Zirkonoxid und CAD/CAM WERKSTOFF, VERARBEITUNG, EINGLIEDERUNG

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1 Zirkonoxid und CAD/CAM WERKSTOFF, VERARBEITUNG, EINGLIEDERUNG Heraeus Kulzer GmbH Grüner Weg Hanau (Germany) Telefon + 49 (0) info.lab@heraeus.com DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM

2 Zirkonoxid und CAD/CAM WERKSTOFF, VERARBEITUNG, EINGLIEDERUNG DENTALES WISSEN

3 VORWORT VORWORT Vorwort Eine der wichtigsten Entwicklungen der heutigen Zahnheilkunde ist der anhaltende Trend zur metallfreien Restauration. Vollkeramischer Zahnersatz wird nicht nur wegen seiner hervorragenden Ästhetik und Biokompatibilität zunehmend zur ersten Wahl von Patienten, Zahnärzten und Zahntechnikern. Hochfeste keramische Gerüstwerkstoffe allen voran das Zirkonoxid ermöglichen erstmals auch weitspannige Brücken im Seitenzahngebiet. Nach Erhebungen der Arbeitsgemeinschaft für Keramik in der Zahnheilkunde (AG Keramik) wurden 2009 in Deutschland bereits über Restaurationen aus Zirkonoxid eingegliedert. Möglich wurde dieser Trend durch die Entwicklung hochfester Dentalkeramiken und moderner CAD/CAM-Systeme, mit denen der Zahntechniker Gerüste aus Zirkonoxid individuell gestalten und präzise fertigen oder fertigen lassen kann. Zirkonoxid ist die derzeit widerstandfähigste Dentalkeramik. Wegen dieser Eigenschaft bezeichnete sein Erfinder, Ron Garvie, es auch als Keramischen Stahl. In der Zahnmedizin und -technik wird es wegen seiner hervorragenden Eigenschaften und des breiten Indikationsspektrums gelegentlich als Weißes Gold bezeichnet. Tatsächlich ist Zirkonoxid metallischen Gerüstwerkstoffen in vielerlei Hinsicht ebenbürtig oder überlegen. Seine Eigenschaften unterscheiden sich jedoch deutlich von denen der Metalle. Dies muss bei der Gestaltung und Fertigung keramischer Arbeiten stets beachtet werden. Think Ceramic lautet hier die Devise. In der Zahnheilkunde hat sich Zirkonoxid seit mehr als 10 Jahren gut bewährt. Für viele Zahnärzte und Zahntechniker ist der keramische Gerüstwerkstoff aber immer noch Neuland. In diesem Buch wird das wissenschaftlich komplexe Thema Zirkonoxid in verständlicher Weise dargestellt. Dieses Buch vermittelt die wichtigsten Themen der Werkstoffkunde und grundlegende Regeln für dessen Gestaltung, Verarbeitung und Eingliederung. Denn wer die besonderen Eigenschaften des Zirkonoxids kennt und es materialgerecht verarbeitet, wird auch mit diesem zukunftsweisenden Material hervorragende Ergebnisse erzielen. Viel Erfolg und viel Freude mit Ihren vollkeramischen Arbeiten wünschen Ihnen Dr. Uwe Böhm, Leiter Forschung und Entwicklung, und Ihr Team der Heraeus Kulzer GmbH 2 DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM 3

4 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS Zirkonoxid Werkstoffkunde I Die materialgerechte Verarbeitung in Labor und Praxis Einführung Überblick 1.1 Vom Naturstein zur Hochleistungskeramik Strukturkeramik und Funktionskeramik Begriffsklärung: Zirkonoxid, Zirkon oder Baddeleyit? Herstellung von Zirkonoxid 1.4 Vom Rohstoff zum Rohling Pulvergewinnung Stabilisierung von Zirkonoxid Einfluss von Aluminiumoxid auf die Werkstoffeigenschaften Formgebung: Pressen von Zirkonoxid-Blöcken Vorsintern: Vom Grünling zum Weißling Einfärben von Zirkonoxid Zirkonoxid ein Werkstoff für viele Indikationen Anatomische Gerüstgestaltung (CAD) Computergestützte Fertigung (CAM) Fertigbearbeitung im Labor minimieren Schleifen nass oder trocken? Werkzeugempfehlungen für Schleifer Strahlen ja oder nein? Zuverlässiger Haftverbund von Zirkonoxid und Verblendkeramik Regenerationsbrand/Reinigungsbrand Zirkonoxid sicher verblenden Einfluss der Temperaturführung beim Keramikbrand Überpressen von Zirkonoxid Präparation und Befestigung in der Zahnarztpraxis Entfernen der Verblendung mit Flusssäure Eigenschaften von Zirkonoxid 1.11 Zirkonoxid: Weißer Stahl, Weißes Gold? Sprödes Bruchverhalten Riss-/Bruchzähigkeit (K Ic ) Biegefestigkeit und Prüfverfahren Weibull-Modul m (Streuung der Festigkeit) Weitere physikalische Kennwerte (E-Modul, Vickershärte, Enddichte, Gefüge und Körngröße) Ausblick und Dank Anhang Literatur Bildnachweise Verzeichnis der getesteten Werkzeuge Impressum Temperaturleitfähigkeit und Wärmedehnung Radioaktivität Biokompatibilität DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM 5

5 ZIRKONOXID WERKSTOFFKUNDE ZIRKONOXID WERKSTOFFKUNDE Zirkonoxid Werkstoffkunde 6 DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM 7

6 EINFÜHRUNG ÜBERBLICK EINFÜHRUNG ÜBERBLICK Einführung Überblick 1.1 Vom Naturstein zur Hochleistungskeramik Heutige Hochleistungskeramiken sind das Ergebnis einer Jahrtausende langen Entwicklung vom Naturstein über Ton und Porzellan bis zum Hightech-Werkstoff. Dank ihrer strukturellen und funktionellen Eigenschaften bieten keramische Werkstoffe in vielen Bereichen klare Vorteile gegenüber Metallen oder Kunststoffen. Der erfolgreiche Einsatz von Hochleistungskeramiken erfordert jedoch ein durchgängig keramisches Umdenken bei Formgebung und Verarbeitung in der Industrie ebenso wie in der Medizin- und Zahntechnik. Die ersten Keramiken wurden aus natürlichen Gesteinen wie Kaolin, Feldspat und Sand geformt und im Feuer zum Werkstoff umgewandelt. Die Korngrößen der Rohstoffe lagen im Millimeterbereich und sie enthielten zahlreiche Verunreinigungen. Im Mittelalter wurden die Eigenschaften durch intensive Aufbereitung und Reinigung verbessert. So entstand unter anderem Porzellan. Historische Entwicklung der Keramik 1. Generation Steinzeit bis 1850 natürliche Rohstoffe > 100 μm 2. Generation ab 1850 synthetische Rohstoffe μm 3. Generation ab 1950 hochrein, hochfein, synthetisch < 10 μm 4. Generation ab 1980 nanokristallin, synthetisch < 1 μm Die zweite Keramikgeneration ging aus der industriellen Revolution hervor. Die aufstrebende Chemieindustrie verlangte von ihren Rohstoffen eine Reinheit und Gleichmäßigkeit, die natürliche Bestandteile nicht mehr bieten konnten. Deshalb begann die Industrie ab 1850 mit der Herstellung synthetischer Rohstoffe. Die dritte Generation, die ersten Hochleistungskeramiken, entstand aus hochfeinen und hochreinen synthetischen Rohstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Dadurch konnten Poren und Gefügefehler reduziert und gezielt Vorspannungen, Fasern und haar- oder scheibenförmige Strukturen (Whisker und Platelets) zur Verstärkung eingebaut werden. Mit der vierten Keramikgeneration stehen uns seit den 1980er Jahren die modernen oxidischen und nichtoxidischen Hochleist ungskeramiken zur Verfügung. Hierzu zählt auch Zirkonoxid. Ein wichtiges Merkmal dieser Generation ist eine Korngröße von unter einem Mikrometer (µm), die unter anderem zu hohen Festigkeiten führt. Dadurch haben Hochleistungskeramiken als Werkstoffe für stark bean spruchte Bauteile Korngröße zunehmend an Bedeutung gewonnen. Produkte aus Hochleistungskeramik sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken aus der Anwendungsfelder moderner Hochleistungskeramiken Luft- und Raumfahrt Chemie Elektronik Lebensmittelindustrie Laserkomponenten Zahntechnik Medizintechnik Halbleiterindustrie Isolation Abb. 1 Raumfahrt ebenso wenig wie aus der Elektrotechnik oder Lebensmittelindustrie. Und auch in Medizin und Zahntechnik haben moderne Keramiken längst Einzug gehalten. Vollkeramische dentale Restaurationen im heutigen Sinne gibt es zwar erst seit den 1990er Jahren. Aber auch in der Zahnmedizin und Zahntechnik hat Keramik eine lange Tradition. Die erste dokumentierte Anwendung von Porzellan in der Zahnheilkunde datiert auf das Jahr Damals entwickelte der französische Apotheker Alexis Duchâteau eine Porzellan-Rezeptur, aus der er sich erstmals eine Vollprothese aus Porzellan brennen lassen konnte. Gleichzeitig wurde an Zahnersatz gearbeitet, der einen stabilen Metallkern aufwies. Schon 1746 überzog Mouton Goldkronen mit einer leschicht. Den Schritt zur Aufbrennkeramik vollzogen De Labarre und Allen mit der Fabrikation von porzellanverblendeten Platinprothesen. Der nächste wichtige Schritt für die Vollkeramik gelang aber erst Charles Henry Land setzte er mit der ersten individuellen, aus Porzellan gebrannten Vollkrone der Jacketkrone einen ästhetischen Meilenstein in 8 DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM 9

7 EINFÜHRUNG ÜBERBLICK EINFÜHRUNG ÜBERBLICK der Zahnheilkunde. Diese Porzellanjacketkrone war jedoch recht bruchanfällig. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich vollkeramischer Zahnersatz deshalb auf Basis neuer keramischer Gerüstmaterialien weiter. Ziel war, die Bruchanfälligkeit zu minimieren führte McCulloch glaskeramische Kronen in die Zahnmedizin ein. Die erste Aluminiumoxidkeramik entwickelten J. W. McLean und T. H. Hughes Ende der 60er Jahre. Diese ließ dank höherer Festigkeit bereits kleine Brückenkonstruktionen zu. Vollkeramische Brückenkonstruktionen mit mehr als drei Gliedern wurden erst in der ersten Hälfte der 1990er Jahre möglich. Erst zu dieser Zeit standen neben dem neuen, hochfesten Gerüstmaterial Zirkonoxid auch die ersten für dessen Bearbeitung notwendigen Techniken zur Verfügung: CAD/ CAM-Systeme mit zahntechnischer Design- Software und präzisen Fräsmaschinen. Das heute im Dentalbereich überwiegend verwendete teilstabilisierte Zirkonoxid erreicht höhere Festigkeiten als alle vorherigen keramischen Gerüstmaterialien. Mit den Gestaltungs- und Fertigungsmöglichkeiten moderner CAD/CAM-Technologie können entsprechend geschulte Zahntechniker Zirkon oxid heute wirtschaftlich und sicher verarbeiten. Der Einsatz von Keramik erfordert jedoch immer werkstoffgerechtes Arbeiten auf höchstem Niveau. Wer nicht richtig mit dem neuen Werkstoff umgeht, kann leicht scheitern. Dies erlebte die Industrie in den Achtziger Jahren, als sie metallische Erfahrungen auf die Formgebung und Verarbeitung von Keramik übertrug und Keramikbauteile reihenweise versagten. Aus dem erfolgreichen Neuanfang der Industrie können auch Zahntechniker und Zahnärzte lernen: Der Umgang mit Keramik ist anspruchsvoll und folgt anderen Regeln als bei metallischen Werkstoffen in der Industrie ebenso wie in der Prothetik. Wer die Besonderheiten des Materials bei Formgebung und Verarbeitung beachtet (siehe Kap. 2), wird mit diesem hochentwickelten Werkstoff auch in der Zahntechnik hervorragende Ergebnisse erzielen. 1.2 Strukturkeramik und Funktionskeramik Hochleistungskeramiken werden nach ihren wichtigsten Eigenschaften in zwei Gruppen unterteilt. Strukturkeramiken halten vor allem hoher mechanischer Beanspruchung stand. Funktionskeramiken nutzen gezielt die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Werkstoffes. Strukturkeramiken Zahnersatz aus Zirkonoxid zählt zur Gruppe der Strukturkeramiken. Die Keramiken dieser Gruppe müssen vor allem mechanischen oder thermischen Belastungen standhalten und machen gemessen am Umsatz rund ein Drittel der Hochleistungskeramiken aus. Ein beeindruckendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit von Strukturkeramiken sind die Wälzlager für die Wasserstoff-Hochdruckpumpe des Spaceshuttles. Die Förderleistung dieser Pumpe reichte theoretisch Strukturkeramik entwickelt für mechanische Beanspruchung infolge thermischer chemischer reibungsbedingter (tribologischer) mechanischer Belastung. Beispiel: Hüftgelenkund Knieimplantate Abb. 2: Hauptgruppen der Hochleistungskeramik und ihre bestimmenden Eigenschaften aus, ein Wettkampf-Schwimmbecken in weniger als einer Minute zu entleeren und dabei eine über zwei Kilometer hohe Fontäne zu erzeugen. Ihre Hybridwälzlager (Metallring mit Keramikkugeln) verursachen im Vergleich zu vollmetallischen Lagern nur ein Fünfzigstel des Wartungsaufwands je Mission, leisten fast zehn Prozent mehr und halten 60 mal so lange. Beispiele für Strukturkeramiken im medizinischen Bereich, die dem Zahnersatz sehr ähnlich sind, sind Hüftgelenk- und Knieimplantate. Sie müssen hoch belastbar sein, damit ihre Träger beim Wandern, Tanzen oder Laufen genauso beweglich sind wie mit einem gesunden Gelenk. Neben einem leistungsfähigen Werkstoff erfordert dies eine Herstellung auf qualitativ höchstem Niveau. Dasselbe gilt für Zahnersatz aus Zirkonoxid. Funktionskeramik nutzt gezielt chemische und physikalische Effekte: Ionenleitfähigkeit Halbleiter-Eigenschaften temperaturabhängiger elektrischer Widerstand Piezo-, Pyro- und Ferroelektrizität Beispiel: Lambdasonde Funktionskeramiken Bei den Funktionskeramiken stehen chemische und physikalische Eigenschaften im Vordergrund, die durch maßgeschneiderte Mikrostrukturen im Volumen und an den Korngrenzen erreicht werden. In diese Gruppe fällt die Elektrokeramik. Mit Massenprodukten wie der Lambdasonde bilden die Funktionskeramiken die umsatzstärkere Gruppe. Die Lambdasonde nutzt die Sauerstoffionen-Leitfähigkeit von Yttriumoxid dotiertem Zirkonoxid zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas eines PKW-Verbrennungsmotors. Dieser Gehalt ist die wichtigste Kenngröße zur Wirkung und Steuerung des geregelten Drei-Wege-Katalysators. Die Unterscheidung zwischen Funktionsund Strukturkeramik macht deutlich, dass 10 DENTALES WISSEN Zirkonoxid und CAD/CAM 11

8 EINFÜHRUNG ÜBERBLICK ein Großteil der modernen Keramiken für ganz andere Anforderungen als die der Zahntechnik entwickelt wurden. Dentale Anwendungen erfordern eine Strukturkeramik. Dennoch werden auch für die Zahntechnik zum Teil Funktionskeramiken als Material mit sehr hoher Risszähigkeit angeboten. Ein Beispiel hierfür ist ein Aluminium-, Cerium- und Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid, das wegen seiner Sauerstoffionen-Leitfähigkeit ursprünglich für Brennstoffzellen entwickelt wurde. Aufgrund der hohen Stückzahl ist diese Funktionskeramik preisgünstiger als eine speziell für mechanische Beanspruchung entwickelte Strukturkeramik wie Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid. (Siehe auch Kap. 1.6 Stabilisierung von Zirkonoxid) 1.3 Begriffsklärung: Zirkonoxid, Zirkon oder Baddeleyit? Wenn Zahntechniker oder Zahnärzte von Zirkonoxid, Zirkon oder Baddeleyit sprechen, meinen sie meist dasselbe: den Werkstoff Zirkoniumdioxid. Welcher Begriff ist richtig? Zirkoniumdioxid (ZrO 2 ) ist die korrekte chemische Bezeichnung für den keramischen Werkstoff. Zirkondioxid ist die teilweise und Zirkonoxid die richtige Kurzform. Zirconia ist die englische Bezeichnung für Zirkoniumdioxid. Abb. 3: Beispiel für Strukturkeramik: Wälzlager für Wasserstoff-Hochdruckpumpe des Spaceshuttles (Mitte: Metallring, Keramikkugeln) und vollkeramische Lager Zirkon und Baddeleyit sind dagegen die natürlichen Minerale also die Rohstoffe. Zirkon ist die Kurzform für den Rohstoff Zirkonsilikat (ZrSiO 4 ), aus dem Zirkoniumdioxid gewonnen wird. Er entsteht beim Erstarren schmelzflüssiger Lava und wird bei Gesteinsverwitterung freigesetzt. Er reichert sich aufgrund seiner hohen Dichte in Sanden an. Baddeleyit, das monokline Zirkoniumdioxid, entsteht aus Zirkon bei starker tropischer Verwitterung. Zirkonium (Zr) ist die korrekte Bezeichnung für das chemische Element. Abb. 4: Funktionskeramik Lambdasonde: Messung des Sauerstoffgehalts in PKW-Abgasen Für den keramischen Werkstoff verwenden wir im Folgenden, dem allgemeinen Sprachgebrauch der Technik folgend, den Begriff Zirkonoxid. 12 DENTALES WISSEN