowaniem węzła tarcia
kula – trzy krążki z tytanu Everest T Blank. Miały one na celu
ocenę odporności na zużycie tytanu w warunkach tarcia ślizgowego, w soli fizjologicznej. Próby przeprowadzono przy
następujących parametrach: obciążenie – 100N, prędkość
obrotowa – 200 obr/min, czas pracy – 900 s, w stabilizowanej temperaturze 36,6°C. Miarą odporności na zużycie była
średnia wielkość skazy mierzona na próbkach – krążkach
w dwóch kierunkach (w kierunku ruchu i w kierunku do niego
prostopadłym).
-
-
-
Ryc. 3. Profilografometr Taylor Hobson do badań mikrogeometrii warstwy wierzchniej.
-
-
Wyniki badań
Wykonano próby ściskania, w których wyznaczono charakterystyki materiałowe dla tytanu Everest T Blank, cyrkonii si-
44
Ryc. 4. Urządzenie do badania mikrotwardości Instron Testor 2100: a) widok ogólny,
b) głowica do montażu wgłębników i obiektywów.
likatowej Everest ZS Blank i tworzywa szklano-ceramicznego
Everest G Blank (ryc. 7). Na podstawie tych charakterystyk
określono średnie wartości modułu Younga dla badanych materiałów (ryc. 8). Dodatkowo na ryc. 8 zamieszczono wartości
modułów Younga dla tkanek [6]. Moduły sprężystości wzdłużnej wynoszą: dla tytanu Everest T Blank – 108 GPa, dla cyrkonii
silikatowej Everest ZS Blank – 200 GPa, dla tworzywa szklano-ceramicznego Everest G Blank – 102 GPa oraz dla stopu
Ni-Cr-Mo – 205 GPa.
Na wykresie (ryc. 9) zamieszczono wartości średnie parametrów chropowatości próbek tytanu przeznaczonych do badań
mikrotwardości i badań tribologicznych. Parametry chropowatości warstwy wierzchniej miały następujące wartości:
średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości od
linii średniej – Ra = 0,08 µm, maksymalna wysokość profilu chropowatości – Rm = 0,59 µm, wysokość chropowatości
2008, tom IX, nr 1 (30)
Ryc. 5. Rozmieszczenie punktów pomiarowych oraz ich współrzędne na powierzchni próbki.
wg 10 punktów – Rz = 0,38 µm, średnia wysokość elementów
profilu – Rc = 0,24 µm.
Wyniki badań mikrotwardości metodą Vickersa oceniono na
podstawie kształtu odcisków (ryc. 10). Na wykresie (ryc. 11)
zamieszczono rozkłady mikrotwardości na podstawie badań
w wyznaczonych punktach pomiarowych, na przekroju próbek
przy dwóch różnych trybach obciążania. Przy pomiarze HV
0,2 rozrzut wyników mikrotwardości na badanych powierzchniach sięgał 40 HV, natomiast dla pomiarów przy większej sile
obciążającej F2=4,903 N rozrzut wyników wynosił 20 HV.
Wyniki badań odporności na zużycie próbek wykonanych
z tytanu Everest T Blank w porównaniu do próbek z mateRyc. 7. Charakterystyki materiałowe w próbie ściskania dla: a) tytanu Everest T
Blank, b) cyrkonii silikatowej Everest ZS Blank, c) tworzywa szklano-ceramicznego
Everest G Blank.
mm. Odporność na zużycie tego materiału kształtuje się na
poziomie tworzyw sztucznych. W trakcie badań występowały
drgania węzła testowego, które wynikały ze sczepiania się próbek z przeciwpróbką.
-
-
-
-
-
Omówienie wyników
Ryc. 6. Maszyna do badań tribologicznych: a) widok ogólny, b) badany węzeł tarcia.
riałów niemetalowych: teflonu i polietylenu przedstawiono na
wykresie (ryc. 12). Średnie wartości skaz zużycia dla tytanu
Everest T Blank zawierają się w przedziale 1,81 mm do 3,35
Charakterystyki materiałowe tytanu Everest T Blank w próbie ściskania świadczą o powtarzalności wyników badań.
Może ona wynikać z jednolitej struktury badanego materiału.
Takiej dużej powtarzalności nie stwierdzono ani dla cyrkonii
silikatowej Everest ZS Blank, ani dla tworzywa szklano-ceramicznego Everest G Blank.
Wyznaczone średnie wartości modułów sprężystości Younga
tytanu i tworzywa szklano-ceramicznego są zbliżone i wynoszą
nieco powyżej 100 GPa. Są to materiały, które charakteryzują
się wartością modułu Younga najbardziej zbliżonym do szkliwa
i tkanki kostnej, w odróżnieniu od materiałów sztywnych typu
cyrkonia silikatowa czy powszechnie stosowana na stałe konstrukcje lane stal Ni-Cr-Mo.
Badania wytrzymałościowe tytanu wskazują, że wykonana
z niego konstrukcja nośna będzie posiadała odpowiednią odporność na obciążenia okluzyjne, a równocześnie będzie charakteryzowała się podatnością najbardziej zbliżoną do tkanek
naturalnych. Tytan Everest T Blank jest materiałem trudno
obrabialnym. Uzyskanie właściwej struktury warstwy wierzchniej polegało na wielokrotnym szlifowaniu mechanicznym
z użyciem papierów ściernych o różnych wielkościach ziaren
i polerowania przy użyciu ścierniwa diamentowego
45
2008, tom IX, nr 1 (30)
Ryc. 8. Zestawienie średnich wartości modułu sprężystości wzdłużnej dla badanych
materiałów protetycznych oraz tkanek [8,9].
Ryc. 10 b. Kształty odcisków przy pomiarze twardości HV 0,5.
-
-
-
-
-
Ryc. 9. Zestawienie parametrów chropowatości warstwy wierzchniej badanych
próbek.
Ryc. 10 a. Kształty odcisków przy pomiarze twardości HV 0,2.
Ryc. 11. Rozkład mikrotwardości na powierzchni próbki z tytanu Everest T Blank
przy obciążeniu wgłębnika: a) siłą F1=1,961 N, b) siłą F2=4,903 N.
o granulacji 3 µm. Przygotowanie próbek do badań o właściwej mikrogeometrii warstwy wierzchniej umożliwiło przeprowadzenie pomiarów mikrotwardości i badań tribologicznych.
Badania mikrotwardości wykonane na przekrojach półfabrykatów, w losowo wyznaczonych punktach pomiarowych
potwierdziły dobrą odporność powierzchni na obciążenia
skupione przy dwóch wartościach siły obciążającej. Ponadto
w obu rodzajach badań nie stwierdzono zbyt dużych różnic
w mikrotwardości. Otrzymane wyniki skrajne mogły wynikać
z niedostatecznego przygotowania warstwy wierzchniej do
badania. Wyznaczone rozkłady mikrotwardości na przekrojach półfabrykatów wskazują na jednorodność ich struktury
i możliwość wykonania konstrukcji nośnych o stabilnych parametrach wytrzymałościowych. Zastosowanie technologii
wykonawstwa uzupełnień protetycznych w systemie CAD/
CAM daje możliwość użycia biomateriału nowej generacji
o ukształtowanych wcześniej właściwościach mechanicznych.
Właściwości te mogą być lepiej dostosowane do własności
tkanek oraz do występujących uwarunkowań biomechanicznych. Ma to szczególne znaczenie w technologicznym procesie
wytwarzania tytanu, który może mieć zmodyfikowane właściwości poprzez przeróbkę plastyczną na etapie półproduktu.
Wykonane badania tytanu Everest T Blank potwierdziły,
że charakteryzuje się on wysokim współczynnikiem tarcia
i małą odpornością na zużycie ścierne.
46
Wnioski
Badania wytrzymałościowe i moduł Younga wskazują, że konstrukcja nośna wykonana z tytanu Everest T-Blank będzie
2008, tom IX, nr 1 (30)
Sprostowanie
W artykule pt. „Protezy Overdentures w bezzębnej żuchwie
oparte na dwu wszczepach filarowych jako alternatywa dla
tradycyjnych protez ruchomych” opublikowanym w numerze
4/2007 Implantoprotetyki – umieszczono błędne podpisy pod
rycinami – za co przepraszamy Autorów jak i Czytelników.
Redakcja
Ryc. 12. Zestawienie wyników badań odporności na zużycie.
posiadała odpowiednią odporność na obciążenia występujące
w okluzji, a równocześnie będzie charakteryzowała się biozgodną podatnością. Materiał może być stosowany na długie
przęsła mostów protetycznych w odcinkach bocznych.
Badania mikrotwardości i jej rozkład w wewnętrznych strukturach fabrycznych półproduktów z tytanu Everest T-Blank wskazują na jej jednorodność i możliwość wykonania konstrukcji
nośnych o stabilnych parametrach wytrzymałościowych.
Tytan Everest T-Blank charakteryzuje się wysokim współczynnikiem tarcia i małą odpornością na zużycie ścierne, co ogranicza
jego zastosowanie w przypadku konstrukcji pozbawionych licowania, eksploatowanych w warunkach zużycia tribologicznego.
PIŚMIENNICTWO
-
-
-
-
-
1. McQuillan A. D., McQuillan M. K. Titanium Butterworths
Scientific Publications, London 1956,
2. Blicharski M. Wstęp do inżynierii materiałowej. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2003,
3. Marciniak J. Biomateriały. Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej, Gliwice 2002,
4. Gierzyńska Dolna M. red. Tytan i jego stopy. Wydawnictwo
Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002,
5. Majewski S.W.: Rekonstrukcja zębów uzupełnieniami stałymi.
Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Protetyki, Kraków 2005,
6. Norma PN-EN ISO 4287:1999 Struktura geometryczna
powierzchni: metoda profilowa. Terminy, definicje i parametry
struktury geometrycznej powierzchni,.
7. Norma ISO 6507-1:2005(E) Metallic materials – Vickers
hardness test – Part 1:Test method.
8. Będziński R. Biomechanika inżynierska, zagadnienia wybrane.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
1997,
9. Nałęcz M. red. Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000.
Biomateriały, tom 4, Akademicka Oficyna Wydawnicza
Exit, Warszawa 2004,
Artykuł nadesłano: 11. 12. 2007
Artykuł przyjęto do druku: 20. 03. 2008
Adres do korespondencji:
Katedra Protetyki Stomatologicznej Instytutu Stomatologii UJ
ul. Montelupich 4, 31-155 Kraków
47
-
-
-
-
-