Elmas katkılı kompozit frez üretimi ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi

Abstract

Elmas takviyeli kompozit malzemeler; yüksek ısı iletim kabiliyeti, aşınma direnci ve mekanik dayanımları nedeniyle başta uzay ve savunma sanayii olmak üzere çeşitli ileri mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, söz konusu malzemeler, tıbbi uygulamalarda kullanılan elmaslı dental frezler özelinde ele alınmıştır. Dental frezler, diş hekimliğinde dolgu, kanal tedavisi ve cerrahi işlemler sırasında kullanılan sarf malzemeleri olup, ülkemizde büyük ölçüde ithal edilmektedir. Bu kapsamda, tasarım aşamasından başlanarak elmaslı dental frez için yenilikçi üretim teknolojileri geliştirilmiş ve ürünün yerli olarak prototip imalatı gerçekleştirilmiştir. Literatürde yer alan kompozit malzeme mekaniği, cisimlerin mukavemeti, mekanik, talaşlı imalat prensipleri ve malzeme bilimi yaklaşımlarından yararlanılarak sistematik bir tasarım altyapısı oluşturulmuş ve imalat sürecine ilişkin analitik bağıntılar geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yaklaşım, yalnızca dental frezlerle sınırlı kalmayıp, yüksek dayanım gerektiren madencilik takımları ve benzeri elmas takviyeli kompozit uygulamalarına da uyarlanabilir niteliktedir. Hedeflenen iş parçasının insan dişi olması nedeniyle, öncelikle insan dişinin malzeme karakteri ayrıntılı olarak analiz edilmiş; kesici takımın sahip olması gereken asgari mekanik ve tribolojik özellikler ile diş işleme sürecine ilişkin talaşlı imalat kriterleri literatürden derlenmiştir. Bu çerçevede, kesme kabiliyetini belirleyen elmas tanelerinin morfolojik sabitleri ile bu tez kapsamında ilk kez tanımlanan gömülme oranı kavramı esas alınmıştır. Ayrıca, kesici yapısında yer alması gereken lamine ara kaplama tabakası ile metal matrisli elmas (MME) dolgu tabakasının sertlik ve dayanım özellikleri tasarımsal olarak belirlenmiştir. Bu aşamayı takiben, malzeme miktarı ve geometrisi tanımlanan elmas frezin imalat prosedürleri sistematik olarak tasarlanmıştır. Konvansiyonel olarak silindirik tornalama işlemi sonrası elektrokaplama yöntemiyle üretilen dental frezlerden farklı olarak, bu tez kapsamında frezler, lazer tornalama operasyonu sonrasında toz metalürjik yöntemlerden biri olan sinter–lehimleme işlemi ile kaplanarak üretilmiştir. Lazer tornalama tekniği sayesinde herhangi bir kesici takım kullanılmaksızın, doğrudan lazer ışını ile hassas çap düşümleri elde edilmiştir. Ancak işlemin atmosfere açık ortamda gerçekleştirilmesi nedeniyle yüzey pürüzlülüğü ve oksidasyon oluşumları gözlemlenmiştir. Süreç içerisinde gerçekleştirilen iyileştirmeler ile bu olumsuz etkiler minimize edilmiş ve ürün, medikal kullanım için gerekli kalite seviyesine ulaştırılmıştır. Lazer tornalama yönteminin AISI 308L paslanmaz çelik malzemeye, standartlarda talep edilen toleranslar dahilinde ve tekrarlanabilir biçimde ilk kez uygulanması, bu tez kapsamında elde edilen yeniliklerden biridir. Lazer tornalama sonrası uygulanan yüzey temizleme ve akımsız nikel kaplama işlemleri ile taban malzemesi, MME tabakasının entegrasyonuna hazır hale getirilmiştir. MME tabakasının tasarım gereklilikleri doğrultusunda yalnızca nikel ve elmas partiküllerinden oluşması hedeflenmiştir. Literatürde, daha büyük çaplı elmaslı takımların sinterleme ile üretiminde, elması tabana bağlamak amacıyla genellikle elmas ile intermetalik yüzey oluşturabilen ve grafitleşme sıcaklığının altında ergiyebilen özel ötektik alaşımlar kullanılmaktadır. Ayrıca elmas içeren ısıl işlemlerin çoğunlukla yüksek vakum altında gerçekleştirilmesi, geçmişten günümüze uygulanan bir yöntemdir. Ancak bu vakum seviyeleri, standart donanımlarla sağlanamayan ve yüksek maliyetli özel sistemler gerektiren koşullardır. Bu tez çalışmasında, MME entegrasyonu için soğuk izostatik presleme sonrası lazer sinter–lehimleme yöntemi tercih edilmiştir. Elmasın taban malzemeye bağlanmasını sağlayacak metal matris malzemesi olarak, diş hekimliği standartlarına uygunluk gereği saf nikel tozu seçilmiştir. Saf nikel ve elmas tozlarının spektrometrik karakterizasyonu yapılmış; elektron mikroskobu görüntüleri ve geliştirilen görüntü işleme yazılımı aracılığıyla tane boyutu ve homojenizasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Hammaddelerin nitelik kontrolünün ardından, tozların sapa tutundurulması işlemi, bu tez kapsamında tasarlanıp imal edilen soğuk izostatik presleme aparatı ile gerçekleştirilmiş ve porozite, tasarımda belirlenen azami değerlere getirilmiştir. MME tabakasının tasarımda hedeflenen mekanik özelliklere ulaşabilmesi amacıyla, literatürde ilk defa nanosaniye atımlı lazer kullanılarak, vakum gerektirmeden ve atmosfere açık ortamda elmas tabakanın sinter–lehimleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Konvansiyonel olarak sürekli dalga veya milisaniye/saniye mertebesinde çalışan lazerlerin aksine, kontrolü daha karmaşık olan nanosaniye lazer tercih edilmiştir. Bu kapsamda nikel tozunu ergitebilecek asgari ve kararlı lazer güç, frekans ve tarama stratejileri belirlenmiş; atım süresince gerçekleşen soğuma için sıcaklık–zaman kontrol modeli ve ısı transfer bağıntıları geliştirilmiştir. Tüm imalat parametrelerinin belirlenmesinin ardından, iki aşamalı bir ürün geliştirme stratejisi oluşturulmuştur. İlk aşamada, süreçteki olası sapmaların tespit edilmesini amaçlayan ön prototip üretimi gerçekleştirilmiş; ikinci aşamada ise bu sapmalar revize edilerek nihai prototip üretimine geçilmiştir. Nihai prototip aşamasında, atmosfere açık ortamda elmas tanelerinin tam olarak sinter–lehimlenmesini sağlayan ve bu tez kapsamında geliştirilen 'By-pass Birleştirme Tekniği' uygulanmıştır. Bu yöntemin uygulanabilirlik koşulları ile avantaj ve dezavantajları da çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. Nihai prototip üretiminde MME tabakası, nikel–elmas ve nikel–demir–elmas olmak üzere iki farklı kontrol grubu altında üretilmiştir. Demir katkısının, nikel matris içerisinde çözünebilirlik ve elmas ile intermetalik oluşturma potansiyeli dikkate alınarak sisteme dahil edilmesine özen gösterilmiştir. Üretilen dental frezler, diş hekimliğinde kullanılan elmas frez standartları kapsamında boyutsal doğruluk, mekanik dayanım ve kimyasal direnç açısından test edilmiştir. MME tabaka içeriği yalnızca nikel ve elmas olan frez grubunda, teste tabi tutulabilen ve ilgili standarda uygunluk sağlayan numuneler değerlendirilmiş; bu grup içerisinden iki farklı frez tipi tüm testleri başarıyla geçmiştir. MME tabaka içeriği nikel–demir–elmas olan frezler ise, nikel–elmas grubuyla aynı deney parametrelerine tabi tutulmuş ve testleri geçmelerine rağmen, çapsal aşınma değerlerinin sınır değerlere oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, nikel–demir–elmas katkılı frezlerin belirli bir potansiyele sahip olduğunu, ancak mevcut hâliyle geliştirilmesi gereken bir frez tipi olduğunu ortaya koymaktadır. Çalışma kapsamında, ilave edilen demirin elmas ile intermetalik faz oluşturarak mekanik performansı ve dayanımı artırması beklenmiş; ancak yapılan incelemelerde demir tozunun elmas ile intermetalik bir yapı oluşturmadığı tespit edilmiştir. Bu durumun, demir tozunun seçilen tane büyüklüğü ile ilişkili olduğu ve demirin elmas taneleriyle belirgin bir arayüz oluşturmak yerine nikel matrisi içerisinde çözünmesi sonucunda ortaya çıktığı değerlendirilmektedir. Söz konusu mekanizmanın daha net anlaşılabilmesi için, demir tane boyutu, dağılımı ve faz etkileşimlerinin ileri analiz yöntemleriyle detaylı olarak incelenmesi, ileri araştırma konusu olarak önerilmektedir. Sonuç olarak bu tez kapsamında, diş hekimliğinde kullanılan ana ve alt standartlara uygun, insan dişini etkin biçimde işleyebilen, çoklu kullanıma elverişli ve korozyon testlerini karşılayan bir elmas dental frez üretilmiştir. Geliştirilen tasarım ve üretim sistematiği, yalnızca dental uygulamalarla sınırlı kalmayıp, madencilik ve uzay uygulamalarında kullanılan elmas takviyeli kompozit yapılara da uyarlanabilir niteliktedir. Bu yönüyle çalışma, bilimsel yenilik sunmanın yanı sıra mevcut bir tekniğin yeni bir uygulama alanına aktarılmasını ve özgün bir üretim yaklaşımının ortaya konulmasını sağlamaktadır. Süreç parametrelerinin daha da iyileştirilmesi halinde, geliştirilen ürünün ithal ikamesi niteliğinde rekabetçi bir medikal ürün olma potansiyeline sahip olduğu değerlendirilmektedir.