Elmas katkılı kompozit frez üretimi ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Fabrication and mechanical characterization of diamond-reinforced composite burs
- Tez No: 987549
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI ABDULLAH TAŞDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Fiber lazer, Metal matrisli kompozitler, Sert lehimleme, Fiber laser, Metal matrix composites, Brazing
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elmas takviyeli kompozit malzemeler; yüksek ısı iletim kabiliyeti, aşınma direnci ve mekanik dayanımları nedeniyle başta uzay ve savunma sanayii olmak üzere çeşitli ileri mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, söz konusu malzemeler, tıbbi uygulamalarda kullanılan elmaslı dental frezler özelinde ele alınmıştır. Dental frezler, diş hekimliğinde dolgu, kanal tedavisi ve cerrahi işlemler sırasında kullanılan sarf malzemeleri olup, ülkemizde büyük ölçüde ithal edilmektedir. Bu kapsamda, tasarım aşamasından başlanarak elmaslı dental frez için yenilikçi üretim teknolojileri geliştirilmiş ve ürünün yerli olarak prototip imalatı gerçekleştirilmiştir. Literatürde yer alan kompozit malzeme mekaniği, cisimlerin mukavemeti, mekanik, talaşlı imalat prensipleri ve malzeme bilimi yaklaşımlarından yararlanılarak sistematik bir tasarım altyapısı oluşturulmuş ve imalat sürecine ilişkin analitik bağıntılar geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yaklaşım, yalnızca dental frezlerle sınırlı kalmayıp, yüksek dayanım gerektiren madencilik takımları ve benzeri elmas takviyeli kompozit uygulamalarına da uyarlanabilir niteliktedir. Hedeflenen iş parçasının insan dişi olması nedeniyle, öncelikle insan dişinin malzeme karakteri ayrıntılı olarak analiz edilmiş; kesici takımın sahip olması gereken asgari mekanik ve tribolojik özellikler ile diş işleme sürecine ilişkin talaşlı imalat kriterleri literatürden derlenmiştir. Bu çerçevede, kesme kabiliyetini belirleyen elmas tanelerinin morfolojik sabitleri ile bu tez kapsamında ilk kez tanımlanan gömülme oranı kavramı esas alınmıştır. Ayrıca, kesici yapısında yer alması gereken lamine ara kaplama tabakası ile metal matrisli elmas (MME) dolgu tabakasının sertlik ve dayanım özellikleri tasarımsal olarak belirlenmiştir. Bu aşamayı takiben, malzeme miktarı ve geometrisi tanımlanan elmas frezin imalat prosedürleri sistematik olarak tasarlanmıştır. Konvansiyonel olarak silindirik tornalama işlemi sonrası elektrokaplama yöntemiyle üretilen dental frezlerden farklı olarak, bu tez kapsamında frezler, lazer tornalama operasyonu sonrasında toz metalürjik yöntemlerden biri olan sinter–lehimleme işlemi ile kaplanarak üretilmiştir. Lazer tornalama tekniği sayesinde herhangi bir kesici takım kullanılmaksızın, doğrudan lazer ışını ile hassas çap düşümleri elde edilmiştir. Ancak işlemin atmosfere açık ortamda gerçekleştirilmesi nedeniyle yüzey pürüzlülüğü ve oksidasyon oluşumları gözlemlenmiştir. Süreç içerisinde gerçekleştirilen iyileştirmeler ile bu olumsuz etkiler minimize edilmiş ve ürün, medikal kullanım için gerekli kalite seviyesine ulaştırılmıştır. Lazer tornalama yönteminin AISI 308L paslanmaz çelik malzemeye, standartlarda talep edilen toleranslar dahilinde ve tekrarlanabilir biçimde ilk kez uygulanması, bu tez kapsamında elde edilen yeniliklerden biridir. Lazer tornalama sonrası uygulanan yüzey temizleme ve akımsız nikel kaplama işlemleri ile taban malzemesi, MME tabakasının entegrasyonuna hazır hale getirilmiştir. MME tabakasının tasarım gereklilikleri doğrultusunda yalnızca nikel ve elmas partiküllerinden oluşması hedeflenmiştir. Literatürde, daha büyük çaplı elmaslı takımların sinterleme ile üretiminde, elması tabana bağlamak amacıyla genellikle elmas ile intermetalik yüzey oluşturabilen ve grafitleşme sıcaklığının altında ergiyebilen özel ötektik alaşımlar kullanılmaktadır. Ayrıca elmas içeren ısıl işlemlerin çoğunlukla yüksek vakum altında gerçekleştirilmesi, geçmişten günümüze uygulanan bir yöntemdir. Ancak bu vakum seviyeleri, standart donanımlarla sağlanamayan ve yüksek maliyetli özel sistemler gerektiren koşullardır. Bu tez çalışmasında, MME entegrasyonu için soğuk izostatik presleme sonrası lazer sinter–lehimleme yöntemi tercih edilmiştir. Elmasın taban malzemeye bağlanmasını sağlayacak metal matris malzemesi olarak, diş hekimliği standartlarına uygunluk gereği saf nikel tozu seçilmiştir. Saf nikel ve elmas tozlarının spektrometrik karakterizasyonu yapılmış; elektron mikroskobu görüntüleri ve geliştirilen görüntü işleme yazılımı aracılığıyla tane boyutu ve homojenizasyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Hammaddelerin nitelik kontrolünün ardından, tozların sapa tutundurulması işlemi, bu tez kapsamında tasarlanıp imal edilen soğuk izostatik presleme aparatı ile gerçekleştirilmiş ve porozite, tasarımda belirlenen azami değerlere getirilmiştir. MME tabakasının tasarımda hedeflenen mekanik özelliklere ulaşabilmesi amacıyla, literatürde ilk defa nanosaniye atımlı lazer kullanılarak, vakum gerektirmeden ve atmosfere açık ortamda elmas tabakanın sinter–lehimleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Konvansiyonel olarak sürekli dalga veya milisaniye/saniye mertebesinde çalışan lazerlerin aksine, kontrolü daha karmaşık olan nanosaniye lazer tercih edilmiştir. Bu kapsamda nikel tozunu ergitebilecek asgari ve kararlı lazer güç, frekans ve tarama stratejileri belirlenmiş; atım süresince gerçekleşen soğuma için sıcaklık–zaman kontrol modeli ve ısı transfer bağıntıları geliştirilmiştir. Tüm imalat parametrelerinin belirlenmesinin ardından, iki aşamalı bir ürün geliştirme stratejisi oluşturulmuştur. İlk aşamada, süreçteki olası sapmaların tespit edilmesini amaçlayan ön prototip üretimi gerçekleştirilmiş; ikinci aşamada ise bu sapmalar revize edilerek nihai prototip üretimine geçilmiştir. Nihai prototip aşamasında, atmosfere açık ortamda elmas tanelerinin tam olarak sinter–lehimlenmesini sağlayan ve bu tez kapsamında geliştirilen 'By-pass Birleştirme Tekniği' uygulanmıştır. Bu yöntemin uygulanabilirlik koşulları ile avantaj ve dezavantajları da çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. Nihai prototip üretiminde MME tabakası, nikel–elmas ve nikel–demir–elmas olmak üzere iki farklı kontrol grubu altında üretilmiştir. Demir katkısının, nikel matris içerisinde çözünebilirlik ve elmas ile intermetalik oluşturma potansiyeli dikkate alınarak sisteme dahil edilmesine özen gösterilmiştir. Üretilen dental frezler, diş hekimliğinde kullanılan elmas frez standartları kapsamında boyutsal doğruluk, mekanik dayanım ve kimyasal direnç açısından test edilmiştir. MME tabaka içeriği yalnızca nikel ve elmas olan frez grubunda, teste tabi tutulabilen ve ilgili standarda uygunluk sağlayan numuneler değerlendirilmiş; bu grup içerisinden iki farklı frez tipi tüm testleri başarıyla geçmiştir. MME tabaka içeriği nikel–demir–elmas olan frezler ise, nikel–elmas grubuyla aynı deney parametrelerine tabi tutulmuş ve testleri geçmelerine rağmen, çapsal aşınma değerlerinin sınır değerlere oldukça yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, nikel–demir–elmas katkılı frezlerin belirli bir potansiyele sahip olduğunu, ancak mevcut hâliyle geliştirilmesi gereken bir frez tipi olduğunu ortaya koymaktadır. Çalışma kapsamında, ilave edilen demirin elmas ile intermetalik faz oluşturarak mekanik performansı ve dayanımı artırması beklenmiş; ancak yapılan incelemelerde demir tozunun elmas ile intermetalik bir yapı oluşturmadığı tespit edilmiştir. Bu durumun, demir tozunun seçilen tane büyüklüğü ile ilişkili olduğu ve demirin elmas taneleriyle belirgin bir arayüz oluşturmak yerine nikel matrisi içerisinde çözünmesi sonucunda ortaya çıktığı değerlendirilmektedir. Söz konusu mekanizmanın daha net anlaşılabilmesi için, demir tane boyutu, dağılımı ve faz etkileşimlerinin ileri analiz yöntemleriyle detaylı olarak incelenmesi, ileri araştırma konusu olarak önerilmektedir. Sonuç olarak bu tez kapsamında, diş hekimliğinde kullanılan ana ve alt standartlara uygun, insan dişini etkin biçimde işleyebilen, çoklu kullanıma elverişli ve korozyon testlerini karşılayan bir elmas dental frez üretilmiştir. Geliştirilen tasarım ve üretim sistematiği, yalnızca dental uygulamalarla sınırlı kalmayıp, madencilik ve uzay uygulamalarında kullanılan elmas takviyeli kompozit yapılara da uyarlanabilir niteliktedir. Bu yönüyle çalışma, bilimsel yenilik sunmanın yanı sıra mevcut bir tekniğin yeni bir uygulama alanına aktarılmasını ve özgün bir üretim yaklaşımının ortaya konulmasını sağlamaktadır. Süreç parametrelerinin daha da iyileştirilmesi halinde, geliştirilen ürünün ithal ikamesi niteliğinde rekabetçi bir medikal ürün olma potansiyeline sahip olduğu değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
Diamond-based composites, which are widely used in space-related applications such as fanless high-performance cooling systems, high-strength locking mechanisms, and cutting tools, are addressed in this thesis through their application as diamond dental burs. Dental burs are consumable tools used in dentistry for restorative procedures, root canal treatments, and surgical operations, and they are almost entirely imported in Türkiye. In this study, the production of diamond dental burs was realized using innovative manufacturing technologies specifically developed for this product, starting from the conceptual design stage. A comprehensive design methodology and analytical framework were established by integrating principles from composite material mechanics, strength of materials, mechanical engineering, machining theory, and materials science reported in the literature. The developed approach is not limited to dental burs; it is also applicable to other high-strength applications such as mining tools and similar abrasive cutting systems. Since the target material to be machined is human tooth tissue, the material characteristics of human teeth were first examined in detail. Based on this evaluation, the minimum mechanical, tribological, and geometric requirements of the dental bur were defined, and the relevant machining literature related to dental applications was comprehensively reviewed. Within this framework, the morphological constants of diamond grains governing cutting performance, together with the embedding ratio introduced for the first time in this study, were adopted as the primary design parameters. Using these parameters, the hardness and strength requirements of both the laminated interlayer coating and the metal matrix diamond (MMD) abrasive layer integrated into the bur were determined at the design stage. Subsequently, the manufacturing procedures of the diamond bur—whose geometry and material volume fractions were analytically defined—were systematically developed. Conventionally, dental burs are manufactured by electroplating following a turning operation. In contrast, within the scope of this thesis, dental burs were produced using laser turning followed by sinter-brazing, a powder metallurgy–based coating method. Similar to conventional turning, precise diameter reductions were achieved using a direct laser beam without the use of cutting inserts. However, due to the open-atmosphere nature of the process, surface roughness and oxidation effects were initially observed. Through iterative process optimization, these undesirable effects were significantly reduced, resulting in a surface quality suitable for medical applications. One of the major contributions of this thesis is the first-time, repeatable application of laser turning to AISI 308L stainless steel, achieved within the dimensional tolerances required by the relevant standards. Following laser turning, surface cleaning and electroless nickel coating were applied to prepare the substrate for MMD layer integration. In accordance with the design requirements, the MMD layer was intended to consist exclusively of nickel and diamond particles. In conventional sintered diamond tools with larger diameters, diamond particles are typically bonded to the substrate using specially designed eutectic sinter-brazing alloys that form intermetallic interfaces with diamond and melt below the diamond graphitization temperature. Moreover, such thermal joining processes are generally conducted under high-vacuum conditions. These vacuum levels cannot be achieved using standard equipment and require custom-designed, high-cost systems. In this thesis, the MMD integration method was defined as laser-sinter-brazing following cold isostatic pressing (CIP). To ensure compliance with dental material standards, pure nickel powder was selected as the metal matrix material for bonding diamond particles to the substrate. After spectrometric characterization of the nickel and diamond powders, grain size distribution and homogeneity analyses were conducted using scanning electron microscopy and an image-processing software developed within the scope of this study. Following quality verification of the raw materials, the powders were pre-attached to the shaft prior to sintering using a cold isostatic pressing apparatus designed and manufactured specifically for this thesis. The porosity of the powder compact was adjusted to the maximum allowable level determined during the development of the design equations. To achieve the mechanical properties targeted in the design of the MMD layer, a nanosecond pulsed laser was employed for diamond layer sinter-brazing for the first time in the literature, without the use of vacuum equipment and under open-atmosphere conditions. Unlike conventionally used continuous-wave lasers or millisecond/second-scale welding lasers, a nanosecond laser—characterized by more complex control dynamics—was utilized. Initially, the minimum and stable laser power, frequency, and scanning strategy required to melt the nickel powder were determined. Subsequently, a temperature–time control model and a heat transfer equation describing the cooling behavior during laser pulsing were derived. Based on all defined manufacturing processes and parameters, a two-stage product development strategy was established. The first stage involved preliminary prototype production to identify process limitations and deviations. This was followed by the final prototype stage, during which the manufacturing processes were stabilized and a sinter-brazing experimental setup was observed to achieve full integration of the MMD layer with the shaft. During the preliminary prototype phase, the parameter ranges under which open-atmosphere sinter-brazing failed were identified. In the final prototype phase, a novel method termed by-pass welding/brazing was developed, enabling successful full sintering of diamond particles in an atmosphere-exposed environment. The applicable conditions, advantages, and limitations of the by-pass joining technique were systematically evaluated. The MMD layer content of one group consisted solely of nickel and diamond. Among the burs that were eligible for testing and compliant with the relevant standard, two bur types successfully passed all tests. Burs with a nickel–iron–diamond MMD layer were subjected to the same test parameters as the nickel–diamond group. Although these burs passed the tests, their diametric wear values remained very close to the specified limit. This observation indicates that nickel–iron–diamond–doped burs possess potential; however, they represent a bur type that requires further development. It was initially expected that the addition of iron would enhance mechanical performance and strength by forming an intermetallic phase with the diamond. However, the results showed that the iron powder did not form an intermetallic compound with the diamond. This behavior is presumed to be related to the selected iron particle size and the tendency of the iron to dissolve into the nickel matrix rather than forming a distinct interface with the diamond grains. Consequently, this phenomenon should be investigated in greater detail as a topic for future research. In the final prototype production stage, MMD layers were fabricated under two control groups: nickel–diamond and nickel–iron–diamond. The iron powder content was carefully selected to ensure its solubility in nickel and its potential to form intermetallic bonds with diamond. The manufactured dental burs were tested in accordance with dental diamond bur standards in terms of dimensional accuracy, mechanical integrity, and chemical corrosion resistance. In conclusion, a diamond dental bur compliant with primary and secondary dental standards, capable of effectively machining human tooth material, suitable for multiple uses, and resistant to corrosion, was successfully produced within the scope of this thesis. The developed design methodology and manufacturing framework are not limited to dental applications and can be extended to diamond-based composite structures used in mining and aerospace industries. This study simultaneously fulfills the objectives of introducing scientific innovation, applying an existing technique to a new field, and developing an original scientific manufacturing method. With further optimization of the process parameters, the proposed product has strong potential as a competitive, import-substitute medical device.
Benzer Tezler
- Farklı yöntemlerle pürüzlendirilen diş minesinin restorasyonla bağlanma dayanımının karşılaştırılması
Comparison of Bond Strength of Restorations to Enamel Prepared with Different Surface Roughening Methods
SEDA NUR YILDIZ
Doktora
Türkçe
2025
Diş HekimliğiMarmara ÜniversitesiRestoratif Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAFER TÜRKMEN
- Molibden katkılı elmas-benzeri karbon filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve tribolojik özellikleri
Production, characterization and tribological properties of molybdenum doped diamond-like carbon films
EMRE ALP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI
- Alüminyum matrisli bor karbür takviyeli sermet kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production of al based cermet composite reinforced with boron carbide and caracterization
DUYGU UZUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÜRÜ
- Kobalt esaslı alaşımların bağlayıcı matris olarak kullanıldığı doğal taş kesiminde kullanılan elmas kesici uçların karakterizasyonu
Characterization of diamond cutting tools using cobalt base alloys as the binding matrices
FERİT TOPALOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
- Toz metalurjisi yöntemi ile doğal taş kesiminde kullanılan kesici takım için matriks malzemesi tasarımı ve karakterizasyonu
Desing and characterization of matrix material produced by powder metallurgy for cutting tools used in natural stones
İBRAHİM IŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞİMŞİR