DE3927998A1

DE3927998A1 - Praezisions-giessverfahren und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE3927998A1
Application number: DE19893927998
Authority: DE
Inventors: Reiichi Okuda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-08-25
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1990-03-01
Also published as: JPH0259168A

Description

Die Erfindung betrifft eine Präzisions-Gießvorrichtung und ein Präzisions-Gießverfahren zum Herstellen von re lativ kleinen Dentalgüssen oder Dental-Gußstücken aus Titan und Titanlegierungen, d.h. Materialien, die bei hohen Temperaturen außerordentlich aktiv sind.

Da Titan ausgezeichnete Affinität und Verträglichkeit für Organismen aufweist, hat es viel Beachtung gefunden als leichtgewichtiges, sehr korrosionsbeständiges Mate rial zur Verwendung in der Dentaltechnik, und es wurden Anstrengungen unternommen, um eine Technik zum Gießen von reinem Titan zu entwickeln. Da Titan einen hohen Schmelzpunkt von etwa 1700°C aufweist, bei hohen Tempe raturen sehr aktiv ist und eine Neigung zur Reaktivität hat, ist es wünschenswert, einen Kupfertiegel zum Lichtbogenschmelzen von Titan zu verwenden. Wenn die Reaktion des Titan mit einer Gießform in Betracht gezo gen wird, sollte Titan vorzugsweise bei Raumtemperatur in die Gießform gegossen werden. Aus diesem Grund muß der Gießdruck erhöht werden, wenn Dentalprothesen, die oft spitze Enden aufweisen, präzise in Titan gegossen werden sollen.

Beispielsweise offenbart JP-B-56-1981 eine Präzisions- Gießmaschine mit einer Aufschmelzkammer und einer Gieß kammer.

Dabei werden die Schmelzkammer und die Gießkammer vor dem Zeitpunkt, zu dem das Material geschmolzen wird, bis nach dem Gießen des Materials in einer inerten Gasat mosphäre gehalten, um eine Qualitätsänderung des Mate rials zu verhindern, beispielsweise durch Oxidation. Darüberhinaus fließt inertes Gas mit einem Diffe renzdruck von 3,75 kg/cm² von der Schmelzkammer in die Gießkammer über einen Zwischenkanal, ein Durchgangsloch, ein Tor in einer Gießform, einen Gießhohlraum und ein permeables eingebettetes Material. Auf diese Weise wird das Material in geschmolzenem Zustand durch die Strömung des inerten Gases mitgerissen und dringt tief in den Gießhohlraum der Gießform vor, und zwar ziemlich glatt und gleichförmig unter dem Differenzdruck von 3,75 kg/cm², um das Fließen der Schmelze zu verbessern.

Im Falle einer herkömmlichen Präzisions-Gießmaschine besteht eine bekannte Praxis darin, das geschmolzene Gießmaterial unter seinem Eigengewicht von einem in der unteren Mitte eines Tiegels, in dem das Material aufge schmolzen wird, ausgebildeten kreisförmigen Auslaß fallen zu lassen. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß der Druckunterschied zwischen der Druck-Schmelzkammer und der evakuierten Gießkammer zeitlich nicht genau ge nug angepaßt werden kann, teilweise weil die Schmelz temperatur des Materials nicht kontrollierbar ist und teilweise weil der Zeitpunkt, zu dem die Schmelze fällt, nicht vorhergesagt werden kann. Dies führt zu schlech terem Guß, unzureichendem Gießen, nicht ausreichender Diffusion der Schmelze und anderen Problemen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Präzisions-Gießvorrichtung und ein Präzisions-Gieß verfahren zum Herstellen von Dentalgüssen und orthopä dischen Güssen bereitzustellen, die insbesondere fast völlig frei von Gaseinschlüssen oder Lunkern sein sol len.

Diese Aufgabe wird durch das Gießverfahren und die Gießvorrichtung gemäß den Patentansprüchen gelöst.

Die erfindungsgemäße Präzisions-Gießmaschine weist eine in dem oberen Abschnitt der Maschine angeordnete und unter Druck stehende Schmelzkammer mit einer eingebau ten, nicht-selbstverzehrenden Elektrode und eine Vakuum- Gießkammer auf, die unter der Schmelzkammer angeordnet ist und von dieser durch eine Trennwand getrennt ist. In der Trennwand ist ein Durchgangsloch vorgesehen, durch welches die Druck-Schmelzkammer und die Vakuum-Gießkam mer miteinander kommunizieren, und in dem Durchgangsloch ist eine Gießform angeordnet. Oberhalb der Trennwand ist ein Tiegel zum Gießen des Gießmaterials in die Gießform angeordnet. Oberhalb der Trennwand ist ein Tiegel zum Gießen des Gießmaterials in die Gießform angeordnet. Das Gießmaterial wird mittels eines Lichtbogens von der nichtselbstverzehrenden Elektrode aufgeschmolzen.

Erfindungsgemäß wird zum Zeitpunkt des Gießens zwischen der Druck-Schmelzkammer und der Vakuum-Gießkammer eine Druckdifferenz ausgebildet, durch die ein ausreichender Gießdruck auf die Gießform ausgeübt wird.

Ein Hochdruckgas, beispielsweise Argon, wird zunächst unter Druck zu dem Zeitpunkt, zu dem das Material in dem Tiegel vollständig geschmolzen ist, der Druck-Schmelz kammer zugeführt, um den Druck darin zu erhöhen. Das Gas wird gleichzeitig in die Vakuum-Gießkammer eingeführt, und der Druck in der Vakuum-Gießkammer steigt ebenfalls allmählich an. Das Gas in der Vakuum-Gießkammer fließt aus, wenn der Druck in der Vakuum-Gießkammer sich ge ringfügig erhöht, um darin einen geeigneten Druck auf rechtzuerhalten. Anders ausgedrückt besteht ein gewisser Zeitraum, während dem eine Druckdifferenz erhalten wird. Das geschmolzene Material wird von dem geneigten oder gekippten Tiegel in die Gießform gegossen, während die Druckdifferenz aufrechterhalten wird.

Versuche haben gezeigt, daß Erzeugnisse, die den gegen wärtig aus Edelmetall-Legierungen hergestellten Dental prothesen gleichwertig sind, in Titanium nicht gegossen werden können, wenn nicht der Gießdruck zu dem Zeit punkt, zu dem das geschmolzene Metall gegossen wird, 4 bis 5 kg/cm² (etwa 4 bis 5 bar) übersteigt. Im Rahmen der Erfindung wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Gießform-Konfigurationen, die Wiege bzw. das Ge stell der Gießform, Verfahren zum Abdichten der Gieß formen und ihrer Gestelle etc. zu verbessern, und es gelang schließlich, eine Druckdifferenz von mindestens 5 bis 6 kg/cm² (etwa 5 bis 6 bar) im Falle von kleinen Gießformen für Inlays, Kronen und dergleichen aufrecht zuerhalten. Im Falle von großen Gießformen für Metall teile, wie Brücken, Zahnbetten oder dergleichen, blieb jedoch die Druckdifferenz, die über längere Zeiträume aufrechterhalten werden konnte, bei höchstens 2 bis 3 kg/cm² (etwa 2 bis 3 bar), beispielsweise wegen der Permeabilität bzw. Durchlässigkeit des Gusses, und die zum Gießen von Titan erforderliche Mindestdruckdifferenz von 4 bis 5 kg/cm² (etwa 4 bis 5 bar) war schwer zu er reichen.

Die Schaffung einer Druckdifferenz von mindestens etwa 4 bis 5 kg/cm² (etwa 4 bis 5 bar), die für das Gießen von Titan und dergleichen erforderlich ist, lieferte deshalb signifikante Informationen über die Möglichkeit von ex trem stabilem Präzisionsgießen.

Wenn der Druck innerhalb der Druck-Schmelzkammer auf einem geeigneten Niveau, beispielsweise etwa 0,5 kg/cm² (etwa 0,5 bar) gehalten wird, während das Material schmilzt, wird der Druck innerhalb der Vakuum-Gießkammer wegen des Druckübertritts über die Gießform ebenfalls entsprechend erhöht. Wenn ein Einspritzschalter gleich zeitig mit dem Schmelzen des Gießmaterials in oder auf dem Kupfertiegel gedrückt wird, fließt das Hochdruckgas, beispielsweise Argon, bei einem Druck von etwa 10 kg/cm² (etwa 10 bar) zunächst in die Druck-Schmelzkammer. Ob wohl der Druckverlust entlang der Strecke es unmöglich macht, den Druck in der Druck-Schmelzkammer sofort zu erhöhen, steigt der Druck doch rasch an.

Infolgedessen fließt das Gas in der Druck-Schmelzkammer über die permeable bzw. durchlässige Gießform in die Vakuum-Gießkammer und erhöht dadurch allmählich den Druck in dieser. Wenn das Leckventil der Vakuum-Gieß kammer geöffnet wird, wenn der Druck innerhalb der Kam mer etwa 3 bis 4 kg/cm² (etwa 3 bis 4 bar) erreicht, wird der Druck innerhalb der Kammer sofort auf ein be stimmtes Niveau erhöht, weil die Leitungen dazwischen kurz sind. Da der Druck innerhalb der Schmelzkammer da rüberhinaus bereits maximiert wurde, übersteigt die Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern augenblick lich 4 bis 5 kg/cm² (etwa 4 bis 5 bar). Das Gießen des geschmolzenen Materials von dem geneigten oder gekippten Tiegel zu diesem Zeitpunkt ist in Übereinstimmung mit den gegenwärtig angewandten Techniken.

Es dauert nur einige Sekunden oder weniger, um das Ma terial nach dem Drücken des Injektionsschalters einzu spritzen, und die Lichtbogen-Schmelzzeit wird entsprechend verlängert. Das Material wird jedoch im Falle des Schalenschmelzens unter Verwendung des Kupfertiegels niemals überhitzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung nä her erläutert.

Die Figur zeigt eine obere Druck-Schmelzkammer 2 und eine untere Vakuum-Gießkammer 3, die eine hermetisch abgeschlossene Präzisions-Gießmaschine 1 ausbilden. Der obere Teil der Druck-Schmelzkammer 2 ist im wesentlichen halbkugelförmig und weist entlang seiner unteren Kante einen Flansch 2 f und in seiner oberen Abschirmung eine nicht-selbstverzehrende Elektrode 2 b auf.

Die Vakuum-Gießkammer 3 ist ein zylindrischer Behälter mit einem Boden und ist mit einer Trennwand 4 ausge richtet, die die Vakuum-Gießkammer 3 von der Druck- Schmelzkammer 2 trennt. Der äußere Umfangsrand der Trennwand 4 bildet einen Flansch 4 f, der gegen den Flansch 2 f stößt.

Die Druck-Schmelzkammer 2 und die Vakuum-Gießkammer 3 sind durch (nicht dargestellte) Gelenke derart verbun den, daß die Druck-Schmelzkammer 2 verschwenkt und ge öffnet werden kann. Die Verbindung zwischen den Flanschen 2 f und 4 f ist mit einem O-Ring 31 abgedichtet, wenn die Druck-Schmelzkammer 2 und die Vakuum-Gießkammer 3 miteinander verbunden sind.

In der Trennwand 4 ist ein Durchgangsloch 5 vorgesehen, und ein in Richtung auf die Vakuum-Gießkammer 3 vor springender zylindrischer Körper mit einem umgekehrten konisch-trapezoidförmigen Raum ist fest an den Umfang des Durchgangsloches 5 angepaßt und bildet einen Behäl ter 4 a zur Aufnahme einer Gießform 9. Die Gießform 9 ist ein invertiertes bzw. umgekehrtes, konisch-trapezoid förmiges Gußstück mit einem permeablen eingebetteten oder eingelassenen Material 11 und ist in den Innenraum des Behälters 4 a eingepaßt. Das eingebettete Material 11 weist ein Tor bzw. einen Einlaß 12 und einen Gießhohl raum 13 auf.

Oberhalb der Trennwand 4 ist ein drehbarer Tiegel 7 an geordnet, der zum Aufschmelzen eines Gießmaterials 7 a aus Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird.

Der Tiegel 7 besteht aus gut wärmeleitfähigem Kupfer, um die Reaktion des Tiegels mit dem Gießmaterial 7 a aus Titan zu verhindern, welches bei hohen Temperaturen sehr aktiv ist. Der Tiegel 7 weist innen einen konusförmigen Raum auf, und ein im Vorderteil ausgebildetes Injek tionstor 7 m, das zum Einspritzen des geschmolzenen Gießmaterials 7 a verwendet wird. Ferner ist ein Trag bolzen 7 n vorgesehen.

Die Druck-Schmelzkammer 2 steht über eine Leitung 25 mit einem Argon-Druckbehälter 21 und über eine Leitung 28 mit einer Vakuumpumpe 20 in Verbindung. Die Vakuum- Gießkammer 3 steht über eine Leitung 27 mit der Vakuum pumpe 20 in Verbindung, und ist zur Außenseite hin über eine Leitung 26 und ein Leckventil offen.

Eine Bypass-Leitung 24, Regelventile 22, 23 und Ventile V ₁ und V ₂ sind für das Argon-Versorgungssystem vorgese hen. Die Ventile V ₃ und V ₄ sind für das Vakuum-Pumpen system vorgesehen, während ein Regelventil 30 und ein Ventil V ₅ für das Auslaßsystem vorgesehen sind.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt das Verfahren zum Be treiben der Druck-Schmelzkammer, der Vakuum-Gießkammer und der Ventile.

Tabelle 1

Der Ablauf dieser Vorgänge kann einfach mittels Relais und Zeitgebern elektrisch automatisiert werden.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, das Material zu gießen, wenn die Druckdifferenz zwischen der Druck- Schmelzkammer und der Vakuum-Gießkammer maximal ist, um dadurch ausgezeichnete Güsse bzw. Gußstücke zu erhal ten.

Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläu terung der Erfindung.

Beispiel 1

Titan 1. Klasse gemäß japanischem Industriestandard JIS wurde in einen zylindrischen Rohblock mit einer Höhe von 10,5 mm, einem Querschnitt von 16 mm und einem Gewicht von 10 g geformt und in einem Kupfertiegel mittels Lichtbogen aufgeschmolzen.

Da die Druck-Schmelzkammer und die Vakuum-Gießkammer durch die Vakuumpumpe evakuiert wurden, änderte sich der Druck innerhalb beider Kammern von 0 kg/cm² (Atmosphärendruck) auf einen Unterdruck von 760 mm Hg (etwa -1 bar). Der Druck innerhalb der Druck-Schmelz kammer stieg gleichzeitig mit dem Start des Lichtbogens, als das Argon in die Kammer strömte, und erreichte innerhalb 1 bis 2 s einen Druck von 0,5 kg/cm² (etwa 0,5 bar).

Wegen des "Leckens" des Drucks über die Gießform betrug der Druck innerhalb der Vakuum-Gießkammer bei der Ver vollständigung des Schmelzens etwa 0,5 kg/cm² (etwa 0,5 bar). Als der Injektionsschalter gedrückt wurde, erhöhte sich der Druck innerhalb der Druck-Schmelzkammer rasch auf 8 kg/cm² (etwa 8 bar), während der Druck in nerhalb der Vakuum-Gießkammer langsam auf 3 kg/cm² (etwa 3 bar) stieg. Diese Drücke wurden aufrechterhalten, als zu diesem Zeitpunkt das Leckventil seinen Betrieb be gann. Als das geschmolzene Material aus dem geneigten Tiegel gegossen wurde, hatte die Druckdifferenz, d.h. der Gießdruck 5 kg/cm² (etwa 5 bar) überschritten.

Als Ergebnis wurde ein Kronenguß hergestellt, der frei von Gießeinschlüssen oder Lunkern war und spitze Enden aufwies.

Beispiel 2

Titan 2. Klasse gemäß japanischem Industriestandard JIS wurde in einen zylindrischen Rohblock mit einer Höhe von 12,6 mm, einem Querschnitt von 30 mm und einem Gewicht von 40 g als Beispiel für eine Metallbrücke bzw. -pro these geformt und in dem Kupfertiegel unter Lichtbogen geschmolzen.

Der Druck innerhalb der Druck-Schmelzkammer änderte sich zu diesem Zeitpunkt von 0 kg/cm² (d.h. Atmosphärendruck) auf einen Unterdruck von -760 mm Hg (etwa -1 bar), und als der Druck in der Druck-Schmelzkammer auf 0,5 kg/cm² (etwa 0,5 bar) anstieg, als das Argon in die Kammer strömte, stieg der Druck innerhalb der Vakuum-Gießkammer wegen des "Leckens" des Drucks langsam an. Der Druck innerhalb beider Kammern stellte sich schließlich auf ein Niveau von 0,5 kg/cm² (etwa 0,5 bar) ein, als das Material geschmolzen war.

Der Grund hierfür bestand darin, daß der Druckverlust bzw. das "Lecken" des Drucks bei einer derartig großen Gießform größer war.

Als der Injektionsschalter gedrückt wurde, stieg der Druck innerhalb der Druck-Schmelzkammer auf 7 bis 8 kg/cm² (etwa 7 bis 8 bar) an. Der Druck innerhalb der Vakuum-Gießkammer betrug zu diesem Zeitpunkt 2 bis 3 kg/cm² (etwa 2 bis 3 bar), und das geschmolzene Material wurde eingespritzt.

Als das gesamte Bett eines Oberkiefers gegossen wurde, zeigte sich, daß ein perfektes Bett erhalten wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich beim Gießen von Dentalprothesen, wie beispielsweise Inlays, Kronen, Brücken und Metallbetten aus Titan ohne Gaseinschlüsse oder Lunker als fast 100%ig erfolgreich.

Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar zum Prä zisionsgießen, insbesondere von Dentalprothesen aus an deren Materialien als Titan.

Claims

1. Präzisions-Gießverfahren zum Gießen eines metalli schen Materials in einer inerten Gasatmosphäre unter einer Druckdifferenz zwischen einer Druck- Schmelzkammer und einer Vakuum-Gießkammer, mit den folgenden Verfahrensschritten:
Zuführen des inerten Gases unter Druck in die Druck-Schmelzkammer, nachdem das metallische Mate rial vollständig geschmolzen ist,
Beaufschlagen mit einem Druck, der größer ist als der Druck, der während des Aufschmelzens des me tallischen Materials angewandt wird,
Erzeugen eines Gießdrucks zwischen der Druck- Schmelzkammer und der Vakuum-Gießkammer, und Gießen des metallischen Materials unter dem Gieß druck.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckdifferenz zwischen der Druck-Schmelzkammer und der Vakuum- Gießkammer beim Gießen von Titan mindestens 5 kg/cm² (etwa 5 bar) beträgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2.