Chemische Zusammensetzung, Umwandlungsverhalten und mechanische Biegeeigenschaften ausgewählter kieferorthopädischer NiTi-Drahtbögen

Zusammenfassung

In der vorliegenden Studie wurden 11 verschiedene, marktgängige NiTi-Bögen hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Umwandlungstemperaturen, Oberflächenbeschaffenheit und mechanischen Eigenschaften untersucht.

Die Ergebnisse können folgendermaßen zusammengefasst werden: bei den meisten Bögen handelt es sich um binäre NiTi-Legierungen sehr ähnlicher chemischer Zusammensetzung. Lediglich zwei Bögen weisen Drittelemente auf: „Thermo Active Copper 35 °C” und „NTC Basic”, enthalten Cu bzw. Fe. Die Oberflächen der meisten Bögen weisen eingedruckte Teilchen von Nachbearbeitungsrückständen wie Siliziumoxyd und Aluminiumoxyd auf.

Kalorimetrische Untersuchungen zeigen ein komplexes Umwandlungsverhalten der meisten Bögen. Grundlegend sind bei Raumtemperatur zwei Zustände zu unterscheiden: martensitisch und austenitisch. Die austenitischen Zustände sind superelastisch und haben A^f-Temperaturen im Bereich von 18,5 bis 27 °C, die martensitischen zeigen den thermischen Einweg-Memoryeffekt und haben A^f-Temperaturen im Bereich von 26 bis 34 °C.

Die mechanischen Biegeeigenschaften zeigen mit Ausnahme des NTC-Bogens bei allen anderen untersuchten Bögen ausgeprägte Be- und Entlastungsplateaus bei 37 °C. Die austenitischen Bögen haben höhere Festigkeitseigenschaften als die martensitischen. Das Biegemoment im 3-Punkt-Biegeversuch bei 37 °C liegt im Bereich von 11,2 bis 14 N.mm bei den ersteren und zwischen 6,8 bis 8,85 N.mm bei den letzteren. Darüber hinaus hat die Versuchstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Eine lineare Abhängigkeit der Plateauspannung von der Temperatur im Bereich von 22 bis 60 °C wurde festgestellt.

Abstract

In the present work the properties of 11 commercial NiTi orthodontic archwires are investigated in terms of chemical composition, surface chemistry and topography, phase transformation and mechanical properties. The results can be summarized as follows:

Apart from „Thermo Active Copper 35 °C” and „NTC Basic” which contain Cu and Fe respectively, the majority of the wires are binary NiTi alloys with very similar compositions.

The surfaces of almost all the investigated wires show relatively high density of inlaid particles of surface finish products such as silicon oxides and aluminium oxide.

The calorimetric results reveal a complex phase transformation behaviour which is indicative of the thermomechanical history of the wires. However, the results may be analysed in terms of two basic conditions, i. e. austenitic and martensitic. While the austenitic wires with A^f-temperatures in the range from 18.5 to 27 °C are superelastic, the martensitic ones exhibit the one-way memory effect and have A^f in the range from 26 to 34 °C.

3-point bending tests lead for all wires, with the exception of RMO NTC Basic, to well defined loading and unloading plateaus at 37 °C. The austenitic wires are characterized by higher strength compared with the martensitic ones: The bending moment lies in the range from 11.2 bis 14 N.mm for the former and from 6.8 bis 8.85 N.mm for the latter. Furthermore, the testing temperature is found to strongly affect the mechanical properties. The results are shown to obey a linear dependence of the plateau stress on temperature.

Schlüsselwörter

NiTi-Bögen - Superelastizität - Formgedächtnis - Be- und Entlastungsplateau - Plateaumoment

Key words

NiTi arch wires - superelasticity - shape memory - loading and unloading plateau - plateau-bending moment

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