W
artykule przedstawiono podstawy laserowego łączenia materiałów
używanych w stomatologii i protetyce. Nowoczesne technologie
dentystyczne wymagają zaawansowanych sposobów łączenia różnorodnych
materiałów. Spawanie laserowe jest dziś dla protetyki stomatologicznej
ważnym i przyszłościowym rozwiązaniem. Laserowe łączenie metali i
stopów metali posiada wiele zalet niedostępnych przy zastosowaniu
innych metod.
1. Wprowadzenie
Dotychczas stosowanymi technikami łączenia materiałów stomatologicznych
są lutowanie, klejenie bądź spawanie nielaserowe. Metody te posiadają
szereg wad, które ograniczają ich zasięg stosowania, zmniejszają
efektywność i trwałość połączeń. Do wad powyższych metod można
zaliczyć: negatywne oddziaływanie składników lutowia lub kleju na jamę
ustną i przewód pokarmowy, małą odporność na korozję, obniżone
własności mechaniczne i niewystarczającą wytrzymałość łączenia, dużą
podatność na korozję połączeń spawanych bądź lutowanych.
Alternatywą, pozbawioną w dużym stopniu powyższych wad jest technika
spawania promieniowaniem laserowym. Promieniowanie laserowe umożliwia
dość łatwe łączenie metali i ich stopów o różnych grubościach, bez
stosowania trzeciego materiału. Połączenia laserowe charakteryzują się
wysoką jednorodnością struktury złącza zbliżoną do struktury i
właściwości materiału rodzimego. Produkty wytworzone poprzez spawanie
wiązką pieniowania laserowego są odporne na korozję. Ponadto,
wytrzymałość połączeń uzyskiwanych metodą spawania laserowego jest
znacznie wyższa niż w przypadku spoin wykonanych innymi metodami.
2. Podstawy spawania laserowego
Spawanie laserowe polega na stopieniu fragmentów łączonych materiałów
energią cieplną pochodzącą od skoncentrowanej wiązki laserowej. Wiązka
promieniowania laserowego doprowadzana jest do miejsca oddziaływania z
łączonymi materiałami poprzez układ optyczny oddalony od kilku
milimetrów do kilku centymetrów. Koncentracja gęstości mocy
promieniowania zapewniająca swobodne roztopienie dwóch łączonych
materiałów powinna przekraczać wartości 106 W/cm2. Typowy schemat
realizacji procesu niekontaktowego łączenia materiałów wiązką światła
laserowego przedstawiono na rysunku 1a.
a) |
b)  |
Rys1 Ilustracja procesu spawania laserowego (a)
oraz jednorodności połączenia
tytanu z tytanem (b)
Oznaczenia M1, M2 - łączone materiały,
W1, W2 - wiązki promieniowania laserowego |
Proces laserowego spawania zilustrowany skrótowo na rysunku 1a zależy
od wielu czynników zarówno charakteryzujących właściwości spawanych
materiałów, jak również od szczegółowszych charakterystyk wiązki
laserowej. Jedną z ważniejszych charakterystyk materiałowych jest
współczynnik absorpcji określonej długości fali światła laserowego.
Większość metali i ich stopów skuteczniej absorbuje krótsze długości
fali. Przykładowo długość fali 1064 nm lasera jagowo-neodymowego
(YAG:Nd) jest kilka razy silniej absorbowana niż 10 razy dłuższa fala
promieniowania lasera gazowego CO2. Ze względu na charakterystykę
parametrów wiązki laserowej użytecznej dla procesów łączenia materiałów
stomatologicznych jest tryb pracy: impulsowy lub ciągły. Dla łączenia
metali i ich stopów przydatnych w protetyce stomatologicznej jest praca
impulsowa zamiast pracy ciągłej. Także moc w impulsie oraz gęstość mocy
na powierzchni materiału odgrywają ważna rolę w skuteczności spawania.
Za gęstość mocy na powierzchni odpowiada w dużym stopniu obiektyw
ogniskujący i zdolność do uzyskiwania małych rozmiarów zogniskowanej
plamki. Ponadto, możliwość zogniskowania wiązki promieniowania
laserowego do rozmiarów mniejszych od 0.5 mm, zapewnia uzyskanie
wysokiej precyzji łączenia. Dobre zogniskowanie promieniowania prowadzi
także do znaczącej redukcji naprężeń termicznych i ograniczenia strefy
wpływu ciepła w materiale. Dzięki możliwości uzyskiwania dużych
gęstości mocy promieniowania możliwe jest topienie tak twardych
materiałów jak tytan, gwarantując jednocześnie bardzo jednorodne
połączenie tytan-tytan. Przykład takiego połączenia zilustrowano na
rysunku 1b.
W dentystyce spawaniu laserowemu poddawane są najczęściej metale, stopy
metali oraz szereg materiałów ceramicznych, w tym również łączenie typu
metal - ceramika. W dalszej części tej pracy podane zostaną przykłady
laserowego spawania tych materiałów.
3. Spawanie metali i stopów dentystycznych
W jamie ustnej materiały protetyczne znajdują się w środowisku aktywnym
i dlatego ulegają korozji. Liczne materiały mogą wywoływać reakcje
alergiczne i wydzielać w organizmie substancje toksyczne. Ważną zaletą
metody spawania laserowego jest wysoka trwałość antykorozyjna złącz.
Spawanie laserowe gwarantuje jednorodność powierzchni, brak głębokich
defektów, w których mogą gromadzić się bakterie. Przy spawaniu
laserowym nie są wykorzystywane materiały wywołujące reakcje alergiczne
i wydzielające substancje toksyczne, co zapewnia lepsze współistnienie
biologiczne połączeń laserowych ze środowiskiem jamy ustnej w
porównaniu do spoin wykonanych metodami klasycznymi.
W spawaniu metali i ich stopów najczęściej stosuje się promieniowanie
lasera jagowo-neodymowego (YAG:Nd) o długości fali 1064 nm, długości
impulsu od 1 do 30 ms, oraz energii w impulsie od 0.5 do 50 J.
Przykłady procesu laserowego spawania i wykonanych połączeń techniką
laserową przedstawiono na rysunku 2. Fotografie oznaczone przez a), b)
i c) ilustrują początek i koniec bezkontaktowego precyzyjnego łączenia
typowych materiałów dentystycznych. Kolejne fotografie przedstawiają
bardzo typowe przykłady wykonanych techniką laserową kilku różnych
połączeń materiałów.
Rys. 2. Przykłady procesu laserowego spawania
(a,b,c) oraz przykłady (d,e,f,g,h) wykonanych laserowo połączeń
materiałów protetycznych.
a) proces nagrzewania,
b) proces roztapiania,
c) proces spawania
d) nakładka uzupełniająca korony,
e) korona tytanowa,
f) tytanowe połączenia implantów,
g) połączenie materiałów ortodontycznych,
h) usunięcie defektów odlewu
Spośród typowych stopów metali używanych w protetyce dentystycznej,
techniką laserową najczęściej spawane są stopy: metali szlachetnych, na
przykład srebra i palladu znane pod nazwą SIPAL;
niklowo-chromowo-aluminiowe spotykane pod nazwą skrócona NCA;
kobaltowo-chromowo-molibdenowe znane jako KCM oraz czyste metale jak
tytan, złoto, srebro, platyna itp.
| a) |
b) |
 |
 |
|
Rys. 3. Zależność rozmiarów spawu wybranych materiałów
od energii w impulsie promieniowania laserowego
a) średnica spawu,
b) głębokość spawu.
|
Na rysunku 3 przedstawiono zależność rozmiarów spawu:
tytan-tytan, SIPAL-SIPAL, NCA-NCA, KCM-KCM od energii w impulsie
promieniowania lasera YAG:Nd, o energii od 1 do 8 J, o długości impulsu
regulowanej od 2 do 5ms. Częstotliwość powtarzania impulsów tego lasera
zmieniała się od 0.1 do 10Hz. Spawanie laserowe materiałów z rysunku 3
pokazało, że maksymalna różnica średnicy łączenia nie przewyższała
0.4mm dla NCA i SIPALu. Głębokość zaś łączenia była największa dla
tytanu i wynosiła ponad 1.2mm przy energii impulsu 8J. W Tabeli 1
zebrano najbardziej typowe parametry stosowane w łączeniu najbardziej
popularnych materiałów protetycznych.
Tabela 1. Najbardziej typowe parametry promieniowania lasera YAG:Nd stosowane w laserowym spawaniu materiałów protetycznych
O jakości spoin wykonanych techniką laserową świadczą przede wszystkim
ich parametry wytrzymałości na rozciąganie i zginanie. Na rysunku 4
przedstawiono porównanie trwałości spawów wykonanych promieniowaniem
laserowym z trwałością połączeń wykonanych metodami klasycznymi, dla
różnych kombinacji łączonych materiałów. We wszystkich przypadkach
spawanie laserowe dawało wyższe wskaźniki trwałości wykonanych
połączeń.
| a) |
b) |
 |
 |
|
Rys. 4. Porównanie wytrzymałości spawów typowych materiałów
dentystycznych połączonych metoda laserową i klasyczną
a) na rozciąganie,
b) na zginanie.
|
4. Podsumowanie
Jak przedstawiono
powyżej na kilku ilustracjach laserowe spawanie materiałów
dentystycznych można scharakteryzować następująco:
- proces odbywa się bezkontaktowo;
- impulsowy charakter procesu zapewnia znikomą strefę przegrzania i
minimalizuje odkształcenia materiału oraz podwyższa odporność spawu na
korozję
- małe rozmiary zogniskowanej wiązki promieniowania zapewniają wysoką dokładność i trwałość łączenia materiałów;
- łatwe łączenie różnorodnych materiałów mających różną grubość;
- nie wymaga stosowania materiałów dodatkowych;
- umożliwia otrzymywanie spoin o bardzo wysokiej jednorodności.
- umożliwia wykonywanie połączeń materiałów w miejscach trudnodostępnych co jest niemożliwe dla innych technik
Technologia spawania laserowego jest wciąż dziedzina nową,
stale się rozwijającą i coraz powszechniejszą. W niektórych
zastosowaniach staje się wręcz niezastąpioną. Przykładem niezwykłej
przydatności laserowych urządzeń spawających jest protetyka. Nowoczesne
gabinety protetyczne, stosujące technologie laserowego spawania mogą
wykonywać aparaty i protezy stomatologiczne o wysokiej jakości i
trwałości zapewniając komfort pacjentom. Laserowe technologie spawania
staną się wkrótce niezastąpionym standardem w produkcji nowoczesnych
produktów medycznych i stomatologicznych.
Autor przy
opracowywaniu powyższego tekstu, oprócz bogatego doświadczenia
własnego, korzystał z poniższych wydawnictw książkowych:
- "Laser welding" Walter W. Duley Printed in the United of America 1998 r.
- "Schweißen mit Laser" E. Beyer Auchen un Berlin, im Juli 1998 r.
