Firmenportrait

Die Rapid Prototyping (RP)-Technologie hat mit steigender Präzision und Qualität der Bauteile in den letzten 30 Jahren immer neue Anwendungsfelder erobert. Auf Basis eines digitalen 3D-Modells wird das Bauteil dabei Schicht für Schicht computergesteuert aufgebaut. Vorteil der additiven Verfahren ist die besonders effiziente und geometrisch flexible Fertigung. Die verschiedenen RP-Verfahren (siehe Infokasten) werden heute mit unterschiedlichsten Werkstoffen unter anderem für den Modellbau, den Werkzeugbau und die Medizintechnik eingesetzt. Seit einigen Jahren halten sie auch in die Dentaltechnik Einzug. Hier werden vor allem das Laserschmelzen (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) von Metallen und das Selektive Lasersintern (SLS) sowie die Stereolithografie (SLA) von Kunststoffen angewandt.

Heraeus hat die additiven Fertigungsverfahren lange beobachtet. Erst die enormen Fortschritte der letzten zwei Jahre ermöglichen die hohe Präzision und Homogenität, für die das Unternehmen Heraeus mit seinem Namen steht. Ein Jahr lang haben die Entwickler bei Heraeus das Laserschmelzverfahren für die Anforderungen der Labore optimiert. Seit März können die Anwender des CAD/CAM-Systems cara von Heraeus NEM-Kronen und Brücken mit bis zu acht Gliedern laserschmelzen lassen (Abb. 2).

Gerüste aus Pulver und Licht

Beim Laserschmelzen entsteht das am Computer entworfene Bauteil schichtweise aus Legierungspulver. Das Schaubild (Abb. 3) zeigt, wie das funktioniert: Eine dünne Pulverschicht wird auf die Trägerplatte aufgetragen. Ein Laserstrahl schmilzt das Pulver – immer der CAD-Kontur folgend – selektiv auf. Beim Erstarren verbinden sich die Metallkörner zu einer festen Schicht. Die Trägerplatte wird abgesenkt und ein Beschichter trägt eine neue Pulverschicht auf. Der Laserstrahl schmilzt die nächste Schicht auf und verbindet sie mit der darunter liegenden. So wächst das Bauteil Schicht um Schicht. Dabei gilt: Je feiner die Schicht, desto weniger Treppenbildung, sprich glattere Oberflächen.

Das Aufschmelzen des Metalls erfordert einen hohen Energieeintrag des Lasers. Damit die überschüssige Wärmeenergie das Bauteil nicht verzieht, wird sie über eine Supportkonstruktion auf die Trägerplatte abgeleitet (Abb. 4). Die beim selektiven Aufschmelzen eingebrachte Spannung wird beim anschließenden Spannungsarmglühen (Tempern) abgebaut. Ist das Bauteil abgekühlt, wird die Supportstruktur entfernt.

Optimierte Fertigung sichert porenfreie Präzision

In Kooperation mit EOS, einem der führenden Anbieter für Laser Sintering-Systeme, bietet Heraeus CAD/CAM-Nutzern Laserschmelztechnologie auf dem neuesten Stand. Heraeus hat die Produktionsstrategien im cara Fertigungszentrum in Hanau optimiert (Abb. 5). Das Pulver basiert auf besonders rieselfähigen CoCr-Legierungsperlen in einer optimalen Mischung unterschiedlicher Korngrößen. Die abgestimmte Laserstrategie minimiert Verzüge und stellt ein porenfreies, dichtes NEM-Gefüge sicher (Abb. 6). Die zentrale Fertigung sichert reproduzierbare Qualität. Fertigungsrisiken wie Anstiftungsfehler beim Guss werden von vornherein vermieden. Die lasergeschmolzenen Gerüste sind mindestens so homogen und passgenau wie gegossene Kronen und Brücken (Abb. 7 und 8). Jede Einheit wird anschließend im optimierten Glühverfahren getempert. Das reduziert restliche Gefügespannungen auf ein Minimum.

Komplexe Geometrien, kleine Radien

Der schichtweise Aufbau bietet maximale Gestaltungsfreiheit. So kann der Zahntechniker selbst komplexe Geometrien realisieren. Schichtdicken von nur 20 Mikrometern und ein sehr feiner Laserfokus ermöglichen die exakte Umsetzung von filigranen Strukturen und Interdentalräumen mit Radien unter 100 Mikrometern (Abb. 9). Auch bei engstehenden verblockten Kronen erhält der Zahntechniker eine grazile und zugleich stabile Verbindung. Ein weiteres Plus ist die Fertigung komplexer Konstruktionen mit Hinterschnitten, z. B. bei divergierenden Stümpfen. Vom fertigen Gerüst werden im cara Fertigungszentrum die Supports entfernt, verschliffen und mit Aluminiumoxid unter laborüblichem Druck abgestrahlt. Vor dem Verblenden sollte der Zahntechniker bei Bedarf die Ränder bearbeiten und das Gerüst mit geeigneten Fräsern einmal überschleifen. Ein Oxidbrand ist nicht erforderlich. So gelangt der Zahntechniker mühelos zum verblendfertigen Gerüst. Das additive Verfahren ist zugleich besonders wirtschaftlich. Eine lasergeschmolzene cara Einheit kostet das Labor weniger als die gefräste. Und anders als beim Guss fallen Investitionen in NEM-Geräte weg.

Anwender geben gute Noten

Das neue Laserschmelzverfahren in der cara Fertigung hat in ersten Tests auch die Pilotlabore überzeugt. Dreißig Beta-User hatten die lasergeschmolzenen Kronen und Brücken getestet. Ihr Ergebnis nach über 1.000 gefertigten Einheiten: Gute Noten bei Passung, Randspalt und Nachbearbeitungsaufwand (Abb. 10). Auch die Verblendbarkeit war optimal.„Viele Arbeitsgänge, die Zeit und Geld kosten und keinen Spaß machen, fallen beim Laserschmelzen weg, z. B. das Einbetten oder das mühsame Abtrennen der Gusskanäle. Das Design am Rechner macht Spaß und bietet mit flexibleren Geometrien noch mehr Freiraum“, erklärt ZTM Normann Hundt aus Hanau. ZTM Bernd Hartl aus Kassel urteilt: „Das Ergebnis passt. Insgesamt eine spannende neue Möglichkeit, NEM zuverlässig und wirtschaftlich zu verarbeiten.“ „Unsere Techniker waren vom ersten Tag an begeistert von den Gerüsten im Laserschmelzverfahren“, berichtet Beta-Anwender ZTM Reiner Alles aus Remscheid. „Wir verwenden NEM in Kombination mit der HeraCeram Keramik, mit der wir seit Jahren arbeiten. Das Resultat sind hochwertige, ästhetisch verblendete NEM-Kronen und -Brücken, mit denen unsere Kunden sehr zufrieden sind.“

Übermäßige Oxidbildung

Wer Nichtedelmetall verblendet, kennt das Problem: Ob auf vergossenem, gefrästem oder lasergeschmolzenem NEM – die Verblendung ist wegen der starken Oxidbildung für viele Keramiken eine Herausforderung. Die unkontrollierte Oxidation an der Gerüstoberfläche beeinträchtigt den Haftverbund zur Keramik. Der Legierungs-Keramik-Verbund wird durch verschiedene Faktoren bestimmt: Kontraktionskräfte aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, mechanische Retentionskräfte durch Abstrahlen des Gerüsts, Vander- Waals-Kräfte und chemische Bindungen. Die Oxidbildung ist eine Voraussetzung für Sauerstoffbrückenbindungen zwischen Gerüst und Keramik. Eine zu starke Oxidschicht kann jedoch die Benetzung reduzieren und damit den Haftverbund schwächen. Die Folgen sind Sprünge und Abplatzungen (Abb. 11).

NP-Primer löst Oxide

Heraeus hat einen speziellen Primer zur Konditionierung von Nichtedelmetallgerüsten entwickelt. Dieser benetzt die Legierungsoberfläche auch beim Auftreten starker oder unterschiedlicher Oxide auf der Legierungsoberfläche optimal. Er besitzt ein hohes Lösungspotential und reduziert gleichzeitig eine zu starke Oxidbildung. Die Anwendung ist einfach und effizient: Ein Oxidbrand des abgestrahlten Gerüsts ist beim HeraCeram NP-Primer nicht erforderlich. Der Primer wird extrem dünn aufgetragen und gebrannt (eine Minute bei 950 °C). Dann verblendet der Zahntechniker das Gerüst in vertrauter Weise. Eine hauchdünne Schicht NP-Primer genügt, für einen zuverlässigen Metall-Keramik-Verbund (Abb. 12).

Die positive Wirkung des Primers auf den Verbund von Gerüst und Verblendung hat die Medizinische Hochschule Hannover in einer aktuellen in-vitro-Untersuchung bestätigt. Der Einfluss der Primerapplikation wurde sowohl quantitativ in einem frakturmechanischen Testverfahren als auch qualitativ im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Dazu verblendete die Medizinische Hochschule je 20 Prüfkörper aus einer Kobaltbasislegierung mit bzw. ohne vorherige Primerapplikation. Die Prüfkörper wurden an der Verblendung mit einem definierten Anriss versehen und im 4-Punkt-Biegetest belastet (Abb. 13). Die Energie, die bei kontrollierter Rissausbreitung, also der Trennung von Keramik und Legierung, freigesetzt wurde, wurde statistisch analysiert. Ergebnis: Der NPPrimer erhöhte die Energiefreisetzungsrate und damit die Verbundfestigkeit (Abb. 14). Anschließend wurde die Frakturoberfläche der Legierung unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Bei den Proben ohne NP-Primer wiesen Inseln von Keramikanhaftungen umgeben von Legierungsoxiden auf eine mangelnde Benetzung der Gerüstoberfläche hin. Die Proben mit NP-Primer zeigten eine homogene, dünn mit Keramik benetzte Oberfläche – ein deutlicher Hinweis auf den gleichmäßigen Verbund zwischen Keramik und Gerüst (Abb. 15).

Fazit:

Die Anwendung des oxidlösenden NP-Primers steigert die Benetzbarkeit der Legierungsoberflächen. Dies hat einen positiven Effekt auf die Verbundfestigkeit und verhindert Abplatzungen von Keramik während des Brandes.

Stabilisierte Leuzit-Struktur: Stressfrei zu natürlicher Ästhetik

Mit einer Keramikverblendung verleiht der Zahntechniker den NEM-Gerüsten eine naturnahe Optik. Die HeraCeram Keramikmassen ermöglichen in Verbindung mit dem NP-Primer ein einfaches und zeitsparendes Verblenden. Ihr WAK-Spektrum (13,5- 14,9x10-6 μm/mK) deckt NEM-Legierungen (WAK= 14,2-14,6x10-6 μm/mK) zuverlässig ab. Dank ihrer stabilisierten Leuzit-Struktur verbinden die Hera- Ceram Keramiken eine sichere Verarbeitung mit geringer Stressanfälligkeit und natürlicher Ästhetik der Ergebnisse. Die abgestimmte Zusammensetzung und das spezielle Herstellungsverfahren verhindern unerwünschte Nebenwirkungen des Leuzits, wie ein ungehemmtes Nachwachsen der Leuzitkristalle bei Mehrfachbränden. Unkontrolliert ansteigende WAKWerte werden so von vornherein vermieden.

NEM zeitsparend und zuverlässig keramisch verblenden

Der Anwender profitiert von der zeitsparenden Verarbeitung: Die stabilisierte Leuzit-Struktur in HeraCeram reduziert die Stressanfälligkeit und macht das zeitraubende Entspannungskühlen überflüssig. Das Brennprogramm kann mit wesentlich höheren Temperatursteigraten arbeiten. Die Brennzeiten verkürzen sich ohne technische Risiken um rund 30 Prozent gegenüber dem Wettbewerb. Der Patient erhält einen langlebigen, natürlich wirkenden Zahnersatz.

Mit dem Zugang zu neuen Verarbeitungstechnologien und einem Weg zur zuverlässigen und effizienten Verblendung sind Dentallabore für die wachsende Nachfrage nach Nichtedelmetall gerüstet (Abb. 16). Heraeus bietet nicht nur die entsprechenden Produkte und Systeme, sondern vermittelt Zahntechnikern in Kursen oder in der persönlichen technischen Beratung auch das notwendige Know-how.