CC BY
1
УДК 681.787
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-377-378
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИРОВ ПОСЛЕ МНОГОКРАТНОГО АВТОКЛАВИРОВАНИЯ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ ЗОНДОМ
Е.Е. Майоров, Г.А. Костин, О.В. Афанасьева, Н.Е. Баранов
В работе рассмотрены вопросы контроля поверхностей инструментов стоматологических полировальных до и после автоклавирования интерференционным зондом. Исследуемые полиры служат для придания блеска поверхности композитной и компомерной реставрации и одним из факторов качественной реставрации на твердых тканях зуба высокая частота поверхности, поэтому исследование поверхности этих полиров низкокогерентным интерференционным зондом перспективно и актуально. В работе определена цель и поставлена задача, а также представлены объекты и метод исследования. Показана функциональная схема интерференционного зонда и рассмотрена его работа. Получены микрорельефы поверхностей полиров, результаты измерений расстояния до поверхности полиров. Выявлены зависимости распределения коэффициента отражения в поперечном направлении, где амплитуда интерференционного сигнала пропорциональна коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптической неоднородности, положение которой определяется равенством длин в ветвях интерферометра.
Ключевые слова: коэффициент отражения, микрорельеф поверхности, интерференционный зонд, полир, высота рабочей части, функциональная схема, технические параметры.
Для метрологического обеспечения получение информации о геометрических параметрах поверхности исследуемого объекта всегда являлось актуальной задачей [1]. Существует широкий класс методов и средств контроля поверхности, которые подразделяются на методы неразрушающего и разрушающего контроля [2]. В решении указанной задачи перспективно применять оптические и оптико-электронные приборы и комплексы, так как их чувствительность, точность, диапазон измерений превосходят контактные (механические) методы и средства [3]. Важность этих приборов и комплексов за последние десять лет возросла за счет реализации их совместно с компьютерными технологиями, где технические характеристики вышли на более высокий уровень [4].
Среди оптических и оптико-электронных приборов и комплексов хотелось бы выделить низкокогерентные интерференционные зонды, которые позволяют получить точные и достоверные данные о рельефе поверхности изучаемого образца [5]. В данной работе будет рассмотрена работа зонда, имеющего источник излучения когерентно ограниченный во времени [6]. Работа зонда основана на изучении светового потока, отраженного от контролируемой поверхности образца. Низкокогерентные интерференционные зонды имеют преимущества над аналогичными приборами геометрической оптики, а именно: расстояние до изучаемой поверхности не зависит от апертурных углов наблюдения и освещения, высокая точность и широкий диапазон измерений [7]. Более того эти зонды малогабаритны, просты в эксплуатации и удовлетворяют требованиям производственного контроля [8]. На сегодняшний день, исследователи прикладывают большие усилия для расширения функциональных возможностей, повышения информационного содержания измерений, широкого внедрения в производственную практику этих зондов.
В последние десять лет повышенное внимание стало уделяться низкокогерентным интерференционным зондам в медицинских направлениях, в частности, терапевтической стоматологии для исследования поверхностей сложной формы [9-11]. Одной из значимых задач в терапевтической стоматологии является достижение высокого уровня эстетики реставраций на твердых тканях зуба [12-14]. Именно в этом направлении особое внимание уделяется не только композитным материалам, но и чистоте поверхности шлифовальных и полировальных инструментам, которые предназначены для удаления излишков пломбированного материала и финишной полировки поверхности реставраций [15]. Качество эстетики реставраций на твёрдых тканях зуба с применением стоматологического диска зависит от чистоты (шероховатости) диска. Чем меньше шероховатость поверхности полировального диска, тем качественней реставрация.
В стоматологических клиниках принято после многократного стерилизования (3...5 раз) и автоклавирования (3...5 раз) утилизировать диски, особенно это касается полировальных дисков. Поэтому представляет интерес сравнительный анализ поверхностей новых и неоднократно автоклавированных низкокогерентным интерференционным зондом.
Получение результатов измерений расстояния до поверхности исследуемых образцов низкокогерентным интерференционным зондом и определило цель настоящей работы.
Постановка задачи. Низкокогерентным интерференционным зондом получить данные о расстоянии до поверхности рабочих поверхностей полировальных дисков при линейном движении по оси ОХ с шагом 100 мкм относительно светового луча. Контроль поверхности осуществлять при нормальном падении светового пучка на поверхность. Провести сравнительный анализ исследуемых поверхностей.
Материал и метод исследования. Материалом исследования были поверхности дисков стоматологических полировальных, как после многократного автоклавирования, так и новые образцы российского производства компании «Кагаяки». На рисунке 1 представлен внешний вид образцов. Диски стоматологические шлифовальные и полировальные, в дальнейшем полиры, имеют формы в виде диска, чашки и пули и свое предназначение.
В работе исследуются полиры в виде пули, полимеризованные из силикона наполненные, зафиксированные на держателе (хвостике). Основное назначение этого стоматологического инструмента придание блеска поверхности композитной и компомерной реставрации. Цвет полира - розовый, зернистость - 14.32 мкм, диаметр рабочей части - 5,2 мм, высота рабочей части - 10,7 мм, максимальная скорость - 5000 об/мин.
Для исследования поверхности исследуемых объектов использовался интерферометр, где в качестве источника излучения использовался светодиод белого света, функциональная схема которого представлена на рис. 2.
Низкокогерентный интерференционный зонд построен на основе интерферометра Майкельсона и исполнен в волоконно-оптическом варианте. В качестве источника излучения использовался светодиод белого света с длинной когерентности 1с = 1.3 мкм. Фокусирующие линзы имели фокусное расстояние f = 15,5 мм, апертуру
377
А = 0,3, которые направляли световое излучение источника на поверхность объекта 9 и в канал опорной ветви 10. В объектную ветвь вместо зеркала помещена исследуемая поверхность объекта. Оптическая длина другого плеча сканируется с постоянной линейной скоростью и. Сигнал интерференции на допплеровской частоте/=2и/1, пропорционален коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от исследуемой поверхности полира, положение которой определяется равенством оптических путей, пройденных интерферирующими лучами света. Разрешение в продольном направлении определялось длинной когерентности источника, а разрешение в поперечном направлении - сфокусированным диаметром пятна на поверхности рабочей части полира. Так как поперечное разрешение определяется диаметром фокального пятна d, то последний составлял (1 < 10 мкм и выбирался исходя из условия, что релеевская
длина перетяжки 2nлd2/X должна быть не меньше продольного размера зондируемой пятна.
а) 6)
I I
Рис. 1. Внешний вид исследуемых образцов: а - новый полир форма-пуля; б - полир форма-пуля
после многократного автоклавирования
Рис. 2. Функциональная схема низкокогерентного интерференционного зонда для контроля сложной поверхности: 1 - источник белого света; 2 - светодиод подсветки; 3, 4 - оптические светоделители; 5 - блок поперечного сдвига; 6 - блок продольного сдвига; 7, 8 - фокусирующие линзы; 9 - исследуемая поверхность; 10 - отражающая высокополированная металлическая пластина; 11 - фотодиод;
12 - аналогово-цифровой преобразователь; 13 - персональный компьютер
Принимаемый сигнал интерференции проходил стадии аналоговой и цифровой обработки с последующей визуализацией в реальном времени. Для идентификации точки анализа на поверхности объекта использовалась дополнительная подсветка в видимом диапазоне.
Контроль проводился при следующих технических параметрах зонда:
погрешность измерений не хуже - 5 мкм;
диапазон измерений рельефа поверхности - 0.. .2 мм;
частота измерений - 184 т/с;
диаметр пятна на поверхности менее - 10 мкм;
среднее расстояние от зонда до объекта - 10 мм.
Экспериментальные результаты. Измерение микрорельефа поверхностей полиров производилось на низкокогерентном интерференционном зонде. Начало отсчета определялось базовой поверхностью плоскопараллельной пластины, которая была прикреплена к исследуемой поверхности полира. Измерялась величина расстояния до поверхности полира при смещении его вдоль оси 0Х с шагом 100 мкм. Исследовалась высота рабочей части полира равная 10 мм. Искомой величиной являлся зазор между плоскопараллельной пластинкой и контролируемой поверхностью. К интерферометру прилагалось специальное программное обеспечение, которое давало возможность демонстрировать наблюдаемые изображения и переводить их в двухмерную и трехмерную копию. На рисунке 2 представлены поверхности исследуемых полиров.
а)
б)
Рис. 3. Микрорельеф поверхностей полиров: а - новый полир форма-пуля; б - полир форма-пуля после
многократного автоклавирования
Полиры фиксировались на рабочей плоскости микрометрического столика БТ-1П. Поверхность полира ориентировалась таким образом, чтобы световой луч падал под углом 0 = 0° и для каждой точки производилось 50 измерений. Результаты исследований поверхностей при нормальном зондировании при диаметре пятна на поверхности менее 10 мкм приведены на рисунке 4. Интерференционная картина была представлена картиной нерегулярных волновых фронтов, при падении низкокогерентного излучения на поверхность полира. В эксперименте фиксировался факт появления контрастной картины интерференционного поля.
40
20
10
-10 -
-20
-40 ±
10000
60
-40
10000
Рис. 4. Результаты измерений расстояния до поверхности полиров: а - новый полир форма-пуля; б - полир форма-пуля после многократного автоклавирования
а
40
20
0
-20
-60
х, мкм
Важным вопросом является получение информации об распределении коэффициента отражения от исследуемых поверхностей. С помощью программы «Шейетоте!!» была возможность представлять полученные результаты графически.
Зондировалась поверхность по координате X. В этом режиме измерений изменение разности хода в ветвях интерферометра позволяло получить графические зависимости коэффициента отражения в поперечном направлении (от координаты X). Амплитуда интерференционного сигнала пропорциональна коэффициенту отражения нерассеянной компоненты от оптической неоднородности, положение которой определяется равенством длин в ветвях интерферометра. Экспериментальные результаты приведены на рисунке 5.
14 т
13,5 -■•
Л Л -, м 1 / \ 1. f Л " M и. «i Л 11. ч II . 1 11.
/11 / \ » V V1 1 1 МЛ / \ Л 1 [ 1 J l' / 1 ' " ^ Ч i/i /1 V i/vwV\ 1 M M V/ \ 'i ; 1 1 1 'V » r z1 1 i\.n 11 1 M/v I V 1 , 1 ' Г /''II \|l/l h l f. Vi И |Л'И v V II w v 1/ К
V
Рис. 5. Распределение коэффициента отражения в поперечном направлении: 1 - новый полир форма-пуля;
2 - полир форма-пуля после многократного автоклавирования
Экспериментальные результаты показывают, что для придания блеска поверхности композитной и компомерной реставрации оба полира подходят. Безусловно, чистота поверхности нового полира от полира, который подвергался автоклавированию отличается. Но отличия незначительные и автоклавированный полир может применяться для полировки поверхностей реставраций. Измерения подобного вида позволяют существенно расширить возможности данных приборов не только при контроле поверхностей инструментария, но и различного рода топографических исследований биологических объектов.
Заключение. В работе получены изображения рельефа поверхности исследуемых образцов. Программой «Interferometr» была возможность представить распределения коэффициента отражения от поверхностей полиров в поперечном направлении. Данная работа может представлять интерес для контроля и диагностики поверхностей, использующихся в различных областях науки и технике.
Список литературы
1. Майоров Е.Е., Бородянский Ю.М., Курлов В.В., Таюрская И.С., Пушкина В.П., Гулиев Р.Б. Пространственное микросканирование поверхности плоскопараллельных стеклянных пластинок интерференционным методом // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 8. С. 688-695. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-8-688-695.
2. Майоров Е.Е., Курлов В.В., Бородянский Ю.М., Дагаев А.В., Таюрская И.С. Исследование экспериментальной интерференционной установки с пространственным микросканированием для контроля геометрических параметров поверхности // Научное приборостроение. 2024. Т. 34. № 1. C. 19-25.
3. Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Пушкина В.П., Дагаев А.В. Интерференционный метод в исследовании поверхности микроканалов полимерных и кварцевых микрофлюидных чипов // Приборы. 2024. №2. С.28-32.
4. Майоров Е.Е., Костин Г.А., Черняк Т.А., Баранов Н.Е. Использование излучения с малой временной когерентностью для исследования поверхности щелевых закрылок на крыле самолета // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 7. С. 577-581. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-577-578.
5. Майоров Е.Е. Исследование сложных форм поверхностей когерентно ограниченной во времени системой // Моделирование и ситуационное управление качеством сложных систем: Четвертая Всероссийская научная конференция (СПб., 18-22 апреля 2023 г.): сб. докл. СПб.: ГУАП, 2023. C. 65-68
6. Бородянский Ю.М., Майоров Е.Е., Петрова Е.А., Попова Е.В., Курлов В.В., Удахина С.В. Измерение геометрических параметров поверхностей сложной формы низкокогерентной оптической системой // Приборы. 2022. № 5 (263). С.3-7.
7. Майоров Е. Е., Арефьев А. В., Гулиев Р. Б., Пушкина В. П., Цыганкова Г. А. Метод контроля, анализирующий расходимость в исследовании взаимодействия внешних агентов с биологическими объектами // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 11. С. 144-147. DOI: 10.24412/2071-61682023-11-144-145.
8. Арефьев А.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Сорокин А.А., Удахина С.В. Исследование разработанного интерференционного зонда для измерения неровностей реальных поверхностей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 2. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.2.2022.1319.
12,5 -■
0
9. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Л.: Машиностроение. 1976. 296 с.
10. Шаламай Л.И., Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Мендоса Е.Ю., Сакерина А.И., Нарушак Н.С. Исследование оптических свойств твердых тканей зуба и композитных материалов по средствам фотометрического анализа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 8. C. 11-17. DOI: 10.25791/pribor.08.2020.1196
11. Кузьмина Д.А., Мендоса Е.Ю., Майоров Е.Е., Нарушак Н.С., Сакерина А.И., Шаламай Л.И. Экспериментальные исследования оптических свойств твердых тканей передних зубов и современных синтетических пломбировочных материалов // Стоматология для всех. 2020. № 4. С. 58-62. doi .org/10.35556/idr-2020-4(93)58-62.
12. Шаламай Л.И., Мендоса Е.Ю., Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е. Исследование оптических свойств композитных материалов и твердых тканей зуба пациентов in vitro // Dental Forum. 2021. №1. С. 3-6.
13. Хохлова М.В., Пушкина В.П., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б. Исследование биологических объектов методом геометрической оптики // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2021. Т. 64. № 8. С. 667-673. DOI 10.17586/0021-3454-2021-64-8-667-673.
14. Хохлова М.В., Дагаев А.В., Майоров Е.Е., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Громов О.В. Интерференционная система измерения геометрических параметров отражающих поверхностей // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 6 (108). С. 184-189. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.108.6.029.
15. Майоров Е.Е., Костин Г.А., Черняк Т.А. Экспериментальная измерительная система для контроля поверхностей корпуса воздушного судна // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2023. Т. 66. № 5. С. 430-436. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-5-430-436
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Костин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, доцент, g [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова,
Афанасьева Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Баранов Николай Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова
EXAMINATION OF THE SURFACE OF GRINDING
AND POLISHING DISCS AFTER REPEATED AUTOCLA VING WITH AN INTERFERENCE PROBE
E.E. Maiorov, G.A. Kostin, O. V. Afanaseva, N.E. Baranov
The paper considers the issues of surface control of dental polishing tools before and after autoclaving with an interference probe. The polishes under study serve to brighten the surface of composite and compomeric restoration and one of the factors of high-quality restoration on hard tooth tissues is a high surface frequency, therefore, the study of the surface of these polishes with a low-coherence interference probe is promising and relevant. The paper defines the purpose and sets the task, as well as presents the object and method of research. The functional scheme of the interference probe is shown and its operation is considered. Microreliefs of the surfaces of the polishes and the results of measurements of the distance to the surface of the polishes were obtained. The dependences of the distribution of the reflection coefficient in the transverse direction are revealed, where the amplitude of the interference signal is proportional to the reflection coefficient of the non-scattered component from the optical heterogeneity, the position of which is determined by the equality of lengths in the branches of the interferometer.
Key words: reflection coefficient, microrelief of the surface, interference probe, polish, height of the working part, functional diagram, technical parameters.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kostin Gennady Alexandrovich, doctor of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov,
Afanaseva Olga Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, Ovaf72@gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Baranov Nikolay Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, nbaranov@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation A.A. Novikov
