-
Die
Erfindung betrifft ein Schleif- und/oder Polierwerkzeug, eine Verwendung
eines Schleif- und/oder Polierwerkzeuges sowie ein Verfahren zur Bearbeitung
von Keramikmaterial, insbesondere zur Bearbeitung von Zirkonoxid.
-
In
der Dentaltechnik spielt die Verwendung von keramischen Materialien
eine immer größere Rolle.
Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften eignen sich hierfür insbesondere
Keramiken auf Zirkoniumdioxid (ZrO2)-Basis.
Für derartige
Keramiken werden in der Literatur verschiedene Bezeichnungen verwendet,
so unter anderem Zirkon, Zirkondioxid und Zirkonoxid. Nachfolgend
werden die Begriffe Zirkoniumoxid-Keramik und Zirkonoxid synonym verwendet.
-
Bei
Zirkonoxid handelt es sich um ein besonders festes und stabiles
Material, so daß es
nicht nur beispielsweise für
Hüftgelenkimplantate,
sondern auch im Dentalbereich, beispielsweise in der Kronen- und
Brückenrekonstruktion
verwendet wird. Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften des
Zirkonoxids ist eine Hartbearbeitung, beispielsweise ein Beschleifen
oder Polieren von Zirkonoxid, bisher nur mit wassergekühlten Sinterdiamanten
möglich,
da sonst Risse in der Keramik entstehen.
-
Aus
der
deutschen Offenlegungsschrift
DE 19 31 071 A ist eine diamanthaltige Paste bekannt, die
bei der Herstellung von Schleifkörpern
verwendet wird. Ein mit Hilfe der Paste erhaltenes Schleifwerkzeug
dient beispielsweise zum Schärfen
von Drehwerkzeugen aus Wolframkarbid (Widiametall). Über eine Bearbeitung
von Keramikmaterial, insbesondere von Zirkonoxid, wird in der Offenlegungsschrift
keine Aussage getroffen.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Bearbeiten von Keramikmaterialien
zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten
Erfindungsgegenstände
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
der Aufgabe ein Schleif- und/oder
Polierwerkzeug mit einer besonderen chemischen Zusammensetzung vorgesehen.
Unter einem Werkzeug wird dabei ein Bearbeitungswerkzeug zur Bearbeitung
eines Werkstücks verstanden.
Auf Form und Ausführung
des Werkzeuges kommt es erfindungsgemäß nicht an. Bei dem Werkzeug
kann es sich um ein beliebig geformtes Schleif- und/oder Polierwerkzeug
handeln, beispielsweise in Form eines Rades, einer Scheibe, einer
Linse, eines Zylinders usw.. Unter Schleifen wird dabei auch Finieren
verstanden und das Polieren umfaßt auch Hochglanz-Polieren.
Im vorliegenden Text wird darüber
hinaus unter einem Schleif- und/oder Polierwerkzeug auch ein Werkzeug
zum Fräsen
und anderweitigen Bearbeiten von Werkstücken verstanden. Das Werkzeug
kann dabei als austauschbares Arbeitsteil eines Instrumentes (Mandrell
o.ä.) verwendet
werden. Insbesondere weist ein solches Instrument eine Antriebswelle
auf, die eine Rotation des Werkzeuges ermöglicht. In diesem Fall ist
eine, über
die durch die Erfindung ohnehin bereits deutlich verbesserte Handhabung
hinausgehende, besonders effektive Bearbeitung von Werkstücken möglich.
-
Das
erfindungsgemäße Schleif-
und/oder Polierwerkzeug umfaßt
eine aus Diamantkörnern
bestehende Schleifkomponente mit 60 bis 75 Gewichtsprozent, insbesondere
60 bis 70 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 65 Gewichtsprozent,
eine Bindungskomponente auf Kunststoffbasis mit 10 bis 30 Gewichtsprozent,
insbesondere 22 bis 28 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens
25 Gewichtsprozent, und eine Füllstoffkomponente
mit 0 bis 15 Gewichtsprozent, bevorzugt 3 bis 5 Gewichtsprozent.
-
Das
Optimum des Schleifkomponentenanteils liegt bei 60 bis 70 Gewichtsprozent.
In diesem Bereich entsteht ein offener Schleifkörper besonders gut. In diesem
Schleifkörper
ist die Bindung stark genug, damit die Diamantkörner fest gehalten werden. Gleichzeitig
hält die
Bindung auch nicht zu fest, so daß ein gewollter Abtrag des
Schleifkörpers
bei der Verwendung des Werkzeuges möglich ist. Dieser Abtrag sorgt
dafür,
daß immer
neue freie und schnittfreudige Diamantkörner an der Oberfläche des Schleifkörpers freigesetzt
werden. Die Verwendung von weniger als 60 Gewichtsprozent der Schleifkomponente
hätte eine
ungenügende
Schleifleistung zur Folge. Bei einer Verwendung von mehr als 75
Gewichtsprozent würde
der Schleifkörper
aufgrund der fehlenden Bindung (Kunststoffmatrix) sehr schnell verschleißen.
-
Das
Optimum des Bindungskomponentenanteils liegt bei 22 bis 28 Gewichtsprozent.
In diesem Bereich ist das Verhältnis
von Verschleiß und
Aggressivität
des Schleifkörpers
am geeignetsten für die
Bearbeitung der Keramikmaterialien, insbesondere von Zirkonoxid.
Die Verwendung von weniger als 25 Gewichtsprozent der Bindungskomponente hätte zur
Folge, daß die
Kunststoffmatrix die Schleifkörnung
nicht vollständig
umkleben kann und somit die Schleifer brechen oder extrem schnell
verschleißen.
Ein Bindungskomponentenanteil von mehr als 35 Gewichtsprozent hätte andererseits
zur Folge, daß die
Kunststoffmatrix zu dominant wäre,
was eine zu geringe Menge an freien Schnittkanten an die Kontaktfläche zur
Folge hätte.
-
Das
Optimum des Füllstoffkomponentenanteils
liegt bei 5 bis 7 Gewichtsprozent. In diesem Bereich ist einerseits
eine offene Struktur des Schleifkörpers noch vorhanden, andererseits
sind ausreichend freie Schnittkanten der Diamantkörnung vorhanden.
-
Ein
Füllstoffkomponentenanteil
von weniger als 3 Gewichtsprozent hätte zur Folge, daß die Struktur
des Schleifkörpers
zu offen wird, was zu einem höheren
Verschleiß führen würde. Andererseits
würde ein
Füllstoffkomponentenanteil
von mehr als 15 Gewichtsprozent bedeuten, daß der Diamantanteil erniedrigt
werden müßte, da
sonst nicht ausreichend Kunststoffmatrix zur Bindung vorhanden wäre. Dies wäre gleichbedeutend
mit einer dramatischen Verschlechterung der Schleifeigenschaften.
-
Bei
den Diamantkörnern
handelt es sich vorzugsweise um synthetische Diamanten. Von Vorteil ist
es darüber
hinaus, daß die
Diamanten in polykristalliner Form vorliegen. Polykristalline Diamanten
bestehen aus einer Vielzahl winziger Kristalliten, die eine große Anzahl
kleiner Schneidkanten besitzen und dadurch einen hohen Materialabtrag
des Werkzeuges bei geringer Kratztiefe gewährleisten, so daß sich insgesamt
ein, beispielsweise im Vergleich zu monokristallinen Diamanten,
verbessertes Schliffbild ergibt.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Bindungskomponente auf Polyurethan-Basis
verwendet wird. Gegenüber
anderen Bindungskomponenten, beispielsweise solchen auf Silikon-Basis, wird damit eine
höhere
Festigkeit und Verschleißfestigkeit
des Werkzeuges erreicht. Als Bindungskomponente kommt dabei vorzugsweise
ein Zwei-Komponenten-Polyurethan-Gießharz zum
Einsatz.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Füllstoffkomponente
auf Oxid-Basis verwendet wird. Aufgrund der sich ergebenden zusätzlichen
schleifenden Wirkung hat sich hierfür die Verwendung von Titaniumdioxid
(TiO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) als besonders geeignet erwiesen. Bei Verwendung entsprechender
Korngrößen kann
der verwendete Füllstoff
damit zugleich als eine Art Poliermittel dienen, so daß sich ein
besonders kratzerfreies Schliffbild ergibt. Insbesondere kann bei
Verwendung von Titaniumdioxid als Hauptfüllstoffkomponente durch Zugabe
von Spuren von Aluminiumoxid zusätzlich
eine Glättung
des Schliffbildes erreicht werden. Die Zugabe von Farbstoffen, wie
beispielsweise Heliogenblau, ist möglich und dient zur Farbgebung.
Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Farbkomponente
(farbgebende Pigmente) zu der chemischen Zusammensetzung mit 3 bis
10 Gewichtsprozent, bevorzugt 5 bis 8 Gewichtsprozent. Darüber hinaus können auch
Spuren von Hilfsstoffen enthalten sein, die als Haftvermittler dienen.
Alternativ zur Verwendung von Oxiden kann auch eine Füllstoffkomponente
auf Siliziumkarbid (SiC)-Basis verwendet werden.
-
Besonders
vorteilhaft ist es darüber
hinaus, wenn die Diamantkörner
beschichtet sind. Als besonders geeignet für die Bearbeitung von Zirkonoxid
hat sich dabei eine Nickelbeschichtung erwiesen. Damit wird die
Haltbarkeit der Diamantkörner
bei der Bearbeitung der Keramik verbessert.
-
Die
Korngröße hat erheblichen
Einfluß auf das
Schliffbild eines aus der chemischen Zusammensetzung hergestellten
Werkzeuges sowie auf die Lebensdauer eines solchen Werkzeuges. Die
in der Schleifkomponente verwendeten Diamantkörner weisen vorzugsweise die
Körnung
D252 auf (entspricht einer Korngröße von 60/80 in US-mesh). Aufgrund dieser
vergleichsweise groben Körnung
wird eine Rauhtiefe erreicht, die ideal polierbar ist. Abweichungen
von dieser Körnung
sind möglich
und auch von dem zu bearbeitenden Material abhängig, jedoch ist dabei zu beachten,
daß die Verwendung
einer zu geringen Korngröße zur Folge
hätte,
daß die
Abtragleistung abnehmen würde.
Bei einer zu groben Korngröße würde das
Schliffbild negativ beeinflußt
werden. Im letzteren Fall müßte die
Polierdauer erhöht
werden, wodurch die Gefahr, daß Sprünge oder
Haarrisse auftreten, wächst.
-
Das
erfindungsgemäße Schleif-
und/oder Polierwerkzeug ist vorzugsweise erhältlich durch Polymerisation
der oben genannten Zusammensetzung. Die Herstellung des Werkzeuges
erfolgt dabei insbesondere unter Druck durch ein an sich bekanntes
thermisches Polymerisationsverfahren. Dabei findet vorzugsweise
eine Additionspolymerisation (Stufenreaktion) der die beiden Polyurethan-Komponenten
(Monomere) statt. Es wird darauf hingewiesen, daß sich sämtliche Angaben zu der Zusammensetzung
in Gewichtsprozenten auf den Zustand vor der Polymerisation beziehen.
-
Das
Schleif- und/oder Polierwerkzeug ist besonders zur Bearbeitung von
Werkstücken
aus Zirkonoxid oder ähnlichen
Keramikmaterialien geeignet. Die chemische Zusammensetzung beeinflußt dabei maßgeblich
die Eigenschaften des Werkzeuges.
-
Insbesondere
wird durch die Art und Weise der Zusammensetzung ein Werkzeug bereitgestellt, welches
sich durch eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten
Werkzeugen besonders poröse
Struktur auszeichnet. Die Porosität entsteht dabei durch „zu viel" Grobkorn. Wenn dann noch
kein Überschuß an Bindungsmaterial
vorhanden ist, können
die Diamantkörner
lediglich von Bindungsmaterial ummantelt werden. Für eine Auffüllung der
Zwischenräume
reicht das Bindungsmaterial nicht aus. Es verbleiben gewollte Hohlräume.
-
Bei
der Bearbeitung eines Werkstücks
aus Keramik, insbesondere aus Zirkonoxid, wird kontinuierlich Bindungsmaterial
entfernt. Zugleich werden abgenutzte Diamantkörner permanent durch neue, tiefer
liegende Diamantkörner
ersetzt. Aufgrund der Porosität
des Werkzeuges wird die Schleifkomponente nach und nach freigesetzt,
d.h. das Werkzeug nutzt sich allmählich ab. Aufgrund der Porosität des Werkzeugs
wird eine schnelle oder zu hohe Aufheizung des Schleifers vermieden,
es kommt daher nur zu einer sehr geringen Wärmeentwicklung, so daß ein Kühlen des
Werkzeuges nicht erforderlich ist. Damit ist es erstmals möglich, Zirkonoxid
ohne Kühlung, beispielsweise
durch Wasser, zu bearbeiten.
-
Darüber hinaus
wird eine nahezu polierte Oberfläche
des beschliffenen Werkstücks
erreicht, so daß ein
Nachpolieren in vielen Fällen
nicht mehr erforderlich ist. Mit anderen Worten erfolgt bei der
Verwendung des neuartigen Werkzeuges beim Beschleifen zugleich ein
Polieren des Werkstücks.
-
Schließlich kann
die Gefahr der Entstehung von Haarrissen oder anderen Rissen im
Keramikmaterial mit Hilfe des neuartigen Werkzeuges vermieden werden.
-
Die
Wärmeentwicklung
wird nochmals verringert und ein besonders schönes Schliffbild erzielt, wenn
die Bearbeitung des Materials mit einem geringen Anpreßdruck und
einer geringen Drehzahl sowie ggf. intermittierend erfolgt. Vorteilhafterweise übersteigt
die Drehzahl dabei 5000 Umdrehungen/Minute nicht. Als ganz besonders
vorteilhaft für
die Bearbeitung von Zirkonoxid hat sich eine Drehzahl in einem Bereich
von 1000 bis 3000 Upm erwiesen.
-
Neben
einer vergleichsweise hohen Abtragsleistung zeichnet sich die Bearbeitungstechnik
entsprechend der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß eine Kühlung nicht
erforderlich ist. Somit entfallen aufwendige und teure Kühlvorrichtungen.
Zudem wird eine feinere und gleichmäßigere Oberflächenstruktur
des bearbeiteten Werkstückes
erzielt. Gegenüber
herkömmlichen
Werkzeugen wird eine stark erhöhte
Standzeit erreicht. Da somit weniger Werkzeugwechsel erforderlich
sind, ergibt sich zudem ein Zeitgewinn bei der Bearbeitung. Darüber hinaus
reduzieren sich die Lagerkosten für Werkzeuge. Da insgesamt weniger
Werkzeuge anfallen, wird mit der vorliegenden Erfindung zugleich
Rohstoffverbrauch und Abfallproduktion verringert, was die vorliegende Technik
als besonders umweltfreundlich auszeichnet.
-
Die
Erfindung ist unter anderem im Zahnarztbereich und in Dentallaboren
einsetzbar und umfaßt insbesondere
alle dentaltechnischen Arbeiten an Zirkonoxid, wie die feinmechanische
Formgebung von Gerüsten,
Kronen und Brücken,
insbesondere das Beschleifen und Polieren dieser Werkstücke.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Dabei
handelt es sich um ein Schleifwerkzeug 10 für Zirkonoxid.
Das Schleifwerkzeug umfaßt
den eigentlichen Schleifkörper 1,
an dem ein Schaft 2 angebracht ist, so daß es als
austauschbares Arbeitsteil eines feinmechanischen Instrumentes 3 dienen
kann. Das Instrument 3 weist eine nicht im einzelnen abgebildete
Antriebswelle sowie eine von der Antriebswelle angetriebene Aufnahme
für den
Schaft 2 des Schleifwerkzeuges 10 auf. Zur Bearbeitung
eines Zirkonoxid-Werkstückes
kann das Schleifwerkzeug 10 dadurch in Drehung versetzt werden.
-
Der
im Wesentlichen kegelförmige
Schleifkörper 1 des
Schleifwerkzeuges 10 ist durch Polymerisation einer chemischen
Zusammensetzung hergestellt. Die Zusammensetzung umfaßt im Wesentlichen
eine aus synthetischen Diamantkörnern
bestehende Schleifkomponente mit 65 Gewichtsprozent, eine Bindungskomponente
auf Kunststoffbasis mit 25 Gewichtsprozent, eine Füllstoffkomponente
mit 5 Gewichtsprozent sowie eine Farbkomponente mit 5 Gewichtsprozent.
-
Bei
den Diamantkörnern
handelt es sich um synthetische Diamanten der Korngröße D252
in polykristalliner Form, die mit einer Nickelbeschichtung versehen
sind. Als Bindungskomponente findet ein Zwei-Komponenten-Polyurethan-Gießharz Verwendung.
Als Füllstoffkomponenten
dienen Titaniumdioxid (TiO2) und Spuren
von Aluminiumoxid (Al2O3).
Als Farbkomponente findet Heliogenblau Verwendung.
-
Das
Schleifwerkzeug 10 ist zur dentaltechnischen Bearbeitung
von Zirkonoxid-Werkstücken
angepaßt
und zeichnet sich durch eine besonders poröse Struktur des Schleifkörpers 1 aus.
Das Beschleifen eines Zirkonoxid-Werkstückes mit dem erfindungsgemäßen Schleifwerkzeug 10 erfolgt
vorzugsweise mit einer Drehgeschwindigkeit von 3000 Upm und einem
geringen Anpreßdruck.
-
Die
Diamanten 4 liegen, wie in der Figur verdeutlicht, in einer
Art Matrix 5 ein, die durch das Bindungsmaterial und die
Füllstoffe
gebildet ist. Bei der Bearbeitung eines solchen Werkstückes wird
kontinuierlich Bindungsmaterial entfernt. Abgenutzte Diamantkörner werden
permanent durch neue, tiefer liegende Diamantkörner ersetzt. Aufgrund der
Porosität des
Schleikörpers 1 kommt
es dabei nur zu einer sehr geringen Wärmeentwicklung, so daß ein Kühlen des
Werkzeuges 10 nicht erforderlich ist. Das Bearbeiten von
Zirkonoxid-Werkstücken
ist daher ohne Kühlung
möglich.
Ein Nachpolieren ist aufgrund der bereits durch das Beschleifen
nahezu polierten Oberfläche
nicht erforderlich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schleifkörper
- 2
- Schaft
- 3
- Instrument
- 4
- Diamant
- 5
- Matrix
- 10
- Schleifwerkzeug