Werkstoffe


Werkstoffprüfung: Biegefestigkeit

Bei der Prüfung der Biegefestigkeit wird ein normierter Prüfkörper unter eine Biege-/Zugspannung gesetzt. Trotz Normierung kommt es aber durchaus auch zu stark unterschiedlichen Messdaten. Dies kann verschiedene Ursachen haben.

1. Prüfkörperherstellung

Gerade bei den sprödharten Werkstoffen wie den Keramiken spielt die Gefügequalität eine wesentliche Rolle. An jeder Pore oder jedem Gefügedefekt kann es zu Spannungsüberhöhungen kommen und damit zur Bruchauslösung. Deshalb ist eine sorgfältige Probenpräparation sehr wichtig, die aber so geschehen sollte, wie es dem tatsächlichen Alltagsgebrauch entspricht. Das heißt, für die zahnärztlichen Werkstoffe sollten die Bedingungen des zahntechnischen Labors Anwendung finden. Das Ziel des Prüfers muss es ja sein, für den Anwender realistische Daten zu generieren, damit dieser tatsächlich eine fundierte Aussage bekommt, sodass er auch die korrekte Materialwahl treffen kann.

2. Prüfbedingungen

Es gibt auch Unterschiede in den Ergebnissen, wenn die Prüfparameter variieren: So spielen die „Umweltbedingungen“ eine Rolle: Temperatur, Feuchtigkeit und verschiedene Kraftanstiegsgeschwindigkeiten können die Resultate stark beeinflussen. Man nähert sich eher den realen Bedingungen, wenn unter Feuchtigkeit (Mundhöhle), adäquater Temperatur (37 °C) und langsam ansteigender Drucklast (0,5 mm/min) geprüft wird. Dann sind die Festigkeitswerte geringer, aber man nähert sich eher einem Worst-Case-Szenario.

3. Prüfmethodik

Bei der Prüfung der Biegefestigkeit gibt es verschiedene, durchaus genormte Möglichkeiten, die zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Man unterscheidet drei wesentliche Verfahren: Der Dreipunktbiegeversuch (Abb. 1), der Vierpunktbiegeversuch (Abb. 2) und der biaxiale Biegetest (Abb. 3). Allen ist gemeinsam, dass quasistatisch ein Druckstempel eine ansteigende Kraft bis zum Bruch einbringt.

  • Abb. 1: Dreipunktbiegeversuch: Stäbchenförmiger Prüfkörper mit mittiger Lasteinleitung, die ein sehr umschriebenes Volumen belastet.
  • Abb. 2: Vierpunktbiegeversuch: Die zwei Druckstempel schließen ein größeres Belastungsvolumen ein.
  • Abb. 1: Dreipunktbiegeversuch: Stäbchenförmiger Prüfkörper mit mittiger Lasteinleitung, die ein sehr umschriebenes Volumen belastet.
  • Abb. 2: Vierpunktbiegeversuch: Die zwei Druckstempel schließen ein größeres Belastungsvolumen ein.

  • Abb. 3: Biaxialer Biegetest: Hier wird ein scheibenförmiges Plättchen belastet. Die Auflage ist auf drei Punkten, die dreieckförmig angeordnet sind, und der Druckstempel kommt mittig auf dem Plättchen auf.
  • Abb. 3: Biaxialer Biegetest: Hier wird ein scheibenförmiges Plättchen belastet. Die Auflage ist auf drei Punkten, die dreieckförmig angeordnet sind, und der Druckstempel kommt mittig auf dem Plättchen auf.

Der Unterschied liegt in dem belasteten Volumen. Die Biegefestigkeit hängt von der Defektverteilung innerhalb des Werkstückes ab. Diese ist nicht normal-, sondern asymmetrisch verteilt, was mit der sogenannten Weibull-Statistik berechnet wird.

Beim Dreipunktbiegeversuch wird nur ein geringes Volumen der Stempellast unterzogen. Damit ist die Wahrscheinlichkeit der Häufigkeit von Defekten geringer als z.B. bei dem Volumen unter den beiden Druckstempeln des Vierpunktbiegeversuches. Damit bekommt man mit dem Dreipunktbiegetest um bis zu 20% höhere Biegefestigkeitswerte. Auch beim biaxialen Biegetest wird ein größeres Volumen betrachtet, was eher „schlechtere“, aber dafür reellere Werte erbringt.

Für den Anwender (Zahnarzt oder Zahntechniker) gilt es deshalb, bei angegebenen Daten genau hinzuschauen, wie diese generiert wurden. Im Zweifelsfalle sollte man eher mit den geringeren Werten rechnen.

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Prof. Dr. Peter Pospiech


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