Modellguss

Dentale Gießtechnik (Teil 1)

Verfahren und Prozessabläufe beeinflussen die Ergebnisqualität

07.10.2013


Der Autor informiert – in diesem ersten Beitrag und einer weiteren Folge – über den Prozess des dentalen Gießens in verlorener Form. Neben seinen Darstellungen zu den physikalischen Vorgängen werden die Besonderheiten von Schleuderguss- und Vakuumdruckguss-Technik aufgezeigt. In Teil 2 erhalten die Leser praktische Tipps für ihr Labor.

Gerade Routineabläufe hinterfragt man selten. Beim Laborguss, in tausenden Laboren täglich praktiziert, ergibt sich aber die Erschwernis, dass jedes Gießobjekt einzigartig ist. Was tue ich hier eigentlich? Welches sind die wichtigen Parameter, die neben meiner Erfahrung mein Ergebnis bestimmen?

Der Gießprozess – jeden Tag hochkomplexe Tätigkeiten meistern

Das Gießen von Legierungen ist ein Standardverfahren [1] in der Dentaltechnik. Der grundsätzliche Prozess beim Gießen beruht darauf, dass eine aufgeschmolzene Legierung durch Gusskanäle in eine Form gegossen wird, welche die gewünschte Kontur des zu gießenden Objektes wiedergibt. Dieses hochkomplexe Verfahren bietet mit Blick auf den zeitlichen Verlauf mehrere Möglichkeiten, Einfluss auf die Qualität des Gussergebnisses zu nehmen. Dazu lässt sich der Gussvorgang grob in sieben Phasen einteilen:

  1. Vorbereitung der Muffel zum Gießprozess (Modellation und Anstiftung des Objekts)
  2. Vorwärmen der Muffel
  3. Wahl der Legierung
  4. Aufschmelzen der Legierung
  5. Guss der Schmelze in die Muffel
  6. Formfüllung
  7. Erstarrung der Schmelze

Aus der Abfolge der Teilschritte wird ersichtlich, dass das Gussergebnis zu unterschiedlichen Zeitpunkten von unterschiedlichen Parametern beeinflusst wird. Speziell während des Übergangs der Schmelze aus dem flüssigen in den festen Zustand in der Muffel können Gussfehler wie zum Beispiel Warmrisse oder Lunker entstehen. Bergmann [2] weist insbesondere auf die Begrenzung und die Kontrolle der Gießtemperatur hin, weil durch die Gießtemperatur spätere physikalische Eigenschaften der umgeformten Legierung beeinflusst werden. Das optimale Gussergebnis und die späteren gewünschten Charakteristika der Legierung können in diesem Zusammenhang nur dann erreicht werden, wenn alle Verfahrensschritte aufeinander abgestimmt worden sind.

Werkstoffkundliche Betrachtung

  • Abb. 1: Zustandsdiagramm zweier ideal miteinander mischbarer Metalle. Ideal mischbar bedeutet, dass die beiden Elemente in demselben Gittertyp kristallisieren, ähnliche Radien und chemische Eigenschaften besitzen. Aufgrund der Form des Diagramms wird es auch als „Zigarren-Diagramm“ bezeichnet.

  • Abb. 1: Zustandsdiagramm zweier ideal miteinander mischbarer Metalle. Ideal mischbar bedeutet, dass die beiden Elemente in demselben Gittertyp kristallisieren, ähnliche Radien und chemische Eigenschaften besitzen. Aufgrund der Form des Diagramms wird es auch als „Zigarren-Diagramm“ bezeichnet.
Beim Aufschmelzen geraten die Atome des Metalls beziehungsweise der Legierung durch die Zufuhr von Wärme in Schwingung. Sind die Schwingungen zu stark, lösen sich die Bindungen zwischen den Atomen und das Metall geht in den flüssigen Zustand über (Abb. 1). Die zugeführte Wärme wird benötigt, um die Bindungskräfte zu überwinden. Diesen Vorgang bezeichnet man als endotherme Reaktion. Nach Zugabe von Wärme über diesen Liquiduspunkt hinaus gibt es keine festen Bestandteile mehr, das heißt die Legierung ist vollständig aufgeschmolzen. Beim Abkühlen der Schmelze in der Muffel sinkt die Temperatur und es verringern sich die Abstände zwischen den einzelnen Atomen. Vereinzelt werden Bindungen geschlossen – es bilden sich Kristallisationskeime. Die ersten festen Partikel scheiden sich aus der Schmelze ab. Unterhalb einer bestimmten Temperatur, dem Soliduspunkt, ist die Schmelze vollständig erstarrt. Das Metall liegt in seiner Kristallstruktur vor. Beim Abkühlen bilden sich Kristalle, wodurch Energie freigesetzt wird. Diese Kristallbildung ist ein exothermer Vorgang.

Differenzierung der Gießverfahren

In der Zahntechnik haben sich bei den umformenden Verfahren insbesondere der Schleuderguss (auch als Zentrifugalguss bezeichnet) sowie der Vakuumdruckguss etabliert. Beide Verfahren ermöglichen das Vergießen und eine vollständige Formfüllung – die sogenannte Formabbildung – auch bei kleinen Legierungsmengen [3]. Der Schleuderguss macht sich zwecks Formfüllung die Fliehkraft zunutze. Diese wird durch die Masse der Legierung, den Radius des Schleuderarms und durch die Anzahl der Umdrehungen pro Minute bestimmt. In der Praxis sind der Radius des Schleuderarms sowie die Anzahl der Umdrehungen durch die Konstruktion der Gießgeräte oftmals bereits vorbestimmt. Daraus resultiert, dass der Zahntechniker die Fliehkraft – und somit die Formabbildung – lediglich durch die Menge der eingesetzten Legierung beeinflussen kann. Dazu kommt, dass in den meisten Schleudergussgeräten aufgrund des konstruktionsbedingten Ablaufs des Gießprozesses weder Schutzgas noch sauerstoffreduzierte Atmosphäre eingesetzt werden kann, um die Legierung vor ungewollter Oxidation zu schützen. Neben der im Vergleich zum Vakuumdruckguss höheren Mindestmenge an Legierung, welche notwendig ist, um einen optimalen Guss auszuführen, kann dieser Punkt als weiterer technologischer Nachteil für den Schleuderguss gewertet werden.

  • Abb. 2: Schematische Darstellung des Vakuumdruckgusses bei Nautilus-Geräten, Bego, Bremen. Die Schmelze wird unter Vakuum aus der heißen Zone in die darunter positionierte Muffel geleitet.

  • Abb. 2: Schematische Darstellung des Vakuumdruckgusses bei Nautilus-Geräten, Bego, Bremen. Die Schmelze wird unter Vakuum aus der heißen Zone in die darunter positionierte Muffel geleitet.
Beim Vakuumdruckguss werden heute beide Technologien und somit die Vorteile des Vakuum- und des Druckgießens miteinander kombiniert. Diese stellen gleichzeitig technologische Vorteile gegenüber dem Zentrifugalguss dar. Bei den Vakuumdruckgussgeräten der Nautilus-Serie, Bego, Bremen, wird die gesamte Gießkammer mittels einer integrierten Vakuumpumpe in kürzester Zeit auf ein stark sauerstoffreduziertes Niveau gebracht. Alle gängigen Edelmetall- oder edelmetallfreien Legierungen können mittels eines hochfrequenten Magnetfeldes (Induktion) direkt im Bereich der Tiegelöffnung geschmolzen werden. Die Schmelze fließt unter Vakuum ohne Überbrücken kalter Tiegelzonen und ohne Temperaturverlust aus der heißen Zone auf kürzestem Wege in die Muffel (Abb. 2). Durch die Druckbeaufschlagung wird die flüssige Legierung in alle Bereiche des Objektes gepresst. Wenn die Schmelze erstarrt ist, wird der Druck aufgehoben.

Oxidation der Legierung

Bei der Oxidation der Legierung während des Gießprozesses handelt es sich aus der werkstoffkundlichen und dentaltechnischen Sicht um eine unerwünschte Begleiterscheinung. Während des Schmelzprozesses kann eine übermäßige Oxidation einerseits die Gießzeitpunkterkennung deutlich erschweren, zum anderen können die Oxide die Eigenschaften der Legierung ungünstig verändern. Die gebildeten Oxide sondern sich zwar zum größten Teil auf der Schmelzoberfläche ab, es verbleibt jedoch ein bestimmter Anteil in der Schmelze und wird beim Gießen in die Muffel überführt. Aufgrund dieser Tatsache erhöht sich der Oxidanteil in der Restauration und führt später zu einer vermehrten Ionenabgabe im Patientenmund. Dies hat möglicherweise unerwünschte biologische Reaktionen (zum Beispiel lokal-toxische Reaktionen und/oder Allergien) zur Folge. Auch die Sprödigkeit eines Gerüstes kann dadurch erhöht werden. Im schlimmsten Fall kommt es zu Brüchen und/oder Abplatzungen der keramischen Verblendung im Patientenmund.

Gießmethode und Korrosion

  • Abb. 3: Ionenabgabe der Nickel-Chrom-Legierung Wiron NT von Bego in Abhängigkeit zu der gewählten Gießmethode.

  • Abb. 3: Ionenabgabe der Nickel-Chrom-Legierung Wiron NT von Bego in Abhängigkeit zu der gewählten Gießmethode.
In einem praktischen Versuch wurde mit der Legierung Wiron NT, Bego, nachgewiesen: Die Korrosionsraten und somit die Biokompatibilität befinden sich in einer Abhängigkeit zu der gewählten Gießmethode (Abb. 3). Die Ionenabgabe der Legierung wurde in einem einwöchigen Immersionstest (Natriumchlorid-Milchsäure- Lösung, je 0,1 mol/l; pH = 2,3 [4]) bestimmt – sie verhielt sich wie eine typische edelmetallfreie Legierung. Dabei bestimmt der mengenmäßige Hauptbestandteil der Legierung die Korrosion. Es ist jedoch festzuhalten, dass die abgegebenen Ionenmengen deutlich unterhalb dessen liegen, was durch Nahrung aufgenommen wird (circa 300 bis 900 Mikrogramm pro Tag [5, 6]).

Elastizitätsmodul

Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung werden unter anderem durch den sogenannten Elastizitätsmodul bestimmt. Das Hook’sche Gesetz definiert diese Größe als „…eine einem Material inhärente, spezifische Konstante, die angibt, welcher Kraft es bedarf, um es elastisch zu deformieren“ [7]. Nach der Wegnahme der deformierenden Kraft kehrt das Objekt wieder in seine Ursprungsform zurück (Abb. 4). Für die Zahntechnik kann bezüglich des Elastizitätsmoduls die Regel „je höher, desto besser“ aufgestellt werden. Denn je höher der Widerstand gegen die anfängliche Verformung eines Objekts aus der gewählten Legierung, umso höher die Sicherheit gegen mögliche Abplatzungen der aufgetragenen Keramik. Dentale Keramiken können als spröde Werkstoffe bereits bei geringen Verformungen des Gerüstes Risse oder gar Abplatzungen aufweisen. Die Wahl der Legierung mit ihren physikalischen Eigenschaften nimmt somit Einfluss auf die Qualität der endgültigen zahntechnischen Arbeit.

  • Abb. 4: Schematische Darstellung der Elastizität eines Objekts.
  • Abb. 5: Einfluss auf den Elastizitätsmodul in Abhängigkeit vom gewählten Gießverfahren am Beispiel einer Kobalt-Chrom-Legierung.
  • Abb. 4: Schematische Darstellung der Elastizität eines Objekts.
  • Abb. 5: Einfluss auf den Elastizitätsmodul in Abhängigkeit vom gewählten Gießverfahren am Beispiel einer Kobalt-Chrom-Legierung.

Neben der Sorte der Legierung und ihren physikalischen Eigenschaften nimmt auch die gewählte Gießmethode einen Einfluss auf die mechanischen Werte der Legierung. Eine Gegenüberstellung soll diese Beziehung zeigen (Abb. 5). Dabei dient der Vakuumdruckguss als eine Variante mit luftreduzierter Atmosphäre und der Flammenguss als extreme Variante des Gießens in der natürlichen atmosphärischen Umgebung.

Die Ergebnisse stellen den Elastizitätsmodul in Abhängigkeit vom gewählten Gießverfahren dar. Sie drücken aus, dass die Legierung während des Gießprozesses je nach Gießverfahren unterschiedlich stark versprödet. Im Testbeispiel mit Flammen-Schleuderguss wurde eine signifikant negative Veränderung der physikalischen Werte nachgewiesen.

Bruchdehnung

Jeder Festkörper besitzt einen definierten Widerstand gegen die Formänderung. Die Festkörper weisen dabei bestimmte Zusammenhangskräfte der Masseteilchen und Oberflächenenergien auf. Dieser Widerstand wird als Festigkeit definiert [8]. Die Bruchdehnung ist ein beim Zugversuch ermittelter Dehnungswert, welcher zum Zeitpunkt des Bruchs des normierten Probestabes vorgelegen hat [9]. Sie lässt sich als prozentuale Längenzunahme bis zum Zerreißen des Zugstabes ausdrücken; als Bezugsgröße liegt der unbeanspruchte Zustand vor dem Versuch zugrunde. Auf diese Weise wird die Festigkeit des beanspruchten Materials ermittelt (Abb. 6). Für die dentalen Legierungen definiert sich der Zugversuch zur Charakterisierung der Legierungseigenschaften gemäß der Norm ISO 22674. Dessen Ablauf kennzeichnet die Duktilität einer Legierung. Eine Gegenüberstellung der Bruchdehnungswerte mit einer Kobalt-Chrom-Legierung für die Kronenund Brückentechnik machte deutlich, dass die Wahl des Gießverfahrens einen Einfluss auf die Bruchdehnung einer Legierung aufweist (Abb. 7).

  • Abb. 6: Schema eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms.
  • Abb. 7: Ermittelte Werte der Bruchdehnung gemäß ISO-Norm 22674 für eine dentale Kobalt-Chrom-Legierung in Abhängigkeit des Gießverfahrens.
  • Abb. 6: Schema eines Spannungs-Dehnungs-Diagramms.
  • Abb. 7: Ermittelte Werte der Bruchdehnung gemäß ISO-Norm 22674 für eine dentale Kobalt-Chrom-Legierung in Abhängigkeit des Gießverfahrens.

Fazit

Die Herstellung von Zahnersatz hängt von vielen Parametern ab. Insbesondere beim Gießen erfahren die Legierungen eine hohe thermische Belastung, welche die physikalischen Eigenschaften der Legierungen ändern kann. Im Falle einer Fehlpassung ist ein misslungener Guss offensichtlich. Oft kommt es erst zu Spätfolgen. Zum Beispiel können die Legierungseigenschaften durch die Überhitzung und eine damit verbundene erhöhte Oxidation negativ beeinflusst werden, was unter anderem unerwünschte biologische wie lokal-toxische Reaktionen und Allergien hervorrufen kann. Oder es manifestieren sich nach einer gewissen Tragezeit im Patientenmund Brüche und/oder Abplatzungen der keramischen Verblendung. Ein wichtiger Parameter für die Eigenschaften der Legierungen liegt somit in der Wahl der Gießtechnologie. Der Vakuumdruckguss hat sich als sicheres Gussverfahren im Dentallabor etabliert. Durch das schnelle und vollständige Aufschmelzen der Legierung sowie eine sauerstoffarme Umgebung ist der Schmelzprozess als materialschonend anzusehen. Konstruktionsbedingt können alle gängigen Dentallegierungen (bis auf Titan) wirtschaftlich günstig aufgeschmolzen werden.

Ausblick

Die grundsätzlichen Abläufe und physikalischen Besonderheiten der dentalen Gießtechnik, die in diesem Beitrag vorgestellt wurden, werden mit einem Fortsetzungsteil komplettiert – darin enthalten: laborbezogene Informationen für den Gießprozess.

Alle Abbildungen: Bego, Bremen

Lesen Sie hier weiter in Teil 2

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dennis Wachtel

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dennis Wachtel



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