Lernsituation - Dentale Glaskeramiken - Feldspat
Titel der Lernsituation
Den Fertigungsprozess ästhetischer keramischer Verblendungen werkstoffgerecht planen und bewerten.
Problemstellung
Die Problemstellung:
Die Problemstellung in einfacherer Sprache:
Hr. ZTM Meier (Dentallabor Neuzahn GmbH) bekommt einen Videoanruf von Fr. Dr. Müller
Fr. Dr. Müller: Hallo Hr. Meier! Guten Tag!
Hr. ZTM Meier: Hallo Fr. Dr. Müller, schön, sie zu sehen. Was kann ich für Sie tun?
Fr. Dr. Müller: Ich habe Ihnen die Intraoralscan-Daten einer jungen Patientin geschickt, die eine Krone benötigt. Sie sehen ja schon den Zahnstatus in den Daten.
Hr. ZTM Meier: Ja. Eine keramisch verblendete Frontzahnkrone mit Zirkongerüst auf 11.
Fr. Dr. Müller: Der Frontzahn war ein Sportunfall. Die Patientin ist sehr anspruchsvoll. Die Krone sollte schon perfekt geschichtet werden und die natürliche Opaleszenz deutlich kopieren.
Hr. ZTM Meier: Ok, kein Problem, wir kümmern uns darum. Ich werde die Patientin zur Zahnfarbbestimmung ins Labor bestellen.
Fr. Dr. Müller: Prima, Hr. Meier, ich verlasse mich auf Sie!
Hr. ZTM Meier: Tschüss!
Fr. Dr. Müller: Tschüss!
Hr. ZTM Krone denkt ein wenig nach. "Hm, das wäre eine schöne Arbeit für unsere neue Technikerin". Dann wendet er sich an die neu eingestellte Jungtechnikerin Fr. Schmidt
Hr. ZTM Meier: Fr. Schmidt, ich habe hier eine schöne Arbeit für Sie bekommen. Sie werden eine verblendete Frontzahnkrone auf einem Zirkongerüst herstellen. Dabei werden Sie auch selbst die Zahnfarbe der jungen Patientin bestimmen.
Fr. Schmidt: Danke, das freut mich sehr! Ich werde mir große Mühe geben.
Anschließend denkt Fr. Schmidt, die sich gegenüber dem neuen Arbeitgeber keine Blöße geben wollte: "Hm, meine geschichteten Frontzahnkronen waren bisher immer eher opak, obwohl ich sie sorgfältig geschichtet habe ..."
Werkstoffkunde und Fertigungstechnik
Im Kompetenzraster zur Lernsituation findest du alle fachlichen Kompetenzen, die du bei der Erarbeitung der Lösung des obigen Problems erwerben kannst. Markiere die Kompetenzen, die du sicher erworben hast durch ankreuzen.
Die Lernvideos ersetzen die Erklärungen der Lehrperson. Du kannst sie so im einer zu dir passenden Geschwindigkeit verwenden. In den jeweiligen Lernvideos und interaktiven Übungen findest du die Unterteilung in die unterschiedlichen Kompetenzlevel. Die ergänzenden Texte sind nicht nach Kompetenzleveln gegliedert. Mit welchen Medien (Text, nur Audio oder Audio und Video) du lernst, entscheidest du selbst. Dokumentiere dein Lernen auf eine dir angenehme und vertraute Art und Weise.
Überfordere dich nicht, mache dir das Lernen aber möglichst auch nicht zu einfach!
Einteilung dentaler Keramiken
- Glaskeramik (amorphe und kristalline Phase, Sintertemp. <1000°C)
- Oxidkeramiken (polykristallin, Sintertemp. >1350°C)
- Aluminiumoxid (600 MPa, HV ca. 2000)
- Zirkoniumdioxid (ca. 800-1200 MPa, HV ca. 1200)
Zum Vergleich: Zahnschmelz hat eine Vickershärte von ungefähr HV 550-600
Aufbau und Bestandteile
Vorweg sollen erst mal einige Begriffe erklärt werden. Im Laboralltag werden mache davon verwendet, die werkstoffkundliche aber nicht passend sind.
- Keramik ist meist kristallin (in Form von Kristallen) und wird durch Brennvorgänge verfestigt. Der Begriff stammt vom griechischen Wort keramos ab, was so viel wie Ton oder aus Ton Hergestelltes bedeutet.
- Porzellan ist für den dentalen Gebrauch nicht geeignet.
- Oxidkeramik sind polykristalline Stoffe aus Oxiden, die sich beim Sintern nicht zersetzen.
- Glas ist nicht kristallin, also amorph. Man bezeichnet es auch als unterkühlte Schmelze.
- Glaskeramik bezeichnet eine Mischung aus kristallinen Festkörpern, die in eine amorphe Glasphase eingebettet sind.
Verblendkeramiken sind immer Glaskeramiken. Die Temperaturen im Labor-Keramikofen würden für das Schmelzen der Oxidkeramiken gar nicht ausreichen. Glaskeramiken bieten mit der Kombination aus Glasphase und Kristallphase eine gute Kombination aus lichtoptischen und mechanischen Eigenschaften. Es wird also beim Brennen nur die Glasphase geschmolzen. Die kristallinen Phasen liegen in der Glasmatrix gleichmäßig verteilt vor. Sie stützen die Glasphase beim Sintervorgang, damit die geschichtete Form der Verblendung erhalten bleibt.
Die Verblendkeramiken setzten sich aus folgenden Haupt-Bestandteilen zusammen:
- Feldspat (Feldspat bei Wikipedia) (60-80%)
- Quarz (Quarz bei Wikipedia) (15-25%)
- Kaolin (Kaolin bei Wikipedia) (0-5%)
- Metalloxide (Metalloxide bei Wikipedia) (0-80%)
Weitere Bestandteile in kleinen Mengen sind
- Organische Farbstoffe
- Pigmente
- Bindemittel
- Metalloxide in kleinen Mengen (nicht zu verwechseln mit den Metalloxiden bei den Hauptbestandteilen)
Die amorphe Glasphase sorgt für die Transluzenz der Keramik. Sie lässt Licht fast ungehindert durch. Sie ist aber auch sehr spröde und würde bei mechanischer Belastung schnell brechen. Risse würden sich sehr schnell ausbreiten. Die Glasphase mach die Keramik also transluzenter, aber leider auch spröder.
Die Leuzitkristalle (kristalline Phase) sind in die Glasphase eingebettet. Sie haben eine höheren WAK als die Glasphase. Daher entsteht rund um die Leuzitkristalle Druckspannung in der Glasphase. So werden Risse gestoppt und ihre Ausbreitung verhindert. Die gesamte Keramikverblendung ist damit fester.
Die Leuzitkristalle brechen das Licht ähnlich wie Zahnschmelz. Es entsteht Dispersion, die z.B. für die Opaleszenz der Keramik verantwortlich ist. Die Leuzitkristalle machen die Keramik also fester, aber auch weniger transluzent.
Achtung, hier ist mir ein Fehler unterlaufen! Der Leuzitanteil der gesinterten Kermamik hat so gut wie keine(!!) Auswirkung aus die lichtoptischen Eigenschaften (z.B. die Transluzenz). Auch die Grafik zur unterschiedlichen Lichtbrechnung von Leuzit und Glasphase ist nicht korrekt!
Vgl.: Eichner/Kappert; Zahnärztliche Werkstoffe und ihre Verarbeitung; S. 350; Heidelberg 1996: "... während der Unterschied im Brechungsindex zwischen Leuzitkristallen und der Glasphase weniger als 1% beträgt und daher für die Massentransluzenz optisch bedeutungslos ist".
Die Transluzenz wird hauptsächlich durch die Brenntemperatur und die Brennzeit beeinflusst. Die organischen Bestandteile verbrennen und hinterlassen kleine Hohlräume. Die ausreichende Brennzeit und die Brenntemperatur wird benötigt, um die Luft aus den Hohlräumen zu entfernen und diese dann zu schließen.
Auf Seite 6 der Verarbeitungsanleitung für die Feldspat-Glaskeramik VITA VM 13 findest du ein schönes Mikroskop-Foto von Leuzitkristallen in der Glasphase.
Abhängig vom Gerüstwerkstoff gibt es fünf Typen von Feldspat-Glaskeramiken, die jeweils dem WAK des Gerüstwerkstoffs angepasst sind:
- Konventionell (WAK ca. 14 10-6K-1)
- Für Titan (WAK ca. 10 10-6K-1)
- für Zirkoniumdioxid (WAK ca. 9 10-6K-1)
- für Aluminiumoxid (WAK ca. 7 10-6K-1)
LFC (low fusing ceramics) (WAK ca. 16 10-6K-1) nehmen eine Sonderstellung ein und werden in einer anderen Lernsituation Thema sein.
Sintern von dentaler Feldspatkeramik
Das Brennen der Keramik heißt fertigungstechnisch eigentlich Sintern und gehört nach DIN 8580 zum Fertigungsverfahren Stoffeigenschaften ändern. Dabei wird die feinkörnige keramische Masse erhitzt, wobei die Temperatur jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptbestandteile bleibt, so dass die geschichtete Form des Werkstückes erhalten bleibt.
Beim Brennen der Keramik ergibt sich eine Volumenveränderung zwischen 25% und 35% durch die Sinterung der keramischen Massen und (in geringerem Maß) durch die Trockenschwindung. Beim Trocknen verdunstet die Flüssigkeit vom Anmischen und die organischen Farbstoffe und Bindemittel vergasen. Beim Sintern reagieren die Oberflächen der Pulverkörnchen miteinander. Sie "verbacken" sozusagen zu einem Festkörper.
- Durch das Verdichten der Masse (Riffeln) und Wasserabsaugen lagern sich die Partikel dichter zusammen.
- Beim Vortrocknen im Ofen lagern sich die Partikel noch enger zusammen und es kommt zur Raumfüllung von ca. 75%.
- Bei Brenntemperatur schmelzen die Partikeloberflächen und die Teile sintern zusammen. Die Änderung geschieht immer in Richtung der größten Masse. Durch die Kohäsionskräfte zwischen den Pulverteilen besteht die Tendenz, die Oberflächenspannung zu verringern.
Verarbeitung dentaler Feldspat-Glaskeramiken
Aus der obigen Beschreibung des Sinterns der Keramik ergeben sich einige Verarbeitungsgrundsätze:
- Nach dem Schichten sollte die Masse verdichtet werden. Je größer die Verdichtung, umso geringer die Volumenänderung
- Brenntemperatur und Brenndauer müssen eingehalten werden. Wird beides überschritten, nimmt die innere Reibung des verglasten Stoffes ab und die Schrumpfung verläuft stärker zum dicksten Masseteil; Oberflächenkonturen gehen verloren.
- Die Schichtdicke sollte überall gleichmäßig stark sein. Die dünnen Stellen schrumpfen am stärksten und werden zu den dickeren Teilen hingezogen.
Der schematische Aufbau einer keramischen Verblendkrone auf Seite 16 und 20 dieser Verarbeitungsanleitung für die Feldspat-Glaskeramik VITA VM 13] zeigt die Verteilung der einzelnen Massen, die die differenzierte Farbe der Verblendung ausmachen. Es wird schichtweise aufgebrannt.
Oxidbrand
Beim Verblenden von Metallgerüsten ein Oxidbrand durchgeführt werden. Dabei diffundieren die unedlen Bestandteile der Aufbrennlegierung (In, Zn, Ga, Sn und Fe) an die Oberfläche und bilden eine homogene und dichte Oxidschicht. Als Faustregel gilt hier, dass ca. 10 min bei der höchsten Brenntemperatur des verwendeten Keramiksystems (meist 960 bis 980°C bei EM, ca.1030°C bei NEM) gebrannt wird. Es kann prinzipiell sowohl atmosphärisch als auch im Vakuum gebrannt werden (Herstellerhinweise beachten!). Bei den in den zahntechnischen Brennöfen herrschenden Unterdrücken handelt es sich nicht um ein Vakuum im technischen Sinn. Es ist daher noch ausreichend Sauerstoff vorhanden.
Der Oxidbrand dient außerdem einer Überprüfung der Homogenität der Oberfläche. Ist die Oberfläche des Gerüstes nach dem Oxidbrand unregelmäßig verfärbt, liegen Fehler beim Guss oder beim Ausarbeiten vor.
Beim Verblenden von Oxidkeramik-Gerüsten fällt dieser Vorgang weg.
Wash-Brand
Der Washbrand ist eine vorbereitende Maßnahme für das eigentliche Verblenden. Eine Grundmasse wird dünn lasierend (nicht deckend) aufgetragen und gebrannt. Dabei sintert die Grundmasse auf die Gerüstoberfläche auf und es bildet sich durch chemische Reaktion eine Metall-Sauerstoff-Silizium-Grenzschicht; es sollen kleine „Keramik-Nester“ auf der Metalloberfläche gebildet werden.
Opaker-(Grundmasse-)Brand
Der zweite Grundmasse-Brand wird deckend aufgetragen, es soll die Farbe des Metallgerüstes abgedeckt werden. Die Opakermasse ist die mechanisch stabilste Verblendkeramik; sie kann bereits farblich individualisiert werden und wird in Pulver- und Pastenform angeboten.
Da die Keramik zur Mitte der Krone hin schrumpft, muss meist inzisal und approximal erneut aufgetragen werden.
Dentin-Brand
Mit diesem wird aufbauend auf dem Opaker die Farbe der Verblendung bestimmt und die Form des Zahnes festgelegt. In den Interdentalräumen (Brücke) muss die Dentinmasse bis auf die Grundmasse getrennt (separiert) werden. Damit soll ein unkontrolliertes Reißen der Dentinmasse verhindert werden (die Masse schrumpft ja zur Zahnmitte hin!) Diese Stellen können abschließend beim Korrekturbrand mit Schmelzmasse abgedeckt werden. Ähnlich sollte mit Fissuren auf der Okklusalfläche verfahren werden. In der Regel trägt man in einem Arbeitsgang auch die Schneidemasse auf.
Der Dentin-Brand findet im Vakuum statt bei ca.880-980°C und ca. 6 bis 7 Minuten statt, um Blasen in der Keramik zu vermeiden.
- Das Brenngut wird zuerst zum Teil die Vakuumkammer gefahren und bei ca. 500° vorgetrocknet.
- Danach wird die Temperatur langsam bis zur Brenntemperatur gesteigert, weil sonst die Oberfläche sofort glasiert und Blaseneinschlüsse entstehen.
- Die Brenntemperatur bleibt dann kurze Zeit konstant.
- Dann wird die Brennkammer geöffnet. Das Abkühlen erfolgt nun langsam und schonend, um Spannungen zu vermeiden.
Allgemein gilt: Keramikpulver und Anmischflüssigkeit müssen sorgfältig angerührt werden, um Wasser- und Lufteinschlüsse zu vermeiden, die für spätere Porösitäten verantwortlich sein können (Sollbruchstellen, Eintrübungen). Zu dünne und zu dicke Mischungen sind zu vermeiden. Dem Schlicker muss nach dem Auftragen möglichst viel Wasser entzogen werden, z.B. durch Abtupfen mit einem Zellstofftuch. Durch vorsichtiges Klopfen oder Riffeln wird Anmischflüssigkeit an die Oberfläche gebracht, welche wieder abgesaugt werden muss. Eine zu starke Verdichtung kann allerdings auch zum schichtweisen bzw. schalenartigen Abplatzen führen.
Es wurde bereits erwähnt, dass man durch den Leuzitgehalt den WAK beeinflussen kann. Je höher die Temperaturen und je länger die Brenndauer, desto höher die Möglichkeit der Leuzitbildung. Für den Zahntechniker bedeutet dies u.a., dass die Zahl der Brände möglichst gering zu halten ist, damit die Keramik nicht unter Zugspannung gerät. Allerdings kann die Leuzitbildung auch zum Angleichen der WAK verwendet werden. Durch langsames Abkühlen (über 600°C) kann sich länger Leuzit bilden, dadurch steigt der WAK der Keramik.
Der Ofen sollte sorgfältig kalibriert werden, um ein Unter- oder Überbrennen der Keramik zu vermeiden. Von großer Wichtigkeit ist auch die Aufheizrate (Temperaturanstieg pro Zeit).
Korrektur-Brand
Die starke Schrumpfung der Massen durch Abgabe von Wasser und die Sintervorgänge muss ausgeglichen werden. Mit ihm wird das endgültige Volumen und die Form aufgebaut, es erfolgt die Feinmodellation: Approximalkontakte, Okklusionskontakte u.ä. Vor dem Auftragen der Korrekturmasse muss die sogenannte Brennhaut entfernt werden, sonst kommt es zu Eintrübungen unter der Masse.
Glanz-Brand
Der Glanz-Brand soll eine Glättung der Oberfläche bewirken, um eine Anlagerung von Plaque zu erschweren. Außerdem wird dadurch das Reflexionsverhalten gegen Licht und damit das ästhetische Erscheinungsbild (Lichtleisten!) verbessert. Poren und Risse an der Oberfläche werden geschlossen und damit potentielle Sollbruchstellen beseitigt. Daher sollte nach dem Glanzbrand möglichst nicht mehr an der Oberfläche geschliffen werden; es könnten Mikrorisse entstehen, die die Ursache von größeren Rissen und Abplatzungen sein können. Gebrannt wird bei ca. 930°C drei Minuten unter normalem Luftdruck. Es wird also kein Vakuum benutzt. Vakuum würde evtl. Lufteinschlüsse an die Oberfläche holen. Sie würde dann nicht richtig glatt und glänzend.
In dieser Verarbeitungsanleitung für die Feldspat-Glaskeramik VITA VM 13] findest du viele weitere Hinweise und Bilder zur Verarbeitung von Verblendkeramiken.
Fehlervermeidung bei der Verarbeitung
Vortrocknung 0, 2, 4 und 6 Minuten
Sintern mit und ohne Vakuum
Vortrocknung Ofen zu 25% und zu 75% geschlossen
Abhängigkeit der Keramik von Aufheizzeit und Brenntemperatur
Einige der wichtigsten Verarbeitungsfehler sind diese:
- Bei zu kurzer Vortrocknungszeit wird die gesinterte Keramik blasser (weniger intensiv). Sie sollte mind. 6 Minuten lang sein, damit die Farbe der Verblendung stimmt.
- Bei zu niedriger Brenntemperatur wird die gesinterte Keramik trüber. Die Herstellerangaben zur Brenntemperatur müssen unbedingt beachtet werden.
- Bei zu kurzer Aufheizzeit wird die die gesinterte Keramik trüber. Die Herstellerangaben zur Brenntemperatur müssen unbedingt beachtet werden.
- Bei Sintern (Brennen) ohne Vakuum wird die gesinterte Keramik milchig trüb. Beim Sintern der geschichteten Keramik immer mit Vakuum Sintern.
In einem Artikel im Zahntechnik-Magazin erläutert Dr. Michael Tholey "Erfolgsfaktoren für den perfekten Keramikbrand".
Du findest dort viele interessante Hinweise und Strategien zur Vermeidung von Fehlern und der Optimierung des Keramikbrandes.
Einsatzbereiche (Indikationen)
Dentale Feldspat-Glaskeramiken kommen als zahnfarbenes Verblendmaterial für Gerüste aus verschiedenene Werkstoffen zum Einsatz. In der Produktinformation zur Verblendkeramik VITA VM 13 wird das beispielhaft für viele verschiedene Produkte deutlich. Auch für die Herstellung von Veneers Können Dentale Feldspat-Glaskeramiken zum Einsatz kommen.