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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der orthodontischen Behandlung von unregelmäßig stehenden Zähnen werden
mechanische Kräfte
aufgebracht, um die Zähne
ordentlich auszurichten. Bei der üblichsten Form der Behandlung
wird mit orthodontischen Klammern gearbeitet, die aus kleinen, geschlitzten
Körpern
bestehen, die so konfiguriert sind, dass sie direkt an der Vorderseite
(labial) oder der Hinterseite (lingual) der Zähne anzementiert oder wahlweise
mit Metallbändern
befestigt werden können,
die ihrerseits um die Zähne
herum anzementiert oder in anderer Weise gesichert werden.
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Dann
wird ein elastischer, bogenförmiger Drahtbügel in die
Schlitze der Klammern eingesetzt, und der Drahtbügel wird vor dem Einsetzen
gebogen oder verdreht, wodurch die von dem eingesetzten, elastischen
Draht ausgeübte
Rückstellkraft
dazu neigt, die Zähne
orthodontisch korrekt auszurichten. Je nach Form des Drahtbügels und
der Orientierung des Schlitzes in den Klammern können Kräfte aufgebracht werden, die
die Zähne
in jede gewünschte Richtung
schieben, drehen oder kippen.
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Nichtrostender
Stahl ist in vielerlei Hinsicht ein ideales Material für orthodontische
Klammern, da dieses Material fest, nicht saugfähig, schweißbar und relativ leicht zu
verformen und zu bearbeiten ist. Ein bedeutender Nachteil von Vorrichtungen
aus Metall liegt jedoch im kosmetischen Aussehen, wenn der Patient
lächelt.
Erwachsene und größere Kinder,
die orthodontisch behandelt werden, kommen oft in Verlegenheit,
weil sie durch die Metallbänder
und -klammern ein "metallisches" Lächeln bekommen,
und auf Grund dieses Problems ist es in den letzten Jahren zu verschiedenen
Verbesserungen gekommen.
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Eine
Verbesserung betrifft die Entwicklung von Klebstoffen, Klammerhalterungen
und Verfahren, um Klammern direkt zumindest an den vorderen Zähnen anzuzementieren,
die beim Lächeln
deutlich zum Vorschein kommen. Durch das direkte Anzementieren werden
Zahnbänder
aus Metall überflüssig, die
einen Hauptfaktor beim Problem des „metallischen Lächelns" bilden. Zum Teil
wurden dabei auch kleinere Klammern entwickelt, die weniger auffällig sind.
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Ein
weiterer Bereich von Verbesserungen betrifft den Einsatz von nichtmetallischen
Materialien für
die Klammern. Es wurden orthodontische Klammern aus Kunststoff verwendet;
jedoch ist Kunststoff kein ideales Material, weil es ihn an der
inneren Festigkeit von Metall mangelt und er anfällig ist für Fleckenbildung und weitere
Probleme. Einige dieser Probleme werden gelöst oder gelindert durch keramische
Materialien, die in jüngster
Zeit für
orthodontische Klammern vorgeschlagen wurden. Sowohl Kunststoff
als auch keramische Materialien weisen ein sehr stark verbessertes
Aussehen im Mund auf, und oft ist das einzige, sichtbare Metallelement
ein kosmetisch akzeptabler, dünner
Drahtbügel.
Es wurde vorgeschlagen, Einkristallsaphir für die Klammern zu verwenden;
jedoch haben transparente Keramikstoffe unerwünschte Prismenwirkungen, und
Klammern aus Einkristall unterliegen der Aufspaltung. Andere keramische
Klammern sind stark opak, so dass sie entweder nicht der Farbe der
Zähne entsprechen oder
gefärbt
werden müssen,
was unökonomisch
ist.
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Diese
Erfindung betrifft eine keramische Klammer, durch die eine weitere,
kosmetische Verbesserung erreicht wird, da sie durchscheinend ist und
dadurch die Farbe des darunterliegenden Zahns annimmt, so dass die
Klammer in den Zahn übergeht.
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Unter
dem Gesichtspunkt des Aussehens ist die durchscheinende Klammer
eine beträchtliche Verbesserung
sowohl gegenüber
transparenten als auch opaken Klammern mit nichtmetallischer Struktur.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Verbesserung gemäß dieser
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen,
orthodontischen Klammer durch Pressen eines Pulvers, das im Wesentlichen
aus Aluminiumoxid plus Magnesiumoxid im Bereich von 0,05 bis 0,3 Gew.-%
besteht, mit einem ausreichenden Druck, um einen Presskörper herzustellen,
dessen Form wenigstens einem Teil der Form der fertigen Klammer entspricht,
und Sintern des Presskörpers
bei einer Temperatur im Bereich von 1750 bis 1850°C so lange,
bis eine Klammer entsteht, die polykristallin ist, eine ausreichende
Festigkeit besitzt, um den während
der orthodontischen Korrektur auftretenden Kräften standzuhalten, und die
so durchscheinend ist, dass von der Vorderseite der Klammer ausgesandtes,
sichtbares Licht einen Anteil umfasst, der aus dem Inneren der Klammer
zurückgestreut
wurde, und einen ausreichenden Anteil, der von der Basis der Klammer
ausgesandt wurde, so dass die Klammer die Farbe eines darunter liegenden
Zahnes annimmt.
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Vorzugsweise
wird bei einer solchen Temperatur und so lange gesintert, dass die
Lichtdurchlässigkeit
der Klammer für
sichtbares Licht mindestens 20% beträgt und vorzugsweise im Bereich
von 20 bis 60% liegt. Der Körper
weist eine neutrale Farbe auf, die in Kombination mit der wichtigen
Eigenschaft der Transluzenz die Klammer fast unsichtbar werden lässt, wenn
man aus einem relativ kurzen Abstand auf den Zahn schaut.
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Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Zeichnung ist eine bildhafte Ansicht einer gemäß der Erfindung hergestellten,
orthodontischen Klammer.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Die
Zeichnung zeigt eine beispielhafte, orthodontische Vorrichtung in
Form einer orthodontischen Klammer 10. Die Klammer weist
eine Basis 11 auf, die entweder direkt an einen Zahn geklebt
oder an jeder Art von Befestigungsvorrichtung angebracht werden
kann. Eine zum Zahn hin weisende Fläche 12 der Basis 11 ist
vorzugsweise in herkömmlicher
Art sowohl um eine mesiodistale Achse als auch um eine apikale Achse
konkav gebogen, um sich an die natürliche Konvexität der lippenseitigen
Zahnfläche
anzupassen; es können
jedoch andere Krümmungen
angewandt werden, um die Klammer zungenseitig positionieren zu können.
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Aus
der Basis 11 ragt ein Klammerkörper 13 heraus, der
einen Klammerbefestigungsbügel 14 zur Verankerung
der Klammer bildet, sowie ein mesiodistal orientierter Drahtbügelschlitz 15,
der aus einer äußeren Körperfläche 16 in
den Körper
der Klammer ragt. Das Vorhandensein oder Fehlen von Befestigungsflügeln (entweder
mit einflügeliger
oder mit zweiflügeliger
Konfiguration) ist kein Merkmal der Erfindung, und die Basis und
der Drahtbügelschlitz
können
bei Bedarf abgewinkelt werden, um eine Verspannung oder andere Verbiegungen
des Drahtbügels
zu minimieren oder zu beseitigen.
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Die
orthodontische Klammer ist durchscheinend, da sie ein polykristalliner
Artikel ist, der aus Alpha-Aluminiumoxid hergestellt ist. Es ist
wichtig, dass das Aluminiumoxid einen hohen Grad an Lichtdurchlässigkeit
in dem sichtbaren Spektrum aufweist, jedoch auch, dass es das durch
die Klammer laufende Licht zerstreut. Wie wohlbekannt ist, weisen menschliche
Zähne einen
weiten Bereich von Farben auf (der zum Beispiel mit dem im Handel
erhältlichen Vita-Farbtonsystem quantifiziert
wird, das den Bereich A1 bis D4 abdeckt), und um die verbesserte,
orthodontische Klammer wirkungsvoll "verschwinden" zu lassen, wenn sie befestigt ist,
sollte diese die Farbe des darunterliegenden Zahnes annehmen. Somit sollte
das keramische Material neutral sein und weder in dem hindurchlaufenden
Licht eine Farbe verstärken
noch durch starke Absorption die Farbe abschwächen. Aluminiumoxid ist besonders
geeignet, da seine Lichtdurchlässigkeit
im gesamten, sichtbaren Spektrum im Wesentlichen konstant ist, und
es deshalb die Farbe des durch die Klammer laufenden Lichts nicht
verändert.
Es ist auch wünschenswert, da
es fest, hart, kostengünstig
und leicht verfügbar ist.
Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumoxid können von
den relativ geringwertigen Eigenschaften unterschieden werden, die
in organischen Materialien, wie Kunststoffen, vorhanden sind, die ebenfalls
durchscheinend sein können.
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Es
wurde vorgeschlagen, transparentes Einkristall-Aluminiumoxid oder Saphir für orthodontische Klammern
zu verwenden. Dieses Material wird in Form eines Einkristalls oder
streng ausgerichteter Bikristalle mit einem Querschnitt gezüchtet, der
nahe an dem gewünschten
Querschnitt der Klammer liegt. Der Kristall wird in Stäbchen gezüchtet, die
scheibchenweise zu der Größe von einzelnen
Klammern zerschnitten werden. Diese können dann durch Abschleifen
zu ihrer endgültigen
Form zerschnitten und geformt werden. Der Gedanke lag darin, dass
die stark transparente Klammer die Farbe der Zähne aufweisen würde. Eine
solche transparente Klammer zeigt auch Brechungswirkungen und erbringt
nicht ganz das gewünschte
Ergebnis. Zähne
sind weder glasartig noch opak, und eine transparente Klammer kann
immer noch gut erkennbar sein.
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Noch
wichtiger ist, dass das Einkristallmaterial aufspaltungsanfällig ist
bei Einwirkung von Kräften,
die im Laufe der orthodontischen Behandlung auftreten. Im Wesentlichen
werden punktförmige Kräfte von
sehr hoher Größenordnung
auf die orthodontischen Klammern aufgebracht durch das Spannen des
zugehörigen
Drahtbügels
und der Befestigungsflügel,
ebenso beim Kauen. Diese großen, punktförmigen Kräfte können eine
Aufspaltung an den kristallographischen Ebenen des Saphirs einleiten,
die zum Zerbrechen führt.
Ein sehr großer
Mangel von Einkristall-Aluminiumoxid
ergibt sich aus seiner Herstellung. Einkristalle oder große Bikristalle oder
dergleichen können
mit einem modifizierten Czochralski-Verfahren auf fast reine Formen
gezüchtet
werden. Zur Ausbildung der Basis, des Drahtbügelschlitzes oder anderer Flächen kann
jedoch das Schleifen erforderlich sein. Durch das Schleifen werden Oberflächenfehler
eingebracht, die sich verheerend auf die Festigkeit auswirken können. Risse,
die von solchen Fehlern ausgehen, laufen weiter durch den Kristall,
so dass dieser schließlich
bei unnormal niedrigen Spannungen, die weit unter den erwarteten Spannungen
liegen, zerbricht.
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Es
ist wünschenswert,
dass die Klammer durchscheinend ist und nicht transparent. Licht
läuft durch
einen transparenten Keramikstoff geradlinig hindurch. Wenn also
ein Einkristall von Saphir auf eine bedruckte Seite gelegt wird,
kann der Text durch den Kristall hindurch gelesen werden. In einem durchscheinenden
Material läuft
ein großer
Teil des Lichts durch den Kristall hindurch, jedoch nicht geradlinig.
Auf Grund von optischen Störstellen
in der Materialmasse wird bewirkt, dass Licht so hindurchläuft, dass
es gebrochen, reflektiert oder in anderer Weise gestreut wird, so
dass es diffus wird.
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Transluzenz
ist eine relative Eigenschaft eines Materials. Diese kann man sichtbar
machen, wenn man Wasser betrachtet, dem Milch zugegeben wird. Werden
dem Wasser einige Tropfen Milch zugesetzt, wird es trüb oder milchig.
Das vorher vollkommen durchsichtige Wasser ist nun etwas durchscheinend,
da ein Teil des durch die Lösung
laufenden Lichts auf Grund der Streuung durch die Milchteilchen
zerstreut wird. Wird weiter Milch zugesetzt, wird mehr Licht zerstreut,
bis es unmöglich
wird, durch die Lösung
hindurch zu lesen. Des weiteren nimmt die Lösung die Farbe der Milch an,
wenn mehr Licht, das von vorn in die Lösung eintritt, durch die Milchteilchen
rückgestreut
wird und weniger von irgendeiner Fläche reflektiert wird, die sich
hinter der Lösung
befindet. Ist die Lösung
etwas trüb,
wird der allergrößte Teil
des von der Vorderseite der Lösung ausgesandten
Lichts von den Flächen
hinter der Lösung
reflektiert, und ein kleinerer Teil wird von Milchteilchen in der
Lösung
rückgestreut.
Diese Proportionen kehren sich um, wenn mehr Milch zugesetzt wird.
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Es
ist wichtig, dass die Transluzenz eine Masseeigenschaft des Materials
ist und kein Oberflächeneffekt.
Es lässt
sich eine gewisse Diffusion des Lichts erzielen, wenn eine Fläche aufgeraut
wird, wie zum Beispiel bei Mattglas. Das ist jedoch bei einer orthodontischen
Klammer nicht ganz zufriedenstellend, denn die Oberfläche ist
dauernd nass, und die grundlegende Änderung des Brechungsindex
geht an der Grenzfläche
zwischen Luft und Flüssigkeit
vor sich, die fast glatt ist. Des weiteren ist es unerwünscht, dass
raue Flächen
an orthodontischen Vorrichtungen vorhanden sind, da Stoffe im Mund
hängen
bleiben. Wie oben erläutert,
können
raue Flächen
auch Fehler aufweisen, die als Ausgangspunkt für die Entstehung von Rissen
dienen. Da keramische Stoffe nicht die Duktilität von Metallen besitzen, kann
durch die Rauheit die Festigkeit stark abnehmen.
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Um
den Kontrast zwischen der Klammer und dem Zahn zu minimieren, sollte
diese die gleiche Farbe wie der Zahn aufweisen. Farbe wird wahrgenommen,
weil Licht von einer Fläche
reflektiert bzw. ausgesandt wird. Man könnte ein Spektrum von Vorrichtungen
anfertigen, die dem Bereich der natürlichen Zahnfarben entsprechen;
jedoch wären
die Kosten und die Schwierigkeiten unerwünscht. Es ist besser, bei Betrachtung
durch eine durchscheinende Klammer die Farbe des Zahns selbst zu
sehen.
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Damit
die orthodontische Klammer die Farbe des darunterliegenden Zahns
annimmt, ist es wichtig, dass genug Licht, das von der Vorderseite
der an dem Zahn befestigten Klammer aus zu sehen ist, ein Licht
ist, das von der Oberfläche
des Zahns ausgesandt wird, und dass die Farbe des Zahns nicht von Licht
erdrückt
wird, das durch optische Störstellen
in der Klammer rückgestreut
wird. Mit anderen Worten, es sollte eine sehr große Menge
des einfallenden Lichts, wenn auch diffuses, durch die Klammer zu
der Basis laufen und von der Oberfläche des Zahns reflektiert werden,
und dann wieder durch die Klammer geführt und von der Vorderseite
reflektiert werden.
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Da
die Klammer durchscheinend ist und nicht transparent, wird ein Anteil
des Lichts durch die inneren, optischen Störstellen in der Klammer rückgestrahlt.
Die Rückstreuung
wird vorzugsweise minimiert, da das rückgestreute Licht meist weiß ist und fast
immer anders ist als die Farbe des Zahns. Des weiteren werden bei
Verwendung einer durchscheinenden Klammer aus Aluminiumoxid die
gesamten optischen Eigenschaften des Zahns imitiert. Zähne sind
nicht opak, und es wurde sehr viel Mühe aufgewandt, um eine begrenzte
Transluzenz in Materialien zu erzielen, die für Prothesen verwendet werden,
mit denen der ersetzte bzw. sanierte Zahn imitiert wird. Dieses
Problem wird gelöst
durch eine durchscheinende Klammer, da Licht, das durch den Zahn
hindurchgelassen wird, sowie das Licht, das von der Vorderseite
reflektiert wird, seinerseits im Wesentlichen unverändert von
der durchscheinenden Klammer ausgesandt wird.
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Die
Menge des sichtbaren Lichts, das durch das zur Herstellung der Klammer
verwendete, polykristalline Aluminiumoxid hindurchgelassen wird,
beträgt
mindestens 20% und liegt vorzugsweise im Bereich von 20% bis 60%,
und das von inneren, optischen Störquellen rückgestreute Licht liegt im
Bereich von 40% bis 80%. Diese Transluzenz wird durch den Grad der
Lichtdurchlässigkeit
durch eine 0,5 mm dicke Probe gemessen, wobei das Licht im Wellenlängenbereich
von 0,4 bis 0,8 μm
(Mikrometer) liegt. Diese Transluzenz sorgt dafür, dass das von der Vorderseite
betrachtete Licht so viel von dem von der Oberfläche des Zahns reflektierten
Lichts enthält,
dass es die Farbe des darunterliegenden Zahns annimmt.
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Die
Transluzenz wird gemessen, indem eine 0,5 mm dicke Probe mit einem
kollimierten Strahl beleuchtet wird und der Teil des Lichts gemessen
wird, der auf der entgegengesetzten Fläche der Probe in Richtung des
kollimierten Strahls ausgesandt wird. Da das Licht durch die optischen
Störquellen
in der Probe gestreut wird, kann ein kleiner Anteil in der Richtung
des einfallenden Strahls hindurchgelassen und ein großer Anteil
in anderen Richtungen gestreut werden. Das ist zu unterscheiden
von einer Messung des Lichtdurchlässigkeitsgrads, bei der viel
Licht durch das Medium absorbiert wird, durch das es läuft. Die
Streuung ist in der orthodontischen Klammer erwünscht, da sie die Farbe des
darunterliegenden Zahns überträgt und diese
ohne Prismenwirkungen zerstreut. Aluminiumoxid weist wenig Absorptionsvermögen auf,
und die begrenzte Absorption ist im gesamten, sichtbaren Spektrum
so gleichmäßig, dass
keine Farbänderung
eingebracht wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird Transluzenz in einer orthodontischen Klammer erzielt, indem
diese aus polykristallinem Aluminiumoxid hergestellt wird, das von
Natur aus transparent ist. Mit "polykristallin" ist gemeint, dass
die Klammer aus einem Keramikstoff hergestellt wird, der eine Vielzahl von
regellos orientierten, sich selbst aneinanderlagernden Kristallen
aufweist. Das heißt,
dass benachbarte Kristalle durch eine Korngrenze aus im Wesentlichen
dem gleichen Material wie die Kristalle voneinander getrennt sind
und nicht mit einem anderen Material zusammen zementiert sind.
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Die
orthodontische Klammer wird durch Pressen und Sintern von Aluminiumoxid
hergestellt. Die Teile werden gefertigt, indem Pulver zu einer gewünschten
Form gepresst wird und der Presskörper so lange und bei einer
solchen Temperatur gesintert wird, bis die Klammer durchscheinend
ist und eine ausreichende Festigkeit besitzt, um den während der orthodontischen
Korrekturen an der Klammer auftretenden Kräften standzuhalten.
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Das
polykristalline Aluminiumoxid weist im Wesentlichen eine einzige
Phase und im Wesentlichen null Porosität auf und bewahrt damit ein
hohes Maß an
Lichtdurchlässigkeit.
Es besteht vorzugsweise aus 99,99% Alpha-Aluminiumoxid, dem zur
Kontrolle des Kornwachstums eine kleine Menge Magnesiumoxid zugesetzt
ist. Um maximale Festigkeit und das Fehlen chromatischer Effekte
zu erreichen, sollte mit 99,9% Aluminiumoxid begonnen werden. Dem Aluminiumoxid
wird Magnesiumoxid im Bereich von 0,5% bis 0,35% zugesetzt. Dieses
Material schränkt das
Kornwachstum so sehr ein, dass die Korngröße in der gesinterten, polykristallinen
Klammer nicht zu groß wird.
Man nimmt an, dass sich ein Teil des Magnesiumoxids mit dem Aluminiumoxid
in einer spinellartigen Struktur an den Korngrenzen verbindet.
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Auf
diese Weise besitzt die polykristalline Klammer nach dem Sintern
eine durchschnittliche Korngröße im Bereich
von 10 bis 50 Mikrometern. Die Zusammensetzung sowie die Sinterzeit
und -temperatur sollten so geregelt werden, dass die durchschnittliche
Korngröße in der
fertigen, orthodontischen Klammer zwecks optischer Durchlässigkeit
und Festigkeit in diesem Bereich liegt. Vorzugsweise beträgt die durchschnittliche
Korngröße 30 μm (Mikrometer),
und der Korngrößenbereich
beträgt
8 bis 85 μm
(Mikrometer), wodurch sich eine dichte Packung und eine hohe Festigkeit
ergeben. Ist die Korngröße zu groß, kann
sich die Festigkeit auf Grund der größeren Längen vermindern, über die
sich Risse ausbreiten können,
bevor sie auf eine Korngrenze treffen.
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Die
Teilchengrößen in dem
Pulver, aus dem die Klammer gefertigt wird, liegt vorzugsweise im
Bereich von ½ bis
1 μm (Mikrometer).
Das Aluminiumoxid-Pulver ist typischerweise ein chemisch ausgefälltes Material
und besitzt eine angemessen einheitliche Korngröße. Es finden sich nur wenige
Teilchen von 3 μm
(Mikrometer) Größe, und
dabei kann es sich um Agglomerate von kleineren Teilchen handeln.
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Um
dem Pulver beim Pressen zu einem Presskörper etwas Grünfestigkeit
zu verleihen, wird eine kleine Menge eines flüchtigen, organischen Bindemittels,
wie Paraffinwachs, Polyethylenglycol oder Polyvinylalkohol dem Pulvergemisch
zugesetzt. Es werden 0,75 bis 3 Gew.-% Polyvinylalkohol bevorzugt.
Der Polyvinylalkohol wird mit Wasser gemischt, um die Oberfläche der
Teilchen zu benetzen, und dann wird die Aufschlämmung sprühgetrocknet. Der flüchtige Binder
wird beim anschließenden
Brennen beseitigt.
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Eine
abgemessene Menge des pulverförmigen
Gemisches aus Aluminiumoxid-Pulver, Magnesiumoxid-Pulver und flüchtigem
Bindemittel wird in den Matrizenhohlraum einer hydraulischen Hochdruckpresse
eingebracht. Die Pulvermenge reicht gerade aus, um einen Rohling
herzustellen, aus dem eine Klammer hergestellt wird. Das Werkzeug
weist einen Hohlraum mit einem Querschnitt auf, der wenigstens einem
Teil der gewünschten
Form der herzustellenden Vorrichtung entspricht. Bei diesem Vorgang
können
der Drahtbügelschlitz
und die Unterschnitte unter den Befestigungsbügeln ganz oder teilweise ausgebildet
werden, oder sie werden vorzugsweise später eingeschliffen.
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In
das Pulver in dem Hohlraum wird ein Stempel mit 1400 bis 1550 kg/cm2 gepresst, der den Querschnitt des Matrizenhohlraums
aufweist, um das Pulver fest zusammenzudrücken. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
wird auch ein Seitenstößel benutzt,
um die gebogene Basis der Klammer auszubilden. Diese Stempel, Matrizen
und Stößel dienen herkömmlicherweise
dazu, eine große
Vielzahl von Metallen oder Keramikstoffen zu gewünschten Formen zu pressen.
Wenn das Pulver gepresst ist, wird aus dem Hohlraum der Matrize
ein roher Presskörper ausgeworfen,
dessen Form wenigstens teilweise der Form der fertigen Klammer entspricht,
auch wenn er wegen der nachfolgenden Schrumpfung größer ist. Bei
industriellen Prozessen wird im Interesse einer hohen Produktivität mit mehreren
Matrizenhohlräumen
gearbeitet.
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Alternativ
kann der Presskörper,
aus dem die Klammer hergestellt wird, bekanntlich unter Druck extrudiert,
durch Spritzgießen
ausgebildet oder isostatisch komprimiert werden.
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Dann
wird der etwas zerbrechliche, rohe Presskörper bei einer Temperatur von
1300 bis 1400°C
eine Stunde lang in Luft gebrannt. Durch Erhitzen in einer oxidierenden
Umgebung werden das organische Bindemittel und etwaige zufällige, organische
Verunreinigungen verdampft oder oxidiert, so dass sie vollständig beseitigt
werden und die Farbe der fertigen Klammer nicht beeinträchtigen.
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Der
Presskörper
wird langsam auf die Brenntemperatur erhitzt, so dass restliche
Trägerflüssigkeit,
verdampftes Bindemittel oder Verbrennungsprodukte des Bindemittels
beseitigt werden können, ohne
den empfindlichen Presskörper
auseinanderzubrechen. Es wurde eine Aufheizgeschwindigkeit von bis
zu 100°C
pro Stunde als zufriedenstellend empfunden. Des weiteren tritt durch
Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 1300 bis 1400°C eine gewisse
Sinterung des Presskörpers
ein, die dessen Festigkeit zwecks nachfolgender Handhabung stark erhöht.
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Dann
wird der Presskörper
bei Temperaturen im Bereich von 1750°C bis 1850°C in einer Umgebung aus hochreinem,
flüssigem
Wasserstoff gesintert. Es kommt die höchste in der Industrie verfügbare Reinheit
des Wasserstoffs zur Anwendung.
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Die
Sinterzeit beträgt
vorzugsweise mindestens eine Stunde, wobei bei niedrigeren Temperaturen
etwas längere
Zeiten bevorzugt werden. Die Zeit sollte zumindest so lang sein,
dass eine durchscheinende Klammer mit einer Lichtdurchlässigkeit
von mehr als 20% für
sichtbares Licht entsteht. Das Erhitzen in Wasserstoff sollte so
langsam erfolgen, dass der Wasserstoff andere Gase in den Zwischengitterstellen
des Presskörpers
ersetzt, bevor durch das Sintern die Wege verschlossen werden, durch
die Gas entweichen kann. Das trägt
dazu bei, eine Restporosität
nach dem Sintern zu beseitigen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Klammer mindestens fünf
Stunden auf einer Temperatur über
1750°C und
mindestens eine Stunde auf der maximalen Sintertemperatur gehalten.
Vorzugsweise wird die Klammer mindestens zwölf Stunden auf über 1750°C und nicht
weniger als sechs Stunden auf der Maximaltemperatur gehalten. Die
maximale Sintertemperatur ist bei verschiedenen Mengen an Rohmaterialien
etwas verschieden und kann empirisch ermittelt werden, um den gewünschten
Grad der Transluzenz und der mechanischen Festigkeit zu erzielen.
Zum Beispiel wurde eine maximale Sintertemperatur von 1820°C über sechs
Stunden als für die
meisten Zwecke geeignet befunden. Bei diesen Sinterzeiten und -temperaturen
sintern die ursprünglichen
Teilchen des Aluminiumoxid-Pulvers zusammen und bilden eine Klammer
mit einer Dichte, die sehr nahe bei 100% der theoretischen Dichte
des Alpha-Aluminiumoxids liegt.
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Eine
durchscheinende, keramische Klammer wird zum Beispiel hergestellt,
indem 99,99% Aluminiumoxid-Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwas
weniger als 1 μm
(Mikrometer) mit 0,2 Gew.-% Magnesiumoxid-Pulver gemischt wird. Es
wird 1 Gew.-% Polyvinylalkohol in einer Lösung von ausreichend entionisiertem
Wasser zugesetzt, so dass eine Aufschlämmung entsteht, die gründlich gemischt
werden kann. Das Pulvergemisch wird sprühgetrocknet, und es wird eine
abgemessene Menge, die ausreicht, um den Rohling für eine Klammer
herzustellen, in den Hohlraum einer Formmatrize eingebracht. Mit
einer Hydraulikpresse wird ein Stempel mit einem Druck von 1450
kg/cm2 in den Matrizenhohlraum gepresst,
so dass ein roher Presskörper
entsteht. Dann wird der rohe Presskörper mit einer Aufheizgeschwindigkeit
von 100°C
pro Stunde in Luft bis auf eine Maximaltemperatur von 1300°C erhitzt,
auf der er eine Stunde lang gehalten und dann im Ofen abgekühlt wird.
Dann wird der Presskörper mit
einer Geschwindigkeit von etwa 70°C
pro Stunde in Wasserstoff auf 1750°C erhitzt. Es wird über einen Zeitraum
von etwa sechs Stunden langsam auf 1820°C erhitzt, sechs Stunden auf
1820°C gehalten und über einen
Zeitraum von etwas sechs Stunden auf 1750°C abgekühlt. Die gesamte Zyklenzeit
von der Raumtemperatur zur Raumtemperatur beträgt mehr als 48 Stunden.
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Nach
dem Sintern werden die Klammern in herkömmlichen Schleifmitteln trommelpoliert,
um die Ränder
etwas abzurunden und jeden unerwünschten "Grat" oder etwaige Vorsprünge von
den Oberflächen zu
entfernen. Zuletzt werden alle Bearbeitungsgänge zum Ausformen der fertigen
Klammer ausgeführt. Zum
Beispiel können
der Drahtbügelschlitz
und die Unterschnitte unter den Befestigungsbügeln mit Diamantschleifkörpern eingeschliffen
werden. Die Klammern können
nach dem Einschleifen taumelpoliert werden.
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Die
orthodontische Klammer aus gesintertem, polykristallinem Aluminiumoxid
ist durchscheinend. Die Lichtdurchlässigkeit durch das polykristalline
Aluminiumoxid beträgt
mindestens 20% und liegt vorzugsweise im Bereich von 20 bis 60%.
Das durch die Klammer laufende Licht wird jedoch durch das durchscheinende,
polykristalline Aluminiumoxid zerstreut.
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Der
Grund, weshalb durch das polykristalline Aluminiumoxid laufendes
Licht zerstreut und zum Teil rückgestreut
wird, ist nicht vollständig
bekannt. Da das Material polykristallin ist, weisen benachbarte Kristalle
unterschiedliche, stark ungeordnete, kristallographische Orientierungen
auf. Das führt
zu Schwankungen des Brechungsindex längs jedes geradlinigen Weges
durch die Klammer hindurch. An den Korngrenzen kann es zu kleinen
Brechungseffekten kommen, die zu einer Vielzahl von inneren Streustellen
führt.
Die Korngrenzen sind Stellen mit kristallographischen Defekten,
und diese Anordnung von Defekten kann auch unterschiedliche Brechungsindizes
aufweisen, die Licht in einer Vielzahl von Richtungen ablenken.
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Des
weiteren können
Spuren einer Restporosität
an den Korngrenzen oder anderen Stellen in dem fertigen Artikel
zurückbleiben,
selbst wenn das Aluminiumoxid nach dem Sintern im Wesentlichen null
Porosität
aufweist. Diese Spuren von Porosität wirken sich deutlich auf
die Lichtdurchlässigkeit
aus, was zur Streuung und Zerstreuung des durch das polykristalline
Material laufenden Lichts führt.
Wahrscheinlich ist eine Kombination dieser Effekte daran beteiligt,
dass der gewünschte
Grad der Transluzenz in einer orthodontischen Klammer aus gepresstem und
gesintertem Aluminiumoxid hergestellt wird.
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Es
ist wichtig, dass die Klammer einen hohen Grad an Lichtdurchlässigkeit
aufweist, der vermutlich auf die Selbstbindung des hochreinen Aluminiumoxids
in dem polykristallinen Material zurückzuführen ist. In der Vergangenheit
wurde vorgeschlagen, keramische, orthodontische Klammern durch Pressen und
Zementieren von Aluminiumoxid-Pulver herzustellen. In dem US-Patent
Nr. 4,219,617 von Wallsheim wird Aluminiumoxid-Pulver zum Beispiel
mit anderen Keramikstoffen vermischt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt
als das Aluminiumoxid besitzen. Die vermischten Pulver werden in
einer Hydraulikpresse gepresst, und die fertigen, rohen Presskörper werden
bei Temperaturen im Bereich von 1575 bis 1675°C oder etwa bei der Schmelztemperatur
der anderen keramischen Phase gesintert. Die entstandene Flüssigkeit
bindet die Aluminiumoxid-Teilchen aneinander und bildet einen relativ
dichten und festen Keramikstoff. Diese Bindung in der flüssigen Phase
wird in der Fachsprache oft als "Sintern" bezeichnet, während es
je nach dem vorhandenen Anteil an Flüssigkeit richtiger als "Sintern in der flüssigen Phase" oder "Zementierung" bezeichnet wird,
da die einzelnen Aluminiumoxid-Teilchen durch eine zweite, keramische
Phase aneinanderzementiert werden.
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Aufgrund
einer solchen Bearbeitung, wie sie von Wallsheim beschrieben und
beansprucht wird, ist eine orthodontische Klammer weiß oder etwas
weißlich.
Sie braucht nicht opak zu sein, da durch die innewohnende Transparenz
der bei der Herstellung verwendeten Keramikstoffe gewöhnlich etwas
Licht durch eine solche Klammer hindurchgelassen wird. Zementierung
in der flüssigen
Phase kann zum Beispiel in Porzellanen auftreten, und diese weisen
einen leichten Transluzenzgrad auf. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit
ist jedoch ziemlich niedrig, und das meiste, sichtbare Licht wird
von der betrachteten Oberfläche
reflektiert. Das führt
zu einem weißen, milchigen
Aussehen, wobei der Keramikstoff seine eigene "Farbe" hat, auch wenn sie weiß oder weißlich ist.
Diese Farbe kann sich natürlich
nicht mit dem Farbenbereich bei menschlichen Zähnen decken und, wie Wallsheim
feststellt, kann die Zusammensetzung mit einem Pigment auf die gewünschte Weißnuance
eingefärbt
werden, um den angrenzenden Zähnen
zu entsprechen. Die Kosten für
die Haltung eines Vorrats an orthodontischen Klammern, die dem Farbenbereich
von Zähnen
entsprechen, sind unerschwinglich.
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Eine
keramische, orthodontische Klammer wird mit einem Klebstoff an einem
Zahn befestigt. Eine gute Haftung des Klebstoffs an der Basis ist wichtig,
so dass sie den großen
Zahnschlusskräften und
den während
der orthodontischen Korrektur auftretenden Kräften standhalten kann. Eine
gesteuerte Rauheit der Basis der Klammer kann deshalb erwünscht sein,
um die Haftfestigkeit des Klebstoffs an der Klammer zu verbessern.
Vorzugsweise wird eine glatte Fläche
an der Basis geschaffen, und es wird der Klebstoff fest an eine
vorbereitete Fläche
an der Basis gebunden. Die Fläche
an der Basis kann vorbereitet werden, indem auf die Basis eine Glasfritte aufgebracht
wird und die Fritte gebrannt wird, um das Glas an das Aluminiumoxid
zu binden. Dann wird die Oberfläche
mit einem Organosilan grundiert, bevor der Klebstoff aufgebracht
wird.
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Die
Oberflächen
der orthodontischen Klammer sollten glatt sein. Die Glattheit wird
gefördert,
indem polierte Matrizen und Stempel beim Pressen verwendet werden.
Bei Bedarf können
die Oberflächen
glattgeschliffen oder mit Ultraschall oder durch Schleifpolieren
nach dem Sintern geglättet
werden, obwohl sich das nicht als notwendig erwiesen hat. Eine Oberfläche mit
einem Rauwert von etwa einem halben bis einem Mikrometer quadratischer
Mittelrauwert wird bevorzugt. Die Unebenheit ist bei einer richtig
hergestellten Klammer weitgehend eine Funktion der Korngröße.
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Durch
das Press- und Sinterverfahren zur Herstellung eines Artikels aus
polykristallinem Aluminiumoxid aus Aluminiumoxid-Pulver kann eine
orthodontische Klammer mit genauen Abmessungen entstehen. Die Präzision wird
noch verstärkt
durch sorgsame Steuerung des Pressvorgangs zur Herstellung von rohen
Presskörpern
und durch das Gemisch aus Teilchengrößen in dem Aluminiumoxid-Pulver.
Bei dem Sintervorgang kommt es von Natur aus zu einer Schrumpfung
von dem rohen Presskörper
zu dem fertigen Artikel. Das Ausmaß der Schrumpfung lässt sich
regulieren, wenn auf die Qualität
und die Menge des Pulvers, die Geometrie der Pressform und den Druck
beim Pressen des rohen Presskörpers
geachtet wird. Durch Sorgfalt bei diesem Verfahren können fertige,
orthodontische Klammern entstehen, die durchaus innerhalb eines
akzeptablen Toleranzbereiches liegen.