Lernsituation 2 - Einbettmassen - Das Geheimnis der Expansion
Aus LS8.1 wissen wir bereits, dass Legierungen sich bei Wärme ausdehnen. Man sagt dazu auch Wärmeausdehnung oder thermische Expansion. Wenn sich die Legierungen wieder abkühlen ziehen sie sich zusammen. Man sagt dazu auch Wärmeschrumpfung oder thermische Kontraktion.
Diese thermische Expansion und Kontraktion gilt für alle Stoffe. Jedoch expandieren und kontrahieren unterschiedliche Werkstoffe unterschiedlich stark. Beim Gießen erhitzen wir die Muffel, den feuerfesten Vlies, die Einbettmasse und die Legierung, 4 Werkstoffe mit vier unterschiedlichen Wärmeausdehnungen und Wärmeschrumpfungen.
Kontraktion einer Legierung oberhalb des Soliduspunktes
Die Wachs hinterlässt in der Einbettmasse eine Negativform (Hohlform) in der unsere geschmolzene Legierung (Gießtemperatur) fließen kann. Dann fängt die Legierung schon an sich abzukühlen bis zur Liquidustemperatur. Die Schrumpfung zwischen der Gießtemperatur (vollständig flüssig) über die Liquidustemperatur (Anfang Kristallisation) bis zur Solidustemperatur (vollständig Erstarrt) beträgt ca. 5 % des Volumens. Die Schwindung zwischen der Liquidustemperatur und der Solidustemperatur nennt man Erstarrungskontraktion.
Arbeitsauftrag
Erarbeite anhand der Literatur (Der passgenaue Dentalguss; Heraeus 1999) wie man die Erstarrungskontraktion (Schrumpfung bei der Erstarrung) ausgleichen kann. Beachte dabei:
- Positionierung des Objektes in der Muffel
- Gusskanäle
- Zusätzliche Wachsobjekte
Der Maschinenbau-Ingenieur Andreas Sabath hat eine Gießtechnik entwickelt, die viele Probleme mit dem dentalen Guss vermeiden soll. Diese wird mittlerweile von der Firma Bredent als Bredent-Gießtechnik nach Sabath vermarktet. Im Lernmanagementsystem liegt Literatur dazu vor (Bredent-Gießtechnik, Der Dentalguss, März 2008, Kapitel 5).
Wie wird nach dieser Methode die Kontraktion oberhalb des Soliduspunktes ausgeglichen?
Probiere die Gießtechnik nach Sabath im Labor einmal aus und/oder diskutiere sie mit Chef und Chefin und/oder Technikern.
Kontraktion einer Legierung unterhalb des Soliduspunktes
Wenn Legierungen vollständig fest(also unterhalb der Solidustemperatur bis zur Raumtemperatur) weiter abkühlen erfolgt die thermische Kontraktion (auch Wärmeschrumpfung). Dabei verringert sich das Volumen um ca. 1,6 % bei Goldguss- und 2,2% bei Modellgusslegierungen (s. Abbildung rechts). Da die Legierung beim Gießen zunächst größer ist als die Legierung später auf Raumtemperatur sein soll, muss die Gussform diese Expansion/Ausdehnung ausgleichen. Die Gussform aus Einbettmasse muss also etwas während der Verarbeitung bzw. Verwendung expandieren, um die thermische Kontraktion der Legierung auszugleichen.
Die benötigte Expansion der Einbettmasse erfolgt in 2 Schritten, die Abbindeexpansion und die thermische Expansion.
Abbindeexpansion der Einbettmasse
(Abbindeexpansion)ist die Expansion (Ausdehnung) durch das Abinden (Aushärten) der Einbettmasse. Einbettmasse expandiert während des Abbindevorgangs. Die Abbindeexpansion unterscheidet sich je nach verwendetem Bindemittel. Bindemittel binden Stoffe zusammen, sie verbinden sie.
- Bindemittel
- Gips (Gipsgebundene Einbettmassen)
- Ammoniumphosphat (Phosphatgebundene Einbettmassen)
- Magnesiumoxid (MgO, Bindemittel und Steuerung der Verarbeitungszeit)
Die Expansion hängt neben der Auswahl des Bindemittels von folgenden Faktoren ab:
- Verhältnis von Wasser zu Anmischflüssigkeit (nur bei phosphatgebundenen Einbettmassen)
- Dicke des Muffelvlieses (Die Einbettmasse soll in alle Richtungen expandieren. Wenn Sie bei zu dünnen Vlies nicht in Richtung Vließ/Muffelring expandieren kann, muss sie in Längsrichtung expandieren)
- Einhalten der vorgegebenen Abbindezeiten
- Verwendung eines Drucktopfes (?)
Die Anmischflüssigkeit bei Phosphatgebundenen Einbettmassen ist eine Lösung von Kieselsol, also ein kollodiales (gelartiges) Siliziumhydroxid. Es geliert und kristallisiert an den Kristallen der feuerfesten Bestandteile Quarz und Cristobalit in der Einbettmassemischung. Es sorgt so für eine etwas höhere Expansion.
Arbeitsauftrag
Plane Versuche mit dem Expansiometer und den Einbettmassen, die die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Abbindeexpansion der Einbettmasse belegen! Genügt die gemessene Expansion zum Ausgleich der thermischen Kontraktion der Legierung?
Die Thermische Expansion der Einbettmasse
Die Versuche zur Abbindeexpansion von Einbettmasse haben gezeigt, dass diese Expansion nicht ausreicht, um die Thermische Kontraktion des Gussobjektes zwischen Soliduspunkt und Raumtemperatur auszugleichen. Es muss also noch eine weitere Expansion der Einbettmasse stattfinden!
Es handelt sich dabei um die so genannte Thermische Expansion!
Sie ist zurückzuführen auf die Zusammensetzung der Einbettmasse:
- Feuerfeste Bestandteile
- Quarz
- Cristobalit
- (Tridymit, wird kaum verwendet, daher irrelevant, aber immer wieder erwähnt ;-))
Die feuerfesten Bestandteile der Einbettmasse sorgen für eine Expansion der Einbettmasse bei Erwärmung. Tridymit und Cristobalit sind (Hochtemperatur-)Modifikationen von Quarz (SiO2). Sie ändern/wandeln, je nach Temperatur, ihren kristallinen Aufbau und damit auch ihr Volumen. Diese Umwandlung geschieht bei bestimmten Temperaturen recht zügig! Tridymit wird, im Gegensatz zu Critobalit und Quarz, nur in kleinen Mengen verwendet.
Die thermische Umwandlung von Quarz und seinen Modifikationen hängt mit der Anordung der Atome zusammen. Die Umwandlung von α-Quarz in β-Quarz (Tiefquarz in Hochquarz), ist mit einer Änderung des Bindungswinkels der SiO2-Moleküle von 144° auf 147° verbunden. Die Umwandlung von α-Cristobalit in β-Cristobalit (Tiefcristobalit in Hochcristobalit) ist mit einer Änderung des Bindungswinkels von 147° auf 148° verbunden.
Arbeitsauftrag
Die thermische Umwandlung (und damit Expansion) der verschiedenen Quarz-Modifikationen findet bei den in der Grafik dargestellten Temperaturen statt. Bei welchen, zahntechnisch gesehen, relevanten Temperaturen, finden Umwandlungsprozesse der Quarz-Modifikationen Quarz, Tridymit und Cristobalit statt und wie hoch ist die jeweilige Expansion in diesem Temperaturbereich? Was bedeutet das für das Vorwärmen der Einbettmasseformen?
Eine Verarbeitungsanleitung für eine gebräuchliche phosphatgebundene Einbettmasse findest findest du hier.
Eine Verarbeitungsanleitung für gipsgebundene Einbettmasse ist z.B. hier zu finden.
Zum Thema Einbettmassse gibt es auch einen großen Artikel in der Wikipedia.
Übung:
Erstelle eine Übersicht (Skizzen oder vielleicht ein kleines Comic?) über die Expansionsvorgänge der Einbettmasse und die Kontraktionsvorgänge des metallischen Werkstücks zwischen Einbetten und abgeschlossener Abkühlung der gegossenen Form.
Artikel zur Einbettmasseflüssigkeit einfügen ...
- Zeitfenster zur Verwendung der Flüssigkeit (4-8 Monate), danach entsorgen!
- In glasklare Flaschen abfüllen
- Nicht zu kalt lagern!
- Güsse mit Konus testen
- Mit Expansiometer nachweisen
- Gelansammlungen H2SiO3 (ganz klein), schweben elektrostatisch in der Flüssigkeit und sind Kristallisationskeime. Beim Wachstum drücken sie sich dann gegenseitig auseinander.
- High Expansion Liquids 130%-Liquid gibt es auch
- Normalerweise 0,3% Expansion mehr