DE10320934B3

DE10320934B3 - Verfahren zur Herstellung keramischer Formkörper hoher Dichte

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Publication number: DE10320934B3
Application number: DE2003120934
Authority: DE
Inventors: Rolf Prof. Dr. Clasen; Jan Dipl.-Ing. Tabellion; Christian Dipl.-Ing. Oetzel
Original assignee: C Hafner GmbH and Co KG
Current assignee: C Hafner GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-05-10

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers 3, welcher insbesondere eine Ausnehmung beziehungsweise einen Hohlraum aufweist und aus welchem ein Formkörper mittels Sintern herstellbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper 3 für eine elektrophoretische Nachverdichtung derart in eine Suspension 1, 2 eingebracht wird, daß die Suspension 1, 2 durch den Grünkörper in einen ersten Teil 1 und einen zweiten Teil 2 geteilt wird, wobei in dem ersten Teil 1 der Suspension 1, 2 eine erste Elektrode 4 zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist und der erste Teil 1 der Suspension 1, 2 elektrophoretisch abscheidbare Partikel 1a enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers 3 und in dem zweiten Teil 2 der Suspension 1, 2, der sich gegebenenfalls in der Ausnehmung beziehungsweise in dem Hohlraum des Grünkörpers 3 befindet, eine zweite Elektrode 5 zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist und der zweite Teil 2 der Suspension 1, 2 elektrophoretisch abscheidbare Partikel 2a enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Herstellung eines Grünkörpers, welcher eine Ausnehmung beziehungsweise einen Hohlraum aufweist, und aus welchem ein Formkörper mittels Sintern herstellbar ist.

In vielen Bereichen der Technik, insbesondere in der Dentaltechnik ist es wünschenswert, Formkörper hoher Dichte zu erhalten. Es ist bekannt, daß mittels einer elektrophoretischen Abscheidung Grünkörper, aus welchen Formkörper mittels Sintern herstellbar sind, hoher Dichte hergestellt werden können.

So ist beispielsweise aus der WO 99/50480 A1 ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welchem eine organische Suspension aus Keramikpartikeln in einem polaren organischen Lösemittel verwendet wird. Die Suspension befindet sich in einem Behälter, in welchem zwei Elektroden für die elektrophoretische Abscheidung angeordnet sind. In die Suspension ist ein mit Silberleitlack beschichteter Gipsabdruck eines präparierten Zahnstumpfes eingetaucht, welcher die Elektrode bildet, an der die elektrophoretische Abscheidung stattfindet. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung zwischen 50 und 400 Volt an die beiden Elektroden werden Keramikpartikel auf den Gipsabdruck abgeschieden, wodurch der Grünkörper gebildet wird. Der Grünkörper wird anschließend getrocknet, bei etwa 1200 Grad Celsius angesintert, anschließend mit einem Glasschlicker infiltriert und bei 1100 Grad Celsius gesintert.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist die Verwendung organischer Dispergiermittel, welche leicht entflammbar sind und eine große Toxizität haben. Darüber hinaus entstehen bei thermischen Verfahrensschritten häufig toxische Crack-Produkte der organischen Lösemittel. Es sind daher besondere Schutzmaßnahmen erforderlich. Des weiteren ist die Abscheiderate sehr gering, weshalb mit hohen Spannungen gearbeitet werden muß oder lange Abscheidedauern hingenommen werden müssen.

Aus der EP 0 200 242 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, bei dem aus einer wässrigen Suspension mit hochdispersem Feststoffanteil ein poröser Grünkörper geformt und dieser anschließend gereinigt und gesintert wird, wobei der Grünkörper durch Trennung der Phasen der Suspension mittels Elektrophorese hergestellt wird.

Zur Vermeidung durch Bläschen hervorgerufener großer Poren im Grünkörper erfolgt bei dem aus der EP 0 200 242 A2 bekannten Verfahren die elektrophoretische Abscheidung nicht mehr auf einer Elektrode, sondern auf einer porösen Membran, welche zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Die Membran kann die Form des herzustellenden Grünkörpers haben und besitzt Poren, die kleiner sind, als die abzuscheidenden Partikel. Nach Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an die beiden Elektroden findet eine Abscheidung und damit Formgebung eines Grünkörpers an der Membran statt.

Der EP 0 200 242 A2 lassen sich keine Hinweise darauf entnehmen, daß mittels dem dort beschriebenen Verfahren auch aus Zirkondioxid bestehend keramische Formkörper abgeschieden werden könnten.

Des weiteren ist es aus der DE 100 44 163 A1 bekannt, aus Siliziumdioxid bestehende poröse Gnünkörper zur Erhöhung der Dichte elektrophoretisch nachzuverdichten. Hierzu wird ein betreffender Grünkörper zwischen zwei Elektroden gebracht. Der Raum zwischen Anode und Grünkörper wird mit einer Dispersion befällt, welche Siliziumdioxidpartikel und ein Dispersionsmittel enthält. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung von 5 bis 100 Volt an die beiden Elektroden werden die dispergierten Siliziumdioxidpartikel in die Poren des porösen Grünkörpers transportiert und dort abgeschieden. Hierdurch erhöht sich die Dichte des Grünkörpers.

Wenngleich mittels des bekannten Verfahrens auch die Dichte poröser Grünkörper erhöht werden kann, so hat das bekannte Verfahren dennoch den Nachteil, daß die Dichte des Grünkörpers einen ansteigenden beziehungsweise abfallenden Verlauf hat. Des weiteren ist die für die Nachverdichtung benötigte Zeit relativ lang.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren derart auszubilden, daß sich die Zeit für die Nachverdichtung verkürzt und die Dichte homogener ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers, welcher insbesondere eine Ausnehmung beziehungsweise einen Hohlraum aufweist, und aus welchem ein Formkörper mittels Sintern herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper für eine elektrophoretische Nachverdichtung derart in eine Suspension eingebracht wird, daß die Suspension durch den Grünkörper in einen ersten Teil und einen zweiten Teil geteilt wird, wobei in dem ersten Teil der Suspension eine erste Elektrode zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist und der erste Teil der Suspension elektrophoretisch abscheidbare Partikel enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers, und in dem zweiten Teil der Suspension, der sich gegebenenfalls in der Ausnehmung beziehungsweise in dem Hohlraum des Grünkörpers befindet, eine zweite Elektrode zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist, und der zweite Teil der Suspension elektrophoretisch abscheidbare Partikel enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers, wobei eine der Elektroden als Anode und die andere der Elektroden als Kathode geschaltet wird.

Dadurch, daß die Suspension durch den Grünkörper in zwei Teile geteilt wird, ist es möglich, die beiden Teile der Suspension unterschiedlich auszubilden. Die beiden Teile der Suspension können somit insbesondere so ausgebildet werden, daß in beiden Teilen der Suspension vorhandene abscheidbare Partikel von beiden Seiten in die Poren des Grünkörpers gelangen und dort abgeschieden werden. Dies hat einerseits den Vorteil, daß sich die für die Nachverdichtung erforderliche Zeit verringert. Andererseits wird dadurch in vorteilhafter Weise die Dichte des Grünkörpers homogener.

Als sehr vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Füllgrad der beiden Teile der Suspension etwa 1 bis 60 Gewichtsprozent, insbesondere etwa 3 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 20 Gewichtsprozent beträgt. Bei einem derartigen Füllgrad wurde eine besonders gute Nachverdichtung erreicht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Teile der Suspension wässrige Suspensionen sind, welche Zirkondioxid enthalten. Dadurch, daß wässrige Suspensionen verwendet werden, entfallen die bei organischen Suspensionen vorhandenen Nachteile. Durch die Verwendung von Zirkondioxid lassen sich aus Zirkondioxid bestehende Grünkörper sehr gut nachverdichten. Dies ist insbesondere im Bereich der Dentaltechnik von großem Vorteil, da hierdurch keramischer Zahnersatz sehr hoher Dichte hergestellt werden kann.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn der erste Teil der Suspension einen pH-Wert von etwa 9,5 bis 13, insbesondere etwa 9,5 bis 12,5, vorzugsweise etwa 10,0 hat, und der zweite Teil der Suspension einen pH-Wert von etwa 2,0 bis 5,0, insbesondere etwa 2,5 bis 4,5, vorzugsweise etwa 3,5 hat. Hierdurch wird bei der Nachverdichtung auf beiden Seiten des Grünkörpers eine schnelle und hohe Verdichtung erreicht.

Des weiteren ist es sehr vorteilhaft, wenn dem ersten Teil der Suspension eine starke Base wie Tetramethylammoniumhydroxid (TMA) und dem zweiten Teil der Suspension eine starke Säure wie Salzsäure (HCI) zugefügt werden. Dies wirkt sich ebenfalls sehr vorteilhaft auf die Verdichtung aus.

Weiterhin hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, wenn die dispergierten Partikel in dem ersten Teil der Suspension im Dispersionsmittel ein Zeta-Potenzial zwischen etwa minus 10 und minus 70 Millivolt, insbesondere zwischen etwa minus 30 und minus 70 Millivolt besitzen, und in dem zweiten Teil der Suspension im Dispersionsmittel ein Zeta-Potenzial zwischen etwa 30 und 120 Millivolt, insbesondere zwischen etwa 40 und 80 Millivolt, besitzen.

Sehr vorteilhaft ist es auch, wenn die spezifische Leitfähigkeit der Suspensionen zwischen etwa 0,001 und 10 Millisiemens pro Zentimeter, insbesondere zwischen etwa 0,001 und 2,0 Millisiemens pro Zentimeter liegt.

Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft, wenn die Viskosität der Suspensionen zwischen etwa 1 und 1000 mPa·s, insbesondere zwischen etwa 1 und 100 mPa·s liegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt die einzige Figur die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Nachverdichtung.
Wie der Figur entnommen werden kann, ist ein Grünkörper 3, welcher aus Zirkondioxidpartikeln 3a aufgebaut ist, derart in einer Suspension 1, 2 angeordnet, daß er die Suspension in einen ersten Teil 1 und in einen zweiten Teil 2 aufteilt. Der erste Teil 1 der Suspension ist in der Figur rechts vom Grünkörper 3 angeordnet; der zweite Teil 2 der Suspension links vom Grünkörper 3. Im ersten Teil 1 der Suspension sind Zirkondioxidpartikel 1a enthalten, deren Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser der Poren des Grünkörpers 3 ist. Im zweiten Teil 2 der Suspension sind Zirkondioxidpartikel 2a angeordnet, deren mittlerer Durchmesser kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers 3 ist.
Im ersten Teil 1 der Suspension befindet sich eine erste Elektrode 4, welcher mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 6 verbunden ist. Im zweiten Teil 2 der Suspension befindet sich eine zweite Elektrode 5, welche mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 6 verbunden ist. Die erste Elektrode 4 bildet die Kathode, die zweite Elektrode 5 die Anode. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 6 ist so eingestellt, daß sich zwischen den beiden Elektroden 4, 5 eine mittlere Feldstärke von 0,1 bis 10 Volt pro Zentimeter ergibt.
Der pH-Wert des ersten Teils 1 der Suspension beträgt etwa 11. Der pH-Wert des zweiten Teils 2 der Suspension beträgt etwa 3.
Aufgrund des elektrischen Feldes wandern die im ersten Teil 1 der Suspension enthaltenen Zirkondioxidpartikel 1a, welche ein Zeta-Potenzial von etwa minus 60 Millivolt haben, in Richtung zur zweiten Elektrode 5. Hierdurch dringen sie in die Poren des Grünkörpers 3 ein und werden an den Zirkondioxidpartikeln 3a des Grünkörpers 3 abgeschieden.
Die im zweiten Teil 2 der Suspension enthaltenen Zirkondioxidpartikel 2a, welche ein Zeta-Potenzial von etwa 60 Millivolt haben, wandern aufgrund des elektrischen Feldes in Richtung zur ersten Elektrode 4. Hierdurch dringen sie ebenfalls in die Poren des Grünkörpers 3 ein und werden an den Zirkondioxidpartikeln 3a des Grünkörpers 3 abgeschieden.
Durch das Eindringen der in beiden Teilen 1, 2 enthaltenen Zirkondioxidpartikel 1a, 2a von beiden Seiten in die Poren des Grünkörpers 3 wird in sehr kurzer Zeit eine sehr gute Nachverdichtung des Grünkörpers 3 erreicht. Des weiteren erhöht sich durch das Eindringen der in der Suspension 1, 2 enthaltenen Zirkondioxidpartikel 1a, 2a in den Grünkörper 3 von beiden Seiten die Homogenität des Grünkörpers 3.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers (3), aus welchem ein Formkörper mittels Sintern herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grünkörper (3) für eine elektrophoretische Nachverdichtung derart in eine Suspension (1, 2) eingebracht wird, daß die Suspension (1, 2) durch den Grünkörper in einen ersten Teil (1) und einen zweiten Teil (2) geteilt wird, wobei in dem ersten Teil (1) der Suspension (1, 2) eine erste Elektrode (4) zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist und der erste Teil (1) der Suspension (1, 2) elektrophoretisch abscheidbare Partikel (1a) enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers (3), und in dem zweiten Teil (2) der Suspension (1, 2), eine zweite Elektrode (5) zur elektrophoretischen Nachverdichtung angeordnet ist, und der zweite Teil (2) der Suspension (1, 2) elektrophoretisch abscheidbare Partikel (2a) enthält mit einer Partikelgröße kleiner als der mittlere Porendurchmesser des Grünkörpers, wobei eine der Elektroden als Anode und die andere der Elektroden als Kathode geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Teil (2) der Suspension (1, 2) in einer Ausnehmung beziehungsweise in einem Hohlraum des Grünkörpers (3) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllgrad der beiden Teile (1, 2) der Suspension 1 bis 60 Gewichtsprozent, insbesondere 3 bis 50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 20 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (1, 2) der Suspension wässrige Suspensionen sind, welche Zirkondioxid enthalten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (1) der Suspension einen pH-Wert von 9,5 bis 13, insbesondere 9,5 bis 12,5, vorzugsweise 10,0 hat, und der zweite Teil (2) der Suspension einen pH-Wert von 2,0 bis 5,0, insbesondere 2,5 bis 4,5, vorzugsweise 3,5 hat.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (1) der Suspension eine starke Base wie Tetramethylammoniumhydroxid (TMA) und der zweite Teil (2) der Suspension eine starke Säure wie Salzsäure (HCI) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierten Partikel in dem ersten Teil (1) der Suspension im Dispersionsmittel ein Zeta-Potenzial zwischen minus 10 und minus 70 Millivolt, insbesondere zwischen minus 30 und minus 70 Millivolt, besitzen, und in dem zweiten Teil (2) der Suspension im Dispersionsmittel ein Zeta-Potential zwischen 30 und 120 Millivolt, insbesondere zwischen 40 und 80 Millivolt, besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Leitfähigkeit der beiden Teile (1, 2) der Suspension zwischen 0,001 und 10 Millisiemens pro Zentimeter, insbesondere zwischen 0,001 und 2,0 Millisiemens pro Zentimeter liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der beiden Teile (1, 2) der Suspension zwischen 1 und 1000 mPa·s, insbesondere zwischen 1 und 100 mPa·s liegt.