eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #3-4/2021
М.А.Гаджиев, К.С.Кравчук, Е.В.Гладких, Г.Х.Султанова, А.А.Русаков, А.С.Усеинов, С.В.Апресян
Сравнительные испытания объемных и поверхностных механических свойств материалов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий
Сравнительные испытания объемных и поверхностных механических свойств материалов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий
Просмотры: 1934
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.196.204
В работе приведены результаты испытания инструментальных твердости и модуля упругости, коэффициентов линейного износа и трения исходных и полированных образцов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий. Помимо исследования локальных механических свойств, проводилось измерение объемных характеристик – модуля упругости, прочности и деформации – с помощью метода трехточечного изгиба. Поверхность образцов, подвергнутых испытанию на изгиб, не проходила пробоподготовку.
В работе приведены результаты испытания инструментальных твердости и модуля упругости, коэффициентов линейного износа и трения исходных и полированных образцов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий. Помимо исследования локальных механических свойств, проводилось измерение объемных характеристик – модуля упругости, прочности и деформации – с помощью метода трехточечного изгиба. Поверхность образцов, подвергнутых испытанию на изгиб, не проходила пробоподготовку.
Теги: 3d printing of biomaterials 3d-печать биоматериалов deformation dental occlusal splints hardness modulus of elasticity strength деформация модуль упругости прочность стоматологические окклюзионные шины твердость
Сравнительные испытания объемных и поверхностных механических свойств материалов для стоматологических конструкций, полученных с помощью аддитивных технологий
Comparative study of volumetric and surface mechanical properties
of the materials for dental constructions obtained using additive technologies
М.А.Гаджиев1, аспирант, (ORCID: 0000-0003-1878-503X), К.С.Кравчук2, науч. сотр., к.ф.-м.н., (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, зам. директора по научной работе ФГБНУ ТИСНУМ, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0002-9937-0954), С.В.Апресян1, к.м.н., проф., (ORCID: 0000-0002-3281-707X) / useinov@mail.ru
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), S.V.Apresyan1, Cand. of Sci. (Medicine), Professor
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.196.204
Получено: 21.06.2021 г.
В данной работе приведены результаты испытания инструментальных твердости и модуля упругости, коэффициентов линейного износа и трения исходных и полированных образцов для стоматологических конструкций, полученных при помощи аддитивных технологий. Помимо исследования локальных механических свойств, проводилось измерение объемных характеристик – модуль упругости, прочность и деформация – при помощи метода трехточечного изгиба. Поверхность образцов, подвергнутых испытанию на изгиб не проходила пробоподготовку.
This paper presents the results of testing the instrumental hardness and elastic modulus, linear wear and friction coefficients of the original and polished samples for dental structures obtained using additive technologies. In addition to the study of local mechanical properties, volumetric characteristics – elastic modulus, strength and deformation – were measured using the three-point bending method. The surface of the samples subjected to the bending test did not undergo sample preparation.
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение является областью знания, находящей широкое применение не только в технических приложениях, но и в медицине. В частности, современная стоматология базируется на усовершенствовании биоматериалов, методов их получения и обработки [1]. Материалы для изготовления стоматологических конструкций должны обладать рядом характеристик в зависимости от местоположения и выполняемых функций [2].
В случае патологий височно-нижнечелюстного сустава одним из распространенных методов лечения является шинотерапия [3, 4]. Изготовление окклюзионных шин производится различными методами: термопресованием, холодной и горячей полимеризацией. Особое внимание привлекает возможность изготовления данных элементов при помощи аддитивных технологий [5]. 3D-печать в сочетании с современным программным обеспечением и компьютерной томографией видится весьма перспективным направлением для того, чтобы с легкостью получать элементы с уникальной, подходящей конкретному пациенту геометрией [6]. Однако, во внимание должен быть принят не только способ изготовления, но и сам материал, поскольку при эксплуатации стоматологические конструкции испытывают большую нагрузку, рациональный выбор материала и способ изготовления напрямую влияют на качество лечения [7].
Принятие решения об использовании конкретного материала и способа его изготовления возможно осуществить, применяя количественные критерии оценки прочностных характеристик образцов, исследование которых может быть произведено как в объеме, так и на поверхности. К методам измерения механических свойств поверхности относятся испытания твердости по методу вдавливания твердого наконечника (инструментальное индентирование) [8], а также истирание путем повторяющихся проходов контртела (испытание на износ) [9]. Результатом инструментального индентирования являются значения твердости и модуля упругости, испытаний на износ – линейный коэффициент изнашивания и коэффициент трения. Сравнение полученных по описанным методикам данных способно пролить свет на понимание применимости материалов в качестве заявленных конструкционных элементов для стоматологии.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образы напечатаны на 3D-принтере Phrozen Sonic из низко-раздражающего фотополимера. Шероховатость образцов измерена на оптическом профилометре S Neox. Режим измерения рельефа поверхности – оптическая конфокальная микроскопия. Источник монохромного излучения – зеленый светодиод. Поле сканирования 340 × 280 мкм. Измерения шероховатости при помощи конфокального оптического профилометра проведены на трех образцах из каждой группы в трех областях (два с краю и один по центру).
Измерение твердости и модуля упругости образцов проведено на нанотвердомере "НаноСкан-4D" [10]. Для двух исследованных групп образцов: исходных напечатанных на 3D-принтере и дополнительно полированных – измерено по три образца. На каждом образце измерено три области: в центре образца и в 1 см от края. В каждой области проведено по две серии испытаний индентированием с разной нагрузкой в соответствии с рекомендациями стандарта ГОСТ Р 8.748-2011 [8]. Максимальная сила нагружения 1 и 10 мН (количество индентов в каждой серии не менее 20). Индентор – пирамидальный трехгранный алмазный наконечник типа Беркович. Время нагружения и разгружения 10 с, время выдержки – 2 с. Калибровка формы наконечника и жесткости прибора проводилась на плавленом кварце. Глубины индентирования при малых нагрузках сопоставимы со средней шероховатостью поверхности. При малых нагрузках измеряется тонкий приповерхностный слой образца и его механические свойства связаны со способом получения материала и механической обработкой поверхности. Высокая шероховатость поверхности приводит к большому разбросу измеренных методом индентирования данных. При больших нагрузках влияние шероховатости уменьшается, но увеличивается влияние свойств материала в объеме.
Измерения коэффициента трения и коэффициента линейного износа также проведены на трех образцах из каждой группы в трех областях (два с краю и один по центру). Количество циклов износа в каждом испытании – 100, нормальная нагрузка 250 мН. Испытания проводились при помощи "НаноСкан-4D", но наконечник был заменен на алмазную полусферу диаметром 130 мкм (рис.1). Нагрузка и диаметр наконечника подобраны таким образом, чтобы глубина внедрения во время испытания была небольшой, но имело место пластическое или хрупкое разрушение образца, то есть имел место абразивный механизм износа материала.
Испытание проводится следующим образом: наконечник сферической формы из твердого материала прижимается к поверхности образца с постоянной нормальной силой и совершает повторяющиеся возвратно-поступательные движения вдоль прямой линии. Во время испытания измеряется боковая сила нагружения (вдоль поверхности образца) и глубина внедрения наконечника в поверхность образца. После проведения испытания измеряется геометрия канавки истирания. Трехмерное изображение рельефа поверхности получается на оптическом профилометре S neox.
В результате испытания на истирание рассчитываются следующие параметры: линейный износ, ширина и глубина канавки после испытаний на износ, коэффициент трения. Линейный износ – среднее изменение глубины канавки за один цикл испытания показывает скорость износа материала, коэффициент трения – отношение боковой и нормальной силы во время скольжения по материалу. Линейный износ и коэффициент трения измеряется на участке между 50 и 100 циклами износа. В начале испытания имеет место притирание образца связанной с неровностью поверхности. Параметры износа измеряются на участке после выхода испытания на постоянный режим истирания.
Испытания образцов на трехточечный изгиб проведены на универсальной испытательной машине Instron 5982 в соответствии со стандартом ГОСТ 31572-2012 [11]. Из исследуемого материала были приготовлены пять полосок, проверенных на отсутствие пористости.
Размеры полосок: длина 64 мм, ширина (10±0,2) мм и высота (3,3±0,2) мм. Высота и ширина готовых полосок измеряются трижды вдоль продольной оси с помощью штангенциркуля.
Устройство для испытания на трехточечный изгиб состоит из центрального нагружающего плунжера и двух опор в виде цилиндров с отполированными поверхностями диаметром 3,2 мм и минимальной длиной 10,5 мм. Опоры расположены параллельно с отклонением не более 0,1 мм и перпендикулярны к продольной центральной линии. Расстояние между центрами опор – (50±0,1) мм; нагрузочный плунжер находится в центре между опорами с допускаемым отклонением от центра 0,1 мм.
Перед испытанием на изгиб образцы выдерживают в воде при температуре (37±1) °С в течение (50 ± 1) ч. Перед испытанием полоску извлекают из воды и сразу же помещают ее на опоры устройства для испытания (рис.2). Равномерно увеличивают нагрузку плунжера с постоянной скоростью (5 ± 1) мм/мин до разрушения образца.
Прочность при изгибе σ вычисляют по формуле:
, (1)
где F – нагрузка при разрушении образца, l – расстояние между опорами, b – ширина образца, h – высота образца.
Модуль упругости при изгибе E, МПа, вычисляют по формуле:
, (2)
где F1 – нагрузка в области упругой деформации образца, выбранная на прямолинейном участке диаграммы "нагрузка – деформация", d – деформация при нагрузке F1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.3 приведены трехмерные топографические изображения рельефа поверхности для измеренных образцов. Исходные образцы имеют сильно развитый рельеф поверхности. Видна периодическая структура, связанная с режимом печати материала.
В табл.1 приведены два параметра шероховатости: Ra – среднеарифметическая шероховатость, Rz – шероховатость по 10 точкам (среднее расстояние между 5 самыми высокими и 5 самыми низкими областями на изображении рельефа поверхности). Ra показывает среднее отклонение поверхности от среднего уровня, Rz показывает максимальный перепад поверхности на измеренной области. Приведенные данные – результат усреднения девяти измерений.
На рис.4 показаны диаграммы зависимости твердости и модулей упругости образцов от глубины с указанием погрешности измерений (разброс показан между измерениями на разных областях).
Твердость и модуль упругости материала на поверхности исходных образцов сильно ниже материала с обработанной поверхностью. Разница между свойствами образцов уменьшается с увеличением глубины. Можно сделать предположение, что на поверхности напечатанных образцов имеется область, в которой не прошла полная полимеризация материала и полировка позволяет удалить данный слой с поверхности.
Испытание на истирание, проведенное на сканирующем твердомере "НаноСкан-4D", показало результаты, приведенные в табл.2, также усредненные по девяти измерениям.
Результаты испытаний материалов на абразивный износ показывают корреляцию между износостойкостью и твердостью материалов. Чем выше твердость, тем выше износостойкость и меньше область разрушения при износе. Твердость материала исходных образцов меньше на поверхности и увеличивается с глубиной, приближаясь к твердости образца после полировки. Величины линейного износа и коэффициента трения образцов имеют близкие значения, так как они измерены на временном участке, когда наконечник разрушил поверхностный слой и глубоко внедрился в материал. Измерение размеров канавки износа показывает меньшую износостойкость исходного материала, что связано с мягким слоем материала на поверхности.
Результаты испытаний на трехточечный изгиб показали, что деформация образцов до разрушения составляет (2,7 ± 0,6)%, предел прочности – (45 ± 10) МПа, модуль упругости – (1,59 ± 0,14) ГПа. Материалы имеют меньшую жесткость и прочность при испытании на изгиб, чем при испытании методом индентирования, что ближе всего соответствует испытаниям на одноосное сжатие.
ВЫВОДЫ
В данной работе проведены испытания твердости, модуля упругости, абразивного износа, а также прочности материала, полученного при помощи аддитивных технологий с целью анализа применимости их для изготовления окклюзионных шин.
Исходный образец по сравнению с полированным показал развитый рельеф с периодической структурой. Слой материала на поверхности исходного образца имеет меньшую твердость и износостойкость, чем материал в объеме. Полировка образца позволяет удалить мягкий слой на поверхности и уменьшить шероховатость поверхности.
Работа выполнена с помощью оборудования, входящего в ЦКП ТИСНУМ.
ЛИТЕРАТУРА
Oezcan M. et al. Materials and Manufacturing Techniques for Polymeric and Ceramic Scaffolds Used in Implant Dentistry. J. Compos. Sci. ST ALBAN-ANLAGE 66, CH-4052 BASEL, SWITZERLAND: MDPI. 2021. V. 5. No. 3.
Degtyarev N.E. et al. Stages of the surgical templates manufacturing and their application in complex clinical cases // Head Neck Russ. J. 2020. V. 8. No. 3. PP. 61–67.
Oliveira I S.S. et al. Effect of occlusal splint and therapeutic exercises on postural balance of patients with signs and symptoms of temporomandibular disorder // Clin. Exp. Dent. Res. 111 RIVER ST, HOBOKEN 07030-5774, NJ USA: WILEY. 2019. V. 5. No. 2. PP. 109–115.
Re J. et al. Occlusal splint: State on the art. Rev. Stomatol. Chir. MAXILLO-FACIALE Chir. ORALE. 685 ROUTE 202-206, BRIDGEWATER, NJ 08807 USA: ELSEVIER. 2009. V. 110. No. 3. PP. 145–149.
Wesemann C. et al. Accuracy and its impact on fit of injection molded, milled and additively manufactured occlusal splints. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. RADARWEG 29, 1043 NX AMSTERDAM, NETHERLANDS: ELSEVIER. 2021. V. 114.
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. № 84.
Goryainova K.E. et al. Comparative clinical evaluation of the prosthetic treatment quality of molars restored by chairside manufactured CAD/CAM crowns. Sravnitel’naia klinicheskaia otsenka kachestva ortopedicheskogo lecheniia moliarov CAD/CAM koronkami metodikoĭ chairside. Stomatologiia (Mosk). 2019. V. 98. No. 5. PP. 72–77.
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.
ASTM G133 − 05 (Reapproved 2016) Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear.
Электронный ресурс: http://nanoscan.info/ [Electronic resource].
ГОСТ 31572-2012 (ISO 1567:1999 Материалы полимерные для базисов зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Comparative study of volumetric and surface mechanical properties
of the materials for dental constructions obtained using additive technologies
М.А.Гаджиев1, аспирант, (ORCID: 0000-0003-1878-503X), К.С.Кравчук2, науч. сотр., к.ф.-м.н., (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, зам. директора по научной работе ФГБНУ ТИСНУМ, к.ф.-м.н., (ORCID: 0000-0002-9937-0954), С.В.Апресян1, к.м.н., проф., (ORCID: 0000-0002-3281-707X) / useinov@mail.ru
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), S.V.Apresyan1, Cand. of Sci. (Medicine), Professor
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.3-4.196.204
Получено: 21.06.2021 г.
В данной работе приведены результаты испытания инструментальных твердости и модуля упругости, коэффициентов линейного износа и трения исходных и полированных образцов для стоматологических конструкций, полученных при помощи аддитивных технологий. Помимо исследования локальных механических свойств, проводилось измерение объемных характеристик – модуль упругости, прочность и деформация – при помощи метода трехточечного изгиба. Поверхность образцов, подвергнутых испытанию на изгиб не проходила пробоподготовку.
This paper presents the results of testing the instrumental hardness and elastic modulus, linear wear and friction coefficients of the original and polished samples for dental structures obtained using additive technologies. In addition to the study of local mechanical properties, volumetric characteristics – elastic modulus, strength and deformation – were measured using the three-point bending method. The surface of the samples subjected to the bending test did not undergo sample preparation.
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение является областью знания, находящей широкое применение не только в технических приложениях, но и в медицине. В частности, современная стоматология базируется на усовершенствовании биоматериалов, методов их получения и обработки [1]. Материалы для изготовления стоматологических конструкций должны обладать рядом характеристик в зависимости от местоположения и выполняемых функций [2].
В случае патологий височно-нижнечелюстного сустава одним из распространенных методов лечения является шинотерапия [3, 4]. Изготовление окклюзионных шин производится различными методами: термопресованием, холодной и горячей полимеризацией. Особое внимание привлекает возможность изготовления данных элементов при помощи аддитивных технологий [5]. 3D-печать в сочетании с современным программным обеспечением и компьютерной томографией видится весьма перспективным направлением для того, чтобы с легкостью получать элементы с уникальной, подходящей конкретному пациенту геометрией [6]. Однако, во внимание должен быть принят не только способ изготовления, но и сам материал, поскольку при эксплуатации стоматологические конструкции испытывают большую нагрузку, рациональный выбор материала и способ изготовления напрямую влияют на качество лечения [7].
Принятие решения об использовании конкретного материала и способа его изготовления возможно осуществить, применяя количественные критерии оценки прочностных характеристик образцов, исследование которых может быть произведено как в объеме, так и на поверхности. К методам измерения механических свойств поверхности относятся испытания твердости по методу вдавливания твердого наконечника (инструментальное индентирование) [8], а также истирание путем повторяющихся проходов контртела (испытание на износ) [9]. Результатом инструментального индентирования являются значения твердости и модуля упругости, испытаний на износ – линейный коэффициент изнашивания и коэффициент трения. Сравнение полученных по описанным методикам данных способно пролить свет на понимание применимости материалов в качестве заявленных конструкционных элементов для стоматологии.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образы напечатаны на 3D-принтере Phrozen Sonic из низко-раздражающего фотополимера. Шероховатость образцов измерена на оптическом профилометре S Neox. Режим измерения рельефа поверхности – оптическая конфокальная микроскопия. Источник монохромного излучения – зеленый светодиод. Поле сканирования 340 × 280 мкм. Измерения шероховатости при помощи конфокального оптического профилометра проведены на трех образцах из каждой группы в трех областях (два с краю и один по центру).
Измерение твердости и модуля упругости образцов проведено на нанотвердомере "НаноСкан-4D" [10]. Для двух исследованных групп образцов: исходных напечатанных на 3D-принтере и дополнительно полированных – измерено по три образца. На каждом образце измерено три области: в центре образца и в 1 см от края. В каждой области проведено по две серии испытаний индентированием с разной нагрузкой в соответствии с рекомендациями стандарта ГОСТ Р 8.748-2011 [8]. Максимальная сила нагружения 1 и 10 мН (количество индентов в каждой серии не менее 20). Индентор – пирамидальный трехгранный алмазный наконечник типа Беркович. Время нагружения и разгружения 10 с, время выдержки – 2 с. Калибровка формы наконечника и жесткости прибора проводилась на плавленом кварце. Глубины индентирования при малых нагрузках сопоставимы со средней шероховатостью поверхности. При малых нагрузках измеряется тонкий приповерхностный слой образца и его механические свойства связаны со способом получения материала и механической обработкой поверхности. Высокая шероховатость поверхности приводит к большому разбросу измеренных методом индентирования данных. При больших нагрузках влияние шероховатости уменьшается, но увеличивается влияние свойств материала в объеме.
Измерения коэффициента трения и коэффициента линейного износа также проведены на трех образцах из каждой группы в трех областях (два с краю и один по центру). Количество циклов износа в каждом испытании – 100, нормальная нагрузка 250 мН. Испытания проводились при помощи "НаноСкан-4D", но наконечник был заменен на алмазную полусферу диаметром 130 мкм (рис.1). Нагрузка и диаметр наконечника подобраны таким образом, чтобы глубина внедрения во время испытания была небольшой, но имело место пластическое или хрупкое разрушение образца, то есть имел место абразивный механизм износа материала.
Испытание проводится следующим образом: наконечник сферической формы из твердого материала прижимается к поверхности образца с постоянной нормальной силой и совершает повторяющиеся возвратно-поступательные движения вдоль прямой линии. Во время испытания измеряется боковая сила нагружения (вдоль поверхности образца) и глубина внедрения наконечника в поверхность образца. После проведения испытания измеряется геометрия канавки истирания. Трехмерное изображение рельефа поверхности получается на оптическом профилометре S neox.
В результате испытания на истирание рассчитываются следующие параметры: линейный износ, ширина и глубина канавки после испытаний на износ, коэффициент трения. Линейный износ – среднее изменение глубины канавки за один цикл испытания показывает скорость износа материала, коэффициент трения – отношение боковой и нормальной силы во время скольжения по материалу. Линейный износ и коэффициент трения измеряется на участке между 50 и 100 циклами износа. В начале испытания имеет место притирание образца связанной с неровностью поверхности. Параметры износа измеряются на участке после выхода испытания на постоянный режим истирания.
Испытания образцов на трехточечный изгиб проведены на универсальной испытательной машине Instron 5982 в соответствии со стандартом ГОСТ 31572-2012 [11]. Из исследуемого материала были приготовлены пять полосок, проверенных на отсутствие пористости.
Размеры полосок: длина 64 мм, ширина (10±0,2) мм и высота (3,3±0,2) мм. Высота и ширина готовых полосок измеряются трижды вдоль продольной оси с помощью штангенциркуля.
Устройство для испытания на трехточечный изгиб состоит из центрального нагружающего плунжера и двух опор в виде цилиндров с отполированными поверхностями диаметром 3,2 мм и минимальной длиной 10,5 мм. Опоры расположены параллельно с отклонением не более 0,1 мм и перпендикулярны к продольной центральной линии. Расстояние между центрами опор – (50±0,1) мм; нагрузочный плунжер находится в центре между опорами с допускаемым отклонением от центра 0,1 мм.
Перед испытанием на изгиб образцы выдерживают в воде при температуре (37±1) °С в течение (50 ± 1) ч. Перед испытанием полоску извлекают из воды и сразу же помещают ее на опоры устройства для испытания (рис.2). Равномерно увеличивают нагрузку плунжера с постоянной скоростью (5 ± 1) мм/мин до разрушения образца.
Прочность при изгибе σ вычисляют по формуле:
, (1)
где F – нагрузка при разрушении образца, l – расстояние между опорами, b – ширина образца, h – высота образца.
Модуль упругости при изгибе E, МПа, вычисляют по формуле:
, (2)
где F1 – нагрузка в области упругой деформации образца, выбранная на прямолинейном участке диаграммы "нагрузка – деформация", d – деформация при нагрузке F1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.3 приведены трехмерные топографические изображения рельефа поверхности для измеренных образцов. Исходные образцы имеют сильно развитый рельеф поверхности. Видна периодическая структура, связанная с режимом печати материала.
В табл.1 приведены два параметра шероховатости: Ra – среднеарифметическая шероховатость, Rz – шероховатость по 10 точкам (среднее расстояние между 5 самыми высокими и 5 самыми низкими областями на изображении рельефа поверхности). Ra показывает среднее отклонение поверхности от среднего уровня, Rz показывает максимальный перепад поверхности на измеренной области. Приведенные данные – результат усреднения девяти измерений.
На рис.4 показаны диаграммы зависимости твердости и модулей упругости образцов от глубины с указанием погрешности измерений (разброс показан между измерениями на разных областях).
Твердость и модуль упругости материала на поверхности исходных образцов сильно ниже материала с обработанной поверхностью. Разница между свойствами образцов уменьшается с увеличением глубины. Можно сделать предположение, что на поверхности напечатанных образцов имеется область, в которой не прошла полная полимеризация материала и полировка позволяет удалить данный слой с поверхности.
Испытание на истирание, проведенное на сканирующем твердомере "НаноСкан-4D", показало результаты, приведенные в табл.2, также усредненные по девяти измерениям.
Результаты испытаний материалов на абразивный износ показывают корреляцию между износостойкостью и твердостью материалов. Чем выше твердость, тем выше износостойкость и меньше область разрушения при износе. Твердость материала исходных образцов меньше на поверхности и увеличивается с глубиной, приближаясь к твердости образца после полировки. Величины линейного износа и коэффициента трения образцов имеют близкие значения, так как они измерены на временном участке, когда наконечник разрушил поверхностный слой и глубоко внедрился в материал. Измерение размеров канавки износа показывает меньшую износостойкость исходного материала, что связано с мягким слоем материала на поверхности.
Результаты испытаний на трехточечный изгиб показали, что деформация образцов до разрушения составляет (2,7 ± 0,6)%, предел прочности – (45 ± 10) МПа, модуль упругости – (1,59 ± 0,14) ГПа. Материалы имеют меньшую жесткость и прочность при испытании на изгиб, чем при испытании методом индентирования, что ближе всего соответствует испытаниям на одноосное сжатие.
ВЫВОДЫ
В данной работе проведены испытания твердости, модуля упругости, абразивного износа, а также прочности материала, полученного при помощи аддитивных технологий с целью анализа применимости их для изготовления окклюзионных шин.
Исходный образец по сравнению с полированным показал развитый рельеф с периодической структурой. Слой материала на поверхности исходного образца имеет меньшую твердость и износостойкость, чем материал в объеме. Полировка образца позволяет удалить мягкий слой на поверхности и уменьшить шероховатость поверхности.
Работа выполнена с помощью оборудования, входящего в ЦКП ТИСНУМ.
ЛИТЕРАТУРА
Oezcan M. et al. Materials and Manufacturing Techniques for Polymeric and Ceramic Scaffolds Used in Implant Dentistry. J. Compos. Sci. ST ALBAN-ANLAGE 66, CH-4052 BASEL, SWITZERLAND: MDPI. 2021. V. 5. No. 3.
Degtyarev N.E. et al. Stages of the surgical templates manufacturing and their application in complex clinical cases // Head Neck Russ. J. 2020. V. 8. No. 3. PP. 61–67.
Oliveira I S.S. et al. Effect of occlusal splint and therapeutic exercises on postural balance of patients with signs and symptoms of temporomandibular disorder // Clin. Exp. Dent. Res. 111 RIVER ST, HOBOKEN 07030-5774, NJ USA: WILEY. 2019. V. 5. No. 2. PP. 109–115.
Re J. et al. Occlusal splint: State on the art. Rev. Stomatol. Chir. MAXILLO-FACIALE Chir. ORALE. 685 ROUTE 202-206, BRIDGEWATER, NJ 08807 USA: ELSEVIER. 2009. V. 110. No. 3. PP. 145–149.
Wesemann C. et al. Accuracy and its impact on fit of injection molded, milled and additively manufactured occlusal splints. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. RADARWEG 29, 1043 NX AMSTERDAM, NETHERLANDS: ELSEVIER. 2021. V. 114.
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. № 84.
Goryainova K.E. et al. Comparative clinical evaluation of the prosthetic treatment quality of molars restored by chairside manufactured CAD/CAM crowns. Sravnitel’naia klinicheskaia otsenka kachestva ortopedicheskogo lecheniia moliarov CAD/CAM koronkami metodikoĭ chairside. Stomatologiia (Mosk). 2019. V. 98. No. 5. PP. 72–77.
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.
ASTM G133 − 05 (Reapproved 2016) Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear.
Электронный ресурс: http://nanoscan.info/ [Electronic resource].
ГОСТ 31572-2012 (ISO 1567:1999 Материалы полимерные для базисов зубных протезов. Технические требования. Методы испытаний.
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
