KR102231621B1

KR102231621B1 - 소결 재료로 이뤄지는 부품, 특히 치과 부품을 위한 소결로

Info

Publication number: KR102231621B1
Application number: KR1020167025251A
Authority: KR
Inventors: 피터 포노프; 크리스티안 슈미트
Original assignee: 시로나 덴탈 시스템스 게엠베하
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2021-03-23
Also published as: JP2019150643A; JP6817814B2; KR20160120762A; EP3132217A1; CA2938256A1; WO2015121364A1; JP2017505191A; DE202015009956U1; US20170176103A1; EP3132217B1; CA2938256C; JP6846460B2; DK3132217T3; AU2015216967B2; CN105980801A; AU2015216967A1; US11650014B2; US11306969B2; DE102014202575A1; US20220170697A1

Abstract

본 발명은 소결 재료로 이뤄지는 부품(15), 특히 치과 부품을 위한 소결로(1)로서, 노실 체적(VK)을 갖는 노실(2)을 포함하되, 가열 장치(5), 노실 체적(VK) 내에 위치하고 가열 장치(5)와 접경하는 총 체적(VB)을 갖는 수용 공간(9), 및 총 체적(VB) 내에 위치하는 유효 체적(VN)을 갖는 가용 영역(10)이 노실(2)에 배치되고, 노실(2)이 다수의 벽들로 구성되고 대상물 체적(VO)을 갖는 소결 대상 부품(15)을 수용 공간(9)에 도입하기 위해 개방될 벽 섹션(7)을 갖는 둘레 벽부(3)를 구비하는 소결로(1)에 관한 것이다. 가열 장치(5)는 복사장(13)을 갖는 열 방사기(6)를 포함하고, 열 방사기(6)는 수용 공간(9)의 적어도 일 측면에 배치된다. 적어도 수용 공간(9)에 배치된 유효 체적(VN)은 방사기(6)의 복사장(13) 내에 배치되는데, 방사기(6)에 대한 소결 대상 부품(15)의 최대 가능 간격은 최대 유효 체적(VN)의 두 번째로 큰 치수(D_y) 이하에 해당한다.

Description

소결 재료로 이뤄지는 부품, 특히 치과 부품을 위한 소결로{SINTERING FURNACE FOR COMPONENTS MADE OF SINTERED MATERIAL, IN PARTICULAR DENTAL COMPONENTS}

본 발명은 소결 재료로 이뤄지는 부품, 특히 치과 부품 및 특히 세라믹으로 된 부품을 위한 소결로(sintering furnace)로서, 노실 체적(chamber volume)을 갖는 노실(furnace chamber)을 포함하되, 가열 장치, 노실 체적 내에 위치하고 가열 장치와 접경하는 총 체적(gross volume)을 갖는 수용 공간, 및 총 체적 내에 위치하는 유효 체적(effective volume)을 갖는 가용 영역이 노실에 배치되고, 노실이 다수의 벽들로 구성되고 벽들 중의 적어도 하나에서 대상물 체적(object volume)을 갖는 소결 대상 부품을 수용 공간에 도입하기 위해 개방될 벽 섹션을 갖는 둘레 벽부를 구비하는 소결로에 관한 것이다.

소결로를 구성함에 있어 결정적인 사항은 소결할 재료이다. 기본적으로, 분말로 압축되고 경우에 따라서는 바로 또는 소결 공정 후에 프레이즈 절삭 공정 또는 연마 공정에 의해 후처리되는 금속 또는 세라믹 성형체가 소결된다. 재료는 필요한 온도 프로파일을 결정한다. 부품의 크기와 양은 노의 구조 크기를 결정하고, 역시 온도 프로파일도 결정한다. 노를 고온으로 해야 하면 할수록 단열재의 벽 두께가 더욱더 두꺼워진다. 노의 구조 크기, 부품의 구조 크기, 및 원하는 가열 속도는 가열 시스템 및 제어 거동의 설계를 결정한다. 그러한 결정에는 전력 공급도 일정 역할을 한다. 궁극적으로, 다른 무엇보다도 구조 크기가 그리고 제공되는 전력 공급도 또한 실험실용 치과 소결로(dental furnace)를 산업용 소결로와 구별 짓는다.

예비 소결된 세라믹 또는 금속으로 이뤄지는 치아 수복물(dental restoration)을 소결로를 사용하여 열처리하는 공정들, 특히 완전 소결은 전형적으로 60분 내지 수 시간을 소요한다. 아직도 예비적인 단계를 필요로 하고 또한 후속 단계를 필요로 하는 치아 수복물의 제조 공정이 개별 단계의 그러한 시간 소요로 인해 지속적으로 중단된다. 즉, 이산화지르코늄에 대한 소위 고속 소결(speed sintering)은 최소 60분을 소요한다.

오늘날, 이산화지르코늄에 대한 소위 초고속 소결(super speed sintering)은 단지 최소 15분의 공정 처리 시간만을 소요한다. 그러나 그것은 소결로가 특히 그 몸체에 의해 예정된 유지 온도로 예열될 것을 그 전제로 하는데, 그와 같이 예열되는 것은 가용 공급 전압에 의존하여 30 내지 75분을 소요한다. 또한, 소결로는 예열 후에 자동적인 장입 시퀀스(charging sequence)를 통해 장입되어야만 특수한 온도 프로파일이 지켜질 수 있고 노가 불필요하게 냉각되지 않게 된다.

그러나 예열하고 이어서 장입하는 것은 노가, 특히 그 단열재 및 그 가열 요소가 교번 열 응력(thermal alternating stress)에 노출되고, 그것이 장치 수명을 단축시키도록 작용한다는 단점을 갖는다.

따라서 본 발명의 과제는 소결로의 예열 및/또는 특수한 장입 시퀀스를 필요로 함이 없이 상응하게 짧은 제조 시간을 가능하게 하는 소결로를 제공하는데 있다.

그러한 과제는 소결 재료로 이뤄지는 부품, 특히 치과 부품 및 특히 세라믹으로 된 부품을 위한 소결로로서, 노실 체적을 갖는 노실을 포함하고, 가열 장치, 수용 공간, 및 가용 영역이 노실에 배치되는 소결로에 의해 해결된다. 수용 공간은 노실 체적 내에 위치하고 가열 장치와 접경하는 총 체적을 차지한다. 가용 영역은 유효 체적을 차지하고, 수용 공간 내에 위치한다. 또한, 노실은 다수의 벽들로 구성되고 대상물 체적을 갖는 소결 대상 부품을 수용 공간에 도입하기 위해 개방될 적어도 하나의 벽 섹션을 갖는 둘레 벽부를 구비한다. 노실 내의 가열 장치는 복사장(radiation field)을 갖는 적어도 하나의 열 방사기를 포함하는데, 열 방사기는 수용 공간의 적어도 일 측면에 배치되고, 열 방사기의 복사장 내에 적어도 가용 영역의 유효 체적이 배치된다. 방사기에 대한 소결 대상 부품의 최대 가능 간격은 최대 유효 체적의 두 번째로 큰 치수 이하에 해당한다.

연소실로도 지칭되는 노실은 소결 대상 부품을 수용하여 가열하는 부분, 즉 소결로의 노심을 이룬다. 노실에 의해 에워싸인 전체 체적을 노실 체적이라 지칭한다. 노실에 배치된 가열 장치 사이에 남은 자유 공간은 소결 대상 부품을 수용할 수 있고, 따라서 수용 공간이라 지칭된다. 수용 공간의 체적은 근본적으로 가열 장치와 경우에 따른 세라믹 벽들 사이에 남은 내부 폭 및 높이로부터 주어지고, 따라서 총 체적이라 지칭된다.

가열 장치에 의해 소결 공정에 필요하거나 요구되는 온도에 도달되는 소결로의 영역을 가용 영역이라 지칭한다. 즉, 가용 영역은 열 방사기에 의해 생성된 복사장이 소결 공정에 필요한 강도 및/또는 균질성을 갖는 영역이자 소결을 위한 부품이 위치되는 영역이다. 따라서 그러한 가용 영역은 복사장으로부터 또는 가열 장치의 배치 및 그 방사 특성으로부터 주어지고, 그에 상응하게 총 체적보다 작을 수 있다. 따라서 성공적인 소결 공정을 위해서는, 소결 대상물의 대상물 체적이 최대로 유효 체적의 크기를 가져야 한다. 다른 한편으로, 가능한 한 효율적이고 신속한 소결 과정을 위해, 유효 체적의 크기가 최대로 소결할 대상물 체적의 상한 추정치의 크기를 가져야 한다.

따라서 소결로가 다양한 크기의 대상물들을 소결하는데, 예컨대 개별 치아 크라운들 및 브리지까지 소결하는데 사용될 수 있어야 한다면, 가열 장치의 방사기를 이동 가능하게 구성하여 수용 공간의 크기, 즉 총 체적 및 특히 가용 영역의 크기, 즉 유효 체적을 대상물의 크기에 맞춰 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그러나 유효 체적은 가용 영역을 줄임으로써 감소하여 대상물 크기에 맞춰질 수도 있다. 예컨대, 단열 도어의 사용에 의해 수용 공간의 일부를 차단 배제시킬 수 있다.

총 체적을 최대한으로 잘 활용함으로써, 즉 총 체적과 대비하여 가능한 한 큰 유효 체적에 의해, 소결 공정 동안 가열할 체적을 가능한 한 작게 유지할 수 있고, 그럼으로써 신속한 가열 및 특히 예열 과정의 절감이 가능하다.

치과 대상물은 전형적으로 단지 수 밀리미터 내지 센티미터의 크기를 가지므로, 그에 상응하게 전형적으로 센티미터 범위의 유효 체적으로도 충분하다. 크라운 또는 코핑(coping)과 같은 소결 대상 치아 수복물에 대해, 예컨대 20x20x20 mm³의 유효 체적으로 충분할 수 있다. 예컨대 브리지와 같은 좀더 큰 치과 대상물에 대해서는, 20x20x40 mm³의 유효 체적으로 충분할 수 있다. 그 경우, 유효 체적(VN)의 치수는 바람직하게는 20 mm x 20 mm x 40 mm 이하일 수 있다. 그에 상응하게, 치과 소결로용 방사기에 대한 소결 대상 부품의 최대 가능 간격은 예컨대 20 mm로 한정되거나 보장될 수 있다.

유효 체적은 노실의 노실 체적에 대해 1:50 내지 1:1의 비로 되고, 수용 공간의 총 체적에 대해 1:20 내지 1:1의 비로 되는 것이 바람직하다.

전체적으로 가열하여야 하는 체적이 작으면 작을수록 그리고 그러한 질량이 작으면 작을수록 노실 내의 또는 가용 영역 내의 요구되는 온도에 더욱더 신속하게 도달될 수 있고, 소결 공정이 성공적으로 수행될 수 있다. 예컨대, 노실의 노실 체적은 60x60x45 mm³일 수 있고, 총 체적은 단지 25x35x60 mm³일 수 있다.

소결 대상 부품을 위한 유효 체적은 소결 대상 부품의 대상물 체적에 대해 1500:1 내지 1:1의 비로 되는 것이 바람직하다.

가용 영역의 유효 체적과 소결 대상 부품의 대상물 체적 간의 차이가 작으면 작을수록 부품에 대한 소결 과정이 더욱더 에너지 효율적으로 신속하게 수행될 수 있다.

둘레 벽부는 복사장에 대해 불투과성인 및/또는 복사장을 반향시키는 세라믹 내벽을 구비하는 것이 바람직한데, 그러한 내벽은 특히 반사 코팅으로 피복되거나 반사판으로서 형성된다.

반사 코팅에 의해, 가용 영역 내에서의, 즉 유효 체적의 내부에서의 방사기의 복사장의 강도가 증강될 수 있다. 방사기가 수용 공간의 일 측면에만 배치된다면, 가용 영역에서 예컨대 그와 마주하는 반사 코팅 또는 맞은편의 배치된 반사판을 사용하여 균질한 및/또는 강도가 증강된 복사장을 얻을 수 있다.

가열 장치는 가용 영역에서의 가열 속도가 20°C에서 적어도 200 K/min인 가열 요소를 포함하는 것이 바람직하다.

가열 요소는 저항 방식으로 또는 유도 방식으로 가열될 수 있는 것이 바람직하다.

유도 가열 요소 또는 저항 가열 요소는 소결로의 가열 요소에 대한 단순한 실시 형태들이다.

방사기는 도가니(crucible)로서 형성되는 것이 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 그 경우에는 유효 체적이 총 체적과 일치할 수 있기 때문이다.

본 발명을 첨부 도면들에 의거하여 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 소결 재료로 이뤄지는 부품을 위한, 특히 치과 부품을 위한 본 발명에 따른 소결로의 일부를 나타낸 도면이고,
도 2a 및 2b는 도가니와 코일들로 구성된 방사기를 구비하는 유도 가열 방식의 가열 장치를 나타낸 도면이며,
도 3은 코일들이 통합된 판 형태의 유도 가열 방식의 열 방사기를 나타낸 도면이고,
도 4a 및 4b는 막대 형태의 가열 요소들로 구성된 열 방사기를 구비하는 저항 가열 방식의 가열 장치를 나타낸 도면이며,
도 5는 가열 요소로서의 가열 코일을 나타낸 도면이고,
도 6은 가열 코일과 반사판으로 구성된 열 방사기를 나타낸 도면이며,
도 7은 U형 가열 요소들로 구성된 열 방사기를 나타낸 도면이고,
도 8은 면 가열 요소들로 구성된 열 방사기를 나타낸 도면이다.

도 1은 노실 체적(VK)을 갖는 노실(2)을 포함하는 소결로(1)의 일부를 나타낸 것으로, 노실(2)의 벽들(3)은 고온의 노실(2)을 주위에 대해 차폐하기 위한 단열재(4)를 구비한다. 노실(2)의 가열을 위해, 2개의 열 방사기들(6)을 구비하는 가열 장치(5)가 노실(2)에 배치된다. 노실(2)은 소결 대상 부품(15)을 노실(2)에 도입하기 위해 개방될 벽 섹션(7)을 구비하는데, 여기서는 벽 섹션(7)이 하부 벽 섹션, 즉 노실(2)의 바닥이 된다. 바닥(7)도 역시 단열재(4)를 구비하고, 단열재(4) 상에는 소결 대상 부품(15)을 위한 베이스(8)가 배치되는데, 그러한 베이스(8)는 캐리어(8)로도 지칭된다. 그러나 그 위에 부품(15)이 얹혀지는 세라믹 또는 고융점 금속으로 된 브래킷 또는 팬(pan)또는 수직으로 세워진 핀도 캐리어(8)로서 고려할 수 있다.

가열 장치(5) 또는 도 1에 예시적으로 노실(2)의 2개의 측면들에 배치된 열 방사기들(6)에 의해, 노실 체적(VK)에 비해 작은 자유 체적이 노실(2)의 내부에 주어지는데, 그러한 자유 체적은 도 1에 점선으로 표시되어 있고, 총 체적(VB)로서 지칭된다. 그러한 총 체적(VB)이 차지하는 공간이 바로 그 내부에 소결할 대상물(15)이 도입될 수 있는 수용 공간(9)이다.

가열 장치(5)의 방사기(6)에 의해 수용 공간(9)의 가열이 구현되는데, 수용 공간(9)의 총 체적(VB)의 적어도 일부는 충분히 강력하고 균일하게 가열된다. 그러한 영역을 가용 영역(10)으로 지칭하고, 그 체적을 유효 체적(VN)으로 지칭한다. 가용 영역(10)은 도 1에서 일점쇄선으로 개략적으로 표시되어 있고, 가용 영역(10)의 두 번째로 큰 치수가 D_y로서 표기되어 있다. 가용 영역(10)의 크기와 위치는 근본적으로 방사기(6)의 방사 특성, 즉 복사장(radiation field)(13) 및 그 배치에 의해 결정되는데, 방사기(6)를 수용 공간(9)의 적어도 하나의 측면에 배치하는 것에 의해 가용 영역(10)이 수용 공간(9)의 내부에 위치하는 것이 보장된다.

소결할 대상물(15)의 가열은 예컨대 저항 방식 또는 유도 방식으로 수행될 수 있다. 도 2a 및 2b에는, 가열 장치(5)로서 예컨대 유도 가열 방사기(6)가 도시되어 있다. 그러한 방사기(6)는 유도 가열을 위한 적어도 하나의 코일(12)이 둘레에 둘러진 예컨대 MoSi₂ 또는 SiC로 된 도가니(11)로서 형성되는데, 도가니(11)의 열 방사, 즉 열 복사선(13)이 화살표들로 표시되어 있다. 본 예에서, 수용 공간(9)은 도가니의 내부 공간에 의해 형성된다. 가용 영역(10)도 역시 도가니(11)의 내부에 위치하는데, 수용 공간(9)의 총 체적(VB)에 대한 가용 영역(10)의 유효 체적(VN)의 비는 1:1이다.

소결 대상 부품(15)은 도가니(11)의 내부, 가용 영역(10)과 합치되는 수용 공간(9) 내에 배치된다. 방사기(6)에 대한, 즉 여기서는 도가니(11)에 대한 대상물의 간격이 d로서 표기되어 있다.

도 3은 2개의 판 형태의 요소들로 형성된 방사기(6)를 나타낸 것으로, 그러한 방사기(6)는 그에 통합된 코일들(12)에 의해 가열된다. 그에 상응하게, 수용 공간(9)은 2개의 판 형태의 요소들 사이에 위치한다. 또한, 도 3에는 열 방사기(6)의 복사장(13)이 선들로 표시되어 있다. 그에 상응하게, 높은 강도를 갖는 최대한으로 균질한 복사장(13)의 영역을 커버하는, 수용 공간(9) 내에 배치된 가용 영역(10)이 주어진다.

도 4a 및 4b에 도시된 열 방사기(6)는 3개 또는 4개의 막대 형태의 저항 가열 요소들(14)로 구성된다.

저항 가열 방사기들(6)의 또 다른 형태들 및 그 배치가 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 방사기(6)는 가열 코일(16)로서 형성되는데, 수용 공간(9)과 가용 영역(10)이 원통형으로 형성되고 가열 코일의 내부에 배치된다. 도 6에서는, 방사기(6)가 하나의 가열 방사기, 여기서는 가열 코일(16)과 반사판(17)의 조합으로 되는데, 수용 공간(9)과 가용 영역(10)은 가열 코일(16)과 반사판(17) 사이에 위치한다. 도 7은 2개의 U형 가열 요소들(18)로 구성된 방사기를 나타낸 것으로, 2개의 U형 가열 요소들(18) 사이에 수용 공간(9)이 배치된다. 도 8에는, 2개의 면 가열 요소들(19)로 구성된 방사기가 도시되어 있다. 면 가열 요소들(19)은 전형적으로 평면적인 방사를 갖고, 그럼으로써 가용 영역이 면 가열 요소들 사이에 위치한 수용 공간(9)의 매우 큰 부분을 차지하게 된다.

1: 소결로 2: 노실
3: 벽부 4: 단열재
5: 가열 장치 6: 열 방사기
7: 벽 섹션 8: 베이스
9: 수용 공간 10: 가용 영역
11: 도가니 12: 코일
13: 복사장 14: 막대형 저항 가열 요소
15: 소결 대상물 16: 가열 코일
17: 반사판 18: U형 가열 요소
19: 면 가열 요소 d: 간격
D_y: 두 번째로 큰 치수 VB: 총 체적
VK: 노실 체적 VN: 유효 체적
VO: 대상물 체적

Claims

소결 재료로 이뤄지는 부품(15)을 위한 치과 소결로(1)로서, 노실 체적(VK)을 갖는 노실(2)을 포함하되, 가열 장치(5), 상기 노실 체적(VK) 내에 위치하고 상기 가열 장치(5)와 접경하는 총 체적(VB)을 갖는 수용 공간(9), 및 상기 총 체적(VB) 내에 위치하는 유효 체적(VN)을 갖는 가용 영역(10)이 상기 노실(2)에 배치되고, 상기 노실(2)은 다수의 벽들로 구성되고 대상물 체적(VO)을 갖는 소결 대상 부품(15)을 상기 수용 공간(9)에 도입하기 위해 개방될 적어도 하나의 벽 섹션(7)을 갖는 둘레 벽부(3)를 구비하는 치과 소결로(1)에 있어서,
- 상기 노실(2) 내의 상기 가열 장치(5)는 복사장(13)을 갖는 열 방사기(6)를 포함하고,
- 상기 열 방사기(6)는 상기 수용 공간(9)의 적어도 일 측면에 배치되며,
- 적어도 상기 수용 공간(9)에 배치된 상기 유효 체적(VN)은 상기 열 방사기(6)의 직접적인 상기 복사장(13) 내에 배치되고,
- 상기 방사기(6)에 대한 상기 소결 대상 부품(15)의 최대 가능 간격은 상기 유효 체적(VN)의 두 번째로 큰 치수(D_y) 이하에 해당하며,
- 상기 가용 영역(10)의 상기 유효 체적(VN)은 상기 노실(2)의 상기 노실 체적(VK)에 대해 1:50 내지 1:1의 비로 되고,
- 상기 가용 영역(10)의 상기 유효 체적(VN)은 상기 수용 공간(9)의 상기 총 체적(VB)에 대해 1:20 내지 1:1의 비로 되고,
- 상기 가열 장치(5)는 상기 가용 영역(10)에서의 가열 속도가 20℃에서 적어도 200 K/min 인 열 방사기(6)를 포함하고,
- 상기 열 방사기(6)는 유도 방식으로 가열되고,
- 상기 열 방사기(6)의 재료는 MoSi₂ 또는 SiC이고,
- 상기 소결 재료는 이산화지르코늄인 것을 특징으로 하는 치과 소결로(1).
제 1 항에 있어서, 상기 가용 영역(10)의 상기 유효 체적(VN)은 상기 소결 대상 부품(15)의 상기 대상물 체적(VO)에 대해 1,500:1 내지 1:1의 비로 되는 것을 특징으로 하는 치과 소결로(1).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 둘레 벽부는, 상기 복사장(13)에 대해 불투과성이거나, 상기 복사장(13)을 반향시키거나, 상기 복사장(13)에 대해 불투과성이면서 상기 복사장(13)을 반향시키는 세라믹 내벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 치과 소결로(1).
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제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유효 체적(VN)은 최대 20x20x40 mm³이고, 상기 유효 체적(VN)의 치수들은 20 mm x 20 mm x 40 mm 이하인 것을 특징으로 하는 치과 소결로(1).
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