Metal ve seramik bazlı dişçilik braketlerinin üretimi
Manufacturing of metal and ceramic based dental brackets
Yazar: ÖZGE ÇOŞUT
Danışman: PROF. DR. AHMET TOPUZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Diş Hekimliği = Dentistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Diş malzemeleri =

Özet:
Dişlerdeki şekil bozukluklarını düzeltmek amaçlı, her yaşta hastaya uygulanabilen ortodonti tedavisi dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır. 
Çalışmamızda sabit ortodontik tedavilerinde dişlere kuvvet aktarıcı olarak görev yapan, boyutsal anlamda çok küçük ve karmaşık şekilli diş braketlerinin toz enjeksiyon kalıplama yöntemleriyle metal ve seramik olarak üretimi üzerine çalışılmıştır. Çalışma kapsamında braketlerin bilgisayar destekli tasarımı, kalıplarının hazırlanması, üretim prosesi ve üretim sonrası uygulanan testler yapılmıştır.
Çalışmanın ilk aşamasında diş braketlerinin tasarımı, bilgisayar destekli tasarım programı olan SolidWorks 2014 programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan ön çalışmalar doğrultusunda piyasadaki mevcut braketler SEM-EDS analizleriyle incelenerek braket için kullanılacak malzemelere karar verilmiştir. Böylece metal braketler için 17-4 PH paslanmaz çelik, seramik braketler için arı Al_2 O_3 hammadelerinin kullanılmasına karar verilmiştir. Braketler için kullanılacak hammaddelerin kalıp başlangıç boyut genişleme faktörü (Z) değerleri hesaplanarak kalıp tasarımları gerçekleştirilmiştir. Bağlayıcı giderme ve sinterleme işlemlerindeki boyutsal azalmalar dikkate alınarak toz enjeksiyonuna uygun kalıp imalatı gerçekleştirilmiştir. Daha sonra braket imalatı adımına geçilmiştir. Enjeksiyon kalıplama için gerekli işlem parametreleri hammaddelere uygun olarak araştırılmıştır. Braketlerin enjeksiyonu, granül haldeki hammaddenin sisteme yüklenmesiyle beraber sırasıyla 190 °C,200 °C, 210 °C ve 220 °C'deki haznelerde ısıtılarak, 110 °C'deki kalıba 1700 bar enjeksiyon basıncı ile 35 cm^3/s enjeksiyon hızında toplam 20 saniye sürede tamamlanmıştır.  Şekillendirme sonrası metal braketlere bağlayıcı giderme işlemi uygulanmıştır. Bu işlem 3 ml/dk uygulanan Nitrik Asit buharında 110 0C'de, 7 saat 45 dakikada katalitik bağlayıcı giderme fırınında gerçekleştirilmiştir. Bağlayıcısı giderilen braketler, sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. Sinterleme prosesi, %100 Argon atmosferinde 1365 0C'de 22 saat süreyle (1) ve % 12 Hidrojen içeren karışım gaz atmosferinde 1260 0C'de 25 saat süreyle (2) iki farklı sıcaklık ve atmosferde uygulanmıştır. Üretim sonrası braketlerin mikroyapı, gözenek, sertlik, yoğunluk, boyutsal analiz ve SEM-EDS analizi testleri gerçekleştirilmiştir. Braketlerin bir kısmına 1040 0C'de 30 dakika bekleyip havada soğutma ardından 500 0C'de 4 saat boyunca beklenip havada soğutma ile çökelti sertleştirmesi işlemi uygulanmıştır. Sertlik değerleri ölçülmüş ısıl işlemsiz (1) numaralı atmosfer için 309.4 HV, (2) numaralı atmosfer icin 306.48 HV bulunmuştur. Isıl işlem sonrası bu değerler (1) için 370.92, (2) için 344.81'e çıkmıştır. Mikroyapı görüntüleri ve sertlik değerleri incelediğimiz kontrol grubu olan ticari ürün ile uyumludur. Mikroyapı üzerinden gözenek analizi yapıldığında (1) numaralı proseste %3.06, (2) numaralı proseste %7.42 oranında gözenek olduğu tespit edilmiştir. Yoğunluk ölçümlerine bakıldığında (1)'de ortalama 6.90 g/cm^3 , (2)'de 6.86 g/cm^3 olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca kontrol grubu ve deneysel ürünlere EDS analizi uygulanmış ve 17-4 PH paslanmaz çelik için sonuçların örtüştüğü belirlenmiştir. Braketlerin boyutsal kontrolleri için optik tarama yöntemi kullanılmıştır. Böylece braket boyutlarının mevcut tasarım değerlerinden (1) için ortalama % 2.64 (2) için ortalama % 4.2 planlanan değerlerden daha büyük üretildiği tespit edilmiştir.
Bu deneysel çalışma kapsamında ticari olarak kullanılabilecek metal diş braketleri için gerekli üretim parametreleri araştırılmış ve üretim sonrası testler uygulanarak ticari bir ürün haline getirilebilmesi için gerekli koşullar saptanmıştır.

Abstract:
Orthodontic treatment is a widely used process all around the world in order to move poorly aligned teeth to a desirable position and it can be applied to patients of all ages.
In this work, small sized and complex shaped, metal and ceramic type orthodontic brackets which are used to transmit forces produced by arch wire in fixed orthodontic treatment was stduied using PIM (Powder Injection Molding) method. The computer aided design of the brackets, preparation of mold, manufacturing process and tests were carried out within the scope of the study.
In the first phase of the study, the orthodontic bracket was designed using SolidWorks 2014 CAD (Computer Aided Design) tool. In accordance with the preliminary studies, the commercially available orthodontic brackets were analyzed by SEM-EDS and the materials to be used for the brackets were decided. Thus it was decided to use 17-4 PH stainless steel for metal brackets and Al_2 O_3 for ceramic brackets. Mold designs were carried out by calculating the tool cavity expansion factor (Z) values of the raw materials to be used for brackets. Taking accout of the dimensional reductions in binder removal and sintering processes, the appropriate mold for powder injection was manufactured. Then the bracket manufacturing step was started. The process parameters required for injection molding were investigated in accordance with the raw materials. In injection process, the granular raw material was first loaded into the injection machine and was heated in the reservoirs at 190 °C, 200  °C,210 °C and 220 °C respectively. Thereafter, the injection molding was carried out at 110 °C temperature and 1700 bar pressure with 35 cm^3/s injection rate for 20 seconds. After shaping, debinding process was applied to metal brackets. This process is carried out in a catalytic debinding furnace at 110 °C for 7 hours and 45 minutes under nitric acid vapor applied at 3 ml/min rate. Sintering was applied to the brackets after debinding process. The sintering process was carried out at two different temperatures and atmospheres which are 100% Argon atmosphere at 1365 °C for 22 hours (1) and at a temperature of 1260 °C for 25 hours (2) in a mixed gas atmosphere containing 12% Hydrogen. Microstructure analysis, hardness tests, porosity and density measurement, dimensional analysis and SEM-EDS analysis were applied to the brackets after manufacturing. A part of the brackets were subjected to precipitation hardening by air cooling after 30 minutes at 1040 °C and 4 hours at 500 °C. Hardness values were found to be 309.4 HV for atmosphere (1) and 306.48 HV for atmosphere (2) without heat treatment. After heat treatment, these values increased to 370.92 for (1) and 344.81 for (2). Microstructure images and hardness values were found to be compatible with the commercial product. Porosity analysis was performed on the microstructure and it was determined that the porosity is 3.06% for (1) and 7.42% for (2). The density values were measured as 6.90 g/cm^3 for (1) and 6.86 g/cm^3 for (2) in average. In addition, EDS analysis was applied to the control group and experimental products and the it the results were found to overlap for 17-4 PH stainless steel. Optical scanning method was used for dimensional control of the brackets. Thus, it was found that the bracket dimensions were manufactured 2.64% larger for atmosphere (1) and 4.2% larger for atmosphere (2) than the than the dimensions of available brackets designs.
Within the scope of this experimental study, the production parameters required for dental brackets that can be used commercially were investigated and tests were applied to determine the necessary conditions for commercialization.