Werkstoffe


Cooles Zirkoniumdioxid – auch bei der Ausarbeitung?

Trockenbearbeitung mit AllCeramic SuperMax.
Trockenbearbeitung mit AllCeramic SuperMax.

Vollkeramischer Zahnersatz, insbesondere aus Zirkoniumdioxid, wird zunehmend als Alternative für den klassischen Metall-Keramik-Verbund (MKV) genutzt. Allerdings wirft der Werkstoff hinsichtlich seiner richtigen Bearbeitung bei vielen Zahntechnikern Fragen auf. Der folgende Beitrag veranschaulicht wissenschaftliche Studien und zahntechnische Erfahrung, um dem Anwender hinsichtlich der Oberflächenbearbeitung von Hochleistungskeramiken Empfehlungen für mehr Sicherheit an die Hand zu geben.

Im Gegensatz zu den aus Metallen/Legierungen gefertigten Gerüsten bedürfen solche aus einer Hochleistungskeramik einer besonderen Betrachtung. Während metallkeramische Arbeiten bereits vielfach untersucht wurden, ist dies bei Vollkeramiken weniger der Fall. Dabei sind signifikante Unterschiede, wie zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit sofort offenkundig. Diese beeinflusst die unvermeidliche Oberflächenbearbeitung nach dem Schleif- und gegebenenfalls Sinterprozess im Zuge einer CAD/CAM-Fertigung.

Nass oder Trocken? Das ist die Frage!

Immer wieder kommt es zur Verunsicherung bei der Frage: „Wie beschleife ich Zirkoniumdioxid oder Hochleistungskeramik richtig – mit oder ohne Wasserkühlung? Und was passiert, wenn ohne Wasserkühlung gearbeitet wird?“ Es wurden bereits von verschiedenen Einrichtungen Studien angefertigt, die sich mit dieser wichtigen Frage beschäftigten [1, 2, 3, 4]. Während Bär [1] ausdrücklich vor dem Risiko eines Beschleifens ohne Wasserkühlung sowie dem Separieren der Verblendkeramik bis auf das Gerüst warnt, führen Tinschert et al. [2] unter Hinweis auf Matsui und Tietz aus, dass kleine Risse unterhalb der kritischen Rissgröße aufgrund der Phasentransformationsfestigung zu einer Oberflächenverfestigung führen, also eine gewisse Schadenstoleranz besteht. Holzhüter [3] führt die Wärmebildung beim Schleifbearbeiten an. So wurden bei der Bearbeitung von tetragonalem Zirkonoxid Spitzentemperaturen von 1.300 °C und mittlere Temperaturen von 600 °C gefunden. Dies führt zu einer zusätzlichen Thermobelastung des Werkstückes. Kuhlis [4] stellt die kontroversen Meinungen gegenüber, wonach Studien zur simulierten Innenbearbeitung von Kronengerüsten mit Wasserkühlung einen signifikanten 50-prozentigen Festigkeitsabfall aufgrund kleinerer Abplatzungen und Mikrorissbildungen beschreiben. Andere Studien hingegen fanden keinen signifikanten Unterschied.

Auch eine zitierte Untersuchung von Meyer [5] findet beim Abstrahlen eine Festigkeitsminderung, während Guazzato et al. [6] eine Festigkeitssteigerung ermitteln, sofern keine Temperaturerhöhung parallel verläuft. Ebenso diskutiert Kuhlis [4] den Regenerationsbrand, wie ihn die VITA Zahnfabrik empfiehlt. Er kommt zu dem Schluss: „Für die Praxis bedeutet dies, dass die CAD/CAM-Herstellung von Zirkoniumdioxid-Gerüsten optimiert werden muss, um alle Effekte vermeiden zu können, welche die Festigkeit der Keramik vermindern.“

Der vorliegende Beitrag möchte in dieser unklaren Situation dem Zahntechniker/-in Hilfe leisten.

Was passiert beim Bearbeiten/Beschleifen?

Im Falle von industriell genutzten CAD/CAM-Systemen wird während der Bearbeitung eine speziell dafür entwickelte Kühlflüssigkeit zugesetzt. Dadurch soll eine lokale

  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Messaufbaus zur Bestimmung der maximalen Temperatur bei der Bearbeitung von Hochleistungskeramiken.

  • Abb. 1: Schematische Darstellung des Messaufbaus zur Bestimmung der maximalen Temperatur bei der Bearbeitung von Hochleistungskeramiken.
unzulässig hohe Hitzeentwicklung der Schleifkörper verhindert werden, die in stundenlangem Einsatz Einheit für Einheit in der Bearbeitungsmaschine produzieren. Diese speziell für den Einsatz in den CAD/CAM-Maschinen mit dafür eingerichteten Vorrichtungen entwickelte Kühlflüssigkeit ist nicht für den Einsatz in der Laboroder Zahnarztturbine mit Sprayoption geeignet.

In der Zahntechnik liegt der Fokus jedoch bei der Nach- und Ausarbeitung. Hierbei handelt es sich um kurze Beanspruchungen der Gerüste, die möglichst schnell und unkompliziert vorgenommen werden sollten, also keine Dauerbeanspruchung wie im eingangs genannten Fall beschrieben. Hierbei sollte auch eine trockene Bearbeitung ohne Schädigung des Zirkoniumdioxid-Gerüstes möglich sein. Deshalb wurden spezielle Schleifkörper entwickelt, die eine trockene Bearbeitung keramischer Werkstoffe ermöglichen.

Geht man von einem bereits gesinterten oder heiß isostatisch gepressten (HIP) Zirkoniumdioxid-Gerüst aus, so kann dieser trockene Bearbeitungsweg ohne Bedenken eingesetzt werden, um abtragende Ergänzungen am Design durchzuführen. Langjährige praktische Beobachtungen haben bestätigt, dass sich nach einer solchen Bearbeitung keine Veränderungen, wie Sprünge oder Brüche der Gerüste zeigten. Berücksichtigt man, dass der Rissstoppmechanismus des Zirkoniumdioxides ein Effekt ist, der an jeder Stelle nur ein Mal auftreten kann, ist es selbstverständlich, dass Zahntechniker und Zahnarzt das Gerüst nicht überlasten sollten.

Beim sogenannten „Trockenschleifen“ ist generell darauf zu achten, dass mit geringem Anpressdruck und mit der für den Schleifkörper vorgegebenen Umdrehungszahl gearbeitet wird, das zeigen langjährige Erfahrungen. Hierbei gilt es, Überhitzungen, Funkenflug sowie Abplatzungen und somit die Bildung kritischer Risse zu vermeiden.

Warum ist es, Aussagen verschiedener Vertreiber beziehungsweise Hersteller von vollkeramischen Materialien zufolge, dennoch zwingend erforderlich, mit Wasser während der Ausarbeitung zu kühlen? Um Schäden am Gerüst durch Freisetzen des Klebers beziehungsweise Binders der rotierenden Instrumente und der darauf folgenden Verschmutzung der Gerüste zu verhindern? Oder um dem Entstehen von Sprüngen/Rissen entgegenzuwirken, die durch schlagende Instrumente am Werkstoff entstehen können?

Temperatur-Messung unter definierter Last

Anliegen dieser Arbeit ist es, anhand von Messungen der maximalen Temperatur und Temperaturverteilung während des „Trockenschleifens“ einen Beitrag zum besseren Verständnis und den daraus ableitbaren Schlussfolgerungen für die Bearbeitung von Hochleistungskeramiken auf der Basis von Zirkoniumdioxid zu leisten.

Zur Messung und Bewertung der Temperaturentwicklung bei der Bearbeitung der Zirkoniumdioxid-Keramikblöcke aus DC-Shrink (Grünling) und DC-Zirkon (HIP) (Bien-Air Dental, CH-Biel) wurde der in Abbildung 1 schematisch dargestellte Versuchsaufbau genutzt. Die Einstellung eines konstanten Anpressdruckes wurde über einen Scherentisch und der darauf befestigten Waage realisiert. Es wurden in Anlehnung an die Literatur 2 N als Maximalkraft gewählt. Die Bearbeitung erfolgte mit dem Mikromotor Pro Lab Basic und dem dazu gehörenden Handstück von der Fa. Bien-Air Dental (CH-Biel). So konnten die vom Schleifkörperhersteller NTI-Kahla GmbH (Kahla) angegebenen maximalen Drehzahleinstellungen gewährleistet werden. Eine Übersicht der verwendeten Schleifkörper zeigt Abbildung 2. Die Temperatur wurde mit dem 2-Kanal-Pyrometer der Fa. Raytec (Berlin) in einem Abstand von 6 cm über der zu bearbeitenden Oberfläche gemessen und mit der Software Datatemp aufgezeichnet.

Ergebnisse

Die Messungen ergaben, dass mit dem Schleifkörper G8007 eine maximale Temperatur von 96,1 °C erreicht wurde. Die Ergebnisse aus je drei Messungen, sowie die daraus berechneten Mittelwerte der getesteten 38 verschiedenen Schleifkörper umfassen einen Bereich von 27 bis 94 °C.

Aufnahmen mit einer Wärmebildkamera

Auch die mit der Wärmebildkamera IP 54 (Fa. Geyer, CH-Rümlang) gemachten Aufnahmen zeigen, dass sich die oftmals gefürchtete Hitzeentwicklung beim Trockenbearbeiten entsprechend der Angaben der Instrumentenhersteller von gesintertem Zirkoniumdioxid in einem Temperaturbereich unter 200 °C liegt. Dabei spielen die Art und Größe des Schleifkörpers sowie die eingesetzte Umdrehungszahl und der Anpressdruck eine wichtige Rolle.

Die Abbildungen 3 bis 8 zeigen exemplarisch die Wärmeentwicklung unter korrekten und nicht korrekten Arbeitsabläufen. Während bei Einhaltung der vorgeschriebenen

  • Zusammenstellung der untersuchten Bearbeitungsinstrumente: 1. Reihe AllCeramic SuperMax, 2.–4. Reihe CeraGlaze Polierer (NTI-Kahla GmbH, Kahla).

  • Zusammenstellung der untersuchten Bearbeitungsinstrumente: 1. Reihe AllCeramic SuperMax, 2.–4. Reihe CeraGlaze Polierer (NTI-Kahla GmbH, Kahla).
Umdrehungszahl von 18.000 Upm keine oder nur geringe Wärmeentwicklung entsteht wird deutlich was passiert, wenn mit maximaler Drehzahl des Pro Lab ohne Wasserkühlung mit einem Diamanten auf Zirkoniumdioxid gearbeitet wird (Abb. 3 und 4). Abbildung 5 und 6 zeigen den Unterschied des Anpressdruckes, wobei der Schleifkörper nach kurzer Einsatzzeit bei maximalem Druck das Ende seiner Lebenszeit erreicht hatte. Abbildung 7 und 8 zeigen entsprechende Aufnahmen mit und ohne Wasserkühlung.

Die höchste Wärmebelastung trat beim NTI-Schleifkörper G8007 auf, der im definierten Versuch gemessene 93 °C erreichte. Wie auf Abb. 3 dargestellt, liegt die mit der Wärmebildkamera ermittelte Temperatur etwas niedriger (zirka 70 °C), was auf den geringeren, aber nicht explizit bestimmten Anpressdruck zurückzuführen ist. In Abb. 7 und 8 ist die Schleifscheibe gut als heller Strich zu erkennen. Der Kontaktbereich zwischen Scheibe und Keramik ist durch den weißen punktförmigen Bereich signalisiert. Bedenkt man, dass beim Abdampfen ein bis zu 200 °C heißer Wasserdampfstrahl auf das Objekt trifft, so bedeutet dies, dass das Trockenbearbeiten von Zirkoniumdioxid im gesinterten Zustand kein unzulässig hohes Risiko in sich birgt, solange die Herstellervorgaben zu den Instrumenten beachtet werden. Aufgrund der Unterschiede in den Strukturen von Heatless Steinen ist jedoch Vorsicht angebracht, da diese sich abweichend von den hier untersuchten Instrumenten verhalten.

  • Abb. 4: Maximale Umdrehungszahl des Handstücks (30.000 Upm) liefert über 200 °C.
  • Abb. 5: Geringer Anpressdruck mit G8001 liefert Temperaturen um 25 bis 30 °C – also Raumtemperatur.
  • Abb. 4: Maximale Umdrehungszahl des Handstücks (30.000 Upm) liefert über 200 °C.
  • Abb. 5: Geringer Anpressdruck mit G8001 liefert Temperaturen um 25 bis 30 °C – also Raumtemperatur.

  • Abb. 6: Kräftiger Anpressdruck zeigt dagegen sofort Temperaturen weit über 60 °C (in der Skalierung weiß dargestellt).
  • Abb. 7: Mit Wasserkühlung …
  • Abb. 6: Kräftiger Anpressdruck zeigt dagegen sofort Temperaturen weit über 60 °C (in der Skalierung weiß dargestellt).
  • Abb. 7: Mit Wasserkühlung …

  • Abb. 8: … und ohne Wasserkühlung.
  • Abb. 8: … und ohne Wasserkühlung.

Guter Abtrag, lange Standzeit, wenig Hitzeentwicklung

Der AllCeramic SuperMax (NTI-Kahla GmbH) hingegen besteht aus Diamantkörnern und ist mit einer speziellen Bindung zu den einzelnen Instrumentenkomponenten versehen, die der Belastung und dem dabei entstehenden frühzeitigen Herausbrechen der Bestandteile entgegenwirkt sowie eine starke Hitzeentwicklung verhindert. Die Werkzeuge dieser Reihe vereinen optimale Abtragsleistung mit einer langen Standzeit. Ähnlich wie die getesteten Schleifkörper verhält sich das CeraGlaze Poliersystem (NTI-Kahla GmbH). Das System eignet sich auch für die Bearbeitung von Teleskop- oder Doppelkronen aus Hochleistungskeramiken im Fräsgerät. Das Poliersystem erzeugt nicht nur einen Hochglanz an der Oberfläche, sondern bewirkt auch, dass die Keramik oberflächlich „geschlossen“ wird und deshalb einem herkömmlichen Glanzbrand ebenbürtig ist. Die Risiken, die bei einem nochmaligen Einbringen in den Keramikofen entstehen können, werden beim Einsatz von diesen Instrumenten eliminiert und eventuell damit verbundene Probleme verhindert.

Das sollten Sie beachten

Hochleistungskeramiken sind noch immer etwas Besonderes und müssen deshalb auch besonders behandelt sowie bearbeitet werden. Misserfolge resultieren aus:

  • falscher Bearbeitung des Werkstoffes
  • zu starker Separation im Interdentalbereich (Scheibenschnitt)
  • zu geringe Gerüstwandstärken
  • Nichtbeachtung der vorgegebenen Instrumenten-Drehzahlen

Ein Abschilfern/Chipping der Verblendkeramik hat nur bedingt etwas mit der Bearbeitung durch rotierende Instrumente auf dem Zirkoniumdioxid-Gerüst zu tun. Oft liegt der Misserfolg an einer unzureichenden, nicht anatomischen Gerüstform und/oder in der fehlenden Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK-Wert), die mit jedem Brennvorgang verändert werden.

Fazit

Zum groben Bearbeiten mit diamantierten Instrumenten feiner Körnung (das „Weiche/Kleine“ besiegt das „Harte/Große“) ist es sicher empfehlenswert, „Wasserkühlung“ einzusetzen. Allerdings ist darauf zu achten, dass der Wasserstrahl den Schleifkörper genau trifft und nicht danebenschießt. Ebenso ist auf niedrigen Antriebsdruck zu achten, um die Vorteile der diamantierten Instrumente voll auszuschöpfen.

Für die Bearbeitung von Zirkoniumdioxid mit Schleifkörpern, die ohne Wasserkühlung auskommen sind die vorgegebenen Umdrehungszahlen des Herstellers zu beachten, damit es nicht zu lokalen Überhitzungen, Aufglühen und dem damit verbundenen Herauslösen von Bestandteilen aus dem Schleifkörper kommt. Trotz des relativ geringen Anpressdrucks und der ebenso geringen Umdrehungsgeschwindigkeiten gelingt mit dieser Vorgehensweise ein effizienter Materialabtrag.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: PD Dr. rer. nat. habil. Wolf-Dieter Müller

Bilder soweit nicht anders deklariert: PD Dr. rer. nat. habil. Wolf-Dieter Müller


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