WO2019053253A1 - Verfahren zur herstellung eines formkörpers mittels sintern - Google Patents

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WO2019053253A1
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Michael Dorn
Andreas Oberländer
Christian Strasser
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Vita Zahnfabrik H. Rauter Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a shaped body from a blank, taking into account its sintering behavior, as well as a molded article produced by means of the presented method.
  • WO 2013/156483 relates to a process for producing a porous ceramic article which has at least two layers, in which the individual layers have a different presintering temperature, which is set by means of a suitable selection of the particle size. The sintering of the article is then carried out taking into account the respectively set presinter temperature.
  • WO 2015/011079 discloses a process for producing a multilayer oxide ceramic body which can be sintered without delay.
  • the sintering behavior of the individual layers is set by the doping of the ceramic with sintering aids, in particular aluminum oxide for promoting sintering and yttrium oxide for sintering inhibition.
  • US 2011/0115210 describes a method for processing a blank, wherein the blank can be densely sintered after processing under shrinkage and wherein the processing of the blank in a processing machine taking into account an individual on the blank individual magnification factor (F) to compensate for the shrinkage during dense sintering in which, for determining the magnification factor (F), a length measurement of the blank in one or more of the dimensions of length, Width and height for scale determination is performed, wherein the measured linear dimension has a known relationship to the magnification factor (F) and the type of blank is known.
  • the linear measurement of the blank can be carried out in the machining direction.
  • US 2006/0131770 describes a method for producing a dental model with the following steps: a) providing one or more fluid, solidifiable materials and one or more electrically conductive substances; b) fabricating the dental model by rapid prototyping using the fluid or solidified materials and the one or more electrically conductive substances so that the manufactured model is electrically conductive in one or more areas of its surface. Prior to making the model, geometric data of the dental model can be generated and changed to result in an oversized model that compensates for the expected dimensional changes during the manufacturing process.
  • US 2011/00639301 discloses a method of sintering an object comprising introducing an object into a high temperature furnace, heating the furnace, creating a geometric surface profile of at least a portion of the object by irradiating the object with light from a light source and detecting the object scattered therefrom Light with a detector and determining the geometric surface profile of the detected light comprises.
  • this object is achieved in that the sintering delay is determined before the processing of a blank and the processing is carried out according to the particular sintering delay.
  • an object of the present invention is a method for the production of a shaped body, comprising the following steps: a) providing a blank, wherein the blank has an inhomogeneous sintering behavior; b) working the blank from step a) to obtain a shaped body; and c) sintering the shaped body from step b) to a desired final density, characterized in that the shrinkage of the blank is determined prior to the processing of the blank and the processing is carried out in accordance with the spatially resolved magnification factors obtained in the determination.
  • the advantage of the method according to the invention is that, especially in multi-layer systems whose individual layers have different sintering behavior, the applied temperature range and thus the densities can be set very variably. Prerequisite for the temperature selection for the sintering is therefore only the mechanical workability of the blanks such as machinability and sandability for error-free production of the desired geometry.
  • a blank is to be understood, which has a different sintering behavior at different locations. This can be caused, for example, by the fact that the blank is composed of different components which each have a different sintering behavior.
  • Such an inhomogeneous sintering behavior can also occur in blanks that consist of only one component, but in which the Properties differ at different locations, for example, characterized in that the blank has a density gradient. Accordingly, a method is preferred in which the blank has at least two components with different sintering behavior or a component with an inhomogeneous sintering behavior.
  • the blank comprises a plurality of components with different sintering behavior, wherein the components are arranged differently in layers or gradually or in partial molding areas.
  • the processing of the blank takes place taking into account the shrinkage occurring during sintering.
  • the shrinkage caused by the sintering is determined in a spatially resolved manner before processing.
  • Shrinkage in the sense of the present invention is to be understood as meaning the change in length, width change and height change of the shaped body caused by the sintering.
  • the degree of shrinkage depends, inter alia, on the chemical composition, the particle size, the heating rate during the sintering process, the compact density, the density distribution in the blank and the sintering rate.
  • the inhomogeneous sintering behavior of the blank leads to an anisotropic shrinkage within the blank, which may, for example, lead to a geometric deformation of the blank.
  • the method according to the invention is characterized in that the individual shrinkage of the shaped body is determined before it is processed and the machining takes place taking into account the inhomogeneous shrinkage behavior, if appropriate using form factors.
  • the respective shrinkage of the molding is determined spatially resolved.
  • the determination is made by applying spatially resolved magnification factors in all three spatial directions for each coordinate point of the shaped body.
  • the inventive method offers the advantage that the spatially resolved magnification factors for each coordinate point and in each direction in space can be adjusted individually. So, for example the magnification factor in x-direction is different from that in y-direction. Therefore, an embodiment is preferred in which the spatially resolved magnification factors are independent of one another. Preferably, more than one magnification factor is used in the processing.
  • the blank comprises oxidic and / or non-oxidic raw materials.
  • the raw materials mentioned are preferably ceramic and metallic materials.
  • the oxidic raw materials are preferably selected from the group consisting of zirconium oxide, silicates, alumina, beryllium oxide, titanium oxide, aluminum titanate, barium titanate and mixtures thereof.
  • the non-oxidic raw materials may for example be selected from the group consisting of silicon carbide, boron nitride, boron carbide, silicon nitride, aluminum nitride, molybdenum silicide, tungsten carbide and mixtures thereof.
  • the oxidic raw materials are selected from the group consisting of zirconium oxide, silicates and aluminum oxide.
  • the blank comprises one or more materials selected from the group consisting of zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3), silicon carbide (SiC), silicon nitride (S 13 N 4), silicates and mixtures thereof.
  • the oxidic raw materials can be present in a preferred embodiment together with other oxides. These further oxides are preferably stabilizing oxides.
  • the oxidic raw material is yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the content of further oxide 0.01 wt .-% to 20 wt .-%, preferably 0.1 to 15 wt .-% and particularly preferably 0.5 wt .-% to 10 wt. %, in each case based on the total weight of the oxidic raw material.
  • the blank comprises at least one metallic material, preferably a metallic alloy.
  • the blank additives are added, for example, to achieve certain properties. Therefore, an embodiment is preferred in which the blank has further additives.
  • additives are preferably dyes and / or coloring oxides. Particular preference is given to dyes and / or coloring oxides selected from the group consisting of oxides of yttrium, lanthanum, vanadium, terbium, titanium, manganese, magnesium, erbium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, selenium, silver, indium, gold and rare earth metals, and from these in particular neodymium, praseodymium, samarium and europium.
  • the amount of dyes and / or coloring oxides depends on the desired end result and may for example be in the range of a few ppm to a few percent by weight.
  • the proportion of dye and / or coloring oxide for example, 1 ppm to 500 ppm, preferably 5 ppm to 300 ppm, wherein the ppm relate to parts by mass.
  • the proportion may be 0.1% to 5.0% by weight, preferably 0.2 to 3.0% by weight, based in each case on the total weight of the blank.
  • agents can be added to the raw materials, such as binders, pressing aids and waxes.
  • these means are removed after pressing the blank, preferably by a thermal treatment of the pressed blank.
  • the blank provided in step a) of the method according to the invention is a pressed material.
  • the blank provided in step a) is a pre-sintered blank.
  • a pre-sintered blank is to be understood as meaning a blank which has already been subjected to a sintering treatment, without, however, achieving the desired final density.
  • the precise mapping of given data is of particular importance when it comes to components that are to be incorporated into a composite.
  • An example of such a compound is the human dentition in addition to the usual technical applications.
  • the method according to the invention is particularly suitable because it allows the dimensionally accurate and precise production of moldings also of ceramic materials, as usual in the field of dental restoration. Therefore, in a preferred embodiment of the method according to the invention in the resulting molded body is a dental restoration.
  • the dental restoration is preferably selected from the group consisting of dental restorations, bridge restorations, implants and implant abutments.
  • the blank is processed to obtain a shaped body.
  • the processing is preferably carried out by means of CAD / CAM method.
  • CAD / CAM method By machining by means of CAD / CAM methods, it is possible to obtain a faithful reproduction of the determined geometrical configuration of the shaped body, in which, in particular, the specific shrinkage is taken into account.
  • the shaped body can be subjected to further process steps.
  • the shaped body can be colored, wherein the coloring substances can be applied by the usual methods, such as painting or dipping in appropriate solutions.
  • step c) of the process according to the invention the shaped body obtained in step b) is sintered to a desired final density.
  • the final density of the molded article depends on the intended use. In some fields of application, it may be advantageous to give the molding as high a density as possible, which is close to the theoretically possible density.
  • a coating can be applied to the thus sintered shaped body.
  • the shaped body has a certain porosity. This is the case, for example, when the shaped body is to be subjected to further treatment steps. For example, it is possible to introduce filling materials into the pores remaining in the molding. This type of treatment is found, for example, in the manufacture of electronic components, but has also found its way into the field of dental restoration.
  • the inventive method has the advantage that the processing of the blank and the sintering of the molding to the desired final density on site, for example, the dentist, can be made. Thanks to the previously determined and provided spatially resolved magnification factors, the sintering process can be carried out in such a way that different materials can be contained in the blank and this nevertheless corresponds to the inhomogeneous sintering behavior of the desired final shape after dense sintering.
  • the inventive method further comprises providing a data set comprising the spatially resolved magnification factors obtained in determining the shrinkage of the blank.
  • the method according to the invention comprises the following steps: a) providing a blank, the blank having an inhomogeneous sintering behavior; b) determining the shrinkage of the blank to obtain a set of spatially resolved magnification factors; c) providing the set of spatially resolved magnification factors obtained in determining the shrinkage of the blank; d) working the blank to obtain a shaped article; and e) sintering the shaped body to a desired final density, the processing being carried out in accordance with the spatially resolved magnification factors obtained in determining the shrinkage.
  • the determination of the shrinkage of the blank can be carried out at any time before the processing of the blank.
  • the method according to the invention further comprises the step of checking the determined set of spatially resolved magnification factors.
  • This check preferably takes place in that the set of spatially resolved magnification factors determined in step b) of the method according to the invention is applied to a further blank to obtain a shaped body and this shaped body is then sintered to the desired final density. In this way, the quality of the determined set of spatially resolved magnification factors is ensured in order to ensure comfortable handling and a tailor-made final result.
  • the method according to the invention makes it possible to provide a blank and a set of spatially resolved magnification factors corresponding to the shrinkage of the blank. It has surprisingly been found that by providing a set of spatially resolved magnification factors which are individually adapted to the blank, a simple and convenient production of a dimensionally accurate shaped body is possible. Therefore, another object of the present invention is a kit comprising: i) a blank; and ii) a set of spatially resolved magnification factors, wherein the set of spatially resolved magnification factors is obtained by determining the shrinkage of the blank.
  • the blank is preferably a blank as described above. Particularly preferably, the blank comprises various components with different sintering behavior, wherein the components are not arranged homogeneously in the blank.
  • a further subject of the present invention is a kit comprising a blank and an information carrier, the information carrier containing a set of spatially resolved magnification factors obtained by determining the shrinkage of the blank.
  • the blank is preferably a blank as described above.
  • the blank comprises various components with different sintering behavior, wherein the components are preferably arranged differently in layers or gradually or in partial molding areas.
  • the blank and the information carrier are integrally formed.
  • the blank serves as an information carrier. In this way a simple and comfortable handling is ensured.
  • Another object of the present invention is a molded body having an inhomogeneous sintering behavior, wherein the shaped body has a shape adapted to its sintering behavior.
  • An inhomogeneous sintering behavior can occur, for example, if the molding is composed of more than one component, the components showing a different sintering behavior. In other cases, an inhomogeneous sintering behavior is present when different regions of the molding have different properties. This can be the case, for example, if the shaped body has a density gradient or was pressed inhomogeneously.
  • the shaped body according to the invention is preferably a shaped body which has at least two components with different sintering behavior or a component with inhomogeneous sintering behavior, the shape of the shaped body being adapted to the sintering behavior of the individual components.
  • sintering leads to geometric changes, which are particularly pronounced when the shaped body has an inhomogeneous sintering behavior.
  • the shaped body according to the invention is distinguished in a preferred embodiment in that it is brought by sintering in a desired shape. This can be achieved, inter alia, by the fact that the expected sintering distortion is taken into account in the shaping of the shaped body.
  • the contraction taking into account shape of the molding is specified by spatially resolved magnification factors.
  • the material of the molded article may be selected depending on the intended use.
  • the shaped body comprises oxidic and / or non-oxidic raw materials.
  • the raw materials mentioned are preferably ceramic and metallic materials.
  • the oxidic raw materials are preferably selected from the group consisting of zirconium oxide, silicates, alumina, beryllium oxide, titanium oxide, aluminum titanate, barium titanate and mixtures.
  • the non-oxidic raw materials may for example be selected from the group consisting of silicon carbide, boron nitride, boron carbide, silicon nitride, aluminum nitride, molybdenum silicide, tungsten carbide and mixtures thereof.
  • the shaped body comprises one or more materials selected from the group consisting of zirconium oxide (Zr0 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (S13N4), silicates and mixtures thereof.
  • the oxidic raw materials can be present in a preferred embodiment together with other oxides. These further oxides are preferably stabilizing oxides.
  • the oxidic raw material is yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the content of further oxide 0.01 wt .-% to 20 wt .-%, preferably 0.1 to 15 wt .-% and particularly preferably 0.5 wt .-% to 10 wt. %, in each case based on the total weight of the oxidic raw material.
  • the shaped body comprises at least one metallic material, preferably a metallic alloy.
  • the shaped body may contain additives.
  • additives can be used, for example be given to the molded body certain properties, especially in optical terms.
  • the additives are preferably dyes and / or glass-coloring oxides. Particular preference is given to dyes and / or glass-coloring oxides selected from the group consisting of oxides of yttrium, lanthanum, vanadium, terbium, titanium, manganese, magnesium, erbium, iron, copper, chromium, cobalt, nickel, selenium, silver, indium, gold and rare earth metals, and from these in particular neodymium, praseodymium, samarium and europium.
  • additives can be used to influence, for example, the mechanical properties of the molding.
  • the molded body according to the invention is characterized in that its shape is adapted to the sintering behavior and it obtains its desired shape by sintering. Accordingly, it is particularly suitable for use as a dental restoration.
  • the shaped body according to the invention is preferably a dental restoration.
  • the dental restoration is preferably selected from the group consisting of dental restorations, bridge restorations, implants and implant abutments.
  • the molding is obtainable according to the process of the invention.
  • Another object is a molding which is obtainable by the process according to the invention.
  • the shaped body according to the invention is particularly suitable for use in the field of dental restorations. Therefore, another object of the present invention is the use of the shaped body according to the invention for the production of a dental restoration.
  • zirconia powder stabilized with yttria was pressed uniaxially on both sides to form a cuboid body.
  • a density gradient within the body is formed due to friction between the particles and the friction to the pressing die wall at the pressing pressures necessary for this material. The lowest density is found along the press neutrals. In this area occurs the lowest compression of the powder granules.
  • the pressed body was subjected to a heat treatment at temperatures up to 700 ° C to remove organic additives.
  • a second heat treatment the body was pre-sintered at temperatures in the range of 1000 ° C to 1200 ° C to 50 to 60% of its theoretical density.
  • the milled box was sintered at temperatures of 1300 ° C to 1600 ° C to the desired final density.
  • the geometry of the sintered body was scanned and recorded using a profilometer.
  • the densely sintered body has a deviation from the target geometry.
  • the reason for this is the density gradient occurring in the body, which is maintained during pre-sintering of the blank and leads to an inhomogeneous sintering behavior.
  • the sintered body therefore shows a significant deviation from the target geometry in the area of the press neutrals.
  • FIG. 1b shows the profile measurement of the milled, pre-sintered body and the densely sintered body along the plane indicated in FIG. 1a. Again, the significant deviation of the dense body from the desired cuboidal target geometry can be seen.
  • a presintered body of yttria stabilized zirconia was prepared. From the pre-sintered body, a cuboidal blank was milled, the outer dimensions of which result from the target geometry of the densely sintered body. Unlike Comparative Example 1, no uniform magnification factor was used to account for the shrinkage that occurs during sintering. Rather, the inhomogeneous sintering behavior of the body was taken into account by the dimensions of the target geometry were increased spatially resolved according to the density distribution. For this purpose, each coordinate point of the target geometry has its own magnification factor, resolved into x, y, z coordinates, assigned to obtain the geometry to be cropped.
  • the milled body was sintered analogously to Example 1 at temperatures in the range of 1300 to 1600 ° C to the desired final density, which corresponds to that of the body described in Example 1.
  • the densely sintered body was scanned with a profilometer to determine the outside dimensions.
  • FIG. 2a shows the schematic representation of the pre-sintered, milled body (light) and the densely sintered body (dark), wherein it can be clearly seen that the densely sintered body corresponds to the target geometry.
  • FIG. 2b shows the profile measurement of the milled and densely sintered body along the plane indicated in FIG. 2a.
  • the densely sintered body has no deviations from the target geometry.
  • 2nd blank consisting of four layers with different composition
  • Example 3 Different yttria-stabilized zirconia powders were layered in a die, with the powders each having different additives in the form of iron oxide, cobalt oxide and erbium oxide. The layers were uniaxially pressed on both sides to a cuboid blank. Due to the different composition of the layers results in each case a different sintering behavior.
  • the pressed body was subjected to a heat treatment at temperatures up to 700 ° C to remove organic additives.
  • a second heat treatment the body was pre-sintered at temperatures in the range of 1000 ° C to 1200 ° C to 50 to 60% of its theoretical density.
  • the milled box was sintered at temperatures of 1300 ° C to 1600 ° C to the desired final density.
  • the geometry of the sintered body was scanned and recorded using a profilometer.
  • the densely sintered body has a deviation from the target geometry. The reason for this is the different sintering behavior of the layers.
  • the densely sintered body shows a significant curvature.
  • Figure 3a shows the schematic representation of the pre-sintered, milled body (light) and dense sintered body (dark), where clearly the deviation from the target geometry can be seen.
  • Figures 3b and 3c depict the profile measurement of the pre-sintered milled body and densely sintered body along the planes indicated in Figure 3a. Again, the significant deviation of the dense body from the desired cuboidal target geometry can be seen.
  • a multilayer pre-sintered body of yttria-stabilized zirconia was prepared. From the pre-sintered Body was milled a cuboid blank, the outer dimensions of which result from the target geometry of the densely sintered body. In contrast to Comparative Example 3, no uniform magnification factor was used to account for the shrinkage that occurs during sintering. Rather, the inhomogeneous sintering behavior of the body was taken into account by the dimensions of the target geometry were increased spatially resolved. For this purpose, each coordinate point of the target geometry has its own magnification factor, resolved into x, y, z coordinates, assigned to obtain the geometry to be cropped.
  • the milled body was sintered analogously to Example 3 at temperatures in the range of 1300 to 1600 ° C to the desired final density, which corresponds to that of the body described in Example 3.
  • the densely sintered body was scanned with a profilometer to determine the outside dimensions.
  • FIG. 4a shows the schematic representation of the pre-sintered, milled body (light) and the densely sintered body (dark), wherein it can be clearly seen that the densely sintered body corresponds to the target geometry.
  • Figures 4b and 4c depict the profile measurement of the pre-sintered milled body and densely sintered body along the planes indicated in Figure 4a.
  • the densely sintered body has no deviations from the target geometry.
  • the side surfaces of the cuboid are straight and plane-parallel according to the target geometry.
  • FIG. 5 exemplarily demonstrates the use of the spatially resolved magnification factors in determining the sintering delay.
  • the method according to the invention allows individual adaptation of the magnification factors.
  • the magnification factor VGF2 at the lower level 4 in each spatial direction may be set smaller than the magnification factor VGF1 at the level 1 corner.
  • FIG. 6 likewise shows, by way of example, a multilayer shaped body whose planes have different sintering behavior.
  • optimal adaptation can be achieved by selecting the correspondingly individually adapted magnification factors. So applies in the present example VGF (x, E1, E5) ⁇ VGF (x, E3)
  • VGF (y, E1, E5) ⁇ VGF (y, E3)
  • VGF (z, E1, E5) ⁇ > VGF (z, E3).
  • the method according to the invention by using spatially resolved magnification factors, permits the dimensionally accurate production of shaped, inhomogeneous shaped bodies despite the different sintering behavior of the individual partial areas of the shaped body.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Rohling unter Berücksichtigung seines Sinterverhaltens sowie ein mittels des vorgestellten Verfahrens hergestellten Formkörper.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels Sintern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Rohling unter Berücksichtigung seines Sinterverhaltens sowie ein mittels des vorgestellten Verfahrens hergestellten Formkörper.
Im Rahmen des technologischen Fortschritts der letzten Jahre sind die Anforderungen, die an technische Bauteile gestellt werden, immer komplexer geworden. Dieser Trend betrifft nicht nur das Gebiet hochspezialisierter Bauteile, beispielsweise im Bereich der Energiegewinnung oder der Automobilindustrie, sondern erstreckt sich auch auf Gebiete des täglichen Lebens wie beispielsweise medizinische und kosmetische Anwendungen. Um diesen ständig steigenden Anforderungen gerecht zu werden, geht der Trend zunehmend zur Multifunktionalisierung von Bauteilen. Dabei sollen insbesondere die unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Materialien an bestimmten Einsatzstellen zum Tragen kommen ebenso wie die aus der Kombination verschiedener Materialien gewonnenen Vorteile.
Die große Herausforderung, die mit der Herstellung multifunktionaler Bauteile einhergeht, ist, dass die verschiedenen Materialien innerhalb eines Bauteils während der Herstellung den gleichen Prozessparametern ausgesetzt sind und entsprechend die individuelle Reaktion der einzelnen Materialien bei der Herstellung berücksichtigt werden muss. Während es früher üblich war, die einzelnen Materialien in aufwendigen Fügeverfahren zusammenzufügen, ist heute die Erwartung, die Bauteile in möglichst einfachen Verfahren, die so wenig Prozessschritte wie möglich umfassen sollten, herzustellen.
Die damit verbundenen Schwierigkeiten werden in solchen Fällen noch verstärkt, in denen die verwendeten Materialien eine Sinterung des Bauteils notwendig machen. Dies ist insbesondere bei metallischen und keramischen Werkstoffen erforderlich, um dem Bauteil oder Werkstück die nötige Festigkeit und Härte zu verleihen, die im jeweiligen Einsatz erforderlich sind. Da bei diesem Verfahren das Ausgangsmaterial verdichtet wird und Porenräume verkleinert oder eliminiert werden, kommt es in der Regel zu einer Schwindung des Werkstücks, die es bei dessen Herstellung zur Erreichung der nach dem Sintern erwarteten Endform zu berücksichtigen gilt. Bei einem Werkstück, das nur ein Material mit einem homogenen Sinterverhalten aufweist, stellt dies keine Schwierigkeit dar und kann beispielsweise durch eine entsprechende Materialzugabe ausgeglichen werden. Setzt sich das Werkstück allerdings aus verschiedenen Materialien zusammen, die ein jeweils unterschiedliches Sinterverhalten zeigen, die Schwindung also nicht homogen ist, ist eine einfache Materialzugabe in der Regel nicht mehr ausreichend, damit das Werkstück die gewünschte Geometrie erhält.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, die sich mit diesem Problem des Sinterverzugs beschäftigen.
DE 10 2006 024 489 beschreibt einen Grünkörper, der aus mindestens zwei verschiedenen, zu einem Formkörper verdichteten Pulvermischungen besteht, wobei der Sinterverzug dadurch vermieden wird, dass Pulvermischungen gewählt werden, die während des Sinterns ähnliche Volumenänderungen aufweisen.
DE 10 2008 013 471 beschreibt keramische Bauteile, bei denen der Sinterverzug durch den Einsatz von Partikeln mit unterschiedlichen Primärpartikelgrößen ausgeglichen wird.
WO 2013/156483 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Keramikartikels, der mindestens zwei Schichten aufweist, bei dem die einzelnen Schichten eine unterschiedliche Vorsintertemperatur, die über eine geeignete Auswahl der Partikelgröße eingestellt wird, aufweisen. Die Sinterung des Artikels erfolgt dann unter Berücksichtigung der jeweils eingestellten Vorsintertemperatur.
WO 2015/011079 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Oxidkeramikkörpers, der ohne Verzug gesintert werden kann. Das Sinterverhalten der einzelnen Schichten wird dabei durch die Dotierung der Keramik mit Sinterhilfsstoffen, insbesondere Aluminiumoxid zur Förderung der Sinterung und Yttriumoxid zur Sinterinhibierung, eingestellt.
US 2011/0115210 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Rohlings, wobei der Rohling nach der Bearbeitung unter Schwindung dichtgesintert werden kann und wobei die Bearbeitung des Rohlings in einer Bearbeitungsmaschine unter Berücksichtigung eines auf den Rohling bezogenen individuellen Vergrößerungsfaktors (F) zum Ausgleich der Schwindung beim Dichtsintern erfolgt, bei dem zur Bestimmung des Vergrößerungsfaktors (F) eine Längenmessung des Rohlings in einer oder mehrerer der Dimensionen Länge, Breite und Höhe zur Maßstabsermittlung durchgeführt wird, wobei das gemessene lineare Maß eine bekannte Beziehung zu dem Vergrößerungsfaktor (F) aufweist und der Typ des Rohlings bekannt ist. Die lineare Vermessung des Rohlings kann in der Bearbeitungsrichtung durchgeführt werden.
US 2006/0131770 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dentalen Modells mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines oder mehrerer fluider, verfestigbarer Materialien sowie einer oder mehrerer elektrisch leitfähiger Substanzen; b) Herstellen des dentalen Modells durch Rapid Prototyping unter Verwendung des oder der fluiden, verfestig baren Materialien und der einen oder der mehreren elektrisch leitfähigen Substanzen, so dass das hergestellte Modell in einem oder mehreren Bereichen seiner Oberfläche elektrisch leitfähig ist. Vor dem Herstellen des Modells können geometrische Daten des dentalen Modells erzeugt und so verändert werden, dass ein überdimensioniertes Modell resultiert, das die zu erwartenden Dimensionsänderungen während des Herstellungsprozesses kompensiert.
US 2011/00639301 offenbart ein Verfahren zur Sinterung eines Objekts, das das Einbringen eines Objekts in einen Hochtemperaturofen, das Erhitzen des Ofens, das Erstellen eines geometrischen Oberflächenprofils mindestens eines Teilbereichs des Objekts mittels Bestrahlen des Objekts mit Licht einer Lichtquelle und Detektieren des vom Objekt gestreuten Lichts mit einem Detektor und Bestimmen des geometrischen Oberflächenprofils aus dem detektierten Licht umfasst.
Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren weisen den Nachteil auf, dass sie hinsichtlich der verwendeten Materialien beschränkt sind, die bestimmte Eigenschaften, wie Partikelgröße oder Zusammensetzung, aufweisen müssen, um der Schwindung durch das Sintern entgegen wirken zu können. So müssen durch die unterschiedlichen Materialeigenschaften bezüglich Schwindung, beispielsweise in einem schichtweise, oder graduell oder sogar in Teilformbereichen verschiedenen Bauteil, alle Komponenten bei einer gewünschten, vorgewählten Temperatur stets auf ein einheitliches Sinterverhalten eingestellt werden, damit für die jeweilige Raumrichtung eine möglichst homogene Schwindung des gesamten Bauteils über Länge, Höhe oder Breite erfolgen und der Verzug des Bauteils eliminiert werden kann. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches hinsichtlich der verwendeten Materialien und deren Kombination keine Limitierung aufweist und auf eine besondere Manipulation der Materialien verzichtet.
Es wurde überraschend gefunden, dass diese Aufgabe dadurch gelöst wird, dass der Sinterverzug bereits vor der Bearbeitung eines Rohlings bestimmt wird und die Bearbeitung entsprechend des bestimmten Sinterverzugs erfolgt.
Daher ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Rohlings, wobei der Rohling ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist; b) Bearbeiten des Rohlings aus Schritt a) unter Erhalt eines Formkörpers; und c) Sintern des Formkörpers aus Schritt b) auf eine gewünschte Enddichte, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwindung des Rohlings vor der Bearbeitung des Rohlings bestimmt wird und die Bearbeitung entsprechend den bei der Bestimmung erhaltenen ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren erfolgt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass insbesondere bei Mehrschichtsystemen, deren Einzelschichten unterschiedliches Sinterverhalten aufweisen, der angewendete Temperaturbereich und somit die Dichten sehr variabel gelegt werden kann. Voraussetzung bei der Temperaturwahl für die Sinterung ist daher nur die mechanische Bearbeitbarkeit der Rohlinge wie Fräsbarkeit und Schleifbarkeit zur fehlerfreien Herstellung der gewünschten Geometrie.
Unter einem Rohling mit einem inhomogenen Sinterverhalten im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Rohling zu verstehen, der an verschiedenen Stellen ein unterschiedliches Sinterverhalten aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass sich der Rohling aus verschiedenen Komponenten zusammensetzt, die ein jeweils unterschiedliches Sinterverhalten aufweisen. Ein solch inhomogenes Sinterverhalten kann auch bei Rohlingen auftreten, die nur aus einer Komponente bestehen, bei dem aber die Eigenschaften an unterschiedlichen Stellen voneinander abweichen, beispielsweise dadurch, dass der Rohling einen Dichtegradienten aufweist. Entsprechend ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Rohling mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten oder eine Komponente mit einem inhomogenen Sinterverhalten aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rohling mehrere Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten, wobei die Komponenten schichtweise oder graduell oder in Teilformbereichen verschieden angeordnet sind.
Die Bearbeitung des Rohlings erfolgt unter Berücksichtigung der bei der Sinterung auftretenden Schwindung. So wird erfindungsgemäß die durch die Sinterung bedingte Schwindung vor der Bearbeitung ortsaufgelöst bestimmt. Unter Schwindung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die durch das Sintern bedingte Längenänderung, Breitenänderung und Höhenänderung des Formkörpers zu verstehen. Der Grad der Schwindung hängt dabei unter anderem von der chemischen Zusammensetzung, der Partikelgröße, der Heizrate während des Sintervorgangs, der Pressdichte, der Dichteverteilung im Rohling und der Sintergeschwindigkeit ab. Das inhomogene Sinterverhalten des Rohlings führt dabei dazu, dass es zu einer anisotropen Schwindung innerhalb des Rohlings kommt, was beispielsweise zu einer geometrischen Verformung des Rohlings führen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die individuelle Schwindung des Formkörpers vor dessen Bearbeitung bestimmt wird und die Bearbeitung unter Berücksichtigung des inhomogenen Schwindungsverhaltens, gegebenenfalls unter Verwendung von Formfaktoren, erfolgt. Um einen besonders formgetreuen Formkörper zu erhalten ist eine genaue Bestimmung der Schwindung unerlässlich. Daher wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die jeweilige Schwindung des Formkörpers ortsaufgelöst bestimmt. Dabei erfolgt die Bestimmung dadurch, dass für jeden Koordinatenpunkt des Formkörpers ortsaufgelöste Vergrößerungsfaktoren in alle drei Raumrichtungen angelegt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass die ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren für jeden Koordinatenpunkt und in jede Raumrichtung individuell angepasst werden können. So kann beispielsweise der Vergrößerungsfaktor in x-Richtung ein anderer sein als der in y-Richtung. Daher ist eine Ausführungsform bevorzugt, in der die ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren unabhängig voneinander sind. Vorzugsweise wird bei der Bearbeitung mehr als ein Vergrößerungsfaktor herangezogen.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich der verwendbaren Materialien keine Einschränkungen auf. Daher ist eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, in der der Rohling oxidische und/oder nicht-oxidische Rohstoffe umfasst. Bei den genannten Rohstoffen handelt es sich vorzugsweise um keramische und metallische Materialien. Die oxidischen Rohstoffe sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid, Silikaten, Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Titanoxid, Aluminiumtitanat, Bariumtitanat sowie Mischungen hiervon. Die nicht-oxidischen Rohstoffe können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Bornitrid, Borcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Molybdänsilizid, Wolframcarbid sowie Mischungen hiervon.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform sind die oxidischen Rohstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid, Silikaten und Aluminiumoxid.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rohling ein oder mehrere Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid (Zr02), Aluminiumoxid (AI2Ü3), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (S13N4), Silikate und Mischungen davon.
Die oxidischen Rohstoffe können in einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit weiteren Oxiden vorliegen. Bei diesen weiteren Oxiden handelt es sich vorzugsweise um stabilisierende Oxide. So ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der oxidische Rohstoff yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid. In einer besonders bevorzugten Ausführung beträgt der Gehalt an weiterem Oxid 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des oxidischen Rohstoffs. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rohling mindestens ein metallisches Material, vorzugsweise eine metallische Legierung.
In vielen Anwendungen hat es sich von Vorteil erwiesen, wenn dem Rohling Zusatzstoffe beigemischt werden, beispielsweise um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Daher ist eine Ausführungsform bevorzugt, in der der Rohling weitere Zusatzstoffe aufweist. Bei diesen Zusatzstoffen handelt es sich vorzugsweise um Farbstoffe und/oder färbende Oxide. Besonders bevorzugt sind Farbstoffe und/oder färbenden Oxide ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden von Yttrium, Lanthan, Vanadium, Terbium, Titan, Mangan, Magnesium, Erbium, Eisen, Kupfer, Chrom, Kobalt, Nickel, Selen, Silber, Indium, Gold und Seltenerdmetallen, und aus diesen insbesondere Neodym, Praseodym, Samarium und Europium. Die Menge der Farbstoffe und/oder färbende Oxide hängt vom gewünschten Endergebnis ab und kann beispielsweise im Bereich von wenigen ppm bis einigen Gewichtsprozent liegen. So kann der Anteil an Farbstoff und/oder färbendem Oxid beispielsweise 1 ppm bis 500 ppm, vorzugsweise 5 ppm bis 300 ppm betragen, wobei sich die ppm auf Massenteile beziehen. In anderen bevorzugten Ausgestaltungsformen kann der Anteil dagegen bei 0,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 3,0 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Rohlings.
Desweiteren können den Rohstoffen weitere Mittel zugesetzt werden, wie beispielsweise Binder, Presshilfsmittel und Wachse. In der Regel werden diese Mittel nach dem Pressen des Rohlings entfernt, vorzugsweise durch eine thermische Behandlung des gepressten Rohlings.
Üblicherweise handelt es sich bei dem in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellten Rohling um ein gepresstes Material. In einigen Anwendungen kann es jedoch von Vorteil sein, den Rohling vorzusintern, um ihm beispielsweise die für eine maschinelle Bearbeitung benötigte Festigkeit zu verleihen. Daher ist eine Ausführungsform bevorzugt, in der es sich bei dem in Schritt a) zur Verfügung gestellten Rohling um einen vorgesinterten Rohling handelt. Unter einem vorgesinterten Rohling im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Rohling zu verstehen, der bereits einer Sinterbehandlung unterzogen wurde, ohne jedoch die gewünschte Enddichte zu erreichen. Die präzise Abbildung vorgegebener Daten ist insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn es sich um Bauteile handelt, die in einen Verbund eingefügt werden sollen. Ein Beispiel eines solchen Verbundes ist neben den üblichen technischen Anwendungen das menschliche Gebiss. Hier ergibt sich wie in anderen Bereichen auch, die Schwierigkeit, dass eine dentale Restauration eine hohe Passgenauigkeit aufweisen muss, um sich in das bestehende Zahnschema einzufügen. Hier ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, da es die form- und passgenaue Herstellung von Formkörpern auch aus keramischen Materialien, wie im Bereich der Dentalrestauration üblich, erlaubt. Daher handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem erhaltenen Formkörper um eine dentale Restauration. Die dentale Restauration ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zahnrestaurationen, Brückenrestaurationen, Implantaten und Implantataufbauten.
Gemäß Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rohling unter Erhalt eines Formkörpers bearbeitet. Die Bearbeitung erfolgt dabei vorzugsweise mittels CAD/CAM-Verfahren. Durch eine Bearbeitung mittels CAD/CAM-Verfahren ist es möglich, eine getreue Wiedergabe der ermittelten geometrischen Ausgestaltung des Formkörpers zu erhalten, bei der insbesondere die bestimmte Schwindung Berücksichtigung findet.
Nach dieser Bearbeitung kann der Formkörper weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden. Beispielsweise kann der Formkörper eingefärbt werden, wobei die färbenden Substanzen durch die üblichen Methoden, wie beispielweise Bemalen oder Eintauchen in entsprechende Lösungen aufgebracht werden können.
Gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in Schritt b) erhaltene Formkörper auf eine gewünschte Enddichte gesintert. Die endgültige Dichte des Formkörpers hängt von der geplanten Verwendung ab. In einigen Anwendungsgebieten kann es vorteilhaft sein, dem Formkörper eine möglichst hohe Dichte zu verleihen, die nah an der theoretisch möglichen Dichte liegt.
Alternativ oder zusätzlich kann auf den so gesinterten Formkörper eine Beschichtung aufgebracht werden. Diese zusätzlichen Verfahrensschritte, die hauptsächlich die ästhetische Gestaltung und die Oberflächenbehandlung des Rohlings betreffen, sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn es sich bei dem Formkörper um eine dentale Restauration handelt, deren ästhetische Eigenschaften denen der bestehenden Zähne eines Patienten angepasst werden sollen.
In anderen Anwendungsgebieten kann es vorteilhaft sein, wenn der Formkörper eine gewisse Porosität aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Formkörper weiteren Behandlungsschritten unterzogen werden soll. So ist es beispielsweise möglich, in die im Formkörper verbleibenden Poren Füllmaterialien einzubringen. Diese Art von Behandlung findet sich beispielsweise bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen, hat aber auch im Bereich der Dentalrestauration Einzug erhalten.
Gerade im Bereich der Dentaltechnik ist es wichtig, dass Herstellungsverfahren für dentale Restaurationen einfach durchzuführen sind und wenig Zeit in Anspruch nehmen, so dass die Patienten möglichst vor Ort und in nur einer Behandlung mit der passenden dentalen Restauration versorgt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Bearbeitung des Rohlings sowie das Sintern des Formkörpers zu der gewünschten Enddichte vor Ort, beispielsweise beim Zahnarzt, vorgenommen werden können. Dank der zuvor ermittelten und zur Verfügung gestellten ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren kann der Sintervorgang so vorgenommen werden, dass unterschiedliche Materialien im Rohling enthalten sein können und dieser trotzdem des inhomogenen Sinterverhaltens der gewünschten finalen Form nach dem Dichtsintern entspricht. Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin das Bereitstellen eines Datensatzes, der die bei der Bestimmung der Schwindung des Rohlings erhaltenen ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren umfasst. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Rohlings, wobei der Rohling ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist; b) Bestimmen der Schwindung des Rohlings unter Erhalt eines Satzes ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren; c) Bereitstellen des bei der Bestimmung der Schwindung des Rohlings erhaltenen Satzes ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren; d) Bearbeiten des Rohlings unter Erhalt eines Formkörpers; und e) Sintern des Formkörpers auf eine gewünschte Enddichte, wobei die Bearbeitung entsprechend den bei der Bestimmung der Schwindung erhaltenen ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren erfolgt.
Die Bestimmung der Schwindung des Rohlings kann dabei zu einem beliebigen Zeitpunkt vor der Bearbeitung des Rohlings erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Schritt des Überprüfens des ermittelten Satzes an ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren. Diese Überprüfung erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte Satz an ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren auf einen weiteren Rohling unter Erhalt eines Formkörpers angewendet wird und dieser Formkörper anschließend auf die gewünschte Enddichte gesintert wird. Auf diese Weise wird die Qualität des ermittelten Satzes an ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren sichergestellt, um eine komfortable Handhabung und ein passgenaues Endergebnis zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Bereitstellung eines Rohlings und eines entsprechend der Schwindung des Rohlings bestimmten Satzes ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren. Es wurde überraschend gefunden, dass durch die Bereitstellung eines Satzes ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren, die individuell an den Rohling angepasst sind, eine einfache und komfortable Herstellung eines dimensionsgenauen Formkörpers möglich ist. Daher ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Kit umfassend: i) einen Rohling und ii) einen Satz ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren, wobei der Satz ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren durch Bestimmung der Schwindung des Rohlings erhalten wird. Bei dem Rohling handelt es sich vorzugsweise um einen Rohling wie oben beschrieben. Besonders bevorzugt umfasst der Rohling verschiedene Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten, wobei die Komponenten nicht homogen im Rohling angeordnet sind.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kit umfassend einen Rohling und einen Informationsträger, wobei der Informationsträger einen Satz ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren enthält, der durch die Bestimmung der Schwindung des Rohlings erhalten wird. Bei dem Rohling handelt es sich vorzugsweise um einen Rohling wie oben beschrieben. Besonders bevorzugt umfasst der Rohling verschiedene Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten, wobei die Komponenten vorzugsweise schichtweise oder graduell oder in Teilformbereichen verschieden angeordnet sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Rohling und der Informationsträger einstückig ausgebildet. Besonders bevorzugt dient der Rohling als Informationsträger. Auf diese Weise wird eine einfache und komfortable Handhabung sichergestellt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Formkörper, der ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist, wobei der Formkörper eine seinem Sinterverhalten angepasste Form aufweist. Ein inhomogenes Sinterverhalten kann beispielsweise auftreten, wenn sich der Formkörper aus mehr als einer Komponente zusammensetzt, wobei die Komponenten ein unterschiedliches Sinterverhalten zeigen. In anderen Fällen liegt ein inhomogenes Sinterverhalten dann vor, wenn unterschiedliche Bereiche des Formkörpers unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Das kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Formkörper einen Dichtegradienten aufweist oder inhomogen verpresst wurde.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Formkörper um einen Formkörper, der mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten oder eine Komponente mit inhomogenem Sinterverhalten aufweist, wobei die Form des Formkörpers an das Sinterverhalten der einzelnen Komponenten angepasst ist.
Im Allgemeinen kommt es durch das Sintern zu geometrischen Veränderungen, die dann besonders deutlich ausgeprägt sind, wenn der Formkörper ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist. Der erfindungsgemäße Formkörper zeichnet sich in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, dass er durch Sintern in eine gewünschte Form gebracht wird. Dies lässt sich unter anderem dadurch erreichen, dass der zu erwartende Sinterverzug bei der Ausformung des Formkörpers Berücksichtigung findet.
Die die Schwindung berücksichtigende Form des Formkörpers wird durch ortsaufgelöste Vergrößerungsfaktoren vorgegeben.
Das Material des Formkörpers kann in Abhängigkeit der geplanten Verwendung gewählt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formkörper oxidische und/oder nicht-oxidische Rohstoffe. Bei den genannten Rohstoffen handelt es sich vorzugsweise um keramische und metallische Materialien. Die oxidischen Rohstoffe sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid, Silikaten, Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Titanoxid, Aluminiumtitanat, Bariumtitanat sowie Mischungen. Die nicht- oxidischen Rohstoffe können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Bornitrid, Borcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Molybdänsilizid, Wolframcarbid sowie Mischungen hiervon.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formkörper ein oder mehrere Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid (Zr02), Aluminiumoxid (Al203), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (S13N4), Silikate und Mischungen davon.
Die oxidischen Rohstoffe können in einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit weiteren Oxiden vorliegen. Bei diesen weiteren Oxiden handelt es sich vorzugsweise um stabilisierende Oxide. So ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der oxidische Rohstoff yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid. In einer besonders bevorzugten Ausführung beträgt der Gehalt an weiterem Oxid 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des oxidischen Rohstoffs. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formkörper mindestens ein metallisches Material, vorzugsweise eine metallische Legierung.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann der Formkörper Zusatzstoffe enthalten. Diese Zusatzstoffe können beispielsweise dazu verwendet werden, dem Formkörper bestimmte Eigenschaften zu verleihen, insbesondere in optischer Hinsicht. So handelt es sich bei den Zusatzstoffen vorzugsweise um Farbstoffe und/oder glasfärbende Oxide. Besonders bevorzugt sind Farbstoffe und/oder glasfärbenden Oxide ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden von Yttrium, Lanthan, Vanadium, Terbium, Titan, Mangan, Magnesium, Erbium, Eisen, Kupfer, Chrom, Kobalt, Nickel, Selen, Silber, Indium, Gold und Seltenerdmetallen, und aus diesen insbesondere Neodym, Praseodym, Samarium und Europium.
Desweiteren können Zusatzstoffe verwendet werden, um beispielsweise die mechanischen Eigenschaften des Formkörpers zu beeinflussen. Insbesondere im Bereich der Dentalrestaurationen, in der hauptsächlich keramische Werkstoffe verwendet werden, stellt sich das Problem, dass sich die geformten Restaurationen während des Sinterns verziehen, was sich bei Mehrkomponentensystemen noch verstärkt. Der erfindungsgemäße Formkörper zeichnet sich dadurch aus, dass seine Form dem Sinterverhalten angepasst ist und er durch das Sintern seine gewünschte Form erhält. Entsprechend ist er besonders für den Einsatz als dentale Restauration geeignet. Darum handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Formkörper vorzugsweise um eine dentale Restauration. Die dentale Restauration ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zahnrestaurationen, Brückenrestaurationen, Implantaten und Implantataufbauten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Formkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Formkörper, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist.
Der erfindungsgemäße Formkörper ist insbesondere für den Einsatz im Bereich der dentalen Restaurationen geeignet. Daher ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Formkörpers zur Herstellung einer dentalen Restauration.
Die vorliegende Erfindung soll anhand der folgenden Beispiele und Figuren näher erläutert werden, wobei diese nicht als Einschränkung des Erfindungsgedankens zu verstehen sind. Beispiele:
1. Rohling aus einer Komponente mit inhomogenem Schwindungsverhalten Beispiel 1 (Vergleich)
In einem ersten Schritt wurde mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxidpulver zu einem quaderförmigen Körper uniaxial beidseitig verpresst. Dabei bildet sich trotz optimierten Bindersystem und optimierter Riesel- und Gleitfähigkeit der Pulvergranulate aufgrund von Reibung zwischen den Partikeln und der Reibung zur Pressmatrizenwand bei den für dieses Material notwendigen Pressdrücken ein Dichtegradient innerhalb des Körpers aus. Die niedrigste Dichte findet sich entlang der Pressneutralen. In diesem Bereich tritt die geringste Verdichtung des Pulvergranulats auf.
Der gepresste Körper wurde einer Wärmebehandlung bei Temperaturen bis 700°C unterzogen, um organische Zusätze zu entfernen. In einer zweiten Wärmebehandlung wurde der Körper bei Temperaturen im Bereich von 1000°C bis 1200°C auf 50 bis 60% seiner theoretischen Dichte vorgesintert.
Aus dem vorgesinterten Körper wurde ein Quader gefräst. Dessen Außenabmessungen ergeben sich aus der angestrebten Zielgeometrie, d.h. die beim Dichtsintern auftretende Schwindung wurde berücksichtigt, indem die Außenabmessungen der Zielgeometrie unter Verwendung eines einheitlichen Vergrößerungsfaktors vergrößert wurden.
Der ausgefräste Quader wurde bei Temperaturen von 1300°C bis 1600°C auf die gewünschte Enddichte gesintert. Die Geometrie des gesinterten Körpers wurde mit Hilfe eine Profilometers abgetastet und erfasst. Dabei weist der dichtgesinterte Körper eine Abweichung von der Zielgeometrie auf. Ursache hierfür ist der im Körper auftretende Dichtegradient, der beim Vorsintern des Rohlings aufrechterhalten bleibt und zu einem inhomogenen Sinterverhalten führt. Der gesinterte Körper zeigt daher im Bereich der Pressneutralen eine deutliche Abweichung von der Zielgeometrie.
Figur la zeigt die schematische Darstellung des ausgefrästen Körpers (hell) und des dichtgesinterten Körpers (dunkel), wobei deutlich die Abweichung von der Zielgeometrie zu erkennen ist. Figur lb gibt die Profilmessung des gefrästen, vorgesinterten Körpers und des dichtgesinterten Körpers entlang der in Figur la angezeigten Ebene wieder. Auch hier ist die deutliche Abweichung des dichtgesinterten Körpers von der angestrebten quaderförmigen Zielgeometrie zu erkennen.
Beispiel 2 (erfindungsgemäß)
Analog zu Beispiel 1 wurde ein vorgesinterter Körper aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt. Aus dem vorgesinterten Körper wurde ein quaderförmiger Rohling gefräst, dessen Außenabmessungen sich aus der Zielgeometrie des dichtgesinterten Körpers ergeben. Im Gegensatz zu Vergleichsbeispiel 1 wurde kein einheitlicher Vergrößerungsfaktor verwendet, um die beim Sintern auftretende Schwindung zu berücksichtigen. Vielmehr wurde dem inhomogenen Sinterverhalten des Körpers Rechnung getragen, indem die Abmessungen der Zielgeometrie entsprechend der Dichteverteilung ortsaufgelöst vergrößert wurden. Zu diesem Zweck wurde jedem Koordinatenpunkt der Zielgeometrie ein eigener Vergrößerungsfaktor, aufgelöst in x, y, z-Koordinaten, zugewiesen um die auszufräsende Geometrie zu erhalten.
Der gefräste Körper wurde analog zu Beispiel 1 bei Temperaturen im Bereich von 1300 bis 1600°C auf die gewünschte Enddichte gesintert, die der des in Beispiel 1 beschriebenen Körpers entspricht.
Der dichtgesinterte Körper wurde mit einem Profilometer abgetastet, um die Außenabmessungen zu bestimmen.
Figur 2a zeigt die schematische Darstellung des vorgesinterten, gefrästen Körpers (hell) und des dichtgesinterten Körpers (dunkel), wobei deutlich zu erkennen ist, dass der dichtgesinterte Körper der Zielgeometrie entspricht.
Figur 2b gibt die Profilmessung des ausgefrästen und des dichtgesinterten Körpers entlang der in Figur 2a angezeigten Ebene wieder. Im Gegensatz zum Vergleichsbeispiel 1 weist der dichtgesinterte Körper keine Abweichungen von der Zielgeometrie auf.
2. Rohling bestehend aus vier Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung Beispiel 3 (Vergleich) Unterschiedliche, mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkoniumoxidpulver wurden schichtweise in eine Pressmatrize gefüllt, wobei die Pulver jeweils unterschiedliche Zusätze in Form von Eisenoxid, Cobaltoxid und Erbiumoxid aufwiesen. Die Schichten wurden uniaxial beidseitig zu einem quaderförmigen Rohling verpresst. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der Schichten ergibt sich ein jeweils unterschiedliches Sinterverhalten.
Der gepresste Körper wurde einer Wärmebehandlung bei Temperaturen bis 700°C unterzogen, um organische Zusätze zu entfernen. In einer zweiten Wärmebehandlung wurde der Körper bei Temperaturen im Bereich von 1000°C bis 1200°C auf 50 bis 60% seiner theoretischen Dichte vorgesintert.
Aus dem vorgesinterten Körper wurde ein Quader gefräst. Dessen Außenabmessungen ergeben sich aus der angestrebten Zielgeometrie, d.h. die beim Dichtsintern auftretende Schwindung wurde berücksichtigt, indem die Außenabmessungen der Zielgeometrie unter Verwendung eines einheitlichen Vergrößerungsfaktors vergrößert wurden.
Der ausgefräste Quader wurde bei Temperaturen von 1300°C bis 1600°C auf die gewünschte Enddichte gesintert. Die Geometrie des gesinterten Körpers wurde mit Hilfe eine Profilometers abgetastet und erfasst. Dabei weist der dichtgesinterte Körper eine Abweichung von der Zielgeometrie auf. Ursache hierfür ist das unterschiedliche Sinterverhalten der Schichten. Der dichtgesinterte Körper zeigt eine deutliche Krümmung auf.
Figur 3a zeigt die schematische Darstellung des vorgesinterten, gefrästen Körpers (hell) und des dichtgesinterten Körpers (dunkel), wobei deutlich die Abweichung von der Zielgeometrie zu erkennen ist.
Figuren 3b und 3c geben die Profilmessung des vorgesinterten, gefrästen Körpers und des dichtgesinterten Körpers entlang der in Figur 3a angezeigten Ebenen wieder. Auch hier ist die deutliche Abweichung des dichtgesinterten Körpers von der angestrebten quaderförmigen Zielgeometrie zu erkennen.
Beispiel 4 (erfindungsgemäß)
Analog zu Beispiel 3 wurde ein mehrschichtiger, vorgesinterter Körper aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid hergestellt. Aus dem vorgesinterten Körper wurde ein quaderförmiger Rohling gefräst, dessen Außenabmessungen sich aus der Zielgeometrie des dichtgesinterten Körpers ergeben. Im Gegensatz zu Vergleichsbeispiel 3 wurde kein einheitlicher Vergrößerungsfaktor verwendet, um die beim Sintern auftretende Schwindung zu berücksichtigen. Vielmehr wurde dem inhomogenen Sinterverhalten des Körpers Rechnung getragen, indem die Abmessungen der Zielgeometrie ortsaufgelöst vergrößert wurden. Zu diesem Zweck wurde jedem Koordinatenpunkt der Zielgeometrie ein eigener Vergrößerungsfaktor, aufgelöst in x, y, z-Koordinaten, zugewiesen um die auszufräsende Geometrie zu erhalten.
Der gefräste Körper wurde analog zu Beispiel 3 bei Temperaturen im Bereich von 1300 bis 1600°C auf die gewünschte Enddichte gesintert, die der des in Beispiel 3 beschriebenen Körpers entspricht.
Der dichtgesinterte Körper wurde mit einem Profilometer abgetastet, um die Außenabmessungen zu bestimmen.
Figur 4a zeigt die schematische Darstellung des vorgesinterten, gefrästen Körpers (hell) und des dichtgesinterten Körpers (dunkel), wobei deutlich zu erkennen ist, dass der dichtgesinterte Körper der Zielgeometrie entspricht.
Figuren 4b und 4c geben die Profilmessung des vorgesinterten, gefrästen Körpers und des dichtgesinterten Körpers entlang der in Figur 4a angezeigten Ebenen wieder. Im Gegensatz zum Vergleichsbeispiel 3 weist der dichtgesinterte Körper keine Abweichungen von der Zielgeometrie auf. Die Seitenflächen des Quaders sind entsprechend der Zielgeometrie gerade und planparallel.
Figur 5 demonstriert exemplarisch die Verwendung der ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren bei der Bestimmung des Sinterverzugs. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine individuelle Anpassung der Vergrößerungsfaktoren. So kann beispielsweise der Vergrößerungsfaktor VGF2 an der unteren Ebene 4 in jede Raumrichtung kleiner gewählt werden als der Vergrößerungsfaktor VGF1 an der Ecke der Ebene 1.
Figur 6 zeigt ebenfalls exemplarisch einen mehrschichtigen Formkörper, dessen Ebenen unterschiedliches Sinterverhalten aufweisen. Auch hier kann eine optimale Anpassung durch Wahl der entsprechend individuell angepassten Vergrößerungsfaktoren erreicht werden. So gilt im vorliegenden Beispiel VGF (x, E1;E5) < VGF (x, E3)
VGF (y, E1;E5) < VGF (y, E3)
VGF (z, E1;E5) < = > VGF (z, E3).
Wie die zur Verfügung gestellten Beispiele und die Figuren 5 und 6 veranschaulichen, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verwendung ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren die dimensionsgenaue Herstellung formstrukturierter, inhomogener Formkörper, trotz des unterschiedlichen Sinterverhaltens der einzelnen Teilbereiche des Formkörpers.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Rohlings, wobei der Rohling ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist; b) Bearbeiten des Rohlings unter Erhalt eines Formkörpers; c) Sintern des Formkörpers auf eine gewünschte Enddichte, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwindung des Rohlings vor der Bearbeitung des Rohlings bestimmt wird und die Bearbeitung entsprechend den bei der Bestimmung erhaltenen ortsaufgelösten Vergrößerungsfaktoren erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten oder eine Komponente mit inhomogenem Sinterverhalten umfasst.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling mehrere Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten umfasst, wobei die Komponenten schichtweise oder graduell oder in Teilformbereichen verschieden angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling ein oder mehrere Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus Silikatrohstoffen oder oxidischen Rohstoffe oder nicht oxidische Rohstoffen.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling mindestens ein keramisches Material umfasst, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid (Zr02), Aluminiumoxid (AI2O3), Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (S13N4), Silikate sowie Mischungen hiervon.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Formkörper um eine dentale Restauration handelt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem in Schritt a) bereitgestellten Rohling um einen vorgesinterten Rohling handelt.
8. Kit umfassend : i) einen Rohling und ii) einen Satz ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren, wobei der Satz ortsaufgelöster Vergrößerungsfaktoren durch Bestimmung der Schwindung des Rohlings erhalten wird.
9. Formkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein inhomogenes Sinterverhalten aufweist und eine seinem Sinterverhalten angepasste Form aufweist.
10. Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper durch Sintern in eine gewünschte Form gebracht wird.
11. Formkörper nach einem oder beiden der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Formkörpers durch ortsaufgelöste Vergrößerungsfaktoren vorgegeben wird.
12. Formkörper nach einem oder mehrerer der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mehrere Komponenten mit unterschiedlichem Sinterverhalten umfasst, wobei die Komponenten schichtweise, oder graduell oder in Teilformbereichen verschieden angeordnet sind.
13. Formkörper nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper einen oder mehrere Rohstoffe umfasst, ausgewählt aus Silikatrohstoffen oder oxidischen Rohstoffe oder nicht oxidischen Rohstoffen.
14. Formkörper nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Formkörper um eine dentale Restauration handelt.
15. Formkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dentale Restauration ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zahnrestaurationen, Brückenrestaurationen, Implantaten und Implantataufbauten.
16. Formkörper erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8.
17. Verwendung eines Formkörpers nach einem oder mehrerer der Ansprüche 9 bis 14 oder nach Anspruch 15 zur Herstellung einer dentalen Restauration.
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