Artykuł został przeniesiony z wortalu highspeedmachining.eu, który ulega stopniowemu wygaszeniu, a wszelkie treści merytoryczne są sukcesywnie przenoszone do procestechnologiczny.com.pl

Budowa i skład zębów są perfekcyjnie dopasowane do wymagań funkcjonalnych ust i są lepsze od wykonanych z jakiegokolwiek tworzywa sztucznego. Dlatego – przede wszystkim nie szkodzić.
Kishen A., Mechanisms and risk factors for fracture prediction in endodontically treated teeth. Endodontic Topics, 2006; 13(1): str. 57– 83.

Wprowadzenie, 08.06.2017

Artykuł ten został opracowany kilka lat temu i obecnie choć nadal zachowuje swoją wartość merytoryczną to jednak ostatnie parę lat rozwoju druku 3D także i w zakresie implantów stomatologicznych pozostawiło swój ślad. Techniki przyrostowe bazują na skanowanych powierzchniach, tak jak przedstawione poniżej wytwarzanie implantów stomatologicznych z wykorzystaniem HSM. Nadal powierzchnie otrzymane technikami addytywnymi wymagają obróbki wykańczającej, lecz czas jednostkowy niezbędny do wytworzenia implantu może być korzystniejszy przy druku 3D i obróbce wykańczającej.

Materiały stomatologiczne

Obróbka szybkościowa HSM/HSC znalazła zastosowanie także w obróbce twardych materiałów wykorzystywanych w medycynie na implanty, między innymi stomatologiczne, które wykonuje się z takich materiałów jak:

• tytan,
• chrom-kobalt,
• cyrkon,
• PEEK.

Materiały biomedyczne są przeznaczone do funkcjonowania w środowisku tkanek. Biomateriały są wykorzystywane do leczenia oraz poprawiania i zastąpienia częściowego lub całkowitego tkanki lub narządu i spełniania jego funkcji.

Materiał biomedyczny przeznaczony jest do pracy w środowisku tkanek. Z biomateriałów produkuje się implanty przeznaczone są do leczenia, poprawienia i zastąpienia (częściowego lub całkowitego) tkanki lub narządu i spełniania jego funkcji. Uznaje się, że biomedyczne materiały (tworzywa metalowe) są najdroższymi materiałami wytwarzanymi przez człowieka. Zapotrzebowanie na implanty wzrasta, a materiałom stawia się coraz wyższe wymagania.

Podając za [PL2010] podstawowymi właściwościami jakimi materiał biomedyczny powinien się cechować są:

• biofunkcjonalność,
• biotolerancja,
• biozgodność,
• jednorodność składu chemicznego,
• zgodność z organizmem,
• określony zespół własności mechanicznych (wysoka wytrzymałość, odpowiednia ciągliwość, twardość i odporność na ścieranie),
• odpowiednie właściwości elektromagnetyczne,
• brak tendencji do tworzenia zakrzepów.

Tytan – metal, którego korzystne właściwości choć określone dawno nie były możliwe do szerszego zastosowania ze względu na trudności w wykonaniu odlewu. W wysokiej temperaturze tytan utlenia się bowiem silnie. W metodzie traconego wosku między tytanem a materiałem formy mogą zachodzić reakcje doprowadzające do zanieczyszczenia powierzchni odlewu. Z kolei podwyższona zawartość tlenu w warstwie wierzchniej podwyższa twardość i kruchość stopu. Inne zanieczyszczenia powodują niejednorodność mikrostruktury, mikrosegregację, a tym samym obniżenie odporności na korozję i pogorszenie biozgodności. Konieczne jest zatem przeprowadzanie odlewania w atmosferze ochronnej. Obróbka plastyczna jest możliwa i zaleca się by była przeprowadzana poniżej 925°C. Współcześnie wykonuje się precyzyjne odlewy stopów tytanu, lecz nadal jest to metoda złożona. Pomimo utrudnień zastosowanie stopów tytanu w protetyce stomatologicznej rośnie [SB2009]. Tytan charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na ściskanie, odpornością na korozję, niewielką gęstością – 55% gęstości stali, nietoksyczny, niealergizujący [KK2008]. W stomatologii stosuje się tytan o czystości >99,5% w postaci dla obróbki odlewaniem lub plastycznej.

Chrom-kobalt – stopy te zostały opracowane na potrzeby stomatologii jako stopy odlewnicze. Generalnie wyróżnia się stopy Cr-Co-Mn oraz Co-Cr-W-Mo. Stopy Co-Cr-W-Mo cechują się względem stopów Co-Cr-Mo, mniejszą grubością warstwy utlenionej, która powstaje w procesie wytwarzania elementu co stanowi warunki sprzyjające do łączenia z ceramiką [SB2009, WBWB2014]. Stopy w osnowie kobaltu wykorzystywane są przede wszystkim w odlewaniu komponentów i implantów w stomatologii. Alternatywnym procesem technologicznych jest metoda selektywnego spiekania laserowego (ang. SLS – Selective Laser Sintering).

Cyrkon – Cyrkon (Zr, łac. Zirconium) to pierwiastek z grupy metali przejściowych w układzie okresowym. Nazwa pierwiastka pochodzi od minerału – krzemianu o tej samej nazwie – cyrkonu (ZrSiO4) [SGL2012]. Cyrkon znalazł zastosowanie w kosmetyce, przemyśle chemicznym, optycznym, elektronicznym. Z tlenem cyrkon tworzy biały, trudno topliwy i bardzo odporny chemicznie tlenek cyrkonu ZrO2 (ang. zirconia) [SGL2012] – zdjęcie wyróżniające wpis (po lewej stronie). Jako implant tlenek cyrkonu jest stosowany w protetyce stomatologicznej, w której stosuje się go także do licowania uzupełnień stałych oraz podbudowy. Tlenek cyrkonu cechuje się następującymi właściwościami [LOMN2009]:

• wysoka temperatura topnienia – 2700 °C – ogniotrwały,
• dobra odporność na korozję w środowisku kwaśnym,
• duża twardość (1200 HV czyli >70HRC) i wytrzymałość mechaniczna (na zginanie 1200-1400 MPa).

PEEK – polieteroeteroketon – uznawany za najbardziej jakościowy zaawansowany wysokotemperaturowy polimer, który znajduje zastosowanie medyczne. Podając za plastics.pl PEEK cechuje się:

• niewielkim pełzaniem,
• wysokim modułem elastyczności,
• bardzo dobrą wytrzymałością w wysokich temperaturach – np. wytrzymałość na rozciąganie nie ulega w zasadzie zmianom, nawet po ponad 10 tyś. h pracy w temp. 200 °C,
• brakiem wrażliwości na pęknięcia naprężeniowe,
• stabilnością wymiarową,
• odpornością na odkształcenia plastyczne w wysokich temperaturach,
• dobrymi własnościami ślizgowymi i odpornością na ścieranie (łożyska ślizgowe),
• odpornością na wysokoenergetyczne promieniowanie,
• trudnopalnością (UL 94 V0),
• odpornością chemiczną na działanie wielu związków organicznych i nieorganicznych,
• odpornością na hydrolizę,
• dobrymi właściwościami biomedycznymi – fizjologicznie obojętny.

Właściwości biomedyczne mogą być modyfikowane poprzez dodawanie różnego rodzaju wypełniaczy, ich stężenie oraz technologią przetwarzania (kompozyt).

Analiza materiałów źródłowych wykazuje, iż w Polsce za kluczowe uznaje się odlewanie implantów stomatologicznych jako podstawową technologię ich wytwarzania. Współczesne osiągi frezarek HSM/HSC umożliwiają precyzyjną obróbkę szybkościową frezowaniem implantów i tym samym zupełnie odmienną technikę wytwarzania implantów.

Przykładem mogą być frezarki firmy Zirkonzahn, która oferuje obrabiarki (frezarki) do obróbki szybkościowej materiałów stomatologicznych oraz oprogramowanie CAD/CAM. Osobiście dzięki uprzejmości firmy GF Machining Solutions miałem okazję w 2013 roku zwiedzać i zapoznać się z organizacją produkcji oraz technologiami w firmie Millhouse GmbH w Wallau niedaleko Frankfurtu nad Menem. Oglądając dziś jedynie film reklamowy tej firmy widzę technologiczny postęp i rozwój. Podówczas firma ta wykorzystała m.in. jedno frezarskie centrum CNC (ilustracja 1) GF Machining Solutions Mikron HSM 400 U (na zdjęciu Mikron HSM 400LP – salon GF Machining Solutions).

Ilustracja 1. GF Machining Solutions Mikron HSM 400LP – Firma Millhouse GmbH w 2013 roku używała zbliżonego modelu.

Półfabrykatami są krążki o średnicy 80 mm, które jak na ilustracji 2 są ustalone i zamocowane. Ich wykorzystanie nie jest pełne. Istnieją dwa podejścia w zakresie obsługi półfabrykaktów. Pierwsze polega na uzbieraniu zamówień i takie rozłożenie w półfabrykacie układu implantów by w jak najlepszym stopniu wykorzystać materiał. Jednak takie podejście wymaga czasu na zebranie odpowiedniej liczby zamówień. Wytwarzania implantów to produkcja o ewidentnym charakterze jednostkowym. Drugie podejście to wielokrotne wykorzystanie półfabrykatu, aż do jego zużycia. Półfabrykaty są zamocowane w uchwycie (rozwiązanie paletowe) i każdorazowo tak samo ustalone w uchwycie na obrabiarce. Takie podejście pozwala na szybszą realizację zamówienia, lecz wymaga wysokiego stopnia zautomatyzowania i odpowiedniego zarządzania zasobami.

Obróbka implantów to 5-osiowa operacja frezowania (ilustracja 2, 3). Uwagę zwraca fakt, iż w ramach jednego półfabrykatu wytwarza się wiele implantów. Druk 3D umożliwia bezproblemowe wytwarzanie jednocześnie jednego implantu jak i wielu jednocześnie.

Ilustracja 2. Obróbka szybkościowa, 5-osiowe frezowanie implantów na GF Machining Solutions Mikron HSM 400 U – Millhouse GmbH.

W tym zakresie materiałów twardych obróbka szybkościowa HSM/HSC wydaje się techniką wręcz idealnie dopasowaną do tego typu zadań technologicznych. Na ilustracji 3 przedstawiono stan półfabrykatu po częściowym wykorzystaniu.

Ilustracja 3. Obróbka szybkościowa – Półfabrykat zużyty po obróbce implantów – GF Machining Solutions.

W ofercie GF Machining Solutions znajduje się obrabiarka, którą można nazwać wręcz kompaktową względem swoich nieco większych spokrewnionych modeli – MIKRON HSM 200.

Ilustracja 4. Zdjęcie dzięki uprzejmości GF Machining Solutions – MIKRON 200 U.

Obrabiarka ta cechuje się innowacyjną koncepcją polegającą na tym, iż jednostka osi maszyny jest niezależna od korpusu. Zwarta konstrukcja sprawia, ze maszyna ta wzmaga niewielkiej powierzchni instalacyjnej. Wykorzystywana jest do różnych zadań:

• obróbka szybkościowa materiałów stomatologicznych,
• elektrod na potrzeby obróbki elektroerozyjnej (ang. EDM),
• form.

Główna charakterystyka obrabiarki:

• Stabilny korpus z polimerobetonu ze zdolnością tłumienia drgań oraz wysoka masa własna. Korpus jedynie wspiera jednostki (suporty) poszczególnych osi. Suporty (osie) nie są mocowane bezpośrednio do korpusu.
• Silniki liniowe w osiach XYZ – brak zużywających się elementów tocznych.
• Silniki momentowe w osiach BC.
• Elektrowrzeciono StepTec o obrotach 50.000 obr/min.
• Unikalna konstrukcja – niezależna jednostka osi co pozwalaj na uniezależnienie dokładności od wypoziomowania korpusu.
• Budowa kompaktowa – zajmuje niewielką powierzchnie i może być transportowana przez wąskie drzwi.
• Możliwość automatyzacji procesu poprzez instalacje magazynu palet.

Części ruchome poruszają się po beztarciowych prowadnicach rolkowych Schneeberger o wysokiej sztywności. Celem jest zapewnienie wysokiej dynamiki, trwałości oraz warunki pracy prowadnic bez tzw. efektu przyklejania się. Stół roboczy wykonany jest z odlewu żebrowanego, w którym zintegrowane są wszystkie elementy transmisyjne jak prowadnice osi oraz silniki momentowe i silnik liniowy. Stół roboczy jest zintegrowany z uchwytem palet. Istnieje mozliwość wyboru systemu paletowego.

Pinola osi Z jest odlewem o zoptymalizowanej wadze, zapewniającym wysoką sztywność przy obróbce zgrubnej. Niewielka zajmowana przestrzeń 2.5 m2 oraz mała masa 3.6 t pozwalają na posadowienie maszyny na podłogach o małej nośności (piętra) oraz w małych pomieszczeniach.

Obrabiarka MIKRON HSM 200 U może być wariantowo wyposażona w zmodyfikowany układ przepływu powietrza by skuteczniej odbierać efekty obróbki materiałów twardych, w tym stomatologicznych oraz np. grafitu. Przy obróbce tych materiałów powstaje drobnoziarnisty pył, który jest szkodliwy dla zdrowia oraz może wpływać na pogorszenie pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Konieczne jest zatem sprawne jego usuwanie i minimalizowanie jego penetracji poza strefę obróbkową.

Więcej informacji o tej obrabiarce znajdziesz na stronie GF Machining Solutions Sp. z o.o.

Przygotowanie programu obróbkowego implantów wymaga stosowania oprogramowania CAD/CAM, które umożliwia dobry transfer danych między skanerami 3D a środowiskiem pracy CAD/CAM. Implanty powstają na zamówienie i ze względu na indywidualność każdy jest inny. Naturalną technologią jest wykonanie odcisku, który można zeskanować. Tak powstał model bryłowy 3D pozwala modułowi CAM na wygenerowanie programu obróbkowego na obrabiarkę CNC. Przykładem takiego oprogramowania jest Dental CADCAM Solutions firmy Delcam.

Wykorzystanie obróbki HSM/HSC do wytwarzania implantów stomatologicznych wydaje się wręcz naturalnym rozwiązaniem. Jest to specjalistyczna gałąź w obszarze której działa nie jedna firma i wykorzystuje się dedykowane oprogramowanie CAD/CAM.

Źródła:

• [LOMN2009] Lasek K., Okoński P., Mierzwińska-Nastalska E.,Tlenek cyrkonu – właściwości fizyczne i zastosowanie kliniczne, Protetyka Stomatologiczna 2009, LIX, 6, str. 415-422
• [SB2009] Surowska B., Biomateriały metalowe oraz połączenia metal-ceramik w zastosowaniach stomatologicznych, Wydawnictwo Uczelnianie, Politechnika Lubelska 2009
• [PL2010] Laboratorium nauki o materiałach. Ćwiczenie nr 13. Materiały biomedyczne, Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny
  Instytut Inżynierii Materiałowej, 2010
• [SGL2012] Stendera P., Grochowski P., Łomżyński Ł., Zastosowanie tlenku cyrkonu w protetyce stomatologicznej, Protetyka Stomatologiczna 2012, LXII, 2, str. 115-120
• [WBWB2014] Wróbel-Bednarz K., Walke W., Basiaga M., Cechy mechaniczne układu ząb–cement–wkład koronowo-korzeniowy wykonany ze stopu Co-Cr metodą selektywnego spiekania laserowego, Protetyka Stomatologiczna 2014, LXIV, 5, str. 317-328
• [KK2008] Kaczorowski M., Krzyńska A., Konstrukcyjnem materiałów metalowych, ceramiczne i kompozytowe, OWPW 2008
• Materiały handlowe firmy GF Machining Solutions,
• Materiały handlowe firmy DELCAM Sp. z o.o.
• http://www.plastics.pl/produkty/tworzywa-techniczne/tworzywa-peek/polieteroeteroketon-peek