WO2024005673A1 - Method for the laser synthesis of endodontic instruments from nickel-titanium - Google Patents
Method for the laser synthesis of endodontic instruments from nickel-titanium Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024005673A1 WO2024005673A1 PCT/RU2023/050157 RU2023050157W WO2024005673A1 WO 2024005673 A1 WO2024005673 A1 WO 2024005673A1 RU 2023050157 W RU2023050157 W RU 2023050157W WO 2024005673 A1 WO2024005673 A1 WO 2024005673A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- file
- self
- layer
- adapting
- nickel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
- A61C5/00—Filling or capping teeth
- A61C5/40—Implements for surgical treatment of the roots or nerves of the teeth; Nerve needles; Methods or instruments for medication of the roots
- A61C5/42—Files for root canals; Handgrips or guiding means therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Definitions
- the invention relates to the fields of additive manufacturing and dental instruments, in particular to a tool for cleaning and/or shaping and/or expanding a channel existing inside or passing through a solid object, and in particular to a method for producing self-adapting files by 3D printing from powder titanium nickelide with superelastic properties.
- the endodontist prepares the tooth to access the root canal to a depth as close as possible to the apical region at the dentin-cementum boundary.
- the second stage involves thorough cleaning and disinfection of the root canal.
- the tool that is used in this step is called a file. Using this tool, an abrasive effect is exerted on the inside of the canal while moving the file up and down with high frequency.
- the above-described instrument undergoes significant deformation. It is important that all deformations are reversible (elastic) to prevent tool breakage.
- the intermetallic phase of nickel titanium alloy has unique superelastic properties, high corrosion resistance, biocompatibility and low Young's modulus. These properties make endodontic instruments made from this material flexible, versatile and indispensable for the operations described above with irregularly shaped root canals.
- Self-adapting files are currently produced using subtractive methods, namely by laser cutting of hollow tubes, which leads to the generation of large amounts of waste (up to 70% waste). Waste from such production significantly increases the cost of products, as a result of which endodontic treatment of severe forms of pulpitis becomes less accessible.
- Another disadvantage of the method is the limitation on the shape of the tool, namely the mesh structure cannot deviate from the shape of the tube and does not vary in thickness, which leads to an uneven distribution of the load during operation, as well as to the appearance of stress concentrators.
- an additional technological step is required to increase the surface roughness of the tools.
- This patent discusses the possibility of using additive technologies (AT) for the manufacture of these tools, namely the high-resolution Selective Laser Melting (SLM) method.
- SLM Selective Laser Melting
- 95% of the material is used due to the possibility of recycling used powder up to 12-16 times.
- this AT method has no restrictions on the shape of the product, and the surface roughness characteristic of products manufactured by the SLM method can be used for abrasive cleaning.
- An endodontic instrument for cleaning/forming the root canal of a tooth is known from the prior art (see [4] EP3071139B1, IPC A61 C5/42, published 09/01/2021), containing an elongated rod consisting of a porous material.
- the rod has a proximal end portion, a distal end, and a conical working portion, the working portion extending from the proximal end portion to the distal end, the material being made from titanium nickelide.
- a method for manufacturing an endodontic instrument includes obtaining a porous material with a porosity from 15% to 90% and forming the product by grinding, additive manufacturing, 3D printing, etching and/or combinations thereof.
- the disadvantages of this analogue are the non-optimized shape of the product for AT, and also the specific additive manufacturing technology and the method to achieve the necessary resolution for the production of the tool are not considered.
- the manufacturing method is not aimed at a specific application, in particular self-adapting files, but a specific method for increasing the resolution of the SLP is considered.
- the disadvantages of this analogue are: multi-stage, and as a result, the complexity of preparing an as-built file for printing, while there is a need for manual processing of parts of the model where high resolution is required, as well as the inability to control the distance of the laser pass from the outer surface of the 3D model.
- the state of the art contains analogues for the production of other micro-objects from titanium nickelide using the DES method, namely coronary stents.
- Coronary stents are also objects with an optimized mesh structure to distribute the load evenly within the cavity, but the application area differs significantly.
- the prior art knows a method for manufacturing an intravascular stent from titanium nickelide based on automatic powder supply technology combined with laser processing, which is a prototype of selective laser melting technology (see [7] CN105033252A, IPC B22F3/105, publ. 11/11/2015).
- the method includes the following steps: an executive file is prepared containing laser motion trajectories in accordance with the three-dimensional model of the stent; Nickel and titanium powders are added to the dosing system in a certain proportion, after which a layer of a mixture of powders is formed in the construction area. Next, the powder layer is scanned with a laser beam in accordance with the prepared executive file, and this operation is repeated layer by layer until the final formation of the intravascular stent. At the next stage, electrochemical polishing is carried out to the required surface roughness.
- Also known from the prior art is a method for selective laser melting of a nickel-titanium alloy with a high nickel content (see [8] CN113134627A, IPC B22F10/28, published July 20, 2021), including the formation of a layer of powder with a nickel content of 53-57%, laser processing of the layer in accordance with the parameters of the printing process. Repeat the above steps until the nickel-titanium alloy part is formed.
- the laser power is 80-150 W
- the laser scanning speed is 150-450 mm/s
- the layer thickness is 30-120 ⁇ m.
- the disadvantage of this analogue is the lack of guarantee of complete conversion of the mechanical mixture of nickel and titanium into the intermetallic phase - titanium nickelide.
- Residual pure nickel is toxic to living organisms (tissues).
- An increase in the nickel content in the chemical composition lowers the temperature of the martensitic phase transformation, which ensures the achievement of superelastic properties, but on the other hand, increases the likelihood of the appearance of metastable phases that worsen the mechanical characteristics.
- a method for manufacturing an intravascular stent using 3D printing technology includes several stages.
- a 3D model of the intravascular stent is created; set technological parameters and prepare an executive file for the ZO printer.
- layer-by-layer 3D printing is performed to obtain a workpiece made of titanium nickelide and a binder.
- the binder is sequentially removed, vacuum sintering and cooling of the workpiece to obtain an intravascular stent.
- the disadvantage of this analogue is the low resolution technology of sintering the powder with a binder and further homogenizing annealing of the product.
- uneven distribution of stearic acid can lead to uncontrolled porosity in products.
- a method for manufacturing a stent from a nickel-titanium alloy using additive manufacturing includes the following stages: at the first stage, the size and shape of the stent is designed in accordance with three-dimensional data about a specific vessel, at the second stage, using software, the designed stent is divided into layers, and at the third stage, 3D printing of nickel-titanium alloy powder is performed in according to the stent model; Ni content in nickel-titanium alloy powder is 50-52 at. %Ni.
- Parameters of the 3D printing process power 50-4000 W, scanning speed 200-3000 mm/s, scanning distance 50-200 microns.
- the disadvantages of this analogue are the low resolution of this approach, and there is also no information on the limitations and optimal geometric shape of the stent for manufacturing using DES technology.
- the powder is directed from the dosing hopper to the build area using a powder feeder, and the material is evenly distributed on the substrate using a squeegee, after which the laser scans the powder layer, the cycle is repeated layer by layer until the final shape of the product is obtained.
- SLM is a complex physicochemical metallurgical process. Achieving successful fusion of materials such as nitinol requires in-depth understanding and fine-tuning of the process due to the numerous possible defects. Additionally, printing endodontic instruments poses several technological challenges.
- the first problem relates to the insufficient resolution of the classical DES method for printing at such a scale. The diameter of the product is only 2 mm, and the size of the jumper in the mesh reaches 100 microns.
- the second difficulty relates to the need to optimize the technological parameters of the SLM in order, on the one hand, to achieve a minimum melt pool, and on the other, to maintain the mechanical properties of the product.
- the technical challenge facing the invention is a special high-resolution selective laser melting technology for the production of self-adapting files from titanium nickelide, including original solutions to increase the resolution of the SLM installation and the production of files with a minimum characteristic size factor of 100 microns.
- the technical result of the claimed invention is to increase the resolution of the SLM for the synthesis of micro-products (self-adaptive files) from titanium nickelide, reduce the cost of the final product due to the possibility of recycling the powder, reduce production time and the possibility of obtaining a personalized file for a specific type of dental canal.
- the technical problem is solved, and the technical result is achieved through a method for manufacturing superelastic self-adapting files, including: analysis and preparation of the initial nickel-titanium powder material; preparation of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using CAD and conversion to an STL model; dividing the model into separate layers using specialized Software and preparation of an executive file containing the coordinates of scanning vectors for the laser in each layer; loading the resulting executive file into the SLP installation, loading the powder into the installation’s dispenser hopper; layer-by-layer synthesis of a self-adapting file using the SLM method until the finished product is obtained, while when preparing the as-built file for the installation of selective laser melting, an STL model with a single surface is used, the normal vectors of which are facing the construction axis; when synthesizing a self-adapting file in a SLM installation, a titanium nickelide substrate is used; each layer consists of single laser passes to create the final self-adapting file layer by layer.
- the technical result is also achieved due to the fact that the selective laser melting installation uses an ytterbium fiber laser with a spot diameter of 30-55 microns.
- the technical result is also achieved due to the fact that the nickel-titanium powder material is obtained by atomization of the alloy, and the powder has a median particle diameter of 15-25 microns.
- the technical result is also achieved due to the optimized shape of the self-adapting file obtained according to the claimed method, including a cylindrical base and a mesh structure, and between the mesh structure and the cylindrical base there are additional jumpers and all structural elements of the self-adaptive file are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting.
- FIG. 1 Optimized form of a self-adapting file for SLP technology, a) isometric view; b) side view; c) frontal view; d) development of a thin-walled file, pos. (1) - additional jumpers between the mesh structure and the cylindrical base.
- FIG. 2 Strategy for shading the powder layer, a) section A-A on the file scan; b) section of the rear model by plane A-A, pos. (1) — generated trajectories of laser movement in single passes, pos. (2) - a single surface of the STL model.
- FIG. 3 Synthesized self-adaptive files using the SLP method. a) appearance of files on the substrate, pos. (1) - synthesized files, pos. (2) - titanium nickelide sheet, pos. (3) — substrate for installing SLP; b) panoramic SEM image of the entire file; c) the top of the file; d) file tip; f) jumper in the file structure. Carrying out the invention
- the method for manufacturing superelastic self-adapting files consists of several stages: analysis and preparation of the initial nickel-titanium powder material; preparation of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using a computer-aided design (CAD) system and conversion to an STL model; dividing the model into separate layers using specialized software and preparing an executive file containing the coordinates of the scanning vectors for the laser in each layer; loading the resulting executive file into the SLM installation, loading the powder into the dispenser hopper of the installation and layer-by-layer synthesis of the self-adapting file using the SLM method until the finished product is obtained.
- the method is implemented as follows.
- the first stage of the invention includes the analysis and preparation of the starting powder material.
- the recommended method for producing nickel-titanium powder is gas atomization of titanium nickelide alloy. It is worth noting that it is impossible to use a mechanical mixture of Ni and Ti powders due to the formation of various metastable phases during the synthesis of SLM.
- the powder material must have the following chemical composition: 55.5-55.8 wt. % Ni, 44.5-44.2 wt. % Ti, with an oxygen content of no more than 0.05 wt. %.
- the chemical composition in the powder must be homogeneous in particle volume; sphericity coefficient 0.85 and higher; granulometric composition with a median particle diameter of 15-25 microns and a Gaussian particle size distribution; flowability of 100 g of powder material is no more than 35 s through a certified Hall funnel with a hole diameter of 4 mm.
- the second stage includes the design of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using CAD and conversion to an STL model.
- the recommended design of the model is shown in Fig. 1a)-c)
- a scan of a thin-walled file is also presented (see Fig. 1d)), where additional jumpers in the structure are indicated (see item (1) Fig. 1d)), which gives additional rigidity to the structure and avoids the use of supporting structures.
- all structural elements of the self-adapting file are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more than 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting.
- An important circumstance is the dependence of the critical angle on the scale of the part. It was experimentally revealed that the smallest angle for this particular micro-object is 35°; as the part is enlarged, this angle will tend to 45°.
- the model is divided into separate layers using specialized software and an executive file is prepared containing the coordinates of the scanning vectors for the laser in each layer.
- Final quantity layers in a product directly depends on the optimal layer thickness, which is determined based on the granulometric composition of the original powder material. With a median particle diameter of 25 ⁇ m, a layer thickness of 30 ⁇ m was used, respectively, the model of a self-adapting file with a height of 18 mm has 600 layers.
- a distinctive feature of the method is the unit vector scanning technique. To implement this technique, surfaces with normals facing the inside of the product are removed from the STL model (see item (2) Fig. 2b)).
- the resulting executive file is loaded into the SLM installation, the powder is loaded into the dispenser hopper of the installation and the layer-by-layer synthesis of the self-adapting file by the SLM method is completed until the finished product is obtained.
- the installation uses a ytterbium fiber laser operating in continuous mode, with a nominal power of 200 W, with a Gaussian power density distribution (TEM00), with a wavelength of 1070 nm, and the diameter of the laser spot at the focal length is 30-55 ⁇ m.
- TEM00 Gaussian power density distribution
- TEM00 Gaussian power density distribution
- a substrate is used (see item (3) Fig. 3) on which a sheet of titanium nickelide is fixed (see item (2) Fig.
- the installation chamber is provided with an inert atmosphere of argon with an oxygen content of no more than 100 ppm. To ensure the necessary compaction of the powder layer, a silicone squeegee is used.
- the resolution of SLM technology in addition to the fraction of the initial powder material, the laser spot diameter, and the synthesis strategy, also depends on the synthesis modes (laser power, laser speed, beam diameter and layer thickness).
- laser power in the range of 50-200 W
- scanning speed in interval 100-1500 mm/s
- the thickness of the powder layer is in the range of 20-30 microns.
- the optimal parameters for the synthesis of a self-adaptive file are: laser power of 70 W, scanning speed of 800 mm/s with a powder layer thickness of 30 microns. These modes were optimized by measuring the width and depth of the melt pool in single laser passes, as well as mechanical tensile tests on samples cut from thin walls that were synthesized using the considered single laser pass strategy. The combination of synthesis using the unit vector method and the use of modes that provide the smallest size of the melt pool while achieving the required mechanical properties guarantee the maximum resolution of the technology, which made it possible to print self-adapting files (see item (1) of Fig. 3), Fig. 3b)-e)).
- the technical result is achieved through the use of an original strategy for shading the powder layer with a laser; using a laser with a smaller spot diameter at a focal length of 30-55 microns; the use of fine nickel-titanium powder, namely with a median particle diameter of 15-25 microns; using an optimized form of a self-adapting file for the SLM method, in which all structural elements are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more than 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting; application of optimized technological parameters: laser power of 70 W, scanning speed of 800 mm/s with a powder layer thickness of 30 microns.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Neurosurgery (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Dentistry (AREA)
- Neurology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СИНТЕЗА ЭНДОДОНТИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВMETHOD FOR LASER SYNTHESIS OF ENDODONTIC INSTRUMENTS
ИЗ НИ КЕЛ ИДА ТИТАНА FROM NONE KEL IDE TITANIUM
Область техники Technical field
Изобретение относится к областям аддитивного производства и стоматологических инструментов, в частности, к инструменту для чистки и/или придания формы, и/или расширения канала, существующего внутри твердого объекта или проходящего через него, а именно к способу получения самоадаптирующихся файлов методом 3D печати из порошка никелида титана, обладающих свойствами сверхупругости. The invention relates to the fields of additive manufacturing and dental instruments, in particular to a tool for cleaning and/or shaping and/or expanding a channel existing inside or passing through a solid object, and in particular to a method for producing self-adapting files by 3D printing from powder titanium nickelide with superelastic properties.
Уровень техники State of the art
В последние десятилетия значительно возросло количество эндодонтических операций в связи с предрасположенностью пациентов к эндодонтическому лечению зубов, в частности корневых каналов, а не протезированию при возникновении пульпита в тяжелой форме. Классическое эндодонтическое лечение состоит из препарирования канала зуба, его механической очистки и ирригацией с последующей обтюрацией для предотвращения проникновения бактерий внутрь канала и инфицирования зуба в апикальной труднодоступной части (см. [1] Н.А. Юдина, Современные стандарты эндодонтического лечения, Часть 1 , Проблемные статьи и обзоры, 2012, с. 5-9). In recent decades, the number of endodontic operations has increased significantly due to the predisposition of patients to endodontic treatment of teeth, in particular root canals, rather than prosthetics when severe pulpitis occurs. Classical endodontic treatment consists of preparation of the tooth canal, its mechanical cleaning and irrigation, followed by obturation to prevent the penetration of bacteria into the canal and infection of the tooth in the apical, hard-to-reach part (see [1] N.A. Yudina, Modern standards of endodontic treatment, Part 1, Problematic articles and reviews, 2012, pp. 5-9).
На первом этапе эндодонтист препарирует зуб для доступа к корневому каналу на глубину, максимально близкую к апикальной области у границы дентин-цемент. На втором этапе проводится тщательная очистка и дезинфекция корневого канала. Инструмент, который используется на этом этапе, называется файл. С помощью данного инструмента оказывается абразивное воздействие на внутреннюю часть канала при движении файла вверх-вниз с большой частотой. In the first stage, the endodontist prepares the tooth to access the root canal to a depth as close as possible to the apical region at the dentin-cementum boundary. The second stage involves thorough cleaning and disinfection of the root canal. The tool that is used in this step is called a file. Using this tool, an abrasive effect is exerted on the inside of the canal while moving the file up and down with high frequency.
Неправильные формы корневого канала значительно усложняют лечение (см. [2] Н.А. Юдина, Современные стандарты эндодонтического лечения, Часть 2, Ирригация и обтюрация корневых каналов, 2012). До появления сверхупругого самоадаптирующегося файла (англ. Self-Adjusting File (сокр. SAF)) эндодонтисты были вынуждены в значительной степени увеличивать ширину канала для проведения операции традиционными инструментами, что значительно снижало вероятность успешного лечения зубов (см. [3] К. Bansal, SAF: Paving A Way to Minimal Invasive Endodontics, 3, 2015, 144-149). Однако, с помощью самоадаптирующихся файлов стало возможным обрабатывать корневые каналы имеющих большую кривизну или даже С- образную форму, придерживаясь минимально инвазивного подхода, за счет чего значительно уменьшается удаление дентина. Irregular shapes of the root canal significantly complicate treatment (see [2] N.A. Yudina, Modern standards of endodontic treatment, Part 2, Irrigation and obturation of root canals, 2012). Before the advent of the superelastic self-adjusting file (abbr. SAF), endodontists were forced to significantly increase the width of the canal to perform the operation with traditional instruments, which significantly reduced the likelihood successful dental treatment (see [3] K. Bansal, SAF: Paving A Way to Minimal Invasive Endodontics, 3, 2015, 144-149). However, with the help of self-adapting files, it has become possible to treat highly curvature or even C-shaped root canals using a minimally invasive approach, thereby significantly reducing dentin removal.
При операции вышеописанный инструмент претерпевает значительные деформации. Важно, чтобы все деформации были обратимыми (упругими) для предотвращения поломки инструмента. Интерметаллидная фаза никелид титанового сплава обладает уникальными сверхупругими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, биосовместимостью и низким модулем Юнга. Эти свойства делают эндодонтические инструменты из такого материала гибкими, универсальными и незаменимыми для описанных выше операций с корневыми каналами неправильной формы. During the operation, the above-described instrument undergoes significant deformation. It is important that all deformations are reversible (elastic) to prevent tool breakage. The intermetallic phase of nickel titanium alloy has unique superelastic properties, high corrosion resistance, biocompatibility and low Young's modulus. These properties make endodontic instruments made from this material flexible, versatile and indispensable for the operations described above with irregularly shaped root canals.
Самоадаптирующиеся файлы в настоящее время изготавливаются субтрактивными методами, а именно путем лазерной резки полых трубок, что приводит к образованию большого количества отходов (до 70 % отходов). Отходы такого производства существенно повышают себестоимость изделий, вследствие чего эндодонтическое лечение тяжелых форм пульпита становится менее доступным. Другим недостатком метода является ограничение по форме инструмента, а именно сетчатая структура не может отклоняться от формы трубки, и не варьируется по толщине, что влечет к не равномерному распределению нагрузки во время работы, а также к появлению концентраторов напряжений. Наконец, в случае лазерной резки требуется дополнительная технологическая операция для повышения шероховатости поверхности инструментов. В данном патенте рассматривается возможность использования аддитивных технологий (АТ) для изготовления данных инструментов, а именно метода Селективного Лазерного Плавления (СЛП) высокого разрешения. Материал в ходе СЛП используется на 95% за счет возможности рециклинга использованного порошка вплоть до 12-16 раз. Также у данного метода АТ отсутствуют ограничения по форме изделия, а шероховатость поверхности, свойственная изделиям изготовленным методом СЛП может быть использована для абразивной чистки. Self-adapting files are currently produced using subtractive methods, namely by laser cutting of hollow tubes, which leads to the generation of large amounts of waste (up to 70% waste). Waste from such production significantly increases the cost of products, as a result of which endodontic treatment of severe forms of pulpitis becomes less accessible. Another disadvantage of the method is the limitation on the shape of the tool, namely the mesh structure cannot deviate from the shape of the tube and does not vary in thickness, which leads to an uneven distribution of the load during operation, as well as to the appearance of stress concentrators. Finally, in the case of laser cutting, an additional technological step is required to increase the surface roughness of the tools. This patent discusses the possibility of using additive technologies (AT) for the manufacture of these tools, namely the high-resolution Selective Laser Melting (SLM) method. During SLM, 95% of the material is used due to the possibility of recycling used powder up to 12-16 times. Also, this AT method has no restrictions on the shape of the product, and the surface roughness characteristic of products manufactured by the SLM method can be used for abrasive cleaning.
Из уровня техники известен эндодонтический инструмент для очистки/формирования корневого канала зуба (см. [4] ЕР3071139В1, МПК А61 С5/42, опубл. 01.09.2021), содержащий удлиненный стержень, состоящий из пористого материала. Стержень имеет проксимальную концевую часть, дистальный конец и коническую рабочую часть, причем рабочая часть проходит от проксимальной концевой части до дистального конца, при этом материал, изготовленный из никелида титана. Способ изготовления эндодонтического инструмента включает получение пористого материала с пористостью от 15% до 90% и формирование изделия путем шлифования, аддитивного производства, трехмерной печати, травления и/или их комбинаций. Недостатками данного аналога являются неоптимизированная форма изделия для АТ, а также не рассматривается конкретная технология аддитивного производства и способ достичь необходимую разрешающую способность для производства инструмента. An endodontic instrument for cleaning/forming the root canal of a tooth is known from the prior art (see [4] EP3071139B1, IPC A61 C5/42, published 09/01/2021), containing an elongated rod consisting of a porous material. The rod has a proximal end portion, a distal end, and a conical working portion, the working portion extending from the proximal end portion to the distal end, the material being made from titanium nickelide. A method for manufacturing an endodontic instrument includes obtaining a porous material with a porosity from 15% to 90% and forming the product by grinding, additive manufacturing, 3D printing, etching and/or combinations thereof. The disadvantages of this analogue are the non-optimized shape of the product for AT, and also the specific additive manufacturing technology and the method to achieve the necessary resolution for the production of the tool are not considered.
Также из уровня техники известен самоадаптирующийся инструмент спиралевидной формы (см. [5] US2009130638A1 , МПК А61С 3/02, опубл. 21.05.2009) при изготовлении которого используют никелид титана и его сверхупругие свойства. В данном аналоге лишь упоминается о возможности применения АТ для изготовления, однако не конкретизируется метод АТ, а также не рассматривается конкретный способ как обеспечить необходимую разрешающую способность для производства инструмента. Also known from the prior art is a self-adapting spiral-shaped tool (see [5] US2009130638A1, IPC A61C 3/02, published 05/21/2009) in the manufacture of which titanium nickelide and its superelastic properties are used. This analogue only mentions the possibility of using AT for manufacturing, but does not specify the AT method, and also does not consider a specific method of how to provide the necessary resolution for the production of a tool.
Также из уровня техники известен способ изготовления тонкостенных деталей при помощи технологии селективного лазерного плавления (см. [6] CN109622963A, МПК B22F3/105, опубл. 16.04.2019) содержащий следующие этапы: изначально трехмерная модель состоит из двух частей, у которой одна часть представляет собой трехмерный сплошной объект, созданный традиционным методом моделирования, а другая представляет собой тонкостенную часть; далее исполнительный файл для первой части ЗД модели создается традиционным способом, а для второй части модель приравнивается к поддерживающим структурам, за счет чего генерируются единичные лазерные проходы по внешней границе модели, после чего исполнительные файлы объединяются для дальнейшего синтеза по технологии селективного лазерного плавления и конечное изделие формируется слой за слоем. В данном аналоге способ изготовления не направлен на конкретное применение, в частности на самоадаптирующиеся файлы, однако рассматривается конкретный способ по увеличению разрешающей способности СЛП. Недостатками указанного аналога являются: многостадийность, и как результат сложность приготовления исполнительного файла для печати, при этом существует необходимость в ручной обработке частей модели, где необходима высокая разрешающая способность, а также невозможность контролировать отступ лазерного прохода от внешней поверхности ЗД модели. Also known from the prior art is a method for manufacturing thin-walled parts using selective laser melting technology (see [6] CN109622963A, IPC B22F3/105, published 04/16/2019) containing the following steps: initially the three-dimensional model consists of two parts, in which one part is a three-dimensional solid object created by traditional modeling method, and the other is a thin-walled part; then the executive file for the first part of the 3D model is created in the traditional way, and for the second part the model is equated to the supporting structures, due to which single laser passes are generated along the outer boundary of the model, after which the executive files are combined for further synthesis using selective laser melting technology and the final product layer by layer is formed. In this analogue, the manufacturing method is not aimed at a specific application, in particular self-adapting files, but a specific method for increasing the resolution of the SLP is considered. The disadvantages of this analogue are: multi-stage, and as a result, the complexity of preparing an as-built file for printing, while there is a need for manual processing of parts of the model where high resolution is required, as well as the inability to control the distance of the laser pass from the outer surface of the 3D model.
Так как на данный момент в уровне технике не представлены конкретные работы по изготовлению файлов из никелида титана методом СЛП, а лишь существуют упоминания о возможности использования АТ, в уровне технике приведены аналоги по изготовлению других микрообъектов из никелида титана методом СЛП, а именно коронарных стентов. Коронарные стенты также представляют собой объекты с оптимизированной сетчатой структурой для равномерного распределения нагрузки внутри полости, однако область применения значительно отличается. Из уровня техники известен способ изготовления внутрисосудистого стента из никелида титана на основе технологии автоматической подачи порошка, комбинированной с лазерной обработкой, что является прототипом технологии селективного лазерного плавления (см. [7] CN105033252A, МПК B22F3/105, опубл. 11.11.2015). Способ включает следующие этапы: подготавливается исполнительный файл, содержащий траектории движения лазера, в соответствии с трехмерной моделью стента; в систему дозирования добавляются порошки никеля и титана в определенной пропорции, после чего формируется слой из смеси порошков в зоне построения. Далее слой порошка сканируется лазерным лучом в соответствии с подготовленным исполнительным файлом, и данная операция повторяется слой за слоем до окончательного формирования внутрисосудистого стента. На следующем этапе проводят электрохимическую полировку до требуемой шероховатости поверхности. Недостатками указанного аналога являются: применение дополнительной многостадийной обработки для получения нужной шероховатости поверхности стента; использование механической смеси порошков в нужной пропорции, а не атомизированнного сплава, что не может обеспечить однорого химического состава, как следствие одинаковую температуру мартенситного фазового перехода по объему изделия. Since at the moment the state of the art does not present specific work on the production of files from titanium nickelide using the DES method, but there are only references to the possibility of using AT, the state of the art contains analogues for the production of other micro-objects from titanium nickelide using the DES method, namely coronary stents. Coronary stents are also objects with an optimized mesh structure to distribute the load evenly within the cavity, but the application area differs significantly. The prior art knows a method for manufacturing an intravascular stent from titanium nickelide based on automatic powder supply technology combined with laser processing, which is a prototype of selective laser melting technology (see [7] CN105033252A, IPC B22F3/105, publ. 11/11/2015). The method includes the following steps: an executive file is prepared containing laser motion trajectories in accordance with the three-dimensional model of the stent; Nickel and titanium powders are added to the dosing system in a certain proportion, after which a layer of a mixture of powders is formed in the construction area. Next, the powder layer is scanned with a laser beam in accordance with the prepared executive file, and this operation is repeated layer by layer until the final formation of the intravascular stent. At the next stage, electrochemical polishing is carried out to the required surface roughness. The disadvantages of this analogue are: the use of additional multi-stage processing to obtain the desired roughness of the stent surface; the use of a mechanical mixture of powders in the required proportion, rather than an atomized alloy, which cannot provide the same chemical composition and, as a consequence, the same temperature of the martensitic phase transition throughout the volume of the product.
Также из уровня техники известен способ селективного лазерного плавления никель-титанового сплава с повышенным содержанием никеля (см. [8] CN113134627A, МПК B22F10/28, опубл. 20.07.2021), включающий формирование слоя порошка, с содержанием никеля 53-57%, обработку слоя лазером, в соответствии с параметрами процесса печати. Повторяют описанные шаги до формирования детали из никельтитанового сплава. В процессе лазерного плавления мощность лазера составляет 80- 150 Вт, скорость лазерного сканирования составляет 150-450 мм/с, а толщина слоя составляет 30-120 мкм. Недостатком данного аналога является отсутствие гарантии полного превращения механической смеси никеля и титана в интерметаллидную фазу - никелида титана. Остаточный чистый никель является токсичным веществом для живых организмов (тканей). Повышение содержания никеля в химическом составе с одной стороны понижает температуру мартенситного фазового превращения, что обеспечивает достижение сверхупругих свойств, но с другой стороны повышает вероятность появления метастабильных фаз, ухудшающих механические характеристики. Also known from the prior art is a method for selective laser melting of a nickel-titanium alloy with a high nickel content (see [8] CN113134627A, IPC B22F10/28, published July 20, 2021), including the formation of a layer of powder with a nickel content of 53-57%, laser processing of the layer in accordance with the parameters of the printing process. Repeat the above steps until the nickel-titanium alloy part is formed. In the laser melting process, the laser power is 80-150 W, the laser scanning speed is 150-450 mm/s, and the layer thickness is 30-120 μm. The disadvantage of this analogue is the lack of guarantee of complete conversion of the mechanical mixture of nickel and titanium into the intermetallic phase - titanium nickelide. Residual pure nickel is toxic to living organisms (tissues). An increase in the nickel content in the chemical composition, on the one hand, lowers the temperature of the martensitic phase transformation, which ensures the achievement of superelastic properties, but on the other hand, increases the likelihood of the appearance of metastable phases that worsen the mechanical characteristics.
Также из уровня техники известен способ изготовления внутрисосудистого стента по технологии 3D печати (см. [9] CN104224412A, МПК A61 F2/90, опубл. 24.12.2014), включающий несколько этапов. Сначала создают ЗО-модель внутрисосудистого стента; устанавливают технологические параметры и подготавливают исполнительный файл для ЗО-принтера. Далее подготавливают порошковый материал, состоящий из никель- титанового порошка и связующего на основе стеариновой кислоты, для формирования заготовки внутрисосудистого стента. Далее производится послойная ЗД печать до получения заготовки из никелида титана и связующем. На следующем этапе последовательно выполняют удаление связующего, вакуумное спекание и охлаждение заготовки для получения внутрисосудистого стента. Недостатком данного аналога является низкая разрешающая способность технологии спекания порошка со связующим и дальнейшим гомогенизирующим отжигом изделия. Кроме того, неравномерное распределение стеариновой кислоты может привести к неконтролируемой пористости в изделиях. Also known from the prior art is a method for manufacturing an intravascular stent using 3D printing technology (see [9] CN104224412A, IPC A61 F2/90, published December 24, 2014), which includes several stages. First, a 3D model of the intravascular stent is created; set technological parameters and prepare an executive file for the ZO printer. Next, prepare a powder material consisting of nickel- titanium powder and a binder based on stearic acid, to form an intravascular stent blank. Next, layer-by-layer 3D printing is performed to obtain a workpiece made of titanium nickelide and a binder. At the next stage, the binder is sequentially removed, vacuum sintering and cooling of the workpiece to obtain an intravascular stent. The disadvantage of this analogue is the low resolution technology of sintering the powder with a binder and further homogenizing annealing of the product. In addition, uneven distribution of stearic acid can lead to uncontrolled porosity in products.
Также из уровня техники известен способ изготовления стента из никельтитанового сплава методом аддитивного производства (см. [10] CN112427654A, МПК A61 L31/02; B22F10/28, опубл. 02.03.2021). Способ включает в себя следующие этапы: на первом этапе проектируют размер и форму стента в соответствии с трехмерными данными о конкретном сосуде, на втором этапе при помощи ПО разделяют спроектированный стент на слои, и на третьем этапе выполняют ЗО-печать порошка никель-титанового сплава в соответствии с моделью стента; содержание Ni в порошке никель-титанового сплава 50-52 ат. % Ni. Параметры процесса ЗО-печати: мощность 50-4000 Вт, скорость сканирования 200-3000 мм/с, расстояние сканирования 50-200 мкм. Недостатками данного аналога являются низкая разрешающая способность данного подхода, также отсутствует информация по ограничениям и оптимальности геометрической формы стента для изготовления по технологии СЛП. Also known from the prior art is a method for manufacturing a stent from a nickel-titanium alloy using additive manufacturing (see [10] CN112427654A, IPC A61 L31/02; B22F10/28, publ. 03/02/2021). The method includes the following stages: at the first stage, the size and shape of the stent is designed in accordance with three-dimensional data about a specific vessel, at the second stage, using software, the designed stent is divided into layers, and at the third stage, 3D printing of nickel-titanium alloy powder is performed in according to the stent model; Ni content in nickel-titanium alloy powder is 50-52 at. %Ni. Parameters of the 3D printing process: power 50-4000 W, scanning speed 200-3000 mm/s, scanning distance 50-200 microns. The disadvantages of this analogue are the low resolution of this approach, and there is also no information on the limitations and optimal geometric shape of the stent for manufacturing using DES technology.
Также из уровня техники известен способ ЗО-печати тройным сплавом на основе никеля, титана и циркония (см. [11] CN111842888A, МПК B22F3/105, опубл. 30.10.2020), характеризующийся тем, что в способе используют технологию селективного лазерного плавления для печати деталей с эффектом памяти формы. Добавление в систему циркония приводит к возможности увеличить температуру мартенситного фазового перехода, а варьирование технологических параметров позволяет локально контролировать данную температуру. Исходный материал из сплава NiTiZr представляет собой порошок с размером частиц 15-53 мкм. При этом печать деталей происходит послойно по заданным зонам. Недостатком данного аналога является невозможность получить сверхупругие свойства при комнатной температуре из-за добавки в сплав циркония, что ограничивает число потенциальных применений способа. Also known from the prior art is a method of 3D printing with a ternary alloy based on nickel, titanium and zirconium (see [11] CN111842888A, IPC B22F3/105, published 10.30.2020), characterized by the fact that the method uses selective laser melting technology for printing parts with shape memory effect. Adding zirconium to the system makes it possible to increase the temperature of the martensitic phase transition, and varying the technological parameters makes it possible to locally control this temperature. The starting material from the NiTiZr alloy is a powder with a particle size of 15-53 microns. In this case, parts are printed layer by layer in specified zones. The disadvantage of this analogue is the inability to obtain superelastic properties at room temperature due to the addition of zirconium to the alloy, which limits the number of potential applications of the method.
Из приведенных аналогов можно сделать вывод, что на данный момент отсутствуют патенты по изготовлению самоадаптирующихся файлов с помощью конкретных аддитивных методов. Однако присутствуют патенты по изготовлению стентов из никелида титана по технологии СЛП, содержащие несколько этапов. Изначально проектируют размер и форму изделия в соответствии с конечным применением медицинского изделия, далее при помощи компьютерного программного обеспечения разбивают модель файла на слои. По соответствующим профилям поперечного сечения формируют траектории сканирования лазера. Данные загружаются в соответствующий интерфейс установки СЛП, задаются параметры лазерной обработки: мощность лазера, скорость лазерного сканирования, толщина слоя, параметр перекрытия (если применимо). Подготавливается порошок никельтитанового сплава и помещается в бункер дозирования. На этапе синтеза порошок направляется из бункера дозирования в зону построения с помощью устройства подачи порошка, и материал равномерно распределяется на подложке с помощью ракеля, после чего лазер сканирует порошковый слой, цикл повторяется слой за слоем, до получения окончательной формы изделия. From the above analogues we can conclude that at the moment there are no patents for the production of self-adaptive files using specific additive methods. However, there are patents for the manufacture of titanium nickelide stents using DES technology, which contain several stages. Initially, the size and shape of the product are designed in accordance with the end use of the medical device, then using computer software software breaks the file model into layers. Laser scanning trajectories are formed using the corresponding cross-section profiles. The data is loaded into the corresponding interface of the SLP installation, laser processing parameters are set: laser power, laser scanning speed, layer thickness, overlap parameter (if applicable). Nickel titanium alloy powder is prepared and placed into the dosing hopper. In the synthesis stage, the powder is directed from the dosing hopper to the build area using a powder feeder, and the material is evenly distributed on the substrate using a squeegee, after which the laser scans the powder layer, the cycle is repeated layer by layer until the final shape of the product is obtained.
Однако, несмотря на все преимущества аддитивного подхода, СЛП представляет собой сложный физико-химический металлургический процесс. Для достижения успешного сплавления таких материалов, как нитинол, требуется глубокое понимание и тонкая настройка процесса из-за многочисленных возможных дефектов. Кроме того, при печати эндодонтических инструментов возникает несколько технологических сложностей. Первая проблема относится к недостаточному разрешению классического метода СЛП для печати таких масштабов. Диаметр изделия всего 2 мм, а размер перемычки в сетке достигает 100 мкм. Вторая сложность относится к необходимости оптимизации технологических параметров СЛП, чтобы с одной стороны добиться минимальной ванны расплава, а с другой сохранить механические свойства изделия. However, despite all the advantages of the additive approach, SLM is a complex physicochemical metallurgical process. Achieving successful fusion of materials such as nitinol requires in-depth understanding and fine-tuning of the process due to the numerous possible defects. Additionally, printing endodontic instruments poses several technological challenges. The first problem relates to the insufficient resolution of the classical DES method for printing at such a scale. The diameter of the product is only 2 mm, and the size of the jumper in the mesh reaches 100 microns. The second difficulty relates to the need to optimize the technological parameters of the SLM in order, on the one hand, to achieve a minimum melt pool, and on the other, to maintain the mechanical properties of the product.
Сущность изобретения The essence of the invention
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является специальная технология селективного лазерного плавления высокого разрешения для изготовления самоадаптирующихся файлов из никелида титана, включающая оригинальные решения по повышению разрешающей способности установки СЛП и изготовление файлов с минимальным характерным размерным фактором в 100 мкм. The technical challenge facing the invention is a special high-resolution selective laser melting technology for the production of self-adapting files from titanium nickelide, including original solutions to increase the resolution of the SLM installation and the production of files with a minimum characteristic size factor of 100 microns.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение разрешающей способности СЛП для синтеза микро-изделий (самоадаптирующихся файлов) из никелида титана, снижение стоимости конечного продукта, за счет возможности рециклинга порошка, сокращение времени производства и возможности получения персонифицированного файла под конкретный вид зубных каналов. The technical result of the claimed invention is to increase the resolution of the SLM for the synthesis of micro-products (self-adaptive files) from titanium nickelide, reduce the cost of the final product due to the possibility of recycling the powder, reduce production time and the possibility of obtaining a personalized file for a specific type of dental canal.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счёт способа изготовления сверхупругих самоадаптирующихся файлов, включающий: анализ и подготовку исходного никель-титанового порошкового материала; подготовку тонкостенной ЗД модели самоадаптирующегося файла с помощью САПР и конвертацию в STL модель; разделение модели на отдельные слои с помощью специализированного ПО и подготовку исполнительного файла, содержащего координаты векторов сканирования для лазера в каждом слое; загрузка полученного исполнительного файла в установку СЛП, загрузка порошка в бункер дозатора установки; послойный синтез самоадаптирующегося файла методом СЛП до получения готового изделия, при этом при подготовке исполнительного файла для установки селективного лазерного плавления используют STL модель с единой поверхностью, нормальные вектора которой обращены к оси построения; при синтезе самоадаптирующегося файла в установке СЛП используют подложку из никелида титана; каждый слой состоит из единичных лазерных проходов для создания конечного самоадаптирующегося файла слой за слоем. The technical problem is solved, and the technical result is achieved through a method for manufacturing superelastic self-adapting files, including: analysis and preparation of the initial nickel-titanium powder material; preparation of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using CAD and conversion to an STL model; dividing the model into separate layers using specialized Software and preparation of an executive file containing the coordinates of scanning vectors for the laser in each layer; loading the resulting executive file into the SLP installation, loading the powder into the installation’s dispenser hopper; layer-by-layer synthesis of a self-adapting file using the SLM method until the finished product is obtained, while when preparing the as-built file for the installation of selective laser melting, an STL model with a single surface is used, the normal vectors of which are facing the construction axis; when synthesizing a self-adapting file in a SLM installation, a titanium nickelide substrate is used; each layer consists of single laser passes to create the final self-adapting file layer by layer.
Технический результат также достигается за счёт того, что в установке селективного лазерного плавления используют иттербиевый волоконный лазер с диаметром пятна в 30-55 мкм. The technical result is also achieved due to the fact that the selective laser melting installation uses an ytterbium fiber laser with a spot diameter of 30-55 microns.
Технический результат также достигается за счёт того, что никель-титановый порошковый материал получен путем атомизации сплава, при этом порошок обладает медианным диаметром частиц в 15-25 мкм. The technical result is also achieved due to the fact that the nickel-titanium powder material is obtained by atomization of the alloy, and the powder has a median particle diameter of 15-25 microns.
Технический результат также достигается за счёт оптимизированной формы самоадаптирующегося файла, полученного по заявленному способу, включающую цилиндрическое основание и сетчатую конструкцию, причем между сетчатой конструкцией и цилиндрической основой имеются дополнительные перемычки и все элементы конструкции самоадаптирующегося файла, выполнены с углами между нависающими поверхностями и плоскостью подложки более 35°, что делает элементы конструкции самоадаптирующегося файла самоподдерживающими. The technical result is also achieved due to the optimized shape of the self-adapting file obtained according to the claimed method, including a cylindrical base and a mesh structure, and between the mesh structure and the cylindrical base there are additional jumpers and all structural elements of the self-adaptive file are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting.
Краткое описание чертежей Brief description of drawings
На Фиг. 1 — Оптимизированная форма самоадаптирующегося файла для СЛП технологии, а) изометрический вид; Ь) вид сбоку; с) фронтальный вид; d) развертка тонкостенного файла, поз. (1) — дополнительные перемычки между сетчатой конструкцией и цилиндрической основой. In FIG. 1 — Optimized form of a self-adapting file for SLP technology, a) isometric view; b) side view; c) frontal view; d) development of a thin-walled file, pos. (1) - additional jumpers between the mesh structure and the cylindrical base.
На Фиг. 2 — Стратегия штриховки порошкового слоя, а) сечение А-А на развертке файла; Ь) сечение ЗД модели плоскостью А-А, поз. (1) — сгенерированные траектории движения лазера единичными проходами, поз. (2) — единая поверхность STL модели. In FIG. 2 - Strategy for shading the powder layer, a) section A-A on the file scan; b) section of the rear model by plane A-A, pos. (1) — generated trajectories of laser movement in single passes, pos. (2) - a single surface of the STL model.
На Фиг. 3 — Синтезированные самоадаптирующиеся файлы методом СЛП. а) внешний вид файлов на подложке, поз. (1) — синтезированные файлы, поз. (2) — лист из никелида титана, поз. (3) — подложка для установки СЛП; Ь) панорамное СЭМ изображение всего файла; с) верхняя часть файла; d) наконечник файла; е) перемычка в структуре файла. Осуществление изобретения In FIG. 3 — Synthesized self-adaptive files using the SLP method. a) appearance of files on the substrate, pos. (1) - synthesized files, pos. (2) - titanium nickelide sheet, pos. (3) — substrate for installing SLP; b) panoramic SEM image of the entire file; c) the top of the file; d) file tip; f) jumper in the file structure. Carrying out the invention
Способ изготовления сверхупругих самоадаптирующихся файлов, состоит из нескольких этапов: анализ и подготовку исходного никель-титанового порошкового материала; подготовку тонкостенной ЗД модели самоадаптирующегося файла с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР) и конвертацию в STL модель; разделение модели на отдельные слои с помощью специализированного ПО и подготовку исполнительного файла, содержащего координаты векторов сканирования для лазера в каждом слое; загрузка полученного исполнительного файла в установку СЛП, загрузка порошка в бункер дозатора установки и послойный синтез самоадаптирующегося файла методом СЛП до получения готового изделия. Способ реализуется следующим образом. The method for manufacturing superelastic self-adapting files consists of several stages: analysis and preparation of the initial nickel-titanium powder material; preparation of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using a computer-aided design (CAD) system and conversion to an STL model; dividing the model into separate layers using specialized software and preparing an executive file containing the coordinates of the scanning vectors for the laser in each layer; loading the resulting executive file into the SLM installation, loading the powder into the dispenser hopper of the installation and layer-by-layer synthesis of the self-adapting file using the SLM method until the finished product is obtained. The method is implemented as follows.
Первый этап осуществления изобретения включает в себя анализ и подготовку исходного порошкового материала. Рекомендуемый способ получения никельтитанового порошка - газовая атомизация сплава никелида титана. Стоит отметить о невозможности использования механической смеси порошков Ni и Ti в силу формирования различных метастабильных фаз в ходе синтеза СЛП. Порошковый материал должен иметь следующий химический состав: 55.5-55.8 вес. % Ni, 44.5-44.2 вес. % Ti, с содержанием кислорода не более 0.05 вес. %. Химический состав в порошке должен быть гомогенный по объему частиц; коэффициент сферичности 0,85 и выше; гранулометрический состав с медианным диаметром частиц в 15-25 мкм и с гауссовым распределением по размеру частиц; текучесть 100 г порошкового материала не более 35 с через сертифицированную воронку Холла с диаметром отверстия 4 мм. The first stage of the invention includes the analysis and preparation of the starting powder material. The recommended method for producing nickel-titanium powder is gas atomization of titanium nickelide alloy. It is worth noting that it is impossible to use a mechanical mixture of Ni and Ti powders due to the formation of various metastable phases during the synthesis of SLM. The powder material must have the following chemical composition: 55.5-55.8 wt. % Ni, 44.5-44.2 wt. % Ti, with an oxygen content of no more than 0.05 wt. %. The chemical composition in the powder must be homogeneous in particle volume; sphericity coefficient 0.85 and higher; granulometric composition with a median particle diameter of 15-25 microns and a Gaussian particle size distribution; flowability of 100 g of powder material is no more than 35 s through a certified Hall funnel with a hole diameter of 4 mm.
Второй этап включает в себя проектирование тонкостенной ЗД модели самоадаптирующегося файла с помощью САПР и конвертацию в STL модель. Рекомендуемое исполнение модели представлено на фиг. 1а)-с), также представлена развертка тонкостенного файла (см. фиг. 1d)), где обозначены дополнительные перемычки в конструкции (см. поз. (1) фиг. 1d)), что придает дополнительную жесткость конструкции и позволяет избежать применения поддерживающих структур. Стоит отметить, что все элементы конструкции самоадаптирующегося файла, выполнены с углами между нависающими поверхностями и плоскостью подложки более 35°, что делает элементы конструкции самоадаптирующегося файла самоподдерживающими. Важным обстоятельством является зависимость критического угла от масштаба детали. Экспериментальным путем было выявлено, что наименьший угол для данного конкретного микрообъекта составляет 35°, при увеличении детали, данный угол будет стремиться к 45°. The second stage includes the design of a thin-walled 3D model of a self-adapting file using CAD and conversion to an STL model. The recommended design of the model is shown in Fig. 1a)-c), a scan of a thin-walled file is also presented (see Fig. 1d)), where additional jumpers in the structure are indicated (see item (1) Fig. 1d)), which gives additional rigidity to the structure and avoids the use of supporting structures. It is worth noting that all structural elements of the self-adapting file are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more than 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting. An important circumstance is the dependence of the critical angle on the scale of the part. It was experimentally revealed that the smallest angle for this particular micro-object is 35°; as the part is enlarged, this angle will tend to 45°.
На третьем этапе модель разбивается на отдельные слои с помощью специализированного ПО и подготавливается исполнительный файл, содержащий координаты векторов сканирования для лазера в каждом слое. Конечное количество слоев в изделии напрямую зависит от оптимальной толщины слоя, которая определяется исходя из гранулометрического состава исходного порошкового материала. При медианном диаметре частиц в 25 мкм была использована толщина слоя в 30 мкм, соответственно модель самоадаптирующегося файла высотой в 18 мм имеет 600 слоев. Отличительной особенностью метода является методика сканирования единичными векторами. Для реализации данной методики у STL модели удаляются поверхности с нормалями, обращенными во внутрь изделия (см. поз. (2) фиг.2Ь)). Для выдерживания точных размеров изделия необходимо присвоить нулевые значения параметрам «отступ от границы модели» и «отступ, компенсирующий ширину ванны расплава». Далее используется специальный алгоритм, который генерирует единичные векторы (траектории движения лазера) в каждом слое (см. фиг.2а), поз. (1) фиг.2Ь)), а не зоны с контурами и внутренней штриховкой, как в известном уровне техники. Такой алгоритм работы нетипичен для СЛП установок, и коммерческие решения не поддерживают такие возможности на данный момент. При генерации зон с замкнутыми контурами с помощью стандартного алгоритма происходит излишнее заполнение слоя (а далее излишнее сплавление порошка лазером), что снижает разрешающую способность СЛП. At the third stage, the model is divided into separate layers using specialized software and an executive file is prepared containing the coordinates of the scanning vectors for the laser in each layer. Final quantity layers in a product directly depends on the optimal layer thickness, which is determined based on the granulometric composition of the original powder material. With a median particle diameter of 25 µm, a layer thickness of 30 µm was used, respectively, the model of a self-adapting file with a height of 18 mm has 600 layers. A distinctive feature of the method is the unit vector scanning technique. To implement this technique, surfaces with normals facing the inside of the product are removed from the STL model (see item (2) Fig. 2b)). To maintain the exact dimensions of the product, it is necessary to assign zero values to the parameters “offset from the model boundary” and “offset compensating for the width of the melt pool”. Next, a special algorithm is used that generates unit vectors (laser motion trajectories) in each layer (see Fig. 2a), pos. (1) Fig. 2b)), and not zones with contours and internal shading, as in the prior art. This operating algorithm is not typical for SLP installations, and commercial solutions do not support such capabilities at the moment. When generating zones with closed contours using a standard algorithm, excessive filling of the layer occurs (and then excessive fusion of the powder by the laser), which reduces the resolution of the SLM.
На заключительном четвертом этапе происходит загрузка полученного исполнительного файла в установку СЛП, загрузка порошка в бункер дозатора установки и послойный синтез самоадаптирующегося файла методом СЛП до получения готового изделия. В установке используется волоконный иттербиевый лазер, функционирующий в непрерывном режиме, с номинальной мощностью 200 Вт, с гауссовым распределением плотности мощности (ТЕМ00), с длиной волны 1070 нм, причем диаметр лазерного пятна на фокусном расстоянии составляет 30-55 мкм. Для обеспечения сплавления порошка никелида титана используется подложка (см. поз. (3) фиг.За)) на которой закреплен лист из никелида титана (см. поз. (2) фиг.За)), причем с отличием по химическому составу от порошкового материала не более 0.2 вес. % Ni. В камере установки обеспечивается инертная атмосфера аргона с содержанием кислорода не более 100 ppm. Для обеспечения необходимого уплотнения слоя порошка используется силиконовый ракель. At the final fourth stage, the resulting executive file is loaded into the SLM installation, the powder is loaded into the dispenser hopper of the installation and the layer-by-layer synthesis of the self-adapting file by the SLM method is completed until the finished product is obtained. The installation uses a ytterbium fiber laser operating in continuous mode, with a nominal power of 200 W, with a Gaussian power density distribution (TEM00), with a wavelength of 1070 nm, and the diameter of the laser spot at the focal length is 30-55 μm. To ensure the fusion of titanium nickelide powder, a substrate is used (see item (3) Fig. 3) on which a sheet of titanium nickelide is fixed (see item (2) Fig. 3)), with a difference in chemical composition from the powder material no more than 0.2 wt. %Ni. The installation chamber is provided with an inert atmosphere of argon with an oxygen content of no more than 100 ppm. To ensure the necessary compaction of the powder layer, a silicone squeegee is used.
Разрешение технологии СЛП помимо фракции исходного порошкового материала, диаметра лазерного пятна, стратегии синтеза, также зависит от режимов синтеза (мощности лазера, скорости лазера, диаметр пучка и толщины слоя). Для обеспечения высокого разрешения технологии СЛП необходимо с одной стороны добиться наименьшего размера ванны расплава, а с другой сохранить механические свойства изделия путем оптимизации технологических параметров СЛП. Возможными технологическими параметрами процесса СЛП для никель-титанового порошка являются: мощность лазера в интервале 50-200 Вт; скорость сканирования в интервале 100-1500 мм/с; и толщина порошкового слоя в интервале 20-30 мкм. Оптимальными параметрами для синтеза самоадаптирующегося файла являются: мощность лазера в 70 Вт, скорость сканирования в 800 мм/с при толщине порошкового слоя в 30 мкм. Данные режимы были оптимизированы путем измерения ширины и глубины ванны расплава на единичных лазерных проходах, а также механических тестов на растяжение образцов, вырезанных из тонких стенок, которые были синтезированы при помощи рассмотренной стратегии единичных лазерных проходов. Комбинация из синтеза по методике единичных векторов и применения режимов, которые обеспечивают наименьший размер ванны расплава при достижении необходимых механических свойств, гарантируют максимальное разрешение технологии, что позволило печать самоадаптирующихся файлов (см. поз. (1) фиг.За), фиг. ЗЬ)-е)). The resolution of SLM technology, in addition to the fraction of the initial powder material, the laser spot diameter, and the synthesis strategy, also depends on the synthesis modes (laser power, laser speed, beam diameter and layer thickness). To ensure high resolution of SLM technology, it is necessary, on the one hand, to achieve the smallest size of the melt pool, and on the other hand, to maintain the mechanical properties of the product by optimizing the technological parameters of SLM. Possible technological parameters of the SLM process for nickel-titanium powder are: laser power in the range of 50-200 W; scanning speed in interval 100-1500 mm/s; and the thickness of the powder layer is in the range of 20-30 microns. The optimal parameters for the synthesis of a self-adaptive file are: laser power of 70 W, scanning speed of 800 mm/s with a powder layer thickness of 30 microns. These modes were optimized by measuring the width and depth of the melt pool in single laser passes, as well as mechanical tensile tests on samples cut from thin walls that were synthesized using the considered single laser pass strategy. The combination of synthesis using the unit vector method and the use of modes that provide the smallest size of the melt pool while achieving the required mechanical properties guarantee the maximum resolution of the technology, which made it possible to print self-adapting files (see item (1) of Fig. 3), Fig. 3b)-e)).
Технический результат достигается за счет применения оригинальной стратегии штриховки порошкового слоя лазером; использования лазера с меньшим диаметром пятна на фокусном расстоянии в 30-55 мкм; использования никель-титанового порошка мелкой фракции, а именно с медианным диаметром частиц в 15-25 мкм; использования оптимизированной формы самоадаптирующегося файла под метод СЛП, у которой все элементы конструкции, выполнены с углами между нависающими поверхностями и плоскостью подложки более 35°, что делает элементы конструкции самоадаптирующегося файла самоподдерживающими; применения оптимизированных технологических параметров: мощность лазера в 70 Вт, скорость сканирования в 800 мм/с при толщине порошкового слоя в 30 мкм. The technical result is achieved through the use of an original strategy for shading the powder layer with a laser; using a laser with a smaller spot diameter at a focal length of 30-55 microns; the use of fine nickel-titanium powder, namely with a median particle diameter of 15-25 microns; using an optimized form of a self-adapting file for the SLM method, in which all structural elements are made with angles between the overhanging surfaces and the substrate plane of more than 35°, which makes the structural elements of the self-adapting file self-supporting; application of optimized technological parameters: laser power of 70 W, scanning speed of 800 mm/s with a powder layer thickness of 30 microns.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022117224A RU2792335C1 (en) | 2022-06-27 | Method for direct laser synthesis of superelastic endodontic instruments from titanium nickelide | |
| RU2022117224 | 2022-06-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024005673A1 true WO2024005673A1 (en) | 2024-01-04 |
Family
ID=89381202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050157 Ceased WO2024005673A1 (en) | 2022-06-27 | 2023-06-26 | Method for the laser synthesis of endodontic instruments from nickel-titanium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2024005673A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150366635A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-12-24 | Dentsply International Inc. | Instruments And Coatings Formed From A Porous Material |
| US20160361765A1 (en) * | 2014-02-26 | 2016-12-15 | Gebr. Brasseler Gmbh & Co. Kg | Method for producing a medical instrument by way of an additive method |
| US20180049845A1 (en) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | John T. McSpadden | Endodontic Instrument & Method for Fabricating Endodontic Instrument Using Additive Manufacturing Process |
| RU2723496C2 (en) * | 2015-12-18 | 2020-06-11 | Цзеч Течницал Университы Ин Прагуе, Фацулты Оф Мечаницал Енгинееринг, Департмент Оф Продуцтион Мачинес Анд Еяуипмент | Method of producing metal parts, in which deposition of material is used, and device for realizing said method |
| WO2022111769A1 (en) * | 2020-11-24 | 2022-06-02 | Laser Zentrum Hannover E.V. | Chip-removing tool for dental treatment, more particularly endodontic file, and method for manufactuing a chip-removing tool |
-
2023
- 2023-06-26 WO PCT/RU2023/050157 patent/WO2024005673A1/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150366635A1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-12-24 | Dentsply International Inc. | Instruments And Coatings Formed From A Porous Material |
| US20160361765A1 (en) * | 2014-02-26 | 2016-12-15 | Gebr. Brasseler Gmbh & Co. Kg | Method for producing a medical instrument by way of an additive method |
| RU2723496C2 (en) * | 2015-12-18 | 2020-06-11 | Цзеч Течницал Университы Ин Прагуе, Фацулты Оф Мечаницал Енгинееринг, Департмент Оф Продуцтион Мачинес Анд Еяуипмент | Method of producing metal parts, in which deposition of material is used, and device for realizing said method |
| US20180049845A1 (en) * | 2016-08-19 | 2018-02-22 | John T. McSpadden | Endodontic Instrument & Method for Fabricating Endodontic Instrument Using Additive Manufacturing Process |
| WO2022111769A1 (en) * | 2020-11-24 | 2022-06-02 | Laser Zentrum Hannover E.V. | Chip-removing tool for dental treatment, more particularly endodontic file, and method for manufactuing a chip-removing tool |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Revilla-León et al. | Metal additive manufacturing technologies: literature review of current status and prosthodontic applications | |
| Revilla‐León et al. | A review of the applications of additive manufacturing technologies used to fabricate metals in implant dentistry | |
| US11173549B2 (en) | Process for producing a beta-alloy titanium niobium zirconium (TNZ) with a very low modulus of elasticity for biomedical applications and its embodiment by additive manufacturing | |
| EP2442746B1 (en) | Dental implant | |
| Khademzadeh et al. | Micro porosity analysis in additive manufactured NiTi parts using micro computed tomography and electron microscopy | |
| US20060172263A1 (en) | Mill blank | |
| Wu et al. | A feasibility study on laser rapid forming of a complete titanium denture base plate | |
| KR100994611B1 (en) | Ultrasonic tip for apicoectomy and manufacturing method for the ultrasonic tip | |
| JP6492512B2 (en) | Dental blank material, metal powder for powder metallurgy, metal frame for dental porcelain baking, and dental prosthesis | |
| CN104646669A (en) | Biomedical porous pure-titanium implant material and preparation method thereof | |
| Dobrzański et al. | Computer aided design in Selective Laser Sintering (SLS)–application in medicine | |
| CN109332698A (en) | A kind of the 3D printing method and mouth cavity planting body of mouth cavity planting body | |
| Moraru et al. | Some technological particularities on the execution of dental prostheses realized by selective laser deposition | |
| Gali et al. | 3D Printing: the future technology in prosthodontics | |
| Liu et al. | Success factors of additive manufactured root analogue implants | |
| JP2006520221A (en) | Method for producing artificial tooth root from metal material, and blank used for this method | |
| RU2792335C1 (en) | Method for direct laser synthesis of superelastic endodontic instruments from titanium nickelide | |
| JP4952912B2 (en) | Method for manufacturing sintered body | |
| CN1462612A (en) | Laser stereo shaping method for preparing buccal metal prosthesis | |
| WO2024005673A1 (en) | Method for the laser synthesis of endodontic instruments from nickel-titanium | |
| CN110037813A (en) | A kind of titanium-based zirconium oxide composite material medical implant and its 3D printing preparation method | |
| Graf et al. | Influence of printing procedure and printing axis of dental alloys on dimensional accuracy, surface roughness, and porosity | |
| Kaleli et al. | Effect of layer thickness on the flexural strength of multiple-unit laser-sintered metal frameworks | |
| Adjamskyi et al. | Application of SLM-technology for manufacture of dental implants from Ti–6Al–4V alloy | |
| CN113476162A (en) | Dental implant with porous structure and preparation method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23831999 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 23831999 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |