Werkstoffkunde für die Zahnmedizin

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1 Werkstoffkunde für die Zahnmedizin Thema: Mechanische Belastungen, Härte Zähne und zahnärztliche Werkstoffe werden im oralen Milieu unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Nebst chemischen, biologischen und thermischen Angriffen entstehen mechanische Belastungen durch den Kauvorgang. Im weitern unterliegen das Bearbeitungsinstrumentarium und die im Umfeld der zahnärztlichen Versorgung benutzten Werkstoffe mechanischen Belastungen. Die in der Zahnmedizin verwendeten Werkstoffe müssen der Produktehaftpflicht genügen, was eine Überprüfung gemäss deren Verordnungen nach sich zieht. Die vorliegenden Unterlagen sollen zeigen, welchen Kräften Werkstoffe standhalten müssen und wie diese geprüft werden können. Physikalische Werkstoffeigenschaften Härte Reflexion von Licht Kohäsion Zug-Druck-Biegefestigkeit Absorption von Licht Kontraktion El. Leitfähigkeit Lichtdurchlässigkeit Expansion Therm. Leitfähigkeit Siedepunkt Diffusionsverhalten Temperaturausdehnung Schmelzpunkt Lumineszenz Wärmekapazität Benetzbarkeit Zerspanbarkeit Polarisation von Licht Abrasionsverhalten Viskosität Dielektrizität Magnetisches Verhalten Kriechverhalten Dauerfestigkeit Versprödung Elastizität Bioverträglichkeit Adhäsion Plastizität Korrosionsverhalten Schwingverhalten Oberflächengüte Chem. Reaktionsverhalten Rissausbreitung Polierbarkeit Mechanische Eigenschaften zahnärztliche Materialien Härte - Abformstoffe (Elastomere, Polyäthergummi) Zug- Druck und Biegefestigkeit - Modellmaterialien (Gips, Epoxyharze)) Dauerfestigkeit - Modelliermaterialien (Wachse) Versprödung - Rekonstruktionsmaterialien (Metalle, Keramik) Rissausbreitung - üllungsmaterialien (Composite, Amalgam) Zerspanbarkeit - Befestigungsmaterialien (Zemente, Composite) Viskosität - Instrumentarien (rotierende Instrumente) Kriechverhalten - Polierutensilien Elastizität - KO-Apparaturen (z.b. Brackets, Drähte) Plastizität - Implantatmaterialien

2 Kauvorgang Besonderheit beim Kauvorgang 1. Stark variierende Kräfte bis ca N 2. Stark variierende Belastungsrichtungen (3 Dimensionen) 3. Stark variierender Kraft-/Zeiverlauf 4. stark variierende Verarbeitungs-Substanzen (Nahrungsmittel) 5. unterschiedliche Benetzung (Speichel-Menge/-Art) Kaukraft = Masse x Beschleunigung, = m x a Kaudruck = Kraft pro läche, P= / A Prüflast 100N Prüflast 100N Belastungsfläche unterschiedlich Prüfkörper Prüfkörper Unterschiedliche Werkstoffe benötigen spezifische Messmethoden und -Systeme. Anhand der Härtemessung werden Beispiele verschiedener Methoden mit variablen Parametern präsentiert: Prüfstempel mit unterschiedlichen ormen Prüfstempel mit unterschiedlichen Durchmessern Prüflast mit unterschiedlichen Kräften Prüflast mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten Prüflast mit unterschiedlichem sit down Ausmessung: metrisch am Eindringkörper, optisch am Prüfobjekt, mech. Widerstand und Verschleiss Die Herstellerangaben der Eigenschaften (Härten) ihrer Produkte sind deshalb sehr unterschiedlich ausgeschrieben. Die Beurteilung der Eigenschaften des Produkts benötigt darum Sachkenntnis des Prüfverfahrens und deren Messmethodik.

3 HAERTE, Messverfahren den ein Körper dem Eindringen eines (härteren) Körpers entgegensetzt. Definition: Die Härte ist ein Mass für den Widerstand, Verschiedene Messmethoden Eindringverfahren: Statisch Dynamisch Brinellhärte (HB) Vickershärte(HV) Rockwellhärte(RH) -Poldihammer -Shorehärte Ritzverfahren: - Mohs`sche Härteskala - Prüfung nach Martens Prinzip der Härtebestimmung nach Brinell HB= = ½ π D (D-γ-D 2 -d 2 ) d t=eindringtiefe π D t = =N/mm 2 A d 10N = 1daN( Deka/Newton) 1Kp/mm 2 entspricht ca. 1daN/mm 2 Bestimmung des Durchmessers Prinzip der Härtebestimmung nach Vickers, nach Knoop (Pyramidenförmiger Eindringstempel, 136 <) A= läche = Kraft HV = A = N/mm 2 (MPa) d Bestimmung der Diagonalen Die in der Vickers-Prüfung gleichseitige Diamantspitze hat in der Knoop- Prüfung eine rhombische orm. Die Spitzenwinkel betragen 172,5 für die lange und 130 für die kurze Seite. Es wird nur die lange Diagonale des Eindrucks ausgemessen. Die Knoop-Prüfung findet häufig Anwendung bei spröden Materialien wie zum Beispiel Keramik oder Sinterwerkstoffen; bei der Härtemessung an Schichtsystemen stellt sie die genaueste Messmethode dar.

4 Prinzip der Härtebestimmung nach Rockwell Eindringtiefen Werte HRc / HRb / HR.. usw. d t=eindringtiefe HRc = Diamant-Kegel 120 (cone) HRb = Kugel 1/16 (ball) Bestimmung der Eindringtiefe Schlaghärteprüfung nach Poldi Bei der Poldi-Schlaghärteprüfung wird keine direkte Härte am Werkstück, sondern ein Vergleich zwischen der Eindruckkalotte des Prüflings und eines Eichstabes vorgenommen (entwickelt von der Poldihütte in Kladno bei Prag). Wegen der Erzeugung eines bleibenden Eindrucks bezeichnet man die Schlaghärteprüfung nach Poldi als dynamisch-plastisches Härteprüfverfahren. Poldi-Härteprüfung Mit einem Hammer (1000 g) oder einem Schlagbolzen mit edervorspannung wird, wie die nebenstehende Skizze zeigt, auf die Vergleichsprobe (V) geschlagen. Auf diese Weise erzeugt die gehärtete Stahlkugel (Durchmesser D) in der Vergleichsprobe die Eindruckkalotte mit dem Durchmesser d v und in der Probe (P) einen Eindruck vom Durchmesser d p. Es hat sich gezeigt, dass sich die Härten der beiden Werkstoffe verhalten wie der reziproke Wert aus den in den Proben gebildeten Oberflächen der Eindruckkalotten (Mantelflächen M v und M p ). Wenn die Härte der Vergleichsprobe HB v bekannt ist, kann man mit den Messungen die Härte HB p der Probe errechnen (meist direkt aus Tabellen zu entnehmen). Diese einfache Härteprüfung ist nicht direkt mit statischen Härtemessungen vergleichbar. Sie wird insbesondere an großen und schweren Werkstücken (Guss-, Schmiedestücke und Stangenmaterial) vorgenommen.

5 Härtemessung nach Shore A und Shore D - Härteprüfung nach Shore A und Shore D für Kautschuk und Elastomere nach DIN : ; es wird die Verformung der Probe während des Einwirkens der Prüfkraft gemessen. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zur sonst üblichen Härtemessung besteht darin, dass keine konstante Prüfkraft eingehalten wird. Es wird je nach der Verformung der Probe durch eine eder eine veränderliche Prüfkraft ausgeübt (weiche Stoffe: geringe Kraft und umgekehrt). Die Härteprüfung nach Shore A ist für Weichgummi geeignet. Als Eindringkörper einen Kegelstumpf aus Stahl verwendet. Die Prüfkraftfeder ist relativ schwach ausgelegt. Die Härteprüfung nach Shore D eignet sich für Kunststoffe. Als Eindringkörper wird eine Stahlspitze verwendet. Die Prüfkraftfeder ist wesentlich stärker als bei der Shore-A-Prüfung. Unter der Härte nach Shore wird der Widerstand gegen das Eindringen eines Körpers bestimmter orm unter definierter ederkraft verstanden. Die Härteskala umfaßt einen Bereich von 0 bis 100 Härteeinheiten, wobei 0 der kleinsten und 100 der größten Härte entspricht. Mohs sche Härteskala Einteilung nach natürlichen Mineralien 1-10 (Diamant[10] bis Talk[1]) Ritzverfahren nach Martens Diamantspitze 90 Sollritzbreite 0.01 mm Entsprechende Belastung um Ritzbreite zu erhalten Härte aufgebrachte Last in g Mineral Härte (Mohs) absolute Härte Vickershärte in HV Talk 1 0,03 2,4 mit ingernagel schabbar Gips oder Halit 2 1,25 36 mit ingernagel ritzbar Calcit 3 4,5 109 mit Kupfermünze ritzbar luorit 4 5,0 189 mit Messer leicht ritzbar Apatit oder 5 6,5 536 mit Messer noch ritzbar Orthoklas mit Stahlfeile ritzbar Quarz ritzt ensterglas Topas Korund Diamant Bemerkungen härtestes natürlich vorkommendes Mineral; nur von sich selbst und Bornitrid ritzbar

6 Härtevergleich Statische gegen dynamische Härtemessungen oder Ritzverfahren können miteinander nicht verglichen werden. Wegen der unterschiedlichen Geometrie der Eindruckkörper und etwas abgewandelten Verfahren sind auch die statischen Prüfverfahren (Brinell, Vickers, Rockwell) nur bedingt miteinander vergleichbar. Beispiele Härtewerte Beispiele einiger Metalle (Brinellhärte reiner Metalle) Indium 1 Platin 50 Rhodium 130 HB Blei 4 Palladium 52 Molybdän 160 Zinn 5 Eisen 77 Iridium 200 Aluminium 20 Niob 80 Rhenium 250 Kadmium 22 Tantal 90 Vanadium 260 Gold 25 Nickel 100 Ruthenium 300 Silber 26 Berylium 120 Wolfram 320 Kupfer 35 Kobalt 125 Chrom 350 Zink 35 Gipskategorien Typ 1 - Abdruckgips: Schnelles Abbinden, Wohlschmeckend, Leicht zu brechen mit klaren Kanten Druckfestigkeit mindestens 4 MPa, maximal 8 MPa (Härte um MPa) Typ 2 - Modellgips (Alabaster): Max. Expansion nach 2h: 0,30%, Druckfestigkeit mindestens 9 MPa (15 MPa) (Härte mindestens 35 MPa)=(N/mm 2 ) Typ 3 - Modell-Hartgips (Hartgips): Max. Expansion nach 2h: 0,2%, Druckfestigkeit mindestens 20 MPa (25 MPa) (Härte mindestens 70 MPa) Typ 4 - Superhartgips für ormen/geringe Expansion (Superhartgips): Max. Expansion nach 2h: 0,15%, Druckfestigkeit mindestens 35 MPa (Härte mindestens 120 MPa) Typ 5 - Superhartgips für ormen/hohe Expansion (Superhartgips mit hoher Expansion): Max. Expansion nach 2h: 0,3%, Druckfestigkeit mindestens 35 MPa (Härte mindestens 120 MPa) - Härtemessung nach Rockwell - Anhand der Härte kann die Gipsqualität kontrolliert werden!

7 Abformmaterialien The shore A hardness results from softest to hardest are as follows Material Shore A Hardness President Jet Bite 80.1 (±1.8) Regisil Rigid 82.7 (±1.3) Blu-Mousse 85.9 (±1.1) Mega Bite Mint 89.1 (±1.1) utar D Occlusion-Pink inal set hardness of Shore D 43 Beispiele einiger Dentallegierungen Neocast 2 weich HB 165 gehärtet/vergütet HB 235 Elasticor weich HB 150 gehärtet/vergütet HB 230 Unorex 11 weich HV 220 vergütet HV 270 Unoral 11 weich HV 160 vergütet HV 250 Beco Lioyd weich HV 125 vergütet HV 245 Est.Swiss weich HV 180 vergütet HV 210 Vergütete Legierungen sind härter! So kann kontrolliert werden, ob die Vergütung vorgenommen wurde! Andere Legierungen {* übliche Werte) Kobalt-Chrom **HV 350 Silber-Palladium ** HV Silberamalgame * HV Akrylatkunststoffe * HV Nach EN ISO 1562 unterscheidet man bei dentalen Edelmetalllegierungen nach ihrer Härte nachstehende Typen: - andere Dentallegierungen werden ebenfalls in Anlehnung dieser Norm eingeteilt. Nr. Beschreib Einteilung Wert Verwendung Typ I (weich) HV Inlays Typ II (mittelhart) HV Goldgusskronen/Inlays Typ III (hart) HV VMK-Gerüste Typ IV (extrahart) HV über 150 Stifte, Geschiebe Nach der Härte der Legierungen gibt es verschiedene Anwendungsbereiche, nämlich für Typ I : Typ II : Typ III : Typ IV : zentrale üllungen, Zahnhalsfüllunqen, Approximalfüllungen Kronenringe, Kauflächen, Zweiflächenfüllungen, massive Brückenglieder, Wurzelkappen (Galvano-Teleskope) MOD-üllungen, Vollgusskronen, Verblendkronen, Teilkronen, Brücken, Stumpfaufbauten Vollgusskronen, Verblendkronen, Teilkronen bei starker Beanspruchung, ingerhutkronen, stark belastete Brücken, räsarbeiten (Teleskope, Stege, Geschiebe) Klammern, Schienen, Modellgussprothesen, Bügel, Wurzelstifte

8 Leitfaden zur Härteprüfung Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers entgegensetzt. Die Härte eines Körpers lässt Rückschlüsse auf vielerlei Eigenschaften zu, wobei sich diese nach der Art des Körpers richten. Ein Beispiel ist das Verschleißverhalten. Harte Brillengläser verkratzen weniger, harte Zahnräder (Zahnfüllungen) nutzen langsamer ab. Bei der Auswahl von Werkzeugschneiden wie räskopf oder Drehmeißel ist die Härte von besonderer Bedeutung, denn harte Schneiden bleiben länger scharf. Vielfache Anwendung und je nach fachlichem Schwerpunkt andere Akzentsetzung findet der Begriff der Härte in der estkörperphysik, der Materialwissenschaft bei der Analyse von Werkstoffen und in den Geowissenschaften bei der Charakterisierung von Gesteinen und Mineralen. Beide überschneiden sich diesbezüglich auch mit den Ingenieurwissenschaften, wobei die Härte vor allem in der Ingenieurgeologie eine größere Rolle spielt. Die Härte gehört mit der Risszähigkeit, estigkeit, Duktilität, Steifigkeit, Dichte und der Schmelztemperatur zu den Werkstoffeigenschaften eines Werkstoffes. In der Zahnmedizin ist die Härte ein wichtiger aktor um Legierungen und Keramiken in Bezug auf die Anwendung (rontzahn, Seitenzahn / Krone, Brücke) einzuordnen. ür Dentallegierungen werden drei Härtewerte unterschieden: W = weich; Härte der Legierung im Anlieferungszustand bzw. nach dem Weichglühen a = ausgehärtet; Härte der Legierung nach einer gezielten Wärmebehandlung = "vergüten" g/b = Selbstvergütung: Härte der Legierung, die durch langsames Abkühlen nach dem Guss erreicht werden kann Härte und estigkeit Die Härte eines Werkstoffs hat nur bedingt etwas mit der estigkeit des Werkstoffs zu tun, auch wenn die estigkeit die Prüfverfahren zur Härtemessung, die auf der Eindringtiefe verschiedener Prüfkörper beruhen, beeinflusst. Der Einfluss der estigkeit kann durch die Messung auf dünnen ilmen zwar reduziert, aber nicht völlig vermieden werden. In bestimmten ällen steht die Härte eines Werkstoffs allerdings in einem umwertbaren Zusammenhang zur Werkstoff-estigkeit. Dann kann durch die verhältnismäßig preiswerte Härteprüfung eine meist viel aufwendigere Zugprüfung ersetzt werden. Von praktischer Bedeutung ist die Möglichkeit, eine Umwertung der Brinell- oder Vickershärte auf die Zugfestigkeit von Baustählen oder NEM-Dentallegierungen vorzunehmen. Dadurch können beispielsweise bei Prüfungen an Stahlkonstruktionen oder Dentallegierungen Materialverwechslungen und vergessene Vergütungen nachgewiesen werden. Die meisten Materialien großer Härte haben auch eine hohe Sprödigkeit, d.h. sie lassen sich kaum plastisch verformen, brechen jedoch plötzlich (Glaskeramikkronen). Darauf beruht u.a. die Technik des Glasschneidens.