Machinability of Zirconia Toughened Mica Glass Ceramics for Dental Restorations / Usinabilidade de cerâmica de vidro de mica temperada com zircônia para restaurações dentárias

ABSTRACT

Objective: For a dental material to be machinable for CAD/CAM technology, it must offer convenient machining, under a given set of cutting conditions. Quantitative evaluation of machinability has been assessed in literature through various parameters such as tool wear, penetration rates, surface roughness, cutting force and power. A machinable ceramic will typically demonstrate a higher tool penetration rate with signs of reduced diamond tool wear and edge chipping. The purpose of this in vitro study was to evaluate the feasibility of machining an experimental ceramic, 20 wt.% zirconia reinforced mica glass ceramics (G20Z) for indirect dental restorations and compare the tool penetration rates of G20Z to commercially available dental ceramics, Presintered Zirconia (PSZ) and IPS emax CAD. Material and Methods: Precursors of base glass (SiO2 -Al2O3 -K2O -MgO-B2O3 -F) were melted at 15000C for 2 h in a platinum crucible and quenched in deionised water. The glass frit was ball milled with 20 wt. % YSZ (G20Z) and subject to two stage heat treatment in a muffle furnace. Specimens of G20Z (12 X 2 mm) were evaluated for their feasibility of machining under varying spindle speed, depth of cut, and feed rates. Influence of depth of cut, spindle speed and feed rate (vc=8000-16000 rpm, d=0.4-0.8 mm, f=0.1- 0.3 mm/tooth) on cutting forces, material response, surface roughness and tool wear were investigated. Tool penetration rates, tool wear and margin chipping were also evaluated and compared with Pre-sintered Zirconia (PSZ) and e.max CAD in a custom dental milling surveyor at 30,000 rpm with a load of 0.98 N under water lubrication for 6 min. Tool penetration rates were calculated as the ratio of length of cut and milling time with a measuring microscope and scanning electron microscope was used for tool wear and edge chipping. ANOVA and Tukey Kramer tests were used for statistically comparing the means of each group. Results: Spindle speed and feed rate play a significant role in influencing surface roughness, thrust force, cutting forces and tool wear. Penetration rates of G20Z (0.32 ±0.12 mm/min) was significantly greater than PSZ (0.26 ±0.06 mm/min) and IPS e.max CAD (0.21 ±0.05 mm/min). SEM observations reveal tool abrasion and edge chipping regardless of the ceramic type. Conclusion: High spindle speeds delivers low cutting forces with an average surface roughness of 1.61 µm, with abrasive wear of the tool insert and brittle fracture of zirconia mica glass ceramic composites. G20Z with its machinable nature demonstrates greater tool penetration rates than PSZ and IPS e.max CAD. Tool wear and edge chipping is seen in all the investigated ceramics. (AU)

RESUMO

Objetivo: Para que um material odontológico seja usinável para a tecnologia CAD / CAM, ele deve oferecer uma usinagem conveniente, sob um determinado conjunto de condições de corte. A avaliação quantitativa da usinabilidade tem sido avaliada na literatura por meio de vários parâmetros, como desgaste da ferramenta, taxas de penetração, rugosidade da superfície, força de corte e potência. Uma cerâmica usinável normalmente demonstrará uma maior taxa de penetração da ferramenta com sinais de desgaste reduzido da ferramenta de diamante e lascamento da borda. O objetivo deste estudo in vitro foi avaliar a viabilidade da usinagem de uma cerâmica experimental, 20% em peso de cerâmica de vidro de mica reforçada com zircônia (G20Z) para restaurações dentárias indiretas e comparar as taxas de penetração da ferramenta de G20Z com as cerâmicas dentais comercialmente disponíveis, Zircônia Presinterizada (PSZ) e IPS emax CAD. Material e Métodos: Precursores de vidro base (SiO2-Al2O3-K2O -MgO-B2O3 -F) foram fundidos a 15000C por 2 h em um cadinho de platina e temperados em água deionizada. A frita de vidro foi moída com 20% em peso de YSZ (G20Z) e submetida a tratamento térmico em duas fases em mufla. Amostras de G20Z (12 x 2 mm) foram avaliadas quanto à sua viabilidade de usinagem sob variação de velocidade do fuso, profundidade de corte e taxas de avanço. A influência da profundidade de corte, velocidade do fuso e taxa de avanço (vc = 8000-16000 rpm, d = 0,4-0,8 mm, f = 0,1- 0,3 mm / dente) nas forças de corte, resposta do material, rugosidade da superfície e desgaste da ferramenta foram investigadas. As taxas de penetração da ferramenta, o desgaste da ferramenta e o lascamento da margem também foram avaliados e comparados com Zircônia pré-sinterizada (PSZ) e e.max CAD em um topógrafo de fresamento dentário personalizado a 30.000 rpm com uma carga de 0,98 N de lubrificação subaquática por 6 min. As taxas de penetração da ferramenta foram calculadas como a razão entre o comprimento de corte e o tempo de fresamento com um microscópio de medição e um microscópio eletrônico de varredura foi usado para o desgaste da ferramenta e lascamento da borda. Os testes ANOVA e Tukey Kramer foram usados para comparar estatisticamente as médias de cada grupo. Resultados: a velocidade do fuso e a taxa de avanço desempenham um papel significativo em influenciar a rugosidade da superfície, força de impulso, forças de corte e desgaste da ferramenta. As taxas de penetração de G20Z (0,32 ± 0,12 mm / min) foram significativamente maiores do que PSZ (0,26 ± 0,06 mm / min) e IPS e.max CAD (0,21 ± 0,05 mm / min). As observações do SEM revelam a abrasão da ferramenta e o lascamento da borda, independentemente do tipo de cerâmica. Conclusão: As altas velocidades do fuso proporcionam baixas forças de corte com uma rugosidade superficial média de 1,61 µm, com desgaste abrasivo do inserto da ferramenta e fratura frágil de compósitos de cerâmica de vidro de zircônia. G20Z com sua natureza usinável demonstra maiores taxas de penetração da ferramenta do que PSZ e IPS e.max CAD. O desgaste da ferramenta e o lascamento da borda são vistos em todas as cerâmicas investigadas. (AU)