FUSIONE LASER SELETTIVA: UNA METODOLOGIA AVANZATA PER LA REALIZZAZIONE DI PROTESI METALLICHE (prima parte)

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1 FUSIONE LASER SELETTIVA: UNA METODOLOGIA AVANZATA PER LA REALIZZAZIONE DI PROTESI METALLICHE (prima parte) Francesco Simionato INTRODUZIONE Durante gli anni 80 del secolo scorso venne introdotta una tecnologia innovativa, denominata Prototipazione Rapida (Rapid Prototyping, RP), che inizialmente aveva lo scopo di realizzare rapidamente prototipi di oggetti da produrre poi in serie con tecniche di lavorazione tradizionali. Essa rese possibile la produzione, in poche ore, di prototipi di qualsiasi forma, senza l impiego di utensili, partendo direttamente dai modelli matematici degli oggetti stessi progettati al computer con programmi grafici CAD tridimensionali (Computer Aided Design, 3D). Il concetto innovativo si basa sul fatto che l oggetto, di forma comunque complessa, viene progettato virtualmente al computer, impiegando un idoneo software CAD 3D, e quindi viene realizzato senza impiegare metodi di lavorazione tradizionali come quelli che si basano su asportazione di truciolo o su assemblaggi di parti costruite separatamente. Tale oggetto viene invece realizzato con tecniche additive, mediante le quali esso viene costruito tramite aggiunte progressive di piccole quantità di materiale e suo consolidamento. L oggetto cioè, viene realizzato strato dopo strato fino al suo completamento, utilizzando come materie prime, a seconda delle specifiche modalità operative, polveri o liquidi o fogli o fili. Dopo il primo sistema, ideato dallo statunitense C.W. Hull, che introdusse una macchina per stereolitografia che si basa sulla polimerizzazione progressiva di un liquido per effetto di un laser, ne sono stati sviluppati numerosi altri, caratterizzati da varianti che hanno consentito la lavorazione di vari materiali. In particolare, i sistemi introdotti nel seguito hanno permesso di non limitarsi più alla realizzazione di soli prototipi, ma di produrre anche oggetti singoli o in piccola serie da impiegare come veri e propri prodotti finiti. Questi sistemi innovativi hanno interessato dapprima le industrie automobilistiche e aerospaziali e nel seguito si sono diffusi in molti altri settori. Tra le principali tecniche attualmente disponibili si ricordano le seguenti: Stereolitografia (SteroLitographic Apparatus, SLA), Modellazione multigetto (Multi Jet Modeling, MJM), Stratificazione di fogli (Laminated Object Manufacturing, LOM), Stampa tridimensionale (3D Printing, 3DP), Modellazione tramite estrusione di filamenti (Fused Deposition Modelling, FDM), Fusione con fascio elettronico (Electron Beam Melting, EBM), Sinterizzazione laser, chiamata anche Sinterizzazione laser selettiva (Selective Laser Sintering, SLS), Fusione laser selettiva (Selective Laser Melting, SLM). Per quanto riguarda la sinterizzazione laser in particolare, i materiali più impiegati sono polveri metalliche, polveri di polimeri termoplastici e polveri ceramiche (queste ultime per la realizzazione di forme refrattarie per operazioni di fusione e colata di materiali metallici). Alcuni dei sistemi suddetti sono stati introdotti anche in ambito medico, in particolare in ortopedia e recentemente anche in odontoiatria. Per quanto riguarda l odontoiatria in particolare, risulta evidente il grande interesse che essi suscitano in questa disciplina, nella quale è necessario realizzare dispositivi su misura per ogni singolo paziente. La fusione laser selettiva di materiali metallici, detta anche Sinterizzazione laser diretta di metallo (Direct Metal Laser Sintering, DMLS), rappresenta una variante rispetto alla classica sinterizzazione laser selettiva, in quanto durante la lavorazione la polvere metallica viene fusa completamente. Questo processo è stato introdotto in odontoiatria per la produzione diretta di protesi metalliche, ed esso rappresenta attualmente la metodologia metallurgica più avanzata in questo settore sanitario. Una delle aziende leader che in campo internazionale si è particolarmente distinta nella produzione di apparecchi per sinterizzazione è la EOS Electro Optical Systems GmbH di Krailling/Munchen (Germania).

2 LA PRODUZIONE DELLA EOS GmbH La ditta EOS produce tre serie di apparecchi per sinterizzazione i cui modelli sono caratterizzati dalle sigle P, M e S. La lettera P è l iniziale del termine Plastic, ed essa si riferisce ad apparecchi aventi lo scopo di sinterizzare polveri polimeriche (di poliammide, di poliammide rinforzata e di polistirene). La lettera M è l iniziale del termine Metal, ed essa si riferisce ad apparecchi aventi lo scopo di sinterizzare polveri metalliche (bronzo, acciai, leghe di cobalto, titanio). La lettera S è l iniziale del termine Sand, ed essa si riferisce ad apparecchi aventi lo scopo di sinterizzare polveri ceramiche (sabbia da fonderia, quarzo ecc.) per la realizzazione di forme refrattarie per operazioni di fusione e colata di materiali metallici. Per quanto riguarda il settore dentale in particolare, sono state proposte le due possibilità seguenti: 1) la realizzazione diretta di protesi metalliche in leghe di cobalto per impieghi dentali; 2) la realizzazione di modellati in resina da impiegare successivamente per operazioni di fusione a cera persa). Gli apparecchi prodotti dalla Ditta EOS sono notevolmente complessi e presentano costi elevati. Essi, infatti, sono destinati principalmente all industria e non direttamente ai laboratori odontotecnici. In ambito dentale questi apparecchi vengono in genere acquisiti da centri di servizi, che a loro volta possono soddisfare le richieste di più laboratori nell intero territorio nazionale. Il primo centro di questo tipo sorto in Italia è la Società 3Dfast di Padova. PRODUZIONE DI PROTESI DENTARIE TRAMITE IL SISTEMA DMLS (DIRECT METAL LASER SINTERING) Attualmente questo procedimento viene principalmente proposto per la realizzazione di sottostrutture metalliche per protesi fisse in metallo-ceramica. Esso consiste essenzialmente nelle fasi seguenti. L odontoiatra, dopo avere eseguito le preparazioni nella bocca del paziente, rileva le impronte, esegue le opportune registrazioni e invia il tutto al laboratorio odontotecnico. Le impronte vengono sviluppate con i metodi tradizionali, ottenendo i relativi modelli in gesso con monconi rimovibili. I modelli vengono adeguatamente rifiniti e montati in articolatore. Il modello relativo all arcata da restaurare viene quindi posto in uno scanner, tramite il quale viene rilevata la forma e la posizione dei denti preparati, ed il tutto viene visualizzato nello schermo di un computer dotato di un apposito programma CAD 3D dentale (Fig. 1). Tramite il programma suddetto viene progettata la sottostruttura metallica per la protesi in metallo-ceramica. Inizialmente si traccia il margine gengivale del restauro, seguendo quello della preparazione eseguita dall odontoiatra. Si stabilisce poi l entità e l estensione dello spazio destinato a ricevere il cemento e, infine, si progetta la sottostruttura metallica mediante modellazione virtuale (Figg. 2 e 3). Durante la progettazione della sottostruttura viene generato un file STL (acronimo di Standard Triangulation Language To Layer) che attualmente rappresenta lo standard di quasi tutti i sistemi di prototipazione rapida. Completata la modellazione virtuale il file viene trasmesso al centro servizi nel quale si trova la macchina per la sinterizzazione. Nel centro servizi vengono progettati i supporti che sosterranno la sottostruttura metallica durante la sua realizzazione e che verranno asportati a lavorazione ultimata. Vari file relativi a più restauri dentali vengono quindi inviati alla macchina che realizza le sottostrutture. Tale macchina (Fig. 4) è dotata di una camera di sinterizzazione, che viene mantenuta in atmosfera inerte, e nella quale si pone una piastra metallica di sostegno per i pezzi da realizzare. Sulla piastra viene steso automaticamente un sottile strato di polvere metallica e la radiazione laser la sinterizza selettivamente secondo la forma della base dei supporti progettati in precedenza. Successivamente viene steso un secondo strato di polvere e l operazione di sinterizzazione si ripete. L operazione continua quindi con la sinterizzazione della polvere metallica, strato dopo strato, dapprima secondo la geometria dei supporti e quindi secondo la forma delle sottostrutture protesiche. Al termine del procedimento, che dura alcune ore e che consente di

3 realizzare contemporaneamente numerosi pezzi, la polvere in eccesso viene allontanata e la piastra di sostegno viene estratta dalla camera di sinterizzazione. La piastra recante le sottostrutture protesiche viene sottoposta ad un opportuno trattamento termico di distensione, atto a eliminare le tensioni presenti nel materiale, ed i sostegni vengono tagliati in prossimità della piastra stessa (Fig. 5). Le parti residue dei sostegni, ancora collegate alle sottostrutture protesiche, vengono quindi asportate. Tale asportazione può essere eseguita in modo alquanto semplice in quanto i sostegni sono formati da sottili strutture metalliche reticolari facilmente frantumabili (Fig. 6). Le sottostrutture vengono quindi inviate al laboratorio odontotecnico, nel quale vengono rifinite (Figg. 7 e 8) e ceramizzate (Fig. 9) con i tradizionali metodi di lavorazione. IL MATERIALE Il materiale metallico proposto dalla Ditta EOS è una lega di cobalto-cromo-molibdenotungsteno ceramizzabile, classificabile come lega dentale tipo 4 secondo la norma EN ISO Dentistry Base metal materials for fixed dental restorations (Materiali metallici non nobili per restauri dentari fissi). Dopo la sinterizzazione, la composizione nominale (% in massa) della lega è la seguente: Co 60%, Cr 26,2%, Mo 6%, W 6%, tracce di silicio, cerio, ferro, manganese, carbonio e nichel. Poiché nella polvere originale il nichel è presente in concentrazioni molto basse e pari a circa lo 0,06%, questa lega può essere definita come esente da nichel. Le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche della lega dopo la sinterizzazione, dichiarate dalla ditta produttrice, sono le seguenti: densità 8,6 g/cm 3, carico unitario di scostamento dalla proporzionalità (Rp 0,2 ) 1020 MPa, resistenza a trazione (Rm) 1270 MPa, allungamento percentuale (A5) 8%, modulo di elasticità 170 GPa, durezza Vickers 450, intervallo di fusione C, coefficiente di dilatazione termica lineare 14, (Si fa presente che nel linguaggio pratico il carico unitario di scostamento dalla proporzionalità viene spesso chiamato limite di snervamento). Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, la norma EN ISO richiede che le leghe tipo 4 presentino un carico unitario di scostamento dalla proporzionalità (Rp 0,2 ) non inferiore a 400 MPa e un allungamento percentuale non inferiore al 3%. VALUTAZIONE SPERIMENTALE DEL SISTEMA DMLS (prima parte) Grazie alla collaborazione della Società 3Dfast di Padova e del Laboratorio odontotecnico MaVi Dental di Albignasego (Padova), si è iniziata una valutazione sperimentale del sistema DMLS proposto dalla ditta EOS per il settore dentale. La prima parte della sperimentazione, riportata nel presente articolo, riguarda i punti seguenti: 1) valutazione delle proprietà tensili della lega dopo la sinterizzazione, 2) valutazione mediante esame microscopico della compattezza della lega dopo la sinterizzazione, 3) valutazione della precisione del combaciamento marginale delle sottostrutture metalliche per corone in metallo-ceramica. Ci si propone di riportare, in un prossimo articolo, i risultati della sperimentazione relativa ai punti seguenti: 1) valutazione dell adesione e della compatibilità termica tra lega e ceramica, 2) valutazione della resistenza di saldature laser, 3) valutazione della resistenza di brasature, 4) valutazione della precisione del combaciamento marginale di sottostrutture metalliche per ponti in metallo-ceramica. Valutazione delle proprietà tensili della lega Per la valutazione delle proprietà tensili della lega sono state realizzate, mediante il sistema DMLS, cinque provini per prove di trazione secondo la norma EN ISO (Fig. 10). Tali provini sono state quindi sottoposti alla prova di trazione seguendo le modalità indicate dalla norma suddetta. I risultati ottenuti sono i seguenti. Provino 1 Rp 0, MPa Rm 1384 MPa A 3,2 %

4 Provino 2 Rp 0, MPa Rm 1397 MPa A 3,7 % Provino 3 Rp 0, MPa Rm 1426 MPa A 3,8 % Provino 4 Rp 0, MPa Rm 1377 MPa A 3,3 % Provino 5 Rp 0, MPa Rm 1389 MPa A 3,5 % Tutti i risultati si sono rivelati superiori ai valori minimi richiesti dalla norma EN ISO per le leghe non nobili tipo 4. Si sottolinea, in particolare, la resistenza molto elevata di questa lega, che è molto maggiore dei valori minimi richiesti. La norma, infatti, richiede che queste leghe presentino un carico unitario di scostamento dalla proporzionalità di almeno 400 MPa. La lega oggetto della presente indagine ha presentato valori di questa grandezza più che tripli di quello minimo richiesto. Valutazione della compattezza della lega Per la valutazione della compattezza della lega dopo la sinterizzazione sono stati preparati due provini per indagini metallografiche. Tali provini sono stati ottenuti tramite troncatura longitudinale di sottostrutture per ponti in metallo-ceramica, loro inglobamento in resina e lucidatura delle sezioni esposte (Fig. 11). All esame microscopico, effettuato con un microscopio metallografico agli ingrandimenti di 90 e 225, la lega si è rivelata notevolmente compatta (Fig. 12). Si è constata solamente la presenza di alcune porosità molto piccole, che si ritengono del tutto ininfluenti sulle proprietà della lega (Fig. 13). Valutazione della precisione del combaciamento marginale La valutazione della precisione del combaciamento marginale è stata effettuata tramite esame allo stereomicroscopio, con oculare di misura, di varie sottostrutture metalliche per corone in metallo-ceramica. In generale, dopo un breve adattamento manuale, il combaciamento marginale si è dimostrato soddisfacente (Fig. 14). Anche nei punti di minore precisione, peraltro di estensione generalmente limitata, l ampiezza massima della fessura (gap) marginale non superava i 50 µm. CONCLUSIONI I risultati di questa prima valutazione della sistematica DMLS (Direct Metal Laser Sintering), per la produzione di sottostrutture metalliche per protesi in metallo-ceramica, sono incoraggianti ed essi giustificano un ulteriore e più completo approfondimento sperimentale. Ci si augura pertanto di poter relazionare, in un prossimo futuro, sui risultati delle ulteriori valutazioni di questo processo che, come si è detto, rappresenta attualmente la metodologia metallurgica più avanzata per la produzione di parti metalliche. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia la Società 3Dfast di Padova, in particolare nelle persone del Dott. Daniele Decò, dell Ing. Thomas Demattio e del Sig. Andrea Sandi per la fornitura delle sottostrutture metalliche e dei provini impiegati nella sperimentazione e per la grande disponibilità dimostrata. Si ringrazia inoltre il laboratorio MaVi Dental di Albignasego (Padova), in particolare nelle persone del Titolare Od. Patrizio Marcato e dell Od. Paolo Milani, che si sono prodigati, con grande perizia e disponibilità, nella realizzazione delle sottostrutture oggetto della presente indagine, e che stanno collaborando fattivamente per la valutazione e l ottimizzazione del sistema DMLS applicato al settore dentale. Autore: Prof. Francesco Simionato Via P. Canal, Padova Tel fsimionato@tiscali.it

5 Fig. 1. Lo scanner nella cui camera è stato collocato un moncone in gesso. Fig. 2. Un odontotecnico durante la progettazione virtuale della sottostruttura metallica. Fig. 3. Particolare della modellazione virtuale. Fig. 4. La macchina nella quale vengono realizzate le sottostrutture metalliche tramite il sistema DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Fig. 5. Una sottostruttura metallica grezza dopo la separazione dalla piastra. Sono ancora presenti i sostegni in posizione occlusale che la collegavano alla piastra. Fig. 6. Visione occlusale dei sostegni; la loro configurazione reticolare ne consente la facile rimozione dalla sottostruttura metallica. Fig. 7. Le sottostrutture metalliche vengono rifinite con i normali metodi di lavorazione. In genere l operazione richiede tempi alquanto brevi. Fig. 8. Una sottostruttura metallica dopo la rifinitura iniziale. Fig. 9. Ponte sperimentale in metallo-ceramica con sottostruttura metallica in lega di cobalto sinterizzata. Dopo l applicazione la ceramica è stata sottoposta a dieci cotture per valutare la sua compatibilità termica con la lega. Fig. 10. Provini per prove di trazione realizzati con il sistema DMLS. Fig. 11. Provino per l indagine metallografica dopo la lucidatura. Fig. 12. Micrografia della superficie lucidata della lega (ingr. orig. 90 ). Si può osservare la notevole compattezza della lega. Fig. 13. Micrografia della superficie lucidata della lega (ingr. orig. 225 ). Si rilevano solamente alcune porosità molto piccole, la cui presenza si ritiene pressoché ininfluente sulle proprietà del materiale. Fig. 14. Esempio di combaciamento marginale tra una sottostruttura metallica ed il relativo moncone. La sottostruttura grezza è stata sottoposta solamente ad un breve intervento di adattamento interno.