DE102017116630A1

DE102017116630A1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers sowie gesinterter Weißling

Info

Publication number: DE102017116630A1
Application number: DE102017116630.0A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Seeber; Wolfgang Chudala; Stefan Leyen
Original assignee: Metoxit AG
Current assignee: Metoxit AG
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers - in Form eines Grünlings - aus keramischem Pulver mit folgenden Schritten:- separate Erzeugung von Scheiben in Form von Grünscheiben mittels jeweils separater Teilverdichtung jeder Scheibe in einer Presse;- aufeinanderstapeln der vorher produzierten Grünscheiben in der Reihenfolge, die sie in dem Grünling einnehmen sollen, zu einem Stapel;- Endverdichtung des Stapels in einer Presse zu einem Grünling.Die Erfindung betrifft außerdem einen Weißling in der Form eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers aus keramischem Pulver, der aus einem Grünling, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, nach Sinterung erhalten wird.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers in Form eines Grünlings aus keramischem Pulver sowie mit einem gesinterten Weißling, der aus einem solchen Grünling hergestellt wurde.
Realisiert werden heute mehrschichtige Formkörper durch Befüllung einer Pressform mit mehreren Schichten des voreingefärbten Pressgranulats. Üblicherweise wird hierbei jede Schicht, nach dem Füllen mittels Füllschuh, leicht angepresst und vorverdichtet, so dass ein mehrschichtiger Formkörper entsteht. Schon über das leichte aber mehrfache Anpressen der einzelnen Schichten können Eigenspannungen zwischen den Schichten entstehen, die als Festigkeitsreduzierungen von 10 bis 30 % am endgesinterten Bauteil gemessen werden können.
Ein Füllen ohne Anpressen führt zu einer ungünstigen Dichteverteilung im Bauteil, da die einzelnen Schichten axial nicht homogen gepresst werden. Speziell bei unterschiedlichen Höhen der Schichten sind Wandreibungen hinderlich, um eine homogene Füllung zu erzielen. Ein solches Verfahren wird beispielsweise durch das Modell PA 350 E der FREY & Co. GmbH aus Lenggries (Deutschland) realisiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dem mehrschichtige Formkörper erzeugt werden können, die - beispielsweise für die Zahnmedizin - höherer Festigkeit aufweisen und somit eine gesteigerte Sicherheit gegen Bruch bieten. Außerdem ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Weißling mit den genannten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung trennt den Vorgang der Erzeugung der Schichten, die durch die Grünscheiben repräsentiert werden, und die finale Endverdichtung der einzelnen Schichten voneinander. Die unterschiedlichen Farbschichten - es können sich Farbschichten auch wiederholen - werden separat als einzelne Grünschichten mittels einer vorgeschalteten Teilverdichtung in einer Presse erzeugt. Danach werden diese Grünschichten in der gewünschten Reihenfolge aufeinander gestapelt und final mittels Druck in einer Presse zum Grünling verpresst. Entgegen den Erwartungen, tritt kein delaminieren der Grünschichten auf. Ebenso unerwartet ist die Endfestigkeit des Grünlings mindestens auf dem Niveau von Grünlingen aus einfarbigen keramischen Werkstoffen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Teilverdichtung mit einem Druck zwischen 40-500 bar, bevorzugt 50-120 bar, besonders bevorzugt 60-90 bar, und die Endverdichtung mit einem Druck zwischen 1.000-6.000 bar, bevorzugt 1.500-3.000 bar, besonders bevorzugt 2.000-2.500 bar, erfolgen. Die angegebenen Bereiche, insbesondere die vorteilhaften engeren Bereiche, führen zu einer homogenen Dichteverteilung ohne Unter- oder Überpressen des Rohstoffs.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei der Teilverdichtung ein Pressschwund zwischen 30 und 70 % und/oder bei der Endverdichtung ein Pressschwund zwischen 0,5 und 10 % erzeugt werden. Dadurch wird erreicht, dass über die Vorverdichtung eine handhabbare Scheibe und über die Endverdichtung ein guter Werkstoffverbund entstehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Teilverdichtung mittels einer axialen Pulverpresse und/oder die Endverdichtung mittels einer kaltisostatischen Presse erfolgen. Die Verwendung einer axialen Pulverpresse für die Teilverdichtung führt zu einer einfachen und preiswerten Herstellung der einzelnen Grünschichten. In diesem Stadium ist es noch nicht nötig, ein isostatisches Pressen durchzuführen, um eine gesteigerte Festigkeit in allen Richtungen zu erreichen, da dies auch noch in der nachfolgenden und erfindungsgemäß davon getrennt durchgeführten Endverdichtung erfolgen kann. Die gesteigerte (End-)Festigkeit wird noch dadurch verbessert, dass bei der Endverdichtung ein isostatisches Pressen erfolgt. Bevorzugt wird das durch die Verwendung einer kaltisostatischen Presse erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Teilverdichtung zu jeder Grünscheibe mit derselben relativen Dichte erfolgt. Dadurch ist der Stapel aus Grünscheiben insgesamt gleich dicht und bei der Endverdichtung wird eine gleichmäßige relative Dichte über den gesamten Grünling erreicht. Dadurch wird der isotrope Schwund sichergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das keramische Pulver für mindestens eine der Grünscheiben Zirkonoxid mit mindestens einem anderen Zusatz ist, wobei dieser Zusatz 2 bis 6 mol-% Yttriumoxid aufweist. Schichten aus Zirkonoxid mit Yttriumoxid haben für die Anwendung im Dentalbereich den Vorteil, dass sie transluzent sind und zwar umso stärker, je höher der Anteil an Yttriumoxid ist. Dadurch ist es möglich, den Grünling anhand der aufeinander gestapelten Grünscheiben so aufzubauen, dass der daraus nach dem Sintern entstehende Weißling einen Effekt wie ein natürlicher Zahn hat.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schichtdicken der Grünscheiben variabel zwischen 1 und 150 mm betragen. Dadurch erhält man eine Flexibilität in der Herstellung diverser Bauteilhöhen und Farbverläufen beziehungsweise Schichtdicken. Bevorzugt werden Grünscheiben gleicher Dicke oder mit Schichtdicken hergestellt, die Vielfache voneinander sind, beispielsweise mit Dicken von 1, 2, 3 oder 5 mm.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass elf Grünscheiben mit jeweils 2 mm Schichtdicke zu dem Grünling endverdichtet werden. Dies hat gegenüber den bislang standardmäßig in der Dentaltechnik verwendeten fünf bis sieben Schichten den Vorteil, dass bei derselben Gesamthöhe des aus dem Grünling entstehenden Weißlings eine feinere Farbaufteilung und Transluzenzabstufung erreicht werden kann, was zu einem natürlicheren Aussehen des Zahnersatzes führt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei der Teilverdichtung mindestens eine der Oberflächen der Grünscheiben mit Rillen, Nuten, einem Waffelmuster und/oder einem anderen Muster versehen werden. Damit können Muster innerhalb des Grünlings und später (nach der Sinterung) des Weißlings erzeugt werden. Außerdem ist es möglich - was insbesondere für den Dentalbereich wichtig ist -, dass keine harten optischen Kanten entstehen, sondern ein fließender Übergang, also ein natürlicher Farbverlauf, zwischen verschiedenen Graden einer Farbe erreicht wird. Die Herstellung solcher Strukturen erfolgt mittels geeigneter Stempel und/oder Formen der Presse.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Grünscheiben in eine Form aus elastischem Kunststoff gepackt werden und die Endverdichtung der Grünscheiben zum Grünling durch Druck auf die Form erfolgt, insbesondere mittels einer kaltisostatischen Presse. Dadurch wird eine bessere isostatische Druckverteilung auf den gesamten zu pressenden Grünling erreicht und die Druckaufbringung ist besser. Dies ist sogar bei der Verwendung einer axialen Pulverpresse bei der Endverdichtung der Fall. Außerdem bietet der elastische Kunststoff einen Schutz gegen Eindringen des Druckmediums (beispielsweise Wasser, Emulsion, Öl oder beim quasiisostatischen Pressen elastischer Kunststoff).
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Teilverdichtung mittels geeigneten Formgebungsverfahren, insbesondere Gefriertrocknen, Gel-Casting, 3D-Druck oder Ähnlichem, erfolgt. Mittels solcher Verfahren werden auf einfache Art und Weise bei gleichzeitig guten Ergebnissen die Grünscheiben hergestellt.
Die Aufgabe wird auch durch einen Weißling in der Form eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers aus keramischem Pulver gelöst, der aus einem Grünling, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, nach Sinterung erhalten wird. Ein solcher Weißling weist eine hohe Festigkeit auf und bietet somit eine gesteigerte Sicherheit gegen Bruch.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Erfindungsgemäß wird zuerst eine vorher bestimmte Anzahl von Scheiben gleicher relativer Dichte aus einem keramischen Pulver hergestellt. Solche Scheiben werden im Folgenden als Grünscheiben bezeichnet. Die Grünscheiben können alle aus demselben Pulver hergestellt werden, es ist aber auch möglich, alle Grünscheiben aus Pulvern verschiedener Zusammensetzung herzustellen. Alternativ ist es auch möglich, nur einen Teil der Grünscheiben aus demselben Pulver herzustellen und für die anderen Grünscheiben andere Pulverzusammensetzungen zu verwenden. Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels werden insgesamt elf Grünscheiben aus verschiedenen Pulvern hergestellt. Alle Pulver haben Zirkonoxid als Basis, dem jeweils als Stabilisator Yttriumoxid beigemengt ist. Für die Erfindung ist es nicht ausschlaggebend, wie hoch der Anteil des Yttriumoxids in der einzelnen Grünscheibe ist - dies hängt stark von der intendierten Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten mehrschichtigen Formkörpers ab -, er liegt hier zwischen 2 und 6 mol-%. Je höher dieser Anteil ist, desto transluzenter wird der nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene erfindungsgemäße Weißling. Zusätzlich zu dem Stabilisator (als solcher könnte auch beispielsweise Ceroxid oder Magnesiumoxid verwendet werden) können noch Farbpigmente in sehr geringem Umfang - regelmäßig unter 2 Masse-% - in den Pulvern vorhanden sein, die zu einer Einfärbung der jeweiligen Grünscheibe in der gewünschten Farbe führen. Die konkrete Farbgestaltung ist jedoch nicht erfindungswesentlich und hängt stark von der intendierten Verwendung des erfindungsgemäßen Weißlings ab.
Die Herstellung der einzelnen Grünscheiben erfolgt in an sich dem Fachmann bekannter Art und Weise durch eine Teilverdichtung in einer axialen Pulverpresse mit einem Pressschwund von ungefähr 55 % bei einem Druck von ungefähr 75 bar. Man erhält dabei Grünscheiben mit jeweils einer Dicke von ungefähr 2 mm. Die Oberflächen der Grünscheiben können mit beliebigen Mustern versehen werden; darunter fallen beispielsweise Rillen, Nuten oder Waffelmuster, je nachdem, welcher Farbverlauf der fertige Weißling aufweisen soll. Insbesondere ist es damit möglich, dass keine harten optischen Kanten entstehen, sondern ein fließender Übergang - also ein natürlicher Farbverlauf - zwischen verschiedenen Graden einer Farbe erreicht wird. Die Herstellung solcher Strukturen erfolgt mittels geeigneter Stempel und/oder Formen der axialen Pulverpresse in dem Fachmann an sich bekannter Art und Weise.
Die elf erhaltenen Grünscheiben werden dann in einer vorher festgelegten und auf die intendierte Verwendung des erfindungsgemäßen Weißlings abgestimmten Reihenfolge aufeinander gestapelt.
Dieser Stapel von Grünscheiben wird in eine Form aus elastischem Kunststoff gepackt, die den gesamten Stapel umschließt. Die Form aus elastischem Kunststoff wird in geeigneter Weise gegen das Druckmedium verschlossen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Stapel von Grünscheiben gegen das Druckmedium geschützt ist und eine gleichmäßige und isostatische Aufbringung des Drucks auf die Grünscheiben bei der Endverdichtung erfolgt. Die Scheiben sind hierdurch isotrop im Schwund bei der Endsinterung.
Die Endverdichtung des Stapels von Grünscheiben zu einem Grünling erfolgt in einer kaltisostatischen Presse unter einem Druck von ungefähr 2.000 bar. Dadurch wird erreicht, dass eine homogene Dichteverteilung, ohne Unter- oder Überpressen des Rohstoffs, im Bauteil erzeugt wird. Bei der Endverdichtung ergibt sich nur noch ein Pressschwund von ungefähr 1,5 %.
Aufgrund der Form aus elastischem Kunststoff, die für eine gleichmäßige Druckaufbringung sorgt, kann anstatt der einer kaltisostatischen Presse auch eine axiale Pulverpresse verwendet werden.
Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung einer Form aus elastischem Kunststoff ist, dass diese für die Herstellung weiterer Grünlinge verwendet werden kann - unabhängig davon, ob die gleiche Zusammensetzung an Grünscheiben verwendet wird oder nicht.
Der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhaltene Grünling wird dann mittels dem Fachmann an sich bekannten Methoden zu einem Weißling gesintert. Dies kann entweder durch ein Vorsintern mit anschließendem Fräsen und abschließendem Endsintern erfolgen oder direkt durch eine direkte Sinterung ohne Zwischenschritt. Man erhält dann einen erfindungsgemäßen Weißling, der eine Höhe von beispielsweise 22 mm hat. Eine solche Höhe ist ein gängiges Maß in der Dentaltechnik, wird aber als Marktstandard bislang mit fünf bis sieben Schichten erreicht. Dies bedeutet, dass ein elfschichtiger erfindungsgemäßer Weißling bedeutend dünnere Schichten aufweist und durch deren verschiedene Einfärbungen und Transluzenzen näher an das Aussehen eines echten Zahnes heranreichen kann.
Erfindungsgemäße Weißlinge können auch auf anderen Gebieten als der Dentaltechnik verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, Ziffernblätter für die Uhrenindustrie herzustellen, die ein Nadelstreifenmuster aufweisen, wenn der Weißling gegenüber seiner Herstellung und Verwendung in der Dentaltechnik um 90° gedreht wird, so dass die Schichten nicht mehr horizontal sondern vertikal verlaufen. Dann können horizontale dünne Plättchen mit dem erwähnten Nadelstreifenmuster in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers - in Form eines Grünlings - aus keramischem Pulver mit folgenden Schritten: a) separate Erzeugung von Scheiben - in Form von Grünscheiben - mittels jeweils separater Teilverdichtung jeder Scheibe in einer Presse; b) aufeinanderstapeln der vorher produzierten Grünscheiben in der Reihenfolge, die sie in dem Grünling einnehmen sollen, zu einem Stapel; c) Endverdichtung des Stapels in einer Presse zu einem Grünling.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Teilverdichtung mit einem Druck zwischen 40-500 bar, bevorzugt 50-120 bar, besonders bevorzugt 60-90 bar, und die Endverdichtung mit einem Druck zwischen 1.000-6.000 bar, bevorzugt 1.500-3.000 bar, besonders bevorzugt 2.000-2.500 bar, erfolgen.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei bei der Teilverdichtung ein Pressschwund zwischen 30 und 70 % und/oder bei der Endverdichtung ein Pressschwund zwischen 0,5 und 10 % erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Teilverdichtung mittels einer axialen Pulverpresse und/oder die Endverdichtung mittels einer kaltisostatischen Presse erfolgen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Teilverdichtung zu jeder Grünscheibe mit derselben relativen Dichte erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei das keramische Pulver für mindestens eine der Grünscheiben Zirkonoxid mit mindestens einem anderen Zusatz ist, wobei dieser Zusatz 2 bis 6 mol-% Yttriumoxid aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Schichtdicken der Grünscheiben variabel 1 bis 150 mm betragen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei elf Grünscheiben mit jeweils 2 mm Schichtdicke zu dem Grünling endverdichtet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei bei der Teilverdichtung mindestens eine der Oberflächen der Grünscheiben mit Rillen, Nuten, einem Waffelmuster und/oder einem anderen Muster versehen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Grünscheiben in eine Form aus elastischem Kunststoff gepackt werden und die Endverdichtung der Grünscheiben zum Grünling durch Druck auf die Form erfolgt, insbesondere mittels einer kaltisostatischen Presse.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Teilverdichtung mittels geeigneten Formgebungsverfahren, insbesondere Gefriertrocknen, Gel-Casting, 3-D Druck oder Ähnlichem, erfolgt.
Weißling in der Form eines mehrschichtigen keramischen Formkörpers aus keramischem Pulver, der aus einem Grünling, der mittels eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Patentansprüche hergestellt wurde, nach Sinterung erhalten wird.