EP1386985B1 - Procédé de polissage électrolytique pour des instruments dentaires en alliage de nickel-titane - Google Patents

Procédé de polissage électrolytique pour des instruments dentaires en alliage de nickel-titane Download PDF

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EP1386985B1
EP1386985B1 EP02015895A EP02015895A EP1386985B1 EP 1386985 B1 EP1386985 B1 EP 1386985B1 EP 02015895 A EP02015895 A EP 02015895A EP 02015895 A EP02015895 A EP 02015895A EP 1386985 B1 EP1386985 B1 EP 1386985B1
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current
electrolytic polishing
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François Aeby
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/16—Polishing
    • C25F3/22—Polishing of heavy metals

Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic polishing method for dental instruments of nickel-titanium alloy using an electrolyte comprising sulfuric acid and methanol.
  • Dental instruments used in root processing are generally made of stainless steel, but also of nickel-titanium alloy. These alloys offer interesting performance in terms of flexibility and respect of the canal path. However, the instruments produced with these latter alloys have rather rough surface conditions following machining by grinding. These surface states meet certain conditions sufficient for the creation of microscopic cracks which can, under the action of a cyclic movement repeated during a work in a curved channel, cause a propagation of cracks until the rupture of the instrument. This risk presents a major disadvantage of these dental instruments for the work of the dentist as well as for the manufacturer of the instruments. Surface treatment by smoothing out these irregularities can extend the life of the dental instrument by reducing the speed of crack propagation.
  • the instruments for the treatment of dental root canals often have a complex geometry, comprising for example a tapered shaft having on at least part of its length, constituting its active part, a helical cutting edge.
  • a complex geometry comprising for example a tapered shaft having on at least part of its length, constituting its active part, a helical cutting edge.
  • Electrochemical polishing is a suitable solution and has been known for a long time as an effective means for producing such a surface treatment, among others, for steels, titanium and their alloys.
  • the approach to determine, with respect to the desired results, for example the composition of the bath, the power supply system or other important components so optimal is, however, relatively empirical.
  • the search for the optimum parameters for a new material to be treated or a new process for this purpose is thus often the subject of a series of experiments, because these parameters are not well determinable during calculations on the basis of known methods.
  • a composition of the bath differing in the exact proportions, but similar to that proposed in this document, is well suited for the treatment of nickel-titanium alloys in that this alloy has on the surface a layer of TiO 2 , similar to titanium pure.
  • a method has a major disadvantage, in the sense that the parts to be treated by electrolysis must be prepared by an emery or by sanding their surface. This preparation step involves additional costs that make the process unattractive from an economic point of view; next to the high cost, the manufacturing time is increased and this additional step involves the risk of damaging parts or mixing.
  • the object of the present invention is to provide an electrolysis process for dental instruments made of titanium-nickel alloy tending to obviate the aforementioned drawbacks of current processes and allowing the realization of such a process at an interesting cost, without the step of preparing the parts to be treated, thus increasing the speed of the process while reducing its inherent risks.
  • the process according to the present invention is characterized for this purpose by the fact that the power supply is carried out by applying a current, the density of this current being regulated so that it remains constant.
  • the preparation step required under the usual process is no longer necessary for the new process and the additional costs are removed, allowing a much more cost price than before.
  • the manufacturing time is also shortened and the risk of damaging the parts or mixing them is decreased.
  • the application of a constant density current allows a significant decrease in the stirring speed of the parts in the bath of the electrolyte. Instead of a stirring speed of 200 mm / s as before, this is for the new process about 1 mm / s to 10 mm / s, facilitating the handling of parts to be treated and sparing wear of the automaton used to perform the electrolysis.
  • An electrolytic polishing method for dental instruments of nickel-titanium alloys uses as the electrolyte a mixture of sulfuric acid and methanol.
  • the electrolyte is a mixture of methanol (CH 4 O) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) comprising between 0.1 mole and 10 mole of sulfuric acid.
  • Methanol is pure CH 4 O, sulfuric acid used at a 96% degree of purity.
  • the electrolyte is made by adding sulfuric acid in methanol, the concentration of sulfuric acid being in the margins indicated above. A good chemical homogeneity of the electrolytic solution can be obtained by a rest of the mixture of about three days.
  • the power supply is achieved by applying a current to the electrodes.
  • the density of the current is regulated so that it remains constant.
  • the cathode is formed by at least one electrode, for example platinum, and the anode is formed by the parts to be treated, the electrolysis then working on the cathode principle.
  • a current regulation system makes it possible to control it and keep the current density constant. This is, among other things, possible by placing a reference electrode in the electrolyte, this reference electrode being connected to an ammeter for continuously measuring the current through the electrolyte. The current regulation system can then use these data to maintain the current density at a predetermined value, for example using a computer cooperating with said ammeter and ensuring the application of a current adapted by the component supplying the power supply.
  • This value is preferably between 10 A / dm 2 and 30 A / dm 2 . Since the current density is kept constant and the electrical resistance of the electrolyte varies during the electrolysis because neither the composition of the bath nor that of the parts to be treated is stationary, the potential between the electrodes is variable. For safety reasons, the voltage can however be controlled so as not to exceed a voltage limit of 60 V, higher values being considered dangerous for the personnel. The fact that it is the current density and not the potential that is kept constant thus constitutes a significant difference from the electrolytic polishing method according to the present invention compared to conventional methods.
  • the entire electrolytic polishing process is performed under circumstances that keep the bath temperature below 20 ° C.
  • the temperature can be maintained at the desired temperature, preferably 5 ° C.
  • the workpieces are ready for electrolytic polishing.
  • the parts that is to say the dental instruments of nickel-titanium alloys or parts thereof, do not undergo any specific treatment during a preparation step or a pretreatment before the electrolytic polishing, apart from a possible normal degreasing in a dead bath.
  • the parts to be treated are then immersed in the electrolyte. The duration of this immersion is between 10 s and 120 s.
  • the parts are agitated at the chosen stirring speed, the movement being preferably parallel between the cathodes.
  • the stirring speed of the pieces can be low, from about 1 mm / s to 10 mm / s, due to the use of a constant current density.
  • this electrolytic polishing step in the electrolytic bath it follows a rinsing and drying parts, these steps corresponding to a usual process.
  • the dental instrument workpieces in question are made of a titanium alloy having at least 40% by weight of titanium, thus allowing the application of a method according to the present invention.

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Description

  • La présente invention a pour objet un procédé de polissage électrolytique pour des instruments dentaires en alliage de nickel-titane utilisant un électrolyte comportant de l'acide sulfurique et du méthanol.
  • Les instruments dentaires utilisés dans le cadre d'un traitement de racine sont fabriqués en général en acier inoxydable, mais également en alliage de nickel-titane. Ces alliages offrent des performances intéressantes en termes de flexibilité et de respect du trajet canalaire. Toutefois, les instruments produits avec ces derniers alliages présentent des états de surface assez rugueux suite à un usinage par meulage. Ces états de surface réunissent certaines conditions suffisantes pour la création de fissures microscopiques qui peuvent, sous l'action d'un mouvement cyclique répété lors d'un travail dans un canal courbe, provoquer une propagation de fissures jusqu'à la rupture de l'instrument. Ce risque présente un inconvénient majeur de ces instruments dentaires pour le travail du dentiste ainsi que pour le fabricant des instruments. Un traitement de la surface par un aplanissement de ces irrégularités permet de prolonger la durée de vie de l'instrument dentaire en réduisant la vitesse de propagation des fissures. Les instruments pour le traitement de canaux radiculaires dentaires ont souvent une géométrie complexe, comprenant par exemple une tige effilée présentant sur au moins une partie de sa longueur, constituant sa partie active, une arête hélicoïdale de coupe. Le choix entre les différentes possibilités de traitements de surface est ainsi limité par l'applicabilité à une telle géométrie.
  • Le polissage électrochimique est une solution adaptée et est connu depuis longtemps comme moyen efficace afin de réaliser un tel traitement de surface, entre autres, pour les aciers, les titanes et leurs alliages. L'approche afin de déterminer, vis-à-vis des résultats désirés, par exemple la composition du bain, le système d'alimentation électrique ou d'autres composants importants de manière optimale est cependant relativement empirique. La recherche des paramètres optimale pour un nouveau matériau à traiter ou un nouveau procédé à cet effet fait ainsi souvent l'objet d'une série d'expériences, car ces paramètres ne sont pas bien déterminables lors des calculs sur la base des procédés connus.
  • L'électrolyse conventionnelle pour le traitement des titanes utilisait encore jusqu'au passé récent une composition du bain à la base de l'acide perchlorique ou de perchlorate, ce qui pose des problèmes à cause du caractère explosif de ces substances. Des nouveaux électrolytes excluant l'utilisation traditionnelle de l'acide perchlorique ou de perchlorate ont été mis en oeuvre afin de rendre mieux applicable industriellement le polissage électrolytique de titane et de ses alliages, comme exposé par exemple dans l'article « Electropolishing of titanium and titanium alloys in perchlorate-free electrolytes » (Plating and Surface Finishing - mai 1998) des MM. D. Landolt, C. Madore et O. Piotrowski. Les bains actuellement en fonction travaillent avec des électrolytes de méthanol et d'acide sulfurique. Un exemple d'un procédé correspondant est exposé dans le document WO98/03702 qui décrit le traitement de surface des couches en TiC, TiN ou Ti(C,N) en plongeant les pièces à traiter, entre autres, dans un mélange d'acide sulfurique et de méthanol et en appliquant un potentiel électrique entre une cathode et les pièces à traiter.
  • Une composition du bain se distinguant dans les proportions exactes, mais similaire à celle proposée dans ce document, est bien adaptée pour le traitement des alliages de nickel-titane par le fait que cet alliage présente en surface une couche de TiO2, similaire au titane pur. Toutefois, un tel procédé présente un inconvénient majeur, dans le sens que les pièces à traiter par l'électrolyse doivent être préparées par un émeri ou par un sablage de leur surface. Cette étape de préparation implique des coûts supplémentaires qui rendent le procédé inintéressant d'un point de vue économique; à coté du prix de revient élevé, le délai de fabrication est augmenté et cet étape supplémentaire implique le risque d'endommager les pièces ou de les mélanger.
  • Le but de la présente invention est de réaliser un procédé d'électrolyse pour les instruments dentaire en alliage de titane-nickel tendant à obvier aux inconvénients précités des procédés actuels et permettant la réalisation d'un tel procédé à un coût de revient intéressant, sans l'étape de préparation des pièces à traiter, augmentant ainsi la vitesse du procédé tout en diminuant ses risques éventuels inhérents.
  • Le procédé selon la présente invention est caractérisé à cet effet par le fait que l'alimentation électrique est réalisée en appliquant un courant, la densité de ce courant étant régulée de manière à ce qu'elle reste constante.
  • D'autres avantages ressortent des caractéristiques exprimées dans les revendications dépendantes et de la description exposant ci-après l'invention plus en détail.
  • En inversant le système d'alimentation électrique de l'électrolyse dans un procédé selon la présente invention, c'est-à-dire que la tension est variable et la densité du courant appliqué est maintenue constante contrairement au cas habituel, on obtient notamment, de manière surprenante, le résultat qu'on peut s'affranchir de tout traitement préalable de la surface des pièces à traiter.
  • Par ces mesures, l'étape de préparation obligatoire dans le cadre du procédé habituel n'est donc plus nécessaire pour le nouveau procédé et les coûts supplémentaires sont supprimés, permettant un prix de revient beaucoup plus intéressant qu'auparavant. De manière avantageuse, le délai de fabrication est également raccourci et le risque d'endommager les pièces ou de les mélanger est diminué.
  • De plus, l'application d'un courant à densité constante permet une baisse significative de la vitesse d'agitation des pièces dans le bain de l'électrolyte. Au lieu d'une vitesse d'agitation de 200 mm/s comme auparavant, celle-ci se situe pour le nouveau procédé à environ 1 mm/s à 10 mm/s, facilitant le maniement des pièces à traiter et épargnant l'usure de l'automate utilisé pour effectuer l'électrolyse.
  • D'autre part, on observe en appliquant le nouveau procédé avec une alimentation électrique par courant à densité constante que les résultats du traitement de la surface obtenus avec cette méthode démontrent une indépendance marquée par rapport à la température du bain. Le nouveau procédé facilite et améliore ainsi le traitement de surface des alliages en nickel-titane, du fait que cette indépendance n'est pas présente dans les procédés antérieurs.
  • Une telle configuration apporte donc des avantages considérables dans l'électrolyse des instruments dentaire en alliage de nickel-titane et contribue au progrès technique dans ce domaine.
  • L'invention va maintenant être décrite en détail en faisant référence, à titre d'exemple, à une forme d'exécution d'un procédé selon la présente invention.
  • Un procédé de polissage électrolytique pour des instruments dentaires en alliages de nickel-titane selon la présente invention utilise comme électrolyte un mélange d'acide sulfurique et de méthanol. De préférence, l'électrolyte est un mélange de méthanol (CH4O) et d'acide sulfurique (H2SO4) comportant entre 0.1 mole et 10 mole d'acide sulfurique. Le méthanol est du CH4O pur, l'acide sulfurique utilisé à un dégré de pureté de 96%. L'électrolyte est fabriqué par addition d'acide sulfurique dans du méthanol, la concentration d'acide sulfurique étant dans les marges indiquées ci-dessus. Une bonne homogénéité chimique de la solution électrolytique peut être obtenue par un repos du mélange d'environ trois jours.
  • L'alimentation électrique est réalisée en appliquant un courant aux électrodes. La densité du courant est régulée de manière à ce qu'elle reste constante. La cathode est formée par au moins une électrode, par exemple en platine, et l'anode est formée par les pièces à traiter, l'électrolyse travaillant alors sur le principe cathodique. Un système de régulation du courant permet de le contrôler et de maintenir constante la densité du courant. Ceci est, entre autres, possible en plaçant une électrode de référence dans l'électrolyte, cette électrode de référence étant connectée à un ampèremètre destiné à mesurer en continu le courant à travers l'électrolyte. Le système de régulation du courant peut ensuite utiliser ces données afin de maintenir la densité du courant à une valeur prédéterminée, par exemple à l'aide d'un ordinateur coopérant avec ledit ampèremètre et assurant l'application d'un courant adapté par le composant fournissant l'alimentation électrique. Cette valeur est, de préférence, comprise entre 10 A/dm2 et 30 A/dm2. Du fait que la densité du courant est maintenue constante et la résistance électrique de l'électrolyte varie pendant l'électrolyse car ni la composition du bain ni celle des pièces à traiter est stationnaire, le potentiel entre les électrodes est donc variable. Pour des raison de sécurité, la tension peut toutefois être contrôlée afin de ne pas dépasser une tension limite de 60 V, des valeurs plus élevées étant jugées dangereuses pour le personnel. Le fait que c'est la densité du courant et non pas le potentiel qui est maintenu constant constitue donc une différence importante du procédé de polissage électrolytique selon la présente invention par rapport aux procédés conventionnels.
  • A cause des raisons de sécurité, tout le procédé de polissage électrolytique est effectué dans des circonstances permettant de maintenir la température du bain en dessous de 20 °C. A l'aide d'un cryostat, par exemple, la température peut être maintenue à la température désirée, de préférence 5 °C.
  • Une fois le bain préparé et l'alimentation électrique fournie de façon décrite ci-dessus, les pièces à traiter sont prêtes pour le polissage électrolytique. Notamment, les pièces, c'est-à-dire les instruments dentaires en alliages de nickel-titane ou certaines de leurs parties, ne subissent aucun traitement spécifique lors d'une étape de préparation ou d'un prétraitement avant le polissage électrolytique, à part un éventuel dégraissage habituel en bain mort. Les pièces à traiter sont alors immergées dans l'électrolyte. La durée de cette immersion se situe entre 10 s et 120 s. Dans l'électrolyte, les pièces sont agitées à la vitesse d'agitation choisie, le mouvement se faisant de préférence parallèlement entre les cathodes. La vitesse d'agitation des pièces peut être basse, environ de 1 mm/s à 10 mm/s, due à l'utilisation d'une densité de courant constante. Après cette étape de polissage par électrolyse dans le bain électrolytique, il suit un rinçage et un séchage des pièces, ces étapes correspondant à un procédé habituel. Normalement, les pièces à traiter des instrument dentaires en question sont réalisées en un alliage de titane présentant au moins 40% en masse de titane, permettant ainsi l'application d'un procédé selon la présente invention.
  • Ainsi, en inversant le système d'alimentation électrique de l'électrolyse dans un procédé de polissage électrolytique des alliages en nickel-titane , c'est-à-dire en maintenant constante la densité du courant appliqué et en laissant la tension variable contrairement au cas habituel, on obtient l'effet surprenant qu'on peut s'affranchir de tout traitement préalable de la surface des pièces à traiter.

Claims (6)

  1. Procédé de polissage électrolytique pour des instruments dentaires en alliage de nickel-titane utilisant un électrolyte comportant de l'acide sulfurique et du méthanol, caractérisé par le fait que l'alimentation électrique est réalisée en appliquant un courant, la densité de ce courant étant régulée de manière à ce qu'elle reste constante.
  2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que la densité du courant est maintenue constante à une valeur étant comprise entre 10 A/dm2 et 30 A/dm2.
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'électrolyte est un mélange de méthanol et d'acide sulfurique comportant entre 0.1 mole et 10 mole d'acide sulfurique.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la cathode est formée par au moins une électrode en platine et que l'anode est formée par les pièces à traiter.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la vitesse d'agitation des pièces est basse, environ de 1 mm/s à 10 mm/s.
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pièces à traiter sont réalisés en un alliage de titane présentant au moins 40% en masse de titane.
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