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Die Erfindung betrifft einen Brennofen gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruchs 1.
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Zahnersatzobjekte aus Keramik werden häufig auf Gerüsten in Schichttechnik oder als Zahnkappen (Veneers) hergestellt. Das Gerüst besteht u. a. aus Metalllegierungen, auf die verschiedene Schichten aus keramischen Massen aufgetragen, getrocknet und danach gebrannt werden. Zum Brennen werden beispielsweise Multifunktions-Dentaltechniköfen verwendet, die auf die aufgetragene Schicht abgestimmte Programme durchlaufen. Die verwendeten Geräte bestehen mindestens aus einer Brennkammer und einem Brennteller (als Verschlussplatte), die relativ zueinander beweglich angeordnet sind. So sind beispielsweise Öfen bekannt, bei denen das Verschließen durch Aufsetzen der Brennkammer auf die Verschlussplatte (Brennteller) bzw. Einfahren des Brenntellers in die Brennkammer mit einem Hebesystem (Lift) erfolgt. Ferner sind Geräte mit kippbaren Brennkammern oder mit einschwenkbar angeordneten Brenntellern erhältlich.
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Trotz der Vielzahl der vorhandenen Geräte bestehen verschiedene Nachteile für den Brennprozess. So ergibt sich bauartbedingt oft ein ungleichmäßiger Verlauf der Brenntemperatur. Daher ist jedenfalls erforderlich, dass ein Brennofen über eine zuverlässige und genaue Temperaturregelung verfügt. Zudem ist es kaum möglich, standardisierte Bedienungs- bzw. Benutzungsanweisungen abzuleiten, um mit dem jeweils verwendeten Material reproduzierbare Ergebnisse zu erreichen. Vielmehr sind die Zahntechniker meist auf Erfahrungswerte angewiesen.
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Wichtig ist beim Brennvorgang insbesondere, dass die Keramik nicht überhitzt werden darf und möglichst gleichmäßig erwärmt werden sollte, um reproduzierbare Brennergebnisse zu erzielen. Wird ein Objekt „unterbrannt”, wirkt sich das auf die Oberfläche und die Keramikfarbe negativ aus. Beim „Überbrennen” leiden die Zahnkonturen und die Oberfläche. Durch Fließen der Keramik entstehen starke Abrundungen und stark glänzende Oberflächen, die vom Erscheinungsbild des natürlichen Zahnes erheblich abweichen. Misslingt ein Brand (Fehlbrand), muss das Gerüst freigelegt, gereinigt und das sog. Schichten erneut erfolgen.
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Zusätzlich besteht das Problem, dass die Temperaturverteilung innerhalb des genutzten Brennraumes sehr unterschiedlich ist. Hierzu muss der Zahntechniker oft mühsam herausfinden, an welcher Position auf dem Brenngutträger und demzufolge in welcher Position/Entfernung zur Heizspirale er das Objekt am besten platziert. Werden mehrere Objekte gleichzeitig oder mit demselben Brennprogramm gebrannt, kommt hinzu, dass auch zu berücksichtigen ist, welche Art von Objekten, Kronen, Brücken, Veneers zueinander und an welchen Stellen auf dem Brenngutträger platziert werden. Ursache für solche Temperaturunterschiede von 50 bis 100 Kelvin innerhalb der Brennkammer ist insbesondere die Strahlungsintensität, die mit der Entfernung exponentiell abnimmt.
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Daher wird die Brennkammer möglichst klein gestaltet, um den exponentiellen Einfluss der Entfernung zu minimieren. So beträgt bei üblichen Brennteller-Durchmessern bzw. Brennkammer-Öffnungen von 80 bis 90 mm der lichte Innendurchmesser der Brennkammer meist ca. 95 bis 100 mm oder anders ausgedrückt, der Innendurchmesser der zylindrischen Heizspirale stellt eine bündige Fortsetzung der Brennkammer-Öffnung dar (vgl. z. B.
US-Patent 6, 252, 202 ). Dadurch steht nur ein Bereich von etwa 40 mm vom Mittelpunkt des Brenngutträgers bis zum äußeren Rand zur Verfügung, um Objekte positionieren zu können. Objekte am Rand des Brenngutträgers befinden sich dann ca. 15–20 mm von der Heizspirale entfernt, während Objekte in der Mitte 2–3 mal soweit entfernt von der Heizquelle stehen. Damit besteht die Gefahr der ungleichmäßigen Erhitzung, insbesondere für große, mehrgliedrige Brücken oder ganze Zahnkränze, wo zwangsläufig partiell unmittelbare Nähe zur Heizspirale und große Temperaturunterschiede innerhalb desselben Objektes vorherrschen.
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In dem vorstehend genannten US-Patent wird zur Vergleichmäßigung der Temperaturunterschiede vorgeschlagen, dass die Objekte möglichst im Zentrum der Brennkammer angeordnet werden sollen, wobei auch zusätzliche Heizelemente im Boden oder der Decke der Brennkammer verwendet werden sollen. Dies ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand und damit Kosten verbunden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Brennofen, insbesondere zur Herstellung von Schichtkeramik in der Zahntechnik zur Verfügung zu stellen, der die oben geschilderten Nachteile vermeidet und eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb eines definierten Bereiches in der Brennkammer mit ausreichender Größe, auch für mehrgliedrige Brücken und Zahnkränze ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Brennofen nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Durch den vorgeschlagenen Brennofen mit einer entsprechend dimensionierten und in ihrer Form angepassten, wesentlich größeren Heizwendel werden verschiedene Objekte und/oder mehrere Objekte gleichzeitig optimal bestrahlt. Zudem wird durch die Ausgestaltung und Position des Brenntellers erreicht, dass eine Platzierung eines Objektes in einem zu warmen oder zu kalten Bereich nahezu unmöglich ist. Weiterhin werden kürzere Anpassungs- und Testzeiten für das Brennen unterschiedlicher Bauteile und verschiedener Keramikmaterialien benötigt sowie Strahlungsschatten durch benachbarte Objekte vermieden. Insgesamt wurde somit eine Heizungsform gefunden, die den gewünschten Bereich in der Brennkammer gleichmäßig beheizt.
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Hierbei wurde auch berücksichtigt, dass das Brennen solcher Keramikobjekte bei Temperaturen von 700–1050°C nur dann effizient erfolgen kann, wenn die Strahlungswärme der Heizquelle direkt ausgenutzt wird und möglichst wenig Wärmespeicherung stattfindet. Da es insbesondere auch wichtig ist, dass das Aufwärmen und Abkühlen in relativ kurzer Zeit möglich ist, hat in solchen Öfen das Isolationsmaterial eine geringe Wärmekapazität und hohe Isolierwirkung zur Abschirmung nach außen. Somit sind schnelle Folgebrände möglich. Wird die Heizung abgeschaltet, hat dies durch den plötzlichen Wegfall der Strahlung einen starken Temperaturabfall zur Folge. Obwohl eine schnelle Abkühlung grundsätzlich gewünscht wird, wie dies durch das gerippte Gehäuse in Art eines Kühlkörpers unterstützt wird, kann bei manchen Materialien die vorgeschriebene Abkühlkurve eine Aufrechterhaltung der Temperatur mit Bestromung der Heizwendel erfordern.
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Bevorzugt sind die Objekte auch von der Oberseite her beheizt, insbesondere durch ein Heizelement mit integrierter konischer Verjüngung, so dass kein Bestrahlungsschatten auftreten kann. Da die Heizwendel nicht mehrteilig ist, halten sich die Mehrkosten gegenüber einer zylindrischen Heizwendel und einer zusätzlichen flachen Heizspirale in Grenzen. Somit wirkt im Inneren der Brennkammer die Strahlung praktisch von allen Seiten. Durch den erheblich größeren Durchmesser der Heizwendel (ca. 50% gegenüber der üblichen Bauweise) und den damit freien Ringspaltbereich um den Brenngutträger herum, wird eine für das Problem des ”Überbrennens” relevante unmittelbare Nähe der Objekte zur Heizspirale sicher vermieden.
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Da sich die Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer in Abhängigkeit der Entfernung von der Heizwendeloberfläche ähnlich einer Exponential-Funktion verhält, lässt sich mit dem um 30 bis 70% größeren Durchmesser der Heizwendel ein größerer Zwischenraum bzw. Puffer-Ringspalt mit geringeren Temperaturunterschieden im Zentrum erreichen. Die Folge ist lediglich ein etwas höherer Bauaufwand und auch Energieaufwand, da der heißeste Bereich in unmittelbarer Nähe der Heizspiralenoberfläche nicht genutzt wird und ein größerer Innenraum beheizt werden muss. Dies wird jedoch durch die bessere Brennqualität und gleichmäßigen Brennergebnisse mehr als ausgeglichen.
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Um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu erhalten, ist der Innendurchmesser der Heizwendel bevorzugt doppelt so groß wie der nutzbare Durchmesser des Brenngutträgers. Ausgehend von gebräuchlichen Brenngutträgergrößen von ca. 60 mm Durchmesser (entsprechend einer Brennkammeröffnung von ca. 90 mm) wird der Innendurchmesser der Heizwendel von üblichen 95 mm auf nun etwa 120 mm erheblich vergrößert. Somit wird selbst bei mehrgliedrigen Brücken ringsum ein großer Sicherheitsabstand (Ringspalt) zur Heizwendel eingehalten. Dabei ist das Objekt innerhalb einer zylindrischen Heizwendel etwa auf deren halben Höhe angeordnet. Werden die Objekte in dieser Ebene auf dem Brenngutträger platziert, reicht eine relativ niedrige Heizwendel mit etwa fünf Windungen aus. Die Oberkante des Brenntellers sollte beim Brennofen somit mindestens an die Heizwendel heranreichen oder in diese eintauchen, so dass sich der Brenngutträger innerhalb der Heizwendel befindet.
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Vorzugsweise beginnt die Heizwendel in Höhe des Brenngutträgers und wird dann unmittelbar nach der maximalen Objekthöhe nach innen hin kleiner, um einen Teil der Heizenergie direkt von oben nach unten abzustrahlen. Dabei eine Überdeckung der Windungen und ein Winkel von ca. 45° zweckmäßig, so dass sich eine Kegel- oder Domform mit konischer Verjüngung ergibt. Durch die direkte Abstrahlung von oben nach unten und zur Mitte des Brenngutträgers hin, kann ein Optimum bezüglich Energieaufwand und gleichmäßiger Temperatur im Innenraum der Brennkammer erreicht werden.
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Eine weitere Verbesserung kann durch die Gestaltung des Brenntellers und des Brenngutträgers erzielt werden, indem für den Anwender eine Platzierung von Objekten in Bereichen mit zu hoher oder zu niedriger Temperatur nicht möglich ist. Auch somit kann erreicht werden, dass der Temperaturunterschied innerhalb des definierten Brennraumes möglichst klein gehalten wird. Hierzu kann die Form eines Kreisringes vorgegeben sein oder im Zentrum des Brenntellers ein Zentrierdorn angeordnet sein. Der Zentrierdorn kann hierzu einen Durchmesser von z. B. 10 mm aufweisen, innerhalb dessen keine Objekte platziert werden können, also um den mittleren (kältesten Bereich) ungenutzt zu lassen. Solch ein Zentrierdorn im Zentrum des Brenntellers sowie ein entsprechendes Loch im Zentrum des Brenngutträgers zu dessen Zentrierung dient hauptsächlich dazu, dass ein Brenngutträger mit begrenztem Durchmesser mittig platziert und keine Objekte zu nahe zur Heizspirale positioniert werden können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, jedoch nicht beschränkender Ausführungsformen der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen. Es zeigt:
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1 eine Ausführungsform eines Brennofens in Perspektivansicht;
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2 eine Schnittdarstellung durch die Brennkammer; und
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3 eine weitere Schnittdarstellung ähnlich 2.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennofens 1, bei dem zum Schließen eine Brennkammer 3 und ein Brennteller 4 aufeinander zu bewegt werden. Der Brennteller 4 ist im Ausführungsbeispiel der 1 an einer Führung 7 befestigt. Die Bewegung in Art eines Liftes erfolgt durch einen elektrischen Antrieb 8, der an einer Ofenbasis 2 untergebracht ist und einen in der Führung 7 verlaufenden Zahnriemen antreibt, um die Verschlussplatte bzw. den Brennteller 4 in der Höhe zu verfahren. Der Brennteller 4 ist über ein Verbindungsstück 4a mit der Führung 7 verbunden (vgl. 2). Die Brennkammer 3 kann ggf. auch beweglich mit der Führung 7 verbunden sein.
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Im Innern der Brennkammer 3 ist ein Heizelement 12 (vgl. 2 und 3) angeordnet, das über Isoliermaterial 11 in einem zylindrischen Gehäuse 10 gegenüber der äußeren Verkleidung 9 thermisch isoliert ist. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Heizwendel, die in der Brennkammer 3 rings umlaufend angeordnet ist und aufgrund des größeren Durchmessers I in einem entsprechend abgestuften Hinterschnitt der Isolierung 11 angeordnet ist. Ein Sensor 31 zur Ermittlung der Temperatur der Brennkammer 3 ist ungefähr zentral in der Brennkammer 3 angeordnet und über ein Verbindungskabel 35 mit einer Speichereinheit 55 verbunden. Die in der Brennkammer 3 ermittelten Werte werden von einer Recheneinheit 51 fortlaufend aus der Speichereinheit 55 ausgelesen und verarbeitet. Auf dem Brennteller 4 ist ein Brennsockel 23 aus Isolationsmaterial und ein scheibenförmiger Brenngutträger 6 für das Brenngut 5 zentral angeordnet.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung durch die Brennkammer 3, in der sich der Brennteller 4 mit aufgesetztem Brenngutträger 6 in der Brennposition befindet, wobei das Brenngut 5 (vgl. 1) mindestens die Höhe h in die Heizwendel 12 eintaucht. Der Brenngutträger 6 mit dem Durchmesser B ist hierbei mit einem Zentrierzapfen 4b auf dem Brennsockel 23 (mit dem etwas größeren Durchmesser A) aufgesteckt und so sicher fixiert. Der Brenngutträger 6 kann in seinem äußeren Bereich Markierungen 24, wie hier eine Kreisringrille aufweisen, damit für das Brenngut 5 der gewünschte große Abstand zum Heizelement 12 (mit dem Innendurchmesser I) eingehalten wird. Es kann radial weiter außen auch eine zweite Kreisringrille vorgesehen sein, um dem Zahntechniker anzugeben, dass bei einer Platzierung des Objekts 5 innerhalb der inneren Markierung z. B. eine Temperaturabweichung von ±5° und innerhalb der äußeren Rille eine Temperaturabweichung von ±10° zugesichert ist.
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In 3 ist die Brennkammer 3 im Schnitt ohne Brennteller 4 dargestellt. Dabei ist insbesondere die domartige Gestaltung des Heizelements 12 mit der konischen Verjüngung nach oben hin ersichtlich. Hierdurch wird die Strahlungsenergie von oben her auf das Zentrum des Brenngutträgers 6 ausgerichtet. Das Gehäuse 10 weist außerhalb des Isoliermaterials 11 zudem Kühlrippen 10a auf, die insbesondere als Aluminium-Stranggussprofil ausgebildet sind, um so als Kühlkörper zu wirken. Hieraus ergibt sich ein rasches Abkühlen nach dem Brennprozess. Daraus resultiert eine erhebliche Zeitersparnis im gesamten Herstellungsprozess von Zahnersatzobjekten, da die Wartezeit für Folgebrände verkürzt werden kann. Zudem ist in 3 die gezielte Durchmesservergrößerung der Heizwendel 12, insbesondere mit dem Hinterschnitt oder Rücksprung 13' an der Brennkammeröffnung 13 ersichtlich, so dass sich ein breiter Ringspalt und damit auch bei großen Zahnersatzobjekten wie Zahnkränzen ein sicherer Abstand von der Heizwendel 12 ergibt. Aufgrund der gleichmäßigen Temperaturverteilung durch die durchmessergrößere Heizwendel 12 kann der Brennvorgang immer im optimalen Temperaturbereich erfolgen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der hergestellten Zahnersatzobjekte aus, da durch die Vermeidung von Temperaturunterschieden Oberflächenbeeinträchtigungen am Objekt unterbunden werden. Diese erlaubt in überraschender Weise bei vertretbaren Kosten eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Brennergebnisse.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennofen
- 2
- Ofenbasis
- 3
- Brennkammer
- 4
- Brennteller
- 4a
- Verbindungsstück
- 4b
- Zentrierzapfen
- 5
- Brenngut
- 6
- Brenngutträger
- 7
- Führung
- 8
- Antrieb
- 9
- Verkleidung
- 10
- Gehäuse
- 10a
- Kühlrippen
- 11
- Isolierung
- 12
- Heizelement
- 13
- Brennkammer-Öffnung
- 13'
- Hinterschnitt
- 23
- Brennsockel
- 24
- Brenngutträger-Markierung
- 31
- Sensor
- 35
- Verbindungskabel
- 51
- Recheneinheit
- 54
- Datenleitung
- 55
- Speichereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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