Verlag Neuer Merkur. High Speed Cutting und Selective Laser Melting. Ausflug in die Werkstoffkunde

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1 Wissen l Ausflug in die Werkstoffkunde f Abb. 1 Aus Wirobond MI+ gefräste Doppelkronen Copyright High Speed Cutting und Selective Laser Melting Ausflug in die Werkstoffkunde Verlag Neuer Merkur Autor: PD Dr. R. Strietzel, Bremen Indizes: CAD/CAM Selective Laser Melting Additive und subtraktive Produktionsverfahren Die CAD/CAM-Technologie ist in der Zahntechnik fest etabliert. Fertigungszentren verstehen sich als verlängerte Werkbank des Dentallabors. Neben den zahntechnischen Anforderungen wie Passung und Verarbeitungsparametern spielen nach wie vor werkstoffkundliche Parameter wie das Korrosionsverhalten und die Biokompati bilität eine wichtige Rolle für das Wohlbefinden der Patienten. Im Alltag werden diese Anfor derungen zwar stillschweigend vorausgesetzt, aber werden sie auch wirklich erfüllt? Neben den verschiedenen additiven und subtraktiven Produktionsverfahren wird auch eine große Palette an Werkstoffen angeboten. In der Summe ergibt das eine hohe Vielfalt an möglichen Indikationen. Bei den additiven Verfahren wird die Restauration schichtweise aufgebaut [1 und 2]. Vorteile dieses Verfahrens sind: schnelle Produktion und die Möglichkeit, hochkomplexe Geometrien zu bauen. Durchgeführt wird es mit Kunststoffen (Stereolithographie) oder mit Metallen (Selective Laser Melting, SLM). Hierbei können folgende Metalle verarbeitet werden: EMF-, EM-Legierungen oder Titan. Zurzeit werden in der Industrie am häufigsten aufbrenn- 122 das dental labor LXII 10/2014

2 Ausflug in die Werkstoffkunde l Werkstoffkunde fähige Cobalt-Chrom-Legierungen mit dem SLM-Verfahren verarbeitet. Bei den subtraktiven Verfahren wird durch Fräsen, Schleifen oder Erodieren Material aus einem Halbzeug abgetragen. Bei diesen Verfahren sind die Produktionskosten vergleichsweise höher als bei den additiven, da hier mechanische Verschleißteile (zum Beispiel Gerätespindeln und Fräsen) und Verbrauchsmaterialien zu Buche schlagen. Auch ist der Materialverbrauch wesentlich höher. Bei den subtraktiven Verfahren werden bis zu 90 Prozent des Materials abgetragen und nicht weiterverwendet. Daher ist der Einsatz subtraktiver Verfahren nur bei vergleichsweise preiswerten Materialien sinnvoll. Vorteilhaft ist aber die hohe Präzision gefräster Objekte [3], so dass subtraktive Verfahren vorzugsweise für Restaurationen im Bereich Implantologie verwendet werden. Aber auch edelmetallfreie Doppelkronen können so in hoher Qualität hergestellt werden (Abb. 1). Die verschiedenen Fertigungsverfahren können aber auch kombiniert werden. So wird die CAD-Technik beim sogenannten CAD/Cast-Verfahren mit dem herkömmlichen Gussverfahren kombiniert. Bei der gleichzeitigen Herstellung von Gerüst und Verblendung wird eine vollanatomische digitale Modellation in zwei Teile zerlegt; in einen Gerüstanteil und in die Verblendung. Das metallische Gerüst kann beispielsweise via SLM produziert und die keramische Verblendung gefräst werden. Die CAD/CAM-Technologie hat zum einen zur Einführung neuer Werkstoffe wie Zirkoniumdioxid [4] geführt, zum anderen werden natürlich auch herkömmliche Materialien wie Legierungen und Kunststoffe verarbeitet. Keramiken und Kunststoffe gibt es in vielen verschiedenen Farbtönen, um ein noch ästhetisches Erscheinungsbild der gefertigten Restaurationen zu ermöglichen. Die Keramikblanks werden herstellerseitig eingefärbt. Dies gewährleistet eine homogene Farbverteilung. Beim Hantieren mit Lösungen zum individuellen Einfärben besteht nämlich die Gefahr, dass die Lösung nicht vollständig in die Gerüste infiltriert, was eine inhomogene Farbverteilung zur Folge hätte. Gerüchte über angebliche Radioaktivität Dem Zirkoniumdioxid wird gelegentlich eine Radioaktivität nachgesagt, die es allerdings nachweislich nicht besitzt. Das elementare Metall Zirkonium besitzt keine natürlichen radioaktiven Isotope [5], ist also selbst nicht radioaktiv. Zirkoniumerze sind natürlicherweise mit Uran und Thorium verunreinigt. Diese beiden Elemente sind in der Tat gefährliche -Strahler. Durch aufwändige Prozesse werden sie vom Zirkonium getrennt, so dass die Strahlung nicht mehr relevant ist. Materialien wie die BeCe CAD Zirkon-Varianten liegen deutlich unter den in den einschlägigen Normen geforderten Grenzwerten für radioaktive Strahlung. Jede Charge wird diesbezüglich überprüft. Dieses Vorgehen zieht sich wie ein roter Faden durch alle CAD/CAM-Produkte von BEGO. Es werden hochreine Werkstoffe verwendet, die ständig überwacht werden. Neben der Zusame Abb. 2 Schematische Übersicht über Produktionsverfahren und Produkte (beispielhaft für BEGO Medical dargestellt) das dental labor LXII 10/

3 Wissen l Ausflug in die Werkstoffkunde c Abb. 3 Versuchsaufbau des Schwickerath-Tests gemäß ISO : Auf dem mittleren Drittel eines metallischen Prüfkörpers wird die zu prüfende Keramik aufgebrannt und mittig-zentriert auf zwei Auflagen gelegt. Dann fährt ein Stempel mittig auf den Prüfkörper bis sich die Keramik ablöst ne Arbeitsweise bei der Nachbearbeitung nicht verändern muss [6]. Die SLM-Legierung Wirobond C+ entspricht in ihrer Verarbeitung den Gusslegierungen Wirobond C/SG/280. BEGO als Systemanbieter bietet hier auch dem CAD/CAM-Anwender Vorteile: Denn er hat die Option, auf bewährte Fräswerkzeuge, Strahlmittel und Prozesswissen zurückgreifen zu können. Für die keramische Verblendung können dieselben Verblendkeramiken (zum Beispiel VMK Master/VITA) verwendet werden wie für die analogen Guss-Legierungen. So sind die Arbeitsschritte für die Gerüstvorbereitung völlig unabhängig davon, ob gegossene Gerüste aus Wirobond C/SG/280, mit dem SLM-Verfahren hergestellte Gerüste aus Wirobond C+ oder mit dem High Speed Cutting Verfahren gefräste Gerüste aus Wirobond MI+ verblendet werden. Die Gerüste, die von BEGO Medical geliefert were Abb. 4 Ergebnisse des Schwickerath- Versuches für gefräste (Wirobond MI+), per SLM hergestellte (Wirobond C+) und gegossene (Wirobond SG) Legierungen mit verschiedenen Keramiken. In allen Fällen wird der Grenzwert von 25 MPa deutlich überschritten mensetzung werden vor allem die mechanischen Eigenschaften regelmäßig getestet. Bei der Produktentwicklung wird auch immer die zahntechnische Verarbeitung berücksichtigt. Schon mit der Einführung der aufbrennfähigen Cobalt-Chrom-Legierung Wirobond C+ für den SLM-Prozess im Jahr 2001 [2], wurde bei deren Entwicklung darauf geachtet, dass der Zahntechniker sei- 124 das dental labor LXII 10/2014

4 Ausflug in die Werkstoffkunde l Werkstoffkunde d Abb. 5 Das SLM- Gefüge von Wirobond C+ erweist sich als sehr feinkörnig und homogen. Durch den Querschnitt wurden verschiedene Schweißraupen in unterschiedlichen Winkeln getroffen. den, entsprechen darüber hinaus dem Zustand von gegossenen Gerüsten nach dem Abziehen mit rotierenden Fräswerkzeugen. Gefräste Gerüste aus Wirobond MI+, die mit einem oder mehreren Abutments versehen sind, dürfen nicht keramisch verblendet oder gelötet werden. Durch diese Verfahrensschritte kommt es zur Oxidation der Gerüstoberfläche. Davon betroffen sind natürlich auch die Schnittstellen-Flächen zwischen Abutment und Implantat. Aus Gründen der Passung, Korrosion und Biokompatibilität müssen die Oxidschichten unbedingt restlos entfernt werden. Während man EM- oder Titan-Abutments durch chemisches Ätzen von den Oxidschichten befreien kann, ist dies bei Cobalt-Chrom-Legierungen nicht möglich. Entfernt man die Oxidschichten jedoch mechanisch durch Abstrahlen oder durch Polieren, wird die Passung unwiderruflich zerstört. Daher ist hiervon abzuraten. Die Oberflächen der Legierungen müssen unmittelbar vor dem Verblenden unbedingt abgestrahlt werden [7, 8], unabhängig davon, wie sie produziert worden sind. Wirobond -Legierungen müssen mit Korund und einer Körnung von 250 µm und drei bis vier bar abgestrahlt werden. Diese Parameter sind nötig, um die festhaftenden Oxidschichten zu entfernen und um eine ausreichende Retention (= Mikrorauigkeit) zu erzeugen. Wird ein feineres Strahlmittel und geringer Strahldruck verwendet, wird der optimale Metall-Keramik-Verbund nicht erreicht. Hier sind die Gebrauchsanweisungen der jeweiligen Hersteller zu beachten. Nach der beschriebenen Oberflächenbehandlung können die Gerüste sicher verblendet werden. Im Biegeversuch, gemäß ISO (Schwickerath-Test) [9], zeigt sich, dass alle Legierungsvarianten unabhängig von der Produktionsart und geprüften Verblendkeramik die Mindestanforderung von 25 MPa für die Verbundfestigkeit deutlich übertreffen. Feineres und homogeneres Gefüge Die verschiedenen Wirobond-Varianten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften stark von einander, obwohl sie nahezu identisch chemisch zusammengesetzt sind (bis auf die Kommastelle). Wirobond C+ und Wirobond MI+ weisen jedoch deutlich höhere Festigkeiten auf als die Gussvariante, Wirobond SG. Grund hierfür ist das wesentlich feinere und homogenere Gefüge. Verantwortlich für die unterschiedlichen Gefüge sind die pulvermetallurgischen Herstellungsprozesse für die Produktion von Wirobond C+ und Wirobond MI+. Dies verhindert die bei gegossenen Halbzeugen zu beobachtenden gröberen Gefüge und typischen Gussfehler (Porositäten, Lunker) [10]. Die SLM-Legierung Wirobond C+ wird durch Aufschmelzen der Legierungsbestandteile und durch den anschließenden sogenannten Atomisierungsprozess als feines Pulver hergestellt. das dental labor LXII 10/

5 Wissen l Ausflug in die Werkstoffkunde Dieses Pulver hat eine bestimmte Kornverteilung, die eine optimale SLM-Produktion gewährleistet. BEGO Medical besitzt über zwölf Jahre Erfahrung mit SLM-Pulvern auf Cobalt-, Gold- und Titan-Basis und verfügt somit über beeindruckende Erfahrungswerte im Bereich Produktion von Halbzeugen. Bei dem Fräsmaterial Wirobond MI+ handelt es sich nicht um eine vom Systemanbieter zugekaufte Legierung, die zufällig den dentalen Anforderungen genügt, sondern sie entspricht der Gusslegierung Wirobond SG beziehungsweise dem seit über 20 Jahren auf dem Dentalmarkt befindlichen Wirobond C [11 und 12]. Zu diesem Vorteil gesellt sich noch ein weiterer. Viele Frässcheiben auf dem Markt werden gusstechnisch und ohne weitere Verdichtung hergestellt. Sie weisen ein sehr großes Korn und Porositäten auf, da sie herstellungsbedingt alle Nachteile des Gusses mitbringen. Frässcheiben aus Wirobond MI+ werden hingegen aus hochreinem und feinem Pulver gepresst und gesintert. Anschließend verdichtet man sie nochmals unter hohem Druck und hoher Temperatur (= gehipt; high isostatic pressure). Gemäß ISO erreicht das Material den höchsten Status: Typ 5. Damit steht dem Zahntechniker ein hochfestes Material zur Verfügung, welches sich für alle Indikationen eignet und den in der Mundhöhle auftretenden Kräften widerstehen kann. Selbst hochbelastete Stege stellen hier kein Problem dar. Bei Abutments wird eine hohe Kantenstabilität erreicht. Das feinkörnige und homogene Gefüge der pulvermetallur- Literatur [1.] Strietzel R, Lahl C. CAD/CAM-Systeme in Labor und Praxis. München: Verlag Neuer Merkur; 2007 [2.] Strietzel R. FutureDent Preisgünstiger Zahnersatz mit Hilfe eines CAD/CAM- Systems. Quintessenz Zahntechnik 2001;27: [3.] Riquier R. Frästechnik versus Lasersintern. Quintessenz Zahntechnik 2006;32: [4.] Cramer von Clausbruch S. Vom Zirkonsand zur High-End-Keramik. Dent Prax 2009;26:79-89 [5.] Lide DR ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton Ann Arbor London Tokyo: CRC Press; 1993 [6.] Niemann P. Laser-Sinterverfahren in der CAD/CAM-Technik. Quintessenz Zahntechnik 2003;29:38-42 [7.] Safhikani M, Strietzel R. Einfluss modifizierter Oberflächen auf die Verbundfestigkeit. Dent Lab 2008;56:31-37 [8.] Strietzel R. Einfluss des Abstrahlens auf den Metall-Keramik-Verbund. Quintessenz Zahntechnik 2009;35: [9.] DIN_EN_ISO_9693. Metall-Keramik-Systeme für zahnärztliche Restaurationen. Berlin: Beuth Verlag; 2001 [10.] Strietzel R. Frässcheibe gleich Frässcheibe? Quintessenz Zahntechnik 2013;39: [11.] Kirches M, Pack N, Schoofs R. Die Komponenten des dualen Legierungssystems Vigo Liberty im Vergleich. dent lab 2000; 48: [12.] Oppacher R. Alle guten Dinge sind drei: eine Keramik auf zwei unterschiedlichen Legierungen erste Erfahrungen mit Vigo Liberty. Quintessenz Zahntechnik 2000;26: [13.] DIN_EN_ISO_ Metallische Werkstoffe für festsitzende und herausnehmbaren Zahnersatz und Vorrichtungen. Berlin: Beuth Verlag; das dental labor LXII 10/2014

6 Ausflug in die Werkstoffkunde l Werkstoffkunde gisch hergestellten Materialien ist auch der Grund für ihr günstiges Korrosionsverhalten von Wirobond C+ und Wirobond MI+. Die Ionenabgabe setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Zum einen ist die eigentliche Korrosion zu nennen, also die elektrochemisch bedingte Bildung von Ionen und deren in-lösung-gehen und zum anderen die Löslichkeit von bereits vorhandenen Oxiden aus dem Herstellungsprozess. Gegenüber pulvermetallurgisch hergestellten Materialien weist der Guss gewisse Nachteile auf. Die Gussingots werden in der Regel nicht im Vakuum erschmolzen und besitzen daher einen gewissen Oxidgehalt. Der Zahntechniker gießt diese Ingots nochmals unter atmosphärischen Bedingungen auf und vergrößert dadurch den Oxidgehalt zusätzlich. Zwar sind die Ionenabgaben gemäß ISO auch von gegossenem Wirobond SG (< 10 g/ cm 2 in sieben Tagen) sehr niedrig und liegen weit unterhalb des in der ISO [13] geforderten Grenzwertes von 200 µg/cm 2 in sieben Tagen. Die Ionenabgaben von Wirobond C+ und Wirobond MI+ liegen jedoch noch deutlich niedriger, nämlich bei < 1 g/ cm 2 in sieben Tagen! Die äußerst niedrigen Ionenabgaben legen eine hohe Biokompatibilität nahe. Dies kann durch verschiedene Tests belegt werden: n Zellgiftigkeit (Zytotoxizitäts-Test): Hier prüft man mit Eluaten unterschiedlicher Konzentration, ob die Stoffwechselaktivität von Zellkulturen eingeschränkt wird. n Mutagenität (Ames-Test): In einem Zelltest wird die Mutagenität mit Hilfe von Eluaten geprüft. n Sensibilisierungstest: Hier wird das Allergenisierungs-Potential geprüft. Alle drei Tests wurden von den Wirobond-Varianten erfolgreich bestanden. Dies wird durch ein Biozertifikat belegt. Zusätzlich wird bei BEGO Medical der Produktionsprozess hinsichtlich Biokompatibilität überwacht. So können Kühl- und Schmiermittel die Biokompatibilität drastisch herabsetzen. Daher wird unter anderem die Zytotoxizität nach Änderungen im Produktionsprozess gemessen. Fazit Die CAD/CAM-Technologie ist aus der Zahntechnik nicht mehr wegzudenken. Sie ist fester Bestandteil im Arbeitsalltag nahezu jedes Zahntechnikers geworden. Neben neuen Produktionstechniken wurden neue Werkstoffe, zum Beispiel das Zirkoniumdioxid, eingeführt oder bestehende Werkstoffe durch die neuen Fertigungsmethoden optimiert. Aufgrund der vielfältigen Anforderungen gibt es weder für das Material noch für die Fertigungsmethode eine alles umfassende Lösung. Der Vorteil von Fertigungszentren, die als verlängerte Werkbank für das Dentallabor arbeiten, ist neben einer großen Palette an Möglichkeiten zur Fertigung von Zahnersatz, das Profitieren vom Know-How eines spezialisierten Unternehmens und die erhebliche Zeitersparnis. Mit Hilfe von Fertigungszentren können zudem Auftragsspitzen sowie der urlaubs- oder krankheitsbedingte Ausfall von Personal kompensiert werden. Last but not least können Fertigungszentren als Ergänzung für die eigene Produktion dienen. Nähere Informationen unter n Korrespondenzadresse: PD Dr. R. Strietzel Bego Bremer Goldschlägerei Wilhelm Herbst GmbH & Co. KG Wilhelm-Herbst-Straße Bremen Telefon (04 21) strietzel@bego.com Weitere Infos unter das dental labor LXII 10/