Modellguss

Teil 4

Titaneinbettmassen: Allzeit bereit für das biokompatible Material

Kombiarbeit aus Titan
Kombiarbeit aus Titan

Indizes: Titan, Titaneinbettmassen, Inhaltsstoffe, Verarbeitung, Aufheizvorgang, Expansionssteuerung, Speedbetrieb, Gußtechnik

Als Alternative zu EM- und EMF-Legierungen bietet sich Titan als metallischer Werkstoff sowohl für die Modellguß- als auch die Kronen- und Brücken-Prothetik an. Der Werkstoff Titan wird nicht nur hohen chemisch-physikalischen, sondern auch und vor allem den biologischen Anforderungen in allen Punkten gerecht. Die hervorragende Biokompatibilität trug schon früh wesentlich dazu bei, Implantate aus Titan und Titanlegierungen zu fertigen. Folgerichtig bot sich Titan auch für die Prothetik, z. B. für implantatgetragenen Zahnersatz an, denn so kann den Wünschen nach nur einem Metall in der Mundhöhle in hervorragender Weise entsprochen werden.

Bedingt durch den hohen Schmelzpunkt sowie seine hohe Reaktivität mit herkömmlichen Gußeinbettmassen wurde in der Zahnmedizin Titan zunächst nur aus industriell hergestelltem Vormaterial durch mechanische Bearbeitung (Drehen, Fräsen, usw.) unter anderem zu Implantaten, Schrauben oder Stiften verarbeitet. Den zahntechnischen Guß behinderte lange Zeit eine oberflächliche Reaktionszone, die ?-case. Sie entsteht durch Grenzflächenreaktionen zwischen der Einbettmasse und der Titanschmelze. Allgemein kann sie beschrieben werden als eine, meist durch Sauerstoff, seltener durch Stickstoff angereicherte Zone, in der die ?-Phase des Titans durch Erhöhung der ? /(? +ß)-Übergangstemperatur stabilisiert ist [1]. Die ?-case als Reaktionszone weist eine hohe Härte und Sprödigkeit auf. Es finden sich ebenfalls Einschlüsse von Einbettmasse und Mikrorisse. Entsprechende Gußoberflächen sind zum Verblenden mit Keramik unbrauchbar und nur unzureichend polierbar. Solche Oberflächenschichten müssen deshalb abgetragen werden (Abb. 1a und b).
Seit Anfang der 90iger Jahre ist es technologisch möglich, das Gießen von Titan auch für die Zahnheilkunde zu nutzen, ohne von der gewohnten Arbeitsweise im Labor allzusehr abzuweichen. Titan-spezifische Besonderheiten sind natürlich zu berücksichtigen.

Entwicklungsstadien (damals und heute)

Eine der ersten Einbettmassen für Titan war eine modifizierte Modellgußeinbettmasse (rematitan®, Dentaurum, 1990). Durch Verwendung von reaktionsarmen Oxiden (Refraktäroxide) wurde diese so weiterentwickelt, daß sie eine deutlich reduzierte ?-case-Schicht aufwies (rematitan® plus, Dentaurum, 1991). Als Refraktäroxide in einer solchen Einbettmasse werden Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid sowie Calciumoxid verwendet, die nicht mit flüssigem Titan reagieren. Es folgten die gegenüber flüssigem Titan noch reaktionsärmeren Spezial-Einbettmassen auf Spinell-Basis mit einem Acetat-Binder (rematitan® Ultra und Trinell). Abb. 2 zeigt im Vergleich die nur noch minimalen Aufhärtezonen für diese Einbettmassen. Mit Trinell wurde 2002 erstmals der Speedbetrieb auch in der Titan-Gießtechnik möglich. Die neueste Entwicklung geht hin zu einer universell einsetzbaren Speedeinbettmasse sowohl für Modellguß als auch für die Kronen- und Brückentechnik (rematitan® plus speed, Dentaurum, 2006). Bemerkenswert ist hierbei, daß auch bei einer phosphatgebundenen Titan-Einbettmasse die ?-case-Schicht auf ein Minimum reduziert ist, so daß nur minimale Grenzflächenreaktionen auftreten und eine hohe Oberflächengüte erzielt wird. Auch die Muffeltemperatur ist von Bedeutung für die Gußoberfläche: bei rematitan® plus speed wurde die Muffeltemperatur beim Guß weiter gesenkt, um in Verbindung mit einer geeigneten Einbettmassenzusammensetzung die Reaktion zwischen dem schmelzflüssigen Titan und der Einbettmasse noch weiter zu reduzieren (Abb. 3 – 5).
Durch eine gezielte Auswahl von Rohstoffkomponenten kann die Porosität der Einbettmasse so eingestellt werden, daß daraus eine hohe Gasdurchlässigkeit resultiert. Dies gewährleistet ein vollständiges Ausfließen der Gußobjekte. Das angepaßte Expansionsverhalten der Einbettmasse sorgt auch bei der niedrigeren Muffeltemperatur für eine hervorragende Passung (Abb. 6 und 7).

  • Abb. 1a und b: Titanguß mit (a) und ohne (b) ?-case (Reaktionszone Guß-Einbettmasse)
  • Abb. 2: Härteverlauf im Guß für verschiedene Titan-Einbettmassen
  • Abb. 1a und b: Titanguß mit (a) und ohne (b) ?-case (Reaktionszone Guß-Einbettmasse)
  • Abb. 2: Härteverlauf im Guß für verschiedene Titan-Einbettmassen

  • Abb. 3: Titan-Rohguß, hohe Oberflächengüte
  • Abb. 4: Titan-Speedguß im Modellgußbereich
  • Abb. 3: Titan-Rohguß, hohe Oberflächengüte
  • Abb. 4: Titan-Speedguß im Modellgußbereich

  • Abb. 5: Muffel-/Gießtemperaturen verschiedener Titan-Einbettmassen
  • Abb. 6: Keine Oberflächenreaktion mit der Einbettmasse
  • Abb. 5: Muffel-/Gießtemperaturen verschiedener Titan-Einbettmassen
  • Abb. 6: Keine Oberflächenreaktion mit der Einbettmasse

  • Abb. 7: Paßgenauigkeit Titanbrückengerüst (Rohguß)
  • Abb. 7: Paßgenauigkeit Titanbrückengerüst (Rohguß)

Vom Anstiften bis zum Titanguß

Reintitan hat kein Erstarrungsintervall mit Solidusund Liquidustemperatur, wie es von den meisten Dentallegierungen (auch Titanlegierungen) bekannt ist, sondern weist als Reinmetall einen Schmelzpunkt (1668 °C) auf. Die Gefahr von Erstarrungslunkern nach dem Guß besteht deshalb bei Reintitan nicht. Zur Vermeidung einer Sauerstoffaufnahme und daraus resultierender Versprödung wird unter einem Argon-Schutzgasschleier geschmolzen und gegossen. Zum Schmelzen und Gießen von Titan hat sich das Verfahren des Vakuum-Differenzdrucks durchgesetzt, wobei entsprechende Geräte nicht nur Titan, sondern auch alle weiteren Dental-Gußlegierungen verarbeiten können (Abb. 8). Den grundsätzlichen Verfahrensablauf dabei zeigt die Abb. 9.
Beim Titanguß besteht ein direkter Zusammenhang zwischen auftretenden Gaseinbindungen in den Gußobjekten, der Gußkanalführung und der Stabilität der Muffeln (Rißbildung). Die Herstellerangaben zum Anstiften sollten daher innerhalb eines Gußsystems eingehalten werden, da durch unterschiedliche Druckverhältnisse die Entgasung innerhalb der Muffel entscheidend zu einem porenfreien Guß beiträgt. Wichtig ist hierbei, daß eine möglichst einheitliche Fließrichtung des Titans in die Hohlform gewährleistet ist (Abb. 10).
Der Vorwärmeprozeß unterscheidet sich relativ stark zur konventionellen Technik. Auch bei den modernen Titan-Einbettmassen für den Speedbetrieb gelten andere Vorwärme- bzw. Abkühlzyklen wie bei anderen Legierungen.
Angaben zur Endtemperatur und zur Haltezeit sind deshalb genau zu befolgen. Sie beziehen sich auf den Einsatz eines kalibrierten Vorwärmeofens. Grundsätzlich ist der Einsatz eines gut isolierten Umluft-Vorwärmeofens zu empfehlen, denn er garantiert eine gleichmäßige Durchwärmung und damit eine größere Gießsicherheit. Die Temperaturführung des Ofens sollte regelmäßig kontrolliert werden.

  • Abb. 8: Autocast universal 230, Schmelz- und Gießanlage für Dental-Gußlegierungen und Titan
  • Abb. 9: Prinzipieller Funktionsablauf des Gießsystems
  • Abb. 8: Autocast universal 230, Schmelz- und Gießanlage für Dental-Gußlegierungen und Titan
  • Abb. 9: Prinzipieller Funktionsablauf des Gießsystems

  • Abb. 10: Spezielle Anstiftung beim Titanguß
  • Abb. 11: Silberprobe zur Ofenkalibrierung
  • Abb. 10: Spezielle Anstiftung beim Titanguß
  • Abb. 11: Silberprobe zur Ofenkalibrierung

Temperaturprüfung bei Vorwärmeöfen

Die Vorgehensweise für die Kontrolle der tatsächlich erreichten Ofentemperatur bei einem Vorwärmeofen ist wie im Folgenden beschrieben:

  • Ein ca. 10 mm langes Stück Feinsilberdraht wird auf einen Keramikbrenngutträger gestellt und in den Vorwärmeofen eingebracht. Die Endtem peratur wird auf 955°C eingestellt und der Ofen aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 30 Minuten erfolgt die Kontrolle: Der Draht darf nicht ge kugelt sein.
  • Nun wird die Temperatur auf 965°C eingestellt und weitere 30 Minuten gehalten (da Feinsilber einen Schmelzpunkt von 961°C hat, muß der Silberdraht jetzt gekugelt sein, wenn die Ofentemperatur exakt ist.)
  • Wenn der Silberdraht nicht gekugelt ist, wird in jeweils 10°C-Erhöhungs-Schritten mit 30 Minuten Haltezeit die Überprüfung fortgesetzt, bis das Kugeln erfolgt!
  • Die sich hieraus dann ergebende Temperaturdifferenz am Ofenregler ist zukünftig bei Einstellungen der Ofenendtemperatur zu berücksichtigen.

Eine Überprüfung sollte alle sechs Monate erfolgen, da die Heizwicklungen einem Alterungsprozeß unterliegen (Abb.11).

Expansionssteuerung von Titaneinbettmassen

Bei der Expansionssteuerung der Titaneinbettmassen ist der Binder-Typ zu berücksichtigen.

  • Abb. 12: Rohguß einer großen Titanversorgung

  • Abb. 12: Rohguß einer großen Titanversorgung
Bei den phosphatgebundenen Titaneinbettmassen gelten sinngemäß die gleichen Gesetzmäßigkeiten und Regeln, wie sie bereits in Teil 2 und Teil 3 dieser Veröffentlichungsreihe beschrieben wurden.
Bei den acetatgebundenen Titan einbettmassen erfolgt die Expansionssteuerung über Temperatur und Zeit. Der Expansionswert kann hier nur durch die Variation der (höchsten) Vorwärmtemperatur oder/und deren Haltezeit gesteuert werden. Eine Erhöhung (z.B. um 10°C) führt zu mehr Expansion, eine Reduzierung (z.B. um 10°C) zu einer geringeren Expansion (innerhalb eines zu lässigen Temperaturbandes, z.B. 890 – 910°C).
Auch eine z. B. um zehn Minuten verlängerte Haltezeit führt zu mehr Expansion, eine um zehn Minuten kürzere Haltezeit resultiert in einer geringeren Expansion. Aus praktischer Sicht ist zu ergänzen, daß eine Verlängerung der Haltezeit um zehn Minuten mehr Einfluß auf die Expansion hat als eine Temperaturerhöhung um 10°C.
Auf diese Weise kann die Paßgenauigkeit exakt gesteuert werden. Auch die Tatsache, daß bei Reintitan keine gußspezifischen Verzüge auftreten können, trägt selbst bei sehr großen Konstruktionen zu einer hohen Genauigkeit bei (Abb.12).

Einsatz der Mikrowelle bei Titaneinbettmassen

Der Einsatz der Mikrowelle zur Behandlung von zahntechnischen Einbettmassen bzw. den daraus hergestellten Gußmuffeln hat das Ziel, die Handhabung und die Eigenschaften zu verbessern. Die Verbesserungen betreffen dabei Zeitersparnis, Reduzierung der Rißempfindlichkeit, Oberflächenqualität und Qualität des Gußobjekts hinsichtlich Fehlstellen. Gußmuffeln aus einer Titaneinbettmasse werden in ihrer thermischen Stabilität verbessert, wenn die noch nicht vollständig abgebundenen Muffeln für einige Minuten bei geringer Leistung in einem handelsüblichen Mikrowellengerät behandelt werden. Die so behandelten Muffeln sind nach der Mikrowellenbehandlung stabiler und Risse in den Muffeln (selbst bei 9er Muffeln) treten nicht mehr auf. Ein weiterer Zusatznutzen ist, daß die Stabilität der Muffeln durch die Mikrowellenbehandlung so erhöht wird, daß eine beschleunigte Vorwärmung der Muffeln möglich ist. Damit steht das sogenannte Speed-Verfahren auch für Titaneinbettmassen zur Verfügung.

  • Abb. 13: Implantatgetragene Titanbrücke
  • Abb. 14: Implantatgetragene Titankrone
  • Abb. 13: Implantatgetragene Titanbrücke
  • Abb. 14: Implantatgetragene Titankrone

  • Abb. 15: Titanguß von Implantat-Abutments
  • Abb. 16: Titankeramikbrücke (Triceram®)
  • Abb. 15: Titanguß von Implantat-Abutments
  • Abb. 16: Titankeramikbrücke (Triceram®)

Moderne Titaneinbettmassen ermöglichen eine einfache und effiziente Arbeitsweise

Eine Einbettmasse wie rematitan® plus speed (Dentaurum) kann sowohl für die Modellgußtechnik als auch für die Kronen- und Brückentechnik eingesetzt werden. Eine erhöhte Stabilität erlaubt den vollen Speedeinsatz, wie er von konventionellen phosphatgebundenen Einbettmassen bekannt ist und eine niedrige Abgießtemperatur verbessert die Gußoberflächen. Durch eine hohe Flexibilität bei der Temperaturführung ermöglichen diese Einbettmassen einen größeren Spielraum. All dies erlaubt dem Zahntechniker die Herstellung von präzisem, qualitativ hochwertigem und ästhetischem Zahnersatz aus Titan für eine Vielzahl von Indikationen [2] (Abb.13 – 16).

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: J. Lindigkeit - Th. Schneiderbanger - P. Ohnmacht

Bilder soweit nicht anders deklariert: J. Lindigkeit , Th. Schneiderbanger , P. Ohnmacht


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