Metalle können in Form von Elementen wie Gold, Titan oder Eisen sowie in Form von Legierungen wie Stahl oder Amalgam vorliegen. Sie werden herkömmlicherweise verarbeitet, indem sie gegossen werden. Dabei gibt es verschiedene Verfahren: Aufschmelzen durch Flamme, Lichtbogen oder widerstands- oder induktionsbeheizte Gießgeräte. Daneben gibt es das Fräsen als subtraktives Verfahren und das additive SLM- (selective laser melting) Verfahren. Autor Dr.  Roland Strriezel geht in seinem Beitrag für die Quintessenz Zahntechnik 5/19 der Frage nach, ob sich die verschiedenen Fertigungsmethoden auf die Eigenschaften und/oder die Verarbeitung von Dentallegierungen auswirken.

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Einleitung

Metalle können in Form von Elementen wie Gold, Titan oder Eisen sowie in Form von Legierungen wie Stahl oder Amalgam vorliegen. Legierungen sind Mischungen aus mindestens zwei Stoffen, von denen das überwiegend vorliegende ein Metall sein muss. Die metallischen Eigenschaften müssen erhalten bleiben.⁸ Eine Legierung ist daher definitionsgemäß immer ein Metall. Die Bezeichnung „Metall-Legierung“ hat denselben Informationsgehalt wie „weißer Schimmel“ oder „runder Kreis“.

Metalle können nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt werden:

• Leicht-/Schwermetalle: Die Grenze verläuft beim Titan mit einer Dichte von 4,5 g/cm³. Alle Metalle mit einer höheren Dichte werden als Schwermetalle bezeichnet. Diese Einteilung spielt für den Dentalbereich keine Rolle. Allerdings werden Schwermetalle häufig mit toxischem Verhalten gleichgesetzt. Dies ist aber nicht zwingend der Fall. So sind Zirkonium oder Gold nicht toxisch, obwohl sie zu den Schwermetallen zählen.
• Nichtedelmetalle/Edelmetalle: Edelmetalle weisen ein positives Normalpotenzal auf³⁰ und werden von nichtoxidierenden Säuren (z. B. Salzsäure) nicht aufgelöst. Im Dentalbereich unterscheidet man Edelmetall- (EM) und edelmetallfreie (EMF) Legierungen.
• Essenzielle/nichtessenzielle Metalle: Einige Metalle, wie Natrium, Kalium, Magnesium und Kalzium, werden für den Elektrolythaushalt sowie für Stützfunktionen (Knochen, Zähne) benötigt. Metalle wie Chrom, ­Molybdän, Kobalt und Nickel werden für Enzyme benötigt. Eisen bildet das Zentral­atom für Hämoglobin, den roten Blutfarbstoff, der für den Sauerstofftransport lebenswichtig ist. Für Edelmetalle oder Zirconium sind keine essenziellen Funktionen im menschlichen Körper bekannt. Einige Elemente sind giftig. Zu ihnen gehören Quecksilber, Blei, Cadmium oder Beryllium. Für sie sind ebenfalls keine essenziellen Funktionen im menschlichen Körper bekannt.
• Indikation: Im Dentalbereich können Metalle für die Herstellung von Inlays/Onlays, Kronen und Brücken, Prothesengerüsten, kieferorthopädischen Apparaturen und Drähten, Implantaten, Abutments, Stegen und Hilfsteilen verwendet werden.
• Verarbeitung: Metalle können durch verschiedene formgebende Verfahren verarbeitet werden. Dazu gehören Gießen, galvanische oder elektrophoretische Verfahren, Fräsen, Sintern sowie additive oder subtraktive CAD/CAM-Verfahren.
• Verblendbarkeit: Prinzipiell können alle Metalle mit Kunststoff verblendet werden. Nicht alle Metalle lassen sich keramisch verblenden.

Durch gemeinsames Aufschmelzen der einzelnen Elemente erhält man Legierungen. Chemisch betrachtet handelt es sich bei Legierungen um feste Lösungen. In dem „Lösungsmittel“, dem Hauptbestandteil, sind die anderen Elemente gelöst. Durch das Legieren können die gewünschten mechanischen und chemischen Eigenschaften eingestellt werden.

Metalle haben gegenüber Keramiken den Vorteil der Duktilität (Verformbarkeit). Auf Belastung reagieren Keramiken als spröde Werkstoffe mit Bruch. Metalle hingegen verformen sich stark, bevor sie brechen. Metalle reagieren daher nicht so sensibel auf Fehlstellen, wie Lunker oder Risse im Gefüge.³⁰

Im Dentalbereich werden nur Gold und Titan im elementaren Zustand verarbeitet. Normalerweise werden verschiedene EM- und EMF-Legierungen verwendet. Gießen ist die herkömmliche Art, Metalle in der Zahntechnik zu verarbeiten. Hier gibt es verschiedene Verfahren. Das Aufschmelzen kann durch Flamme, durch Lichtbogen, durch widerstands- oder induktionsbeheizte Gießgeräte geschehen.³⁰

Abb. 1 Die Entwicklung der Herstellungsverfahren von metallischen Gerüsten verlief vom Handschleuderguss ...

Abb. 2 ... mit der Flamme über Gussgeräte ...

Abb. 3 ... zur SLM-Fertigung.

Mit CAD/CAM wurden für den Dentalbereich neue Herstellungsverfahren eingeführt. Dazu gehören das Fräsen als subtraktives Verfahren von Metallen aus Fräsblanks und das additive SLM- (selective laser melting) Verfahren (Abb. 1 bis 3).

Es stellt sich die Frage, ob sich die verschiedenen Fertigungsmethoden auf die Eigenschaften und/oder Verarbeitung von Dentallegierungen auswirken.

Sintern

Sintern ist ein Verfahrensschritt zur Formgebung von Stoffen, die sich schmelztechnisch nur schwer oder gar nicht verarbeiten lassen. Pulverförmige Partikel werden meist unter Druck leicht verfestigt. Durch Zugabe eines Bindemittels (Binder), meistens aus Wachs oder in selteneren Fällen aus Kunststoff, entsteht die Form eines vorgegebenen Körpers, z. B. einer Frässcheibe.

Die vorverdichteten Formkörper mit Bindemittel werden als Grünlinge bezeichnet. Sie besitzen nur eine geringe Eigenfestigkeit. Durch weiteres Verdichten durch Druck und/oder Temperaturen und Entzug des Bindemittels (= Entbindern) erhält man Weißlinge. Diese sind schon bedeutend fester als die Grünlinge, besitzen aber noch nicht die endgültige Festigkeit. Diese erhalten sie erst nach dem Sinterprozess. Weißlinge haben eine hohe Porosität im Bereich von 50 Prozent. Durchgesinterte Formkörper werden als Braunlinge bezeichnet. Ihre Porenanzahl ist sehr niedrig und sie haben die maximale Festigkeit.

• Bildung von Sinterhälsen: Zwischen den einzelnen Partikeln bilden sich Sinterbrücken (Sinterhälse) aus. Hierbei handelt es sich um die Verbindung der Partikel in den Bereichen, wo sie zusammenstoßen. Es findet kaum eine Schwindung (= Volumenverkleinerung) statt und die einzelnen Partikel sind mikroskopisch zu erkennen.
• Ausbildung eines Porenskelettes: Die Sinterbrücken vergrößern sich stetig und die einzelnen Partikel vereinen sich immer mehr. Es werden neue Korngrenzen gebildet. Es setzt eine deutliche Schwindung ein.
• Rundung und Eliminierung von Poren: Mit fortdauerndem Sinterprozess werden die Zwischenräume zwischen den einzelnen Partikeln immer kleiner. Es bilden sich geschlossene Poren, deren Volumen sich ebenfalls im Laufe der Zeit verkleinern (Abb. 4)

Ist der Sinterprozess beendet, dann ist das Objekt nahezu porenfrei. Eine Porenfreiheit im Sinne von nicht einer einzigen Pore ist technisch nicht realisierbar, auch nicht, wenn die gesinterten Objekte nachverdichtet werden. Technisch wird ein Objekt als porenfrei bezeichnet, wenn der Anteil der Poren unter 1 Prozent liegt.

Neben der Temperatur, der Zeit und dem Druck hängt der Sintergrad, das heißt wie stark gesintert wird, vom verwendeten Material ab. Harte und sehr feste Materialien lassen sich durch Druck nur schwer verdichten. Je höher jedoch die Vorverdichtung ist, desto höher ist die erreichbare Porenfreiheit. Neben der chemischen Zusammensetzung sind die Geometrie der Körner, die Korngröße und die Korngrößenverteilung entscheidend für ein optimales Sinterergebnis. Je feiner die einzelnen Körner sind, desto niedriger kann die Sintertemperatur gewählt werden und umso vollständiger verläuft die Sinterung.

Prinzipiell besteht kein Unterschied zwischen dem Sintern von Keramiken und Metallen. Bei Metallen muss jedoch bedacht werden, dass sie im elementaren Zustand, also nichtoxidiert vorliegen. Bei den hohen Sintertemperaturen oxidieren die Oberflächen. Die dadurch gebildeten Oxidschichten verhindern den Sinterprozess. Es bilden sich breite Korngrenzen und das Material wird spröde. Daher sollten Metalle grundsätzlich unter Schutzgas gesintert werden. Während Edelmetall- (EM-) und edelmetallfreie (EMF) Legierungen unter Stickstoff gesintert werden könnten, müssen Titan und seine Legierungen zwingend unter einer Argon-Atmosphäre gesintert werden. Alternativ wäre es möglich, im Vakuum zu sintern. Die erforderlichen Unterdrücke sind jedoch im Dentallabor nicht realisierbar bzw. sehr kostenintensiv.

Eine Möglichkeit zur weiteren Verringerung der Porosität ist der HIP-­Prozess (HIP = Hot Isostatic Pressing). Hier werden die Objekte in eine Hülle verpackt und unter hohen Drücken und hohen Temperaturen verdichtet. Das Schmieden oder Walzen ist eine weitere Möglichkeit, um Metall zu verdichten.

Sintern von Metallen

Bei Sintern denkt man im Dentalbereich eher an Keramiken als an Metalle. Es gibt jedoch einige Beispiele, bei denen auch im Dentalbereich Metalle durch Sintern verarbeitet werden:

• EM-Pasten⁶
• Verarbeitung von Folien (z. B. Captek)^14,17,23
• elektrophoretische Verfahren³⁸
• SLM (Selective Laser Melting)-Verfahren³⁰
• Herstellung von Fräsblanks²⁰

Die Verarbeitung von Pasten oder Folien von EM-Legierungen sowie der elektrophoretische Prozess haben sich in der Zahntechnik nicht durchsetzen können. Die Herstellung von Käppchen war einfach zu realisieren, jedoch war die Herstellung von Brücken sehr aufwendig.

Bei der Produktion von Fräsblanks und besonders beim SLM-Verfahren spielt das Sintern jedoch eine große Rolle bzw. bildet die Grundlage. Das additive Verarbeiten von Metallen beruht auf dem lagenweisen Verschmelzen von Pulverschichten. Anfänglich wurden zwei Pulver-Komponenten verarbeitet. Die höher schmelzende Komponente wurde versintert und bildete ein dreidimensionales Netzwerk, in das die niedrigschmelzende Komponente floss. Später wurden Pulver ein und derselben Zusammensetzung verarbeitet. Diese wurden durch einen Laserstrahl nicht nur partiell aufgeschmolzen. Der Begriff Lasersintern, wie er anfänglich gebraucht wurde, ist daher etwas irreführend. Die Verarbeitung geschah schon immer durch das Aufschmelzen der Pulverpartikel. Heute hat sich der zutreffendere Begriff Laserschmelzen (engl. selective laser melting, SLM) durchgesetzt. Bei der additiven Verarbeitung sind die Begriffe Lasersintern und Laserschmelz als synonym anzusehen.

SLM-Prozess

Der SLM-Prozess wurde 2001 von der Firma Bego vorgestellt²⁶ und 2002 in die Zahntechnik eingeführt. Innovativ war:

• Es wurde ein Prozess aus der Familie der Rapid-Prototyping-Techniken zur Serienfertigung genutzt. Dies war eine Weltneuheit.
• Der Prozess wurde auf zahntechnische Objekte skaliert. Die bislang produzierten Objekte waren deutlich größer.
• Es wurden Metalle verwendet, die in der Zahntechnik bereits bekannt waren und verwendet wurden (aufbrennfähige Kobalt-Chrom-Legierung: Wirobond C+, aufbrennfähige Gold-Legierung: Bio PontoStar++, ­Titan: BEGO Titan+); dies geschah, damit sich der Zahntechniker und der Zahnarzt bezüglich ihrer Arbeitsweisen nicht umstellen mussten.

Inzwischen hat sich das SLM-Verfahren etabliert und wird weltweit angewendet, um Zahnersatz herzustellen. Es ist sehr wirtschaftlich und die Restaurationen, die dadurch entstehen, haben herausragende werkstoffkundliche Eigenschaften.

Aufgrund des hohen, sechsstelligen Anschaffungspreises der Sintermaschinen ist der SLM-Prozess bislang nur größeren Produktionszentren vorbehalten. Es müssen sehr viele Einheiten pro Tag produziert werden, damit sich die Anschaffung eines solchen Gerätes amortisiert.

Besonders für mit Keramik oder Kunststoff verblendbare Gerüste eignet sich das SLM-Verfahren. Hier werden lageweise Pulverschichten miteinander versintert. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten entsteht ein sehr feinkörniges und homogenes Gefüge.⁴¹ Dies erklärt die deutlich höheren mechanischen Festigkeiten und niedrigeren Korrosionsraten im Vergleich zu den entsprechenden Gusslegierungen.²⁸

Wird lageweise verfestigt, dann kommt es zu inneren Spannungen, die zu Verzügen führen können. Diese können gemindert werden, indem die Belichtungsstrategie angepasst wird. Völlig beseitigt werden können sie aber nicht. Dadurch kommt es zu Passungenauigkeiten bei großen Objekten.²¹

Größere Objekte werden daher thermisch behandelt, um die Spannungen abzubauen. Dazu werden die Produktionsplatten in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 800 und 1.200 Grad Celsius erhitzt. Die Höhe der Temperatur und die Dauer des Temperschrittes sind unterschiedlich. Hier gibt es verschiedene Ansätze der Hersteller.

Durch die hohen Temperaturen beim Tempern oxidieren die Oberflächen. Die Oxidschichten müssen vor der zahntechnischen Weiterverarbeitung entfernt werden. Dies kann der Hersteller der SLM-­Objekte übernehmen oder im Dentallabor geschehen. Einige Hersteller strahlen die lasergesinterten Objekte vor der Auslieferung ab, andere liefern unbearbeitet aus. Hier verfolgen die Produktionszentren unterschiedliche Philosophien.

Herstellung und Verarbeitung von gesinterten Fräsblanks

In der Zahntechnik werden EM-^10,11, EMF-^1,15,27 Legierungen sowie Titan und seine Legierungen frästechnisch verarbeitet^{4,12,13,35,36}.

Die meisten Frässcheiben (Blanks, Rohlinge) werden gusstechnisch hergestellt. Somit haben sie prinzipiell dieselben Schwachstellen wie gegossene Objekte, nämlich Poren und Lunker. Es können großen Stangen gegossen werden, die dann in die gewünschte Scheibendicke geschnitten werden. Es ist aber auch möglich, einzelne Scheiben abzugießen.

Neben der Gusstechnik ist es auch möglich, Fräsblanks pulvermetallurgisch herzustellen. Der Vorteil dieses Produktionsverfahrens ist, dass Porositäten und Lunker vermieden werden.²⁴

Für die pulvermetallurgische Herstellung von Frässcheiben werden zwei Strategien verfolgt. Die eine geht von der Sinterung von Frässcheiben im grünen Zustand aus (Grünling), während die andere vom durchgesinterten und gehipten Material (Braunling) ausgeht.²⁴

Bei der Verwendung von metallischen Grünlingen in der Zahntechnik wird der Datensatz, der durch intra- oder extraorales Scannen gewonnen wurde, in ein CAD-Programm eingespielt. Dort wird der Zahnersatz virtuell modelliert. Nach der Modellation wird der Datensatz auf eine Fräsmaschine übertragen. Diese berechnet die Frässtrategie und die Fräsbahnen, dann beginnt der Fräsprozess. Wenn dieser beendet ist, werden die Frässcheibe entnommen und die Stützsysteme abgetrennt. Die verbleibenden Reste werden verschliffen.

Der Vorteil von Grünlingen liegt in ihrer geringen Festigkeit im Vergleich zu Braunlingen oder gegossenen Frässcheiben. Daher können Grünlinge mit vielen Fräsmaschinen, die im Dentallabor vorhanden sind, bearbeitet werden. Aufgrund der höheren Festigkeiten können Frässcheiben aus festem Metall (besonders Kobalt-Chrom-Legierungen) nur auf großen und teuren industriellen Fräsanlagen verarbeitet werden.

Werden Grünlinge verwendet, so muss vor dem Sintern das Bindemittel entfernt werden. Dieses besteht aus Wachs oder seltener aus Kunststoff. Das Bindemittel wird ausgebrannt. Chemisch betrachtet handelt es sich um eine pyrolytische (= thermische) Zersetzung unter Luftausschluss. Würde man das Bindemittel unter Luft verbrennen, würde das Metall in der Frässcheibe stark oxidieren und es wäre nicht mehr möglich, das Objekt zu sintern. Daher wird das Bindemittel in einer Schutzgasatmosphäre ausgebrannt. Durch die Wärme im Sinterofen zersetzt es sich. Die Zersetzungsprodukte werden durch das durch die Sinterkammer strömende Schutzgas entfernt. Nachdem das Bindemittel entfernt wurde, setzt der eigentliche Sinterprozess ein. Das Entbindern und der Sinterprozess der Grünlinge finden im Dentallabor statt.

Abb. 6 Schematische Darstellung des frästechnischen Verarbeitungsprozesses von Grünlingen zur Herstellung von Zahnersatz.

Abb. 7 Schematische Darstellung des frästechnischen Verarbeitungsprozesses von Braunlingen zur Herstellung von Zahnersatz.

Um eine optimale Sinterung zu erzielen, darf das entbinderte Pulver nicht oxidieren. Oxidschichten wirken dem Sintern entgegen, da sie die oberflächlichen Umlagerungen von metallischen Bindungen verhindern, weil die verschiedenen Pulverpartikel keinen metallischen Kontakt mehr haben. Es kommt daher bestenfalls zu einem leichten Versintern der Oxidschichten der verschiedenen Pulverpartikel. Im Gefüge äußert sich dies in sehr dicken Phasengrenzen. Um diesen Effekt zu minimieren, muss zwingend unter Schutzgas gearbeitet werden (Abb. 6).

Bei der frästechnischen Verarbeitung von Braunlingen im Dentallabor wird wie beschrieben gescannt und modelliert. Allerdings bekommt der Zahntechniker ein Fräsb