eng
Выпуск #5/2021
С.В.Апресян, М.А.Гаджиев, К.С.Кравчук, Е.В.Гладких, Г.Х.Султанова, А.А.Русаков, А.С.Усеинов
Анализ механических свойств материалов для стоматологических конструкций после проведения искусственного старения
Анализ механических свойств материалов для стоматологических конструкций после проведения искусственного старения
Просмотры: 782
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.260.269
Ключевой особенностью данной работы является исследование поведения механических свойств материалов для стоматологических конструкций в результате воздействия процесса, имитирующего старение, происходящее с материалами в ходе длительной эксплуатации. В статье приводятся результаты для материалов, напечатанных на 3D-принтере, а также полученных фрезерованием из заготовок. Измерения твердости и модуля упругости проводились методом наноиндентирования, коэффициентов линейного износа и трения – методом истирания, а модуля упругости, прочности и деформации – методом трехточечного изгиба.
Ключевой особенностью данной работы является исследование поведения механических свойств материалов для стоматологических конструкций в результате воздействия процесса, имитирующего старение, происходящее с материалами в ходе длительной эксплуатации. В статье приводятся результаты для материалов, напечатанных на 3D-принтере, а также полученных фрезерованием из заготовок. Измерения твердости и модуля упругости проводились методом наноиндентирования, коэффициентов линейного износа и трения – методом истирания, а модуля упругости, прочности и деформации – методом трехточечного изгиба.
Теги: 3d printing of biomaterials 3d-печать биоматериалов additive technologies deformation dental occlusal splints hardness modulus of elasticity strength аддитивные технологии деформация модуль упругости прочность стоматологические окклюзионные шины твердость
Анализ механических свойств материалов для стоматологических конструкций после проведения искусственного старения
ANALYSIS OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE MATERIALS FOR DENTAL STRUCTURES AFTER ARTIFICIAL AGEING
С.В.Апресян1, д.м.н., проф., (ORCID: 0000-0002-3281-707X), М.А.Гаджиев1, аспирант, (ORCID: 0000-0003-1878-503X), К.С.Кравчук2, к.ф.-м.н., науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-9956-9939), Е.В.Гладких2, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-8273-3934), Г.Х.Султанова2, стажер-исследователь, (ORCID: 0000-0002-4770-5724), А.А.Русаков2, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-5702-1353), А.С.Усеинов2, к.ф.-м.н., заместитель директора по научной работе ФГБНУ ТИСНУМ, (ORCID: 0000-0002-9937-0954) / useinov@mail.ru
S.V.Apresyan1, Doct. of Sci. (Medicine), Professor, M.A.Gadzhiev1, Postgraduate, K.S.Kravchuk2, Researcher, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), E.V.Gladkikh2, Junior Researcher, G.Kh.Sultanova2, Researcher Trainee, A.A.Rusakov2, Junior Researcher, A.S.Useinov2, Deputy Director of TISNCM, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.260.269
Получено: 3.08.2021 г.
Ключевой особенностью данной работы является исследование поведения механических свойств материалов для стоматологических конструкций в результате воздействия процесса, имитирующего старение, происходящее с материалами в ходе длительной эксплуатации. В статье приводятся результаты для материалов, напечатанных на 3D-принтере, а также полученных фрезерованием из заготовок. Измерения твердости и модуля упругости проводились методом наноиндентирования, коэффициентов линейного износа и трения – методом истирания, а модуля упругости, прочности и деформации – методом трехточечного изгиба.
The study of the dental structures mechanical properties behaviour after simulated ageing processing at long-term use is the main feature of the presented paper. The paper contains the test results for 3D printed materials and for the other ones manufactured by milling of workpieces. The hardness and elastic modulus were measured by the nanoindentation method, the linear wear and friction coefficients were measured by the abrasion resistance method, and the elastic modulus, strength and deformation were determined by three-point bending method.
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа является продолжением исследования, описанного в статье [1].
Проследить за поведением материала в ходе его длительной эксплуатации в естественных условиях бывает затруднительно из-за большого количества затрачиваемого времени. На помощь приходит процедура искусственно ускоренного старения [2]. Суть ее заключается в повышении температуры образца относительно эксплуатационной на значительную величину (в ходе процедуры ускоренного старения образцы помещаются в климатическую камеру). Внутри климатической камеры образцы находятся в емкостях с водой или иной жидкостью, которая дает возможность легко поддерживать равномерный нагрев изделий. Такой метод хорошо подходит для материалов, используемых в медицинских применениях, так как температура их реальной эксплуатации невелика и они часто находятся в жидкой среде.
Как и сам материал, так и способ его изготовления и дальнейшая обработка существенно влияют на свойства конечного изделия. Материал, из которого изготавливаются стоматологические конструкции, может быть получен различными способами, в том числе фрезерованием или при помощи аддитивных технологий [3]. Подтвердить тот факт, что образец обладает необходимыми техническими характеристиками, а также убедиться в долговечности изделия можно только путем экспериментальных исследований. Широко распространенным методом характеризации приповерхностных механических свойств является наноиндентирование [4]. Сочетание его с испытаниями на изгиб, дающими информацию об объемных прочностных характеристиках образца, а также испытанием на износ [5] позволяет получить обширную картину, в которой проявятся преимущества одного материала по сравнению с другим. Критериями выбора наилучшего материала для стоматологических применений являются высокие значения механических свойств, а также их сохранение после старения образцов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе исследовались шесть групп образцов (табл.1).
Процедура искусственно ускоренного старения образцов проводилась при помощи климатической камеры КТХВ-300 ("НПФ Технология") [6] (рис.1). Каждая из групп образцов помещалась в отдельную емкость, заполненную дистиллированной водой. Температура в камере составляла +80 °С. Точность поддержания температуры в камере – 0,5 °С.
Данная температура была выбрана из следующих соображений. Согласно статье [7], посвященной ускоренному старению, применяемому к полимерам, используемым для медицинских целей, общий подход заключается в предположении, что скорость старения увеличивается на фактор f:
f = 2ΔT/10, (1)
где ΔT = T − Tref, Tref – эталонная температура, при которой должны определяться эффекты старения, T – повышенная температура, используемая для ускорения этих эффектов. Для материала, который будет имплантирован в человеческое тело, Tref будет равна температуре тела (37 °C). После этого считается, что выдерживание материала в течение 1 мес. при 87 °C должно быть эквивалентным старению на 32 мес.
В нашем случае для имитации старения в течение одного года образцы выдерживались при температуре +80 оС в течение 8 суток и 2 ч.
Поскольку при повышенных температурах происходит более интенсивное испарение жидкости, в климатической камере поддерживалась влажность 80%. Но и в этом режиме потребовался ежесуточный долив дистиллированной воды в емкости с образцами.
Как до, так и после проведения процедуры ускоренного старения осуществлялись контроль шероховатости образцов и измерение механических свойств приповерхностных слоев образцов. Шероховатость определялась при помощи оптического профилометра Sensofar S Neox [8], инструментальные твердость и модуль упругости, а также коэффициенты трения и линейного износа – при помощи нанотвердомера "НаноСкан-4D" [9]. Для этих экспериментов было взято по три образца из групп, упомянутых в табл.1, при этом каждый из исследованных образцов подвергался испытаниям в трех областях: в центре и в 1 см от левого и правого краев.
Твердость и модуль упругости определялись согласно методике Оливера и Фарра, прописанной в стандарте ГОСТ Р 8.748 (аналог ISO 14577) [10]. Индентирование проводилось с использованием стандартной пирамиды типа Берковича с двумя нагрузками – 1 и 10 мН.
В качестве контртела для измерения коэффициента трения и коэффициента линейного износа использовалась алмазная полусфера диаметром 130 мкм. Нормальная нагрузка при износе составила 250 мН, количество циклов в каждом испытании – 100. После проведения эксперимента, схема которого описана в [11], измеряется геометрия канавки истирания.
Затем по ширине канавки делают вывод об износостойкости образца. Для измерения коэффициента трения, помимо алмазной полусферы диаметром 130 мкм, была использована твердосплавная сфера диаметром 1 мм, так как сфера большего диаметра позволяет определять данную характеристику при малых глубинах внедрения. Линейный износ и глубину канавок измерить не представляется возможным, так как не происходит видимого разрушения материала.
При помощи универсальной испытательной машины Instron 5982 были проведены испытания образцов на трехточечный изгиб в соответствии со стандартом ГОСТ 31572-2012 [12]. Испытания на изгиб проводились на образцах из групп: Vipi_original, Zirkon_original, Printer3D_original (не прошедших полировку). Было взято по пять образцов (рис.2) до и по пять образцов после старения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.3 показаны трехмерные топографические изображения рельефа поверхности для полированных образцов до прохождения процедуры старения и после нее.
В табл.2 приведены параметры шероховатости: Ra – среднеарифметическая шероховатость, Rz – шероховатость по 10 точкам (среднее расстояние между 5 самыми высокими и 5 самыми низкими точками на изображении рельефа поверхности) [13, 14]. Ra соответствует среднему отклонению поверхности от среднего уровня, Rz – максимальному перепаду поверхности на измеренной области. Приведенные в таблице ниже данные являются результатом усреднения девяти измерений (в трех областях на трех образцах). Как видно из приведенной таблицы, процесс старения привел к росту параметра Rz в два и более раз. Параметр средней шероховатости Ra остался практически неизменным для образцов, не подвергнутых полировке, а для образцов после полировки возрос на 40–50%.
На рис.4 приведены диаграммы твердости и модуля упругости образцов до процедуры старения (столбцы со сплошной заливкой) и после старения (столбцы с несплошной заливкой). Указанный на диаграммах разброс значений есть погрешность между измерениями в разных областях. После процедуры старения полированные и фрезерованные образцы Vipi, а также полированные напечатанные на 3D-принтере образцы не показали существенного изменения твердости и модуля упругости по сравнению с не проходившими процедуру старения. Твердость полированных и фрезерованных образцов Zirkonzahn выросла после процедуры старения более чем на 40%, а модуль упругости остался на прежнем уровне. Наибольший рост твердости (в четыре раза) и модуля упругости (в два раза) показали прошедшие процедуру старения полированные образцы, напечатанные на 3D-принтере.
Результаты испытания на истирание полусферой диаметром 130 мкм, также усредненные по девяти измерениям, показаны рис.5. Как видно из диаграмм, геометрические параметры канавок и износостойкость в пределах погрешности остались неизменными.
Измеренный в ходе истирания сферой диаметром 1 мм коэффициент трения (рис.6) существенно отличается в большую сторону (в 2–4,5 раза) практически для всех образцов, прошедших процедуру старения, кроме фрезерованных Zirconzahn. Сфера меньшего диаметра внедряется в образец на большую глубину при одинаковых силах прижима, а значит, захватывает более глубокие слои образца. Сравнение результатов, приведенных на рис.5 и 6, показывает, что старение привело к более существенному изменению структуры поверхностных, чем более глубоких слоев образцов.
В табл.3 показаны результаты испытания на трехточечный изгиб образцов до и после старения. Как видно из таблицы, после старения значительно увеличился модуль упругости, характеризующий объемные свойства образцов. Для образца Zirkonzahn вдвое снизилось значение относительной деформации.
ВЫВОДЫ
Проведенный процесс ускоренного старения, моделировавший происходящие в ротовой полости человека с течением времени изменения в материалах для окклюзионных шин, выявил ряд отличий между материалами, полученными фрезерованием и при помощи аддитивных технологий.
Среди неполированных образцов наиболее высокой шероховатостью (как до, так и после прохождения старения) обладает материал, напечатанный на 3D-принтере, чем фрезерованные образцы Vipi и Zirkonzahn. Все полированные образцы после процедуры старения показали рост значений шероховатости в два и более раз.
Коэффициент трения, измеренный с использованием сферы диаметром 1 мм, имеет взаимосвязь с параметром шероховатости Rz для всех исследованных образцов: чем выше прирост шероховатости, тем сильнее увеличился коэффициент трения. Этот факт подтверждает существенное изменение рельефа поверхности в результате старения, наблюдаемое при помощи конфокальной оптической микроскопии.
При абразивном износе с использованием сферы диаметром 130 мкм ширина и глубина канавок, коэффициент трения и линейный износ не отличаются существенно у образцов, прошедших ускоренное старение, и исходных. Наименьшими значениями коэффициента линейного износа, глубинами и ширинами канавок обладают образцы Vipi, что говорит об их высокой износостойкости.
Твердость образцов Vipi имеет стабильно высокие значения до и после искусственного старения, что коррелирует с рекордным для исследованной группы образцов значением износостойкости. Наибольшее отличие в твердости измерено для исходного образца, полученного на 3D-принтере – наблюдавшееся до старения значение (0,05 ГПа) возросло в четыре раза. После прохождения образцами процедуры искусственного старения образцы Zirkonzahn показали незначительное увеличение твердости – на 25%. Модуль упругости образцов Vipi и полученных на 3D-принтере после старения практически не изменился. Можно отметить, что для образцов Zirkonzahn (как до, так и после обработки полировкой) модуль упругости показал снижение на 30%.
На трехточечный изгиб испытывались образцы, полировка которых не проводилась. До старения фрезерованные образцы Vipi и Zirkonzahn имели прочность и модуль упругости, более чем в 1,5 раза превышающие соответствующие значения для образцов, напечатанных на 3D-принтере. После старения модуль упругости образцов вырос в 2 раза для материала марки Vipi и в 3–4 раза – для образцов Zirkonzahn и полученных на 3D-принтере. Таким образом, твердость и модуль упругости, измеренные по методу наноиндентирования, коррелируют со значениями модуля упругости, полученными в испытаниях на изгиб.
Из полученных данных можно сделать вывод, что материалы, напечатанные на 3D-принтере, по сравнению с изготовленными традиционным методом, имеют меньшую прочность, что может быть связано с незавершившейся полимеризацией после печати. Процедура старения показывает, что термическая обработка образцов, полученных при помощи аддитивных технологий, способна привести к достижению ими необходимых механических свойств, регламентированных ГОСТ [12].
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена с помощью оборудования, входящего в ЦКП ТИСНУМ.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Гаджиев М.А. et al. Сравнительные испытания объемных и поверхностных механических свойств материалов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий. Наноиндустрия. 2021. Т. 14. № 3–4. С. 22–30.
ASTM F1980 A. Standard Guide for Accelerated Aging of Sterile Barrier Systems for Medical Devices // ASTM International, West Conshohoken, PA, USA. 2016. V. 07, No. November. P. 2016.
Salmi M. et al. A digital process for additive manufacturing of occlusal splints: a clinical pilot study. J. R. Soc. INTERFACE. 6–9 CARLTON HOUSE TERRACE, LONDON SW1Y 5AG, ENGLAND: ROYAL SOC. 2013. V. 10. No. 84.
ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002) ГСИ. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Ч. 1. Метод испытаний.
Horng J.H. et al. Determination of Mechanical and Friction Properties of Carbon Composites at Different Scale Levels // J. Frict. Wear. 2020. V. 41. No. 2. PP. 102–106.
Кравчук К.С., Гладких Е.В., Морозов А.В. Исследование нанодинамических механических свойств автомобильных протекторных резин в диапазоне температур от –60 до 60 °С с помощью нанотвердомера "Наноскан-4d". Наноиндустрия. 2019. Т. 12. № 7–8. С. 444–449.
Hukins D.W.L.W.L., Mahomed A., Kukureka S.N.N. Accelerated aging for testing polymeric biomaterials and medical devices. Med. Eng. Phys. 2008. V. 30. No. 10. PP. 1270–1274.
Pintó A. et al. Non-contact measurement of aspherical and freeform optics with a new confocal tracking profiler. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2011. V. 8169.
Torskaya E.V. et al. Comparative study of tribological behavior of thin coatings based on metal oxides at various scale levels. J. Frict. Wear. 2015. V. 36. No. 6.
Усеинов А. et al. ISO – это просто! // Наноиндустрия. 2015. Т. 7. С. 52–61.
Useinov A. et al. Friction of thin multi-component oxide films: experiments and modeling. World Tribology Congress, September 8–13. Torino, 2013.
ГОСТ 31572-2012 (ISO 1567:1999). Материалы полимерные для базисов зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний.
ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.
ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Термины и определения.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ANALYSIS OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE MATERIALS FOR DENTAL STRUCTURES AFTER ARTIFICIAL AGEING
С.В.Апресян1, д.м.н., проф., (ORCID: 0000-0002-3281-707X), М.А.Гаджиев1, аспирант, (ORCID: 0000-0003-1878-503X), К.С.Кравчук2, к.ф.-м.н., науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-9956-9939), Е.В.Гладких2, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-8273-3934), Г.Х.Султанова2, стажер-исследователь, (ORCID: 0000-0002-4770-5724), А.А.Русаков2, мл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0001-5702-1353), А.С.Усеинов2, к.ф.-м.н., заместитель директора по научной работе ФГБНУ ТИСНУМ, (ORCID: 0000-0002-9937-0954) / useinov@mail.ru
S.V.Apresyan1, Doct. of Sci. (Medicine), Professor, M.A.Gadzhiev1, Postgraduate, K.S.Kravchuk2, Researcher, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), E.V.Gladkikh2, Junior Researcher, G.Kh.Sultanova2, Researcher Trainee, A.A.Rusakov2, Junior Researcher, A.S.Useinov2, Deputy Director of TISNCM, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics)
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.5.260.269
Получено: 3.08.2021 г.
Ключевой особенностью данной работы является исследование поведения механических свойств материалов для стоматологических конструкций в результате воздействия процесса, имитирующего старение, происходящее с материалами в ходе длительной эксплуатации. В статье приводятся результаты для материалов, напечатанных на 3D-принтере, а также полученных фрезерованием из заготовок. Измерения твердости и модуля упругости проводились методом наноиндентирования, коэффициентов линейного износа и трения – методом истирания, а модуля упругости, прочности и деформации – методом трехточечного изгиба.
The study of the dental structures mechanical properties behaviour after simulated ageing processing at long-term use is the main feature of the presented paper. The paper contains the test results for 3D printed materials and for the other ones manufactured by milling of workpieces. The hardness and elastic modulus were measured by the nanoindentation method, the linear wear and friction coefficients were measured by the abrasion resistance method, and the elastic modulus, strength and deformation were determined by three-point bending method.
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа является продолжением исследования, описанного в статье [1].
Проследить за поведением материала в ходе его длительной эксплуатации в естественных условиях бывает затруднительно из-за большого количества затрачиваемого времени. На помощь приходит процедура искусственно ускоренного старения [2]. Суть ее заключается в повышении температуры образца относительно эксплуатационной на значительную величину (в ходе процедуры ускоренного старения образцы помещаются в климатическую камеру). Внутри климатической камеры образцы находятся в емкостях с водой или иной жидкостью, которая дает возможность легко поддерживать равномерный нагрев изделий. Такой метод хорошо подходит для материалов, используемых в медицинских применениях, так как температура их реальной эксплуатации невелика и они часто находятся в жидкой среде.
Как и сам материал, так и способ его изготовления и дальнейшая обработка существенно влияют на свойства конечного изделия. Материал, из которого изготавливаются стоматологические конструкции, может быть получен различными способами, в том числе фрезерованием или при помощи аддитивных технологий [3]. Подтвердить тот факт, что образец обладает необходимыми техническими характеристиками, а также убедиться в долговечности изделия можно только путем экспериментальных исследований. Широко распространенным методом характеризации приповерхностных механических свойств является наноиндентирование [4]. Сочетание его с испытаниями на изгиб, дающими информацию об объемных прочностных характеристиках образца, а также испытанием на износ [5] позволяет получить обширную картину, в которой проявятся преимущества одного материала по сравнению с другим. Критериями выбора наилучшего материала для стоматологических применений являются высокие значения механических свойств, а также их сохранение после старения образцов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В данной работе исследовались шесть групп образцов (табл.1).
Процедура искусственно ускоренного старения образцов проводилась при помощи климатической камеры КТХВ-300 ("НПФ Технология") [6] (рис.1). Каждая из групп образцов помещалась в отдельную емкость, заполненную дистиллированной водой. Температура в камере составляла +80 °С. Точность поддержания температуры в камере – 0,5 °С.
Данная температура была выбрана из следующих соображений. Согласно статье [7], посвященной ускоренному старению, применяемому к полимерам, используемым для медицинских целей, общий подход заключается в предположении, что скорость старения увеличивается на фактор f:
f = 2ΔT/10, (1)
где ΔT = T − Tref, Tref – эталонная температура, при которой должны определяться эффекты старения, T – повышенная температура, используемая для ускорения этих эффектов. Для материала, который будет имплантирован в человеческое тело, Tref будет равна температуре тела (37 °C). После этого считается, что выдерживание материала в течение 1 мес. при 87 °C должно быть эквивалентным старению на 32 мес.
В нашем случае для имитации старения в течение одного года образцы выдерживались при температуре +80 оС в течение 8 суток и 2 ч.
Поскольку при повышенных температурах происходит более интенсивное испарение жидкости, в климатической камере поддерживалась влажность 80%. Но и в этом режиме потребовался ежесуточный долив дистиллированной воды в емкости с образцами.
Как до, так и после проведения процедуры ускоренного старения осуществлялись контроль шероховатости образцов и измерение механических свойств приповерхностных слоев образцов. Шероховатость определялась при помощи оптического профилометра Sensofar S Neox [8], инструментальные твердость и модуль упругости, а также коэффициенты трения и линейного износа – при помощи нанотвердомера "НаноСкан-4D" [9]. Для этих экспериментов было взято по три образца из групп, упомянутых в табл.1, при этом каждый из исследованных образцов подвергался испытаниям в трех областях: в центре и в 1 см от левого и правого краев.
Твердость и модуль упругости определялись согласно методике Оливера и Фарра, прописанной в стандарте ГОСТ Р 8.748 (аналог ISO 14577) [10]. Индентирование проводилось с использованием стандартной пирамиды типа Берковича с двумя нагрузками – 1 и 10 мН.
В качестве контртела для измерения коэффициента трения и коэффициента линейного износа использовалась алмазная полусфера диаметром 130 мкм. Нормальная нагрузка при износе составила 250 мН, количество циклов в каждом испытании – 100. После проведения эксперимента, схема которого описана в [11], измеряется геометрия канавки истирания.
Затем по ширине канавки делают вывод об износостойкости образца. Для измерения коэффициента трения, помимо алмазной полусферы диаметром 130 мкм, была использована твердосплавная сфера диаметром 1 мм, так как сфера большего диаметра позволяет определять данную характеристику при малых глубинах внедрения. Линейный износ и глубину канавок измерить не представляется возможным, так как не происходит видимого разрушения материала.
При помощи универсальной испытательной машины Instron 5982 были проведены испытания образцов на трехточечный изгиб в соответствии со стандартом ГОСТ 31572-2012 [12]. Испытания на изгиб проводились на образцах из групп: Vipi_original, Zirkon_original, Printer3D_original (не прошедших полировку). Было взято по пять образцов (рис.2) до и по пять образцов после старения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.3 показаны трехмерные топографические изображения рельефа поверхности для полированных образцов до прохождения процедуры старения и после нее.
В табл.2 приведены параметры шероховатости: Ra – среднеарифметическая шероховатость, Rz – шероховатость по 10 точкам (среднее расстояние между 5 самыми высокими и 5 самыми низкими точками на изображении рельефа поверхности) [13, 14]. Ra соответствует среднему отклонению поверхности от среднего уровня, Rz – максимальному перепаду поверхности на измеренной области. Приведенные в таблице ниже данные являются результатом усреднения девяти измерений (в трех областях на трех образцах). Как видно из приведенной таблицы, процесс старения привел к росту параметра Rz в два и более раз. Параметр средней шероховатости Ra остался практически неизменным для образцов, не подвергнутых полировке, а для образцов после полировки возрос на 40–50%.
На рис.4 приведены диаграммы твердости и модуля упругости образцов до процедуры старения (столбцы со сплошной заливкой) и после старения (столбцы с несплошной заливкой). Указанный на диаграммах разброс значений есть погрешность между измерениями в разных областях. После процедуры старения полированные и фрезерованные образцы Vipi, а также полированные напечатанные на 3D-принтере образцы не показали существенного изменения твердости и модуля упругости по сравнению с не проходившими процедуру старения. Твердость полированных и фрезерованных образцов Zirkonzahn выросла после процедуры старения более чем на 40%, а модуль упругости остался на прежнем уровне. Наибольший рост твердости (в четыре раза) и модуля упругости (в два раза) показали прошедшие процедуру старения полированные образцы, напечатанные на 3D-принтере.
Результаты испытания на истирание полусферой диаметром 130 мкм, также усредненные по девяти измерениям, показаны рис.5. Как видно из диаграмм, геометрические параметры канавок и износостойкость в пределах погрешности остались неизменными.
Измеренный в ходе истирания сферой диаметром 1 мм коэффициент трения (рис.6) существенно отличается в большую сторону (в 2–4,5 раза) практически для всех образцов, прошедших процедуру старения, кроме фрезерованных Zirconzahn. Сфера меньшего диаметра внедряется в образец на большую глубину при одинаковых силах прижима, а значит, захватывает более глубокие слои образца. Сравнение результатов, приведенных на рис.5 и 6, показывает, что старение привело к более существенному изменению структуры поверхностных, чем более глубоких слоев образцов.
В табл.3 показаны результаты испытания на трехточечный изгиб образцов до и после старения. Как видно из таблицы, после старения значительно увеличился модуль упругости, характеризующий объемные свойства образцов. Для образца Zirkonzahn вдвое снизилось значение относительной деформации.
ВЫВОДЫ
Проведенный процесс ускоренного старения, моделировавший происходящие в ротовой полости человека с течением времени изменения в материалах для окклюзионных шин, выявил ряд отличий между материалами, полученными фрезерованием и при помощи аддитивных технологий.
Среди неполированных образцов наиболее высокой шероховатостью (как до, так и после прохождения старения) обладает материал, напечатанный на 3D-принтере, чем фрезерованные образцы Vipi и Zirkonzahn. Все полированные образцы после процедуры старения показали рост значений шероховатости в два и более раз.
Коэффициент трения, измеренный с использованием сферы диаметром 1 мм, имеет взаимосвязь с параметром шероховатости Rz для всех исследованных образцов: чем выше прирост шероховатости, тем сильнее увеличился коэффициент трения. Этот факт подтверждает существенное изменение рельефа поверхности в результате старения, наблюдаемое при помощи конфокальной оптической микроскопии.
При абразивном износе с использованием сферы диаметром 130 мкм ширина и глубина канавок, коэффициент трения и линейный износ не отличаются существенно у образцов, прошедших ускоренное старение, и исходных. Наименьшими значениями коэффициента линейного износа, глубинами и ширинами канавок обладают образцы Vipi, что говорит об их высокой износостойкости.
Твердость образцов Vipi имеет стабильно высокие значения до и после искусственного старения, что коррелирует с рекордным для исследованной группы образцов значением износостойкости. Наибольшее отличие в твердости измерено для исходного образца, полученного на 3D-принтере – наблюдавшееся до старения значение (0,05 ГПа) возросло в четыре раза. После прохождения образцами процедуры искусственного старения образцы Zirkonzahn показали незначительное увеличение твердости – на 25%. Модуль упругости образцов Vipi и полученных на 3D-принтере после старения практически не изменился. Можно отметить, что для образцов Zirkonzahn (как до, так и после обработки полировкой) модуль упругости показал снижение на 30%.
На трехточечный изгиб испытывались образцы, полировка которых не проводилась. До старения фрезерованные образцы Vipi и Zirkonzahn имели прочность и модуль упругости, более чем в 1,5 раза превышающие соответствующие значения для образцов, напечатанных на 3D-принтере. После старения модуль упругости образцов вырос в 2 раза для материала марки Vipi и в 3–4 раза – для образцов Zirkonzahn и полученных на 3D-принтере. Таким образом, твердость и модуль упругости, измеренные по методу наноиндентирования, коррелируют со значениями модуля упругости, полученными в испытаниях на изгиб.
Из полученных данных можно сделать вывод, что материалы, напечатанные на 3D-принтере, по сравнению с изготовленными традиционным методом, имеют меньшую прочность, что может быть связано с незавершившейся полимеризацией после печати. Процедура старения показывает, что термическая обработка образцов, полученных при помощи аддитивных технологий, способна привести к достижению ими необходимых механических свойств, регламентированных ГОСТ [12].
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена с помощью оборудования, входящего в ЦКП ТИСНУМ.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Гаджиев М.А. et al. Сравнительные испытания объемных и поверхностных механических свойств материалов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий. Наноиндустрия. 2021. Т. 14. № 3–4. С. 22–30.
ASTM F1980 A. Standard Guide for Accelerated Aging of Sterile Barrier Systems for Medical Devices // ASTM International, West Conshohoken, PA, USA. 2016. V. 07, No. November. P. 2016.
Salmi M. et al. A digital process for additive manufacturing of occlusal splints: a clinical pilot study. J. R. Soc. INTERFACE. 6–9 CARLTON HOUSE TERRACE, LONDON SW1Y 5AG, ENGLAND: ROYAL SOC. 2013. V. 10. No. 84.
ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002) ГСИ. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Ч. 1. Метод испытаний.
Horng J.H. et al. Determination of Mechanical and Friction Properties of Carbon Composites at Different Scale Levels // J. Frict. Wear. 2020. V. 41. No. 2. PP. 102–106.
Кравчук К.С., Гладких Е.В., Морозов А.В. Исследование нанодинамических механических свойств автомобильных протекторных резин в диапазоне температур от –60 до 60 °С с помощью нанотвердомера "Наноскан-4d". Наноиндустрия. 2019. Т. 12. № 7–8. С. 444–449.
Hukins D.W.L.W.L., Mahomed A., Kukureka S.N.N. Accelerated aging for testing polymeric biomaterials and medical devices. Med. Eng. Phys. 2008. V. 30. No. 10. PP. 1270–1274.
Pintó A. et al. Non-contact measurement of aspherical and freeform optics with a new confocal tracking profiler. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2011. V. 8169.
Torskaya E.V. et al. Comparative study of tribological behavior of thin coatings based on metal oxides at various scale levels. J. Frict. Wear. 2015. V. 36. No. 6.
Усеинов А. et al. ISO – это просто! // Наноиндустрия. 2015. Т. 7. С. 52–61.
Useinov A. et al. Friction of thin multi-component oxide films: experiments and modeling. World Tribology Congress, September 8–13. Torino, 2013.
ГОСТ 31572-2012 (ISO 1567:1999). Материалы полимерные для базисов зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний.
ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.
ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Термины и определения.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
