Published on 6/12/2020

Applicazioni medicali-dentali: 3 benefici dei trattamenti termici in vuoto applicati alla stampa 3D

Applicazioni medicali-dentali: 3 benefici dei trattamenti termici in vuoto applicati alla stampa 3D

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Manifattura additiva e trattamenti termici in vuoto sono tecnologie in grado di apportare importanti progressi in diversi settori, tra i quali le applicazioni odontoiatriche.

TAV VACUUM FURNACES ha sviluppato una collaborazione di ricerca e sviluppo con Sisma S.p.A., che produce macchinari laser di elevata precisione e il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell'Università degli Studi di Trento, prestigiose eccellenze dell’industria italiana e dell’Accademia.

Il Team si è occupato della manifattura additiva con una attenzione particolare ai trattamenti termici in vuoto per quanto riguarda la realizzazione di protesi dentali.
Le potenzialità di questa innovativa tecnologia sono decisamente sorprendenti, ma prima di passare alla loro esposizione dobbiamo partire dall’inizio, che non può essere che uno: che cos’è la manifattura additiva?

Due parole sulla manifattura additiva

La manifattura additiva crea da un file CAD degli oggetti solidi tridimensionali.
A differenza della manifattura sottrattiva che, come dice la parola stessa toglie l’eccesso da un blocco di materiale per dar vita a un oggetto finito, la manifattura additiva fa l’esatto contrario.
Strato dopo strato aggiunge le diverse parti presenti nel modello di un progetto in 3D fino alla realizzazione completa dell'oggetto.

I modelli 3D possono essere costruiti impiegando una sorgente laser oppure una sorgente a elettroni e un letto di polvere. A differenza dei processi più tradizionali, grazie alla stampa 3D in metallo le parti prodotte possono essere altamente personalizzate e godono di una funzionalità decisamente ottimizzata.
La manifattura additiva permette di ottenere una parte tridimensionale solida semifinita.
La Laser Metal Fusion (LMF), utilizzata in questo studio, è fra le tecnologie più avanzate della manifattura additiva: un computer comanda un raggio laser che va a fondere una polvere metallica. Il risultato è la creazione di un prodotto finale estremamente dettagliato.
Inoltre, uno dei vantaggi più noti della stampa 3D, viene utilizzato solo il materiale necessario alla realizzazione del pezzo, senza sprechi.

La manifattura additiva viene impiegata da tempo per la creazione in tempi piuttosto brevi di un prototipo.
Ultimamente l’utilizzo di questa tecnica di lavorazione si è estesa a diversi ambiti del settore industriale e spazia dalle applicazioni aerospaziali a quelle per l’automotive.
La sua versatilità e l'impiego dei trattamenti termici in vuoto le ha inoltre permesso di toccare anche un altro importante campo: quello delle applicazioni medicali-dentali.

Sulla poltrona del dentista

Ora, per capire meglio la questione, trasferiamoci per un attimo sulla poltrona del dentista… si fa per dire.
Le protesi dentali fisse a mezza arcata o ad arcata completa devono essere fissate su monconi di denti naturali del paziente o su impianti in titanio.
Esempi più noti di queste tipologie di protesi sono le “all on 4” e le “all on 6”, ovvero protesi di arcata completa che vengono ancorate rispettivamente a 4 o a 6 impianti. In entrambi i casi le protesi, prima di essere installate, devono essere ricoperte da un materiale ceramico.

E qui viene il punto cruciale.
Prima del processo di ceramizzazione e dell’applicazione sul paziente, le protesi devono essere sottoposte a un trattamento termico e, successivamente, devono essere rimosse dalla piastra che le sostiene.

Miglioramenti della process chain delle protesi dentali

Eccoci arrivati al cuore del problema.
Vediamo come questo progetto di ricerca e sviluppo sia riuscito a ottimizzare il processo di realizzazione di una protesi dentale impiegando un forno a vuoto.
La manifattura additiva consente di dar vita a forme, pesi e dimensioni personalizzate sulle diverse esigenze e con una precisione che non ha eguali. Forte di queste peculiarità il team di ricerca si è impegnato per perfezionare ulteriormente e completare la process chain delle protesi dentali.
Vediamo passo dopo passo come è avvenuto questo processo.

  1. Il gruppo di ricerca è partito dalla stampa 3D e, come prima cosa, ne ha ottimizzato i parametri. Sisma, utilizzando polvere di Ti6Al4V, ha prodotto i campioni in questione sfruttando la Laser Metal Fusion che avevo accennato in precedenza. Per la produzione additiva è stata impiegata la macchina MySint 100 RM e i campioni sono stati realizzati su piastra in titanio.
  2. Il team di ricerca è quindi passato alla caratterizzazione meccanica dei componenti con un’analisi del comportamento del materiale sottoposto a sforzi, a deformazione, a scalfitture e alla resistenza statica alle temperature, ottenendo così una valutazione della sua durezza e resilienza.
  3. Infine, i ricercatori si sono concentrati sul terzo passaggio fondamentale: quello dell’ottimizzazione del componente finale grazie ad un trattamento termico in vuoto post stampa.
    Perché trattare termicamente la protesi?
    Il trattamento termico sottovuoto ha lo scopo di migliorare le proprietà meccaniche dei materiali.
  4. Il penultimo passo è quello della ceramizzazione della protesi dentali (emiarcata e arcata completa).
  5. Al termine della process chain le protesi vengono rimosse dalla piastra in titanio: l'operazione è stata effettuata attraverso l’utilizzo di una troncatrice.

Parti stampate prima della loro rimozione dalla piastra

Parti stampate prima della loro rimozione dalla piastra

Perché i forni a vuoto hanno un ruolo di primaria importanza nella manifattura additiva?
Se avrai la pazienza di seguirmi ancora un poco nella lettura ti parlerò dei tre principali vantaggi che i trattamenti termici sottovuoto regalano al settore medico dentale.

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Trattamenti termici in vuoto e applicazioni odontoiatriche: tutti i benefici

Il trattamento termico in vuoto ha un ruolo di importanza basilare nella manifattura additiva delle applicazioni odontoiatriche.
Vediamo ora di mantenere la promessa, ti esporrò i tre principali vantaggi che si possono ottenere con questo processo.

1. Trattamento di stress relief

Durante la fase di stampa si verificano fenomeni di sottoraffreddamento legati al passaggio del laser sulla polvere metallica. Questo va a creare delle tensioni meccaniche che il trattamento di stress relief è in grado di rimuovere.

2. Ottimizzazione delle proprietà meccaniche

Il team di lavoro ha trattato termicamente in vuoto i campioni appena stampati, constatando che la sinergia fra la temperatura e l’alto livello di vuoto all’interno della camera termica ha permesso di ottenere dei risultati considerevoli sulle protesi dentali in titanio.
Più in particolare, i trattamenti termici a bassa temperatura sono fra i principali imputati del rilascio della maggior parte degli stress residui accumulati durante il processo di stampa 3D.

I trattamenti termici a temperature più alte alleviano le tensioni residue e modificano la microstruttura metallurgica del materiale, ottimizzando il componente finale anche da un punto di vista delle proprietà meccaniche.

3. Geometrie inalterate

Le proprietà geometriche rimangono inalterate: è fondamentale che il campione dopo il trattamento abbia delle proprietà meccaniche superiori rispetto a quelle di partenza. Altrettanto basilare è che, al contempo, rimangano inalterate le proprietà geometriche.
La conservazione delle dimensioni iniziali è ovviamente una caratteristica essenziale affinché la protesi sia perfettamente compatibile con l’impianto e con la bocca del paziente.

Nelle figure seguenti è possibile apprezzare la differenza di fitting fra una protesi appena stampata (as built) ed una protesi che ha subito un trattamento termico in vuoto.

Arcata dentale “as built” prodotta da Sisma con tecnologia LMF

Arcata dentale “as built” prodotta da Sisma con tecnologia LMF

Arcata dentale dopo trattamento termico di stress relieving in vuoto

Arcata dentale dopo trattamento termico di stress relieving in vuoto

Un’ultima considerazione

Il team R&S non avrebbe conseguito questi importanti risultati se non avesse dato la giusta importanza anche all’effetto dell’atmosfera in cui viene effettuato il trattamento termico. Questo deve infatti avvenire ad un alto livello di vuoto garantito durante tutto il ciclo termico. In assenza di questo requisito l’ossigeno presente in camera termica ad alte temperature causerebbe l’ossidazione del titanio compromettendo quindi la qualità e la conformità alle specifiche medicali del campione.

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