Fresamento de dióxido de zircônio para produtos odontológicos

A fabricante de ferramentas de corte alemã Kopp Schleiftechnik e a Universidade Técnica de Darmstadt mostraram, por meio de um projeto de pesquisa conjunto, que o uso de ferramentas otimizadas proporcionou significativa melhora no desempenho da usinagem do dióxido de zircônio.

Kopp Schleiftechnik e PTW

Data: 29/06/2017

Edição: MM Maio 2017 - Ano 53 - N^o 616

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Usinar dióxido de zircônio para a indústria odontológica da maneira mais econômica possível e, efetivamente, alcançando os melhores resultados – este foi o objetivo de um projeto conjunto de pesquisa da fabricante de ferramentas Kopp Schleiftechnik, com sede em Lindenfels, e do Instituto para Gestão da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramenta da Universidade Técnica de Darmstadt (PTW), ambos na Alemanha. Dentro do programa chamado Central de Inovações para as Empresas de Médio Porte, promovido pelo Ministério Federal para Economia e Energia da Alemanha (BMWi), foi desenvolvida uma fresa esférica, a qual foi testada, sob diversos parâmetros, na usinagem de semiprodutos verdes feitos com cerâmicas sofisticadas, tendo sido obtidos resultados surpreendentes.

Figura 1 – Os especialistas da Kopp Schleiftechnik e da Universidade Técnica de Darmstadt efetuaram ensaios de microusinagem de trilhas espirais planas em óxido de zircônio usando uma fresadora de mesa, máquina comum nos laboratórios odontológicos (Fonte: Universidade Técnica de Darmstadt e Kopp Schleiftechnik)

Dióxido de zircônio requer novas funções para a usinagem

O dióxido de zircônio (ZrO 2), que apresenta dureza de 1.200 HV, é um material cerâmico que, em função de sua resistência à flexão, tenacidade à fratura e resistência ao desgaste, está sendo usado com frequência como material industrial.As possibilidades de sua aplicação vão desde válvulas, carcaças de sensores, mancais e bombas de água, até tubos e ferramentas de corte.

É aplicado também na área médica como, por exemplo, na odontologia, segmento no qual seu uso é extremamente popular, em função de sua biocompatibilidade, alta estabilidade contra abrasão e baixa afinidade com as placas dentárias.Portanto, espera-se que, no futuro, ocorra aumento em sua utilização como material para pinos, implantes, coroas e pontes dentárias.

Contudo, essa nova situação representa um grande desafio para os especialistas em usinagem. Por isso, a fabricante de ferramentas Kopp Schleiftechnik se juntou ao PTW para enfrentá-lo com o auxílio de um projeto de pesquisa. Ficou claro que, como os custos das ferramentas contribuem de 7 a 15% para as despesas associadas à manufatura, eles devem ser reduzidos para que a produtividade seja aumentada.

Os parceiros de projeto consideraram como pontos de referência fundamentais a vida útil da ferramenta, sua otimização, substrato e revestimento, bem como otimização do processo e medições dimensionais nas máquinas. A qualidade superficial que pode ser obtida por diversas estratégias de usinagem possui igualmente um papel fundamental, ainda que os processos de acabamento representem um considerável fator de custos adicional.

Em primeiro lugar, foi constatado que a usinagem bem-sucedida do dióxido de zircônio decorre de uma combinação otimizada de geometria da ferramenta, revestimento e estratégia de usinagem. É evidente que o fresamento também precisa ser concebido de forma tal que a ferramenta não seja danificada: o lascamento do material, por exemplo, deve ser evitado de forma incondicional.

Figura 2 – O dióxido de zircônio é muito popular no ramo odontológico, em função de sua biocompatibilidade, alta estabilidade à abrasão e baixa compatibilidade com a placa dentária. Ele frequentemente se mostra como material ideal para pinos, implantes, coroas e pontes dentárias (Fonte: Universidade Técnica de Darmstadt)

Usinagem no estado verde é a variante mais favorável

Há basicamente três possibilidades para se usinar o dióxido de zircônio: no estado verde, ou seja, a peça bruta compactada sem tratamento térmico; no estado de corpo branco pré-sinterizado; ou na forma com resistência mecânica final, totalmente sinterizada. Dentro deste projeto, a Kopp Schleiftechnik preparou uma fresa com cabeçote esférico de corte duplo, apresentando diâmetro de 1 mm, para efetuar a usinagem de acabamento do dióxido de zircônio no estado verde. Nesta forma, geralmente, a usinagem apresenta seu melhor desempenho, uma vez que a dureza e, consequentemente, a resistência do dióxido de zircônio ao corte, é menor.

Foram usinadas trilhas espirais planas numa microfresadora de mesa, comum em laboratórios odontológicos. A usinagem foi feita com diferentes substratos e geometrias de metal duro, usando-se tanto fresas não revestidas como as revestidas com diamante em uma espessura de 6 a 8 μm.

O fresamento ocorreu sob diversas velocidades de corte, a partir dos parâmetros recomendados pelo fabricante: vc = 100 m/min; fz = 0,02 mm e a e = 0,3 mm. Todas as ferramentas estudadas mostraram, independentemente dos parâmetros selecionados, desgaste abrasivo no flanco da ferramenta, em função da desagregação do material e das pressões de compressão induzidas. Além disso, as ferramentas foram submetidas a solicitações adicionais decorrentes do material removido por abrasão nas zonas de ataque o que, em função dos altos níveis de atrito, também provocou redução na sua vida útil.

Fresa esférica refrigerada sem revestimento

Por outro lado, os ensaios permitiram constatar que a vida útil da ferramenta pode ser aproximadamente duplicada pela aplicação de um jato de ar na zona de ataque. O uso do revestimento de diamante permitiu aumentar adicionalmente a vida útil em um fator de dez em relação às ferramentas não revestidas.

Contudo, para possibilitar a usinagem econômica do dióxido de zircônio, também é necessário observar os tempos sob serviço da ferramenta. Se a fresa for regularmente substituída a cada cinco horas, o uso do modelo esférico não revestido, mas refrigerado, mostrou-se o mais lucrativo, uma vez que sua vida útil é de aproximadamente cinco horas.

A fresa revestida com diamante mantem-se trabalhando durante tempos significativamente mais longos, mas a troca de ferramenta a cada cinco horas representa um claro desperdício de potencial e dinheiro, uma vez que o revestimento responde por pelo menos 50% do custo da ferramenta. A usinagem com fresas revestidas de diamante somente se tornou rentável novamente quando a troca da ferramenta passou a ser feita a cada sete horas.

Também foi investigada a rugosidade superficial da peça que está sendo usinada, uma vez que o trabalho de polimento subsequente contribui de maneira decisiva para determinar os custos do processo de fabricação. Constatou-se menor ocorrência de rugosidade grosseira incipiente devido ao lascamento das bordas radiais da fresa ao longo da vida útil da ferramenta. A razão para isso, de acordo com os pesquisadores, tanto no caso de ferramentas revestidas, como das não revestidas, foi o arredondamento das arestas de corte após curtos tempos de usinagem, o que proporcionou melhores valores de rugosidade.

Figura 3 – Microferramentas de alto desempenho semelhantes a essas, concebidas pela Kopp Schleiftechnik – cujo tamanho pode ser imaginado nesta comparação com um palito de fósforo – não raramente demonstram sua capacidade também na usinagem de dióxido de zircônio (Fonte: Kopp Schleiftechnik)

Prolongamento de 80% da vida útil

A precisão superficial depende igualmente da estratégia de fresamento: o dióxido de zircônio é muito frágil, motivo pelo qual surgem microtrincas alternadas na peça durante seu fresamento combinado. Os melhores resultados foram obtidos com fresamento concordante periférico e resultados medianos foram conseguidos com avanço tangencial, enquanto que uma estratégia combinada levou a um aumento de 64% na rugosidade devido à ocorrência de lascamentos. O metal duro que constitui a ferramenta possui apenas uma influência muito pequena sobre a qualidade superficial.

De forma global, a otimização na vida útil das ferramentas alcançada neste projeto foi de 80% em comparação com a das ferramentas convencionais. Particularmente num ramo que luta contra seus custos, como é o caso da odontologia, tais margens de ganho são muito representativas.