Fertigung und CAM

Grundsätzlich können additive (aufbauende) Verfahren und subtraktive (abtragende) Verfahren unterschieden werden. Typische Vertreter für additive Verfahren sind die Stereolithographie oder die direkte Formgebung von Keramik durch Urformen.

Urformen:

  • das Werkstück entsteht aus einem keramischen ("formlosen") Ausgangsmaterial, z.B. Pulver oder Schlicker, ggf. unter Nutzung einer Form. Beispiele: Elektrophorese, Trockenpressen, Spritzguss (additive Verfahren).

Umformen:

  • Das Werkstück entsteht aus einem Rohling, z.B. Stangenmaterial (geformt), das ohne Materialabtragung umgeformt wird.

Trennen:

  • das Werkstück entsteht aus einem Rohling, z. B. Stangen- oder Blockmaterial, indem Material abgetragen wird (subtraktives Verfahren).

Unter den in dentale CAD/CAM-Systeme integrierten Fertigungsverfahren erlangen in den letzten Jahren sog. Rapid-Prototyping-Verfahren (Stereolithographie, Selektives Laser Sintern, Fused Deposition Modeling) an Bedeutung. Diese Verfahren werden in der Industrie beispielsweise eingesetzt, um im Entwicklungsprozess Musterteile oder kleine Serien zu fertigen. 

 

Subtraktive Verfahren (trennende Verfahren)

Hartbearbeitung:

  • Der dichtgesinterte bzw. zusätzlich gehippte Oxidkeramik-Rohling bedingt lange Bearbeitungszeiten und hohen Werkzeugverschleiß.

Grünbearbeitung:

  • Die verwendeten Rohlinge wurden nur in Form gebracht (z.B. Pressen) und getrocknet. Das recht weiche Material setzt der Bearbeitung kaum Widerstand entgegen und ist wenig formstabil. Bei der anschließenden Nachbearbeitung (Sintern, Glasinfiltration) unterliegt es der vollständigen Sinterschwindung.

 Weißbearbeitung:

  • Der Rohling wurde teilgesintert. Je höher der Sintergrad, desto größer ist der Widerstand, der der Bearbeitung entgegengesetzt wird, umso geringer ist aber auch die verbleibende Sinterschwindung. Hieraus ergibt sich ein Optimum für den Sintergrad, bei dem der reduzierte Bearbeitungsaufwand den zusätzlichen Aufwand für das zweistufige Sintern aufwiegt.

Die Bearbeitung der Rohlinge erfolgt in zwei Schritten:

Schruppen:

  • Möglichst zügiger Abtrag großer Mengen an Material (konturbegrenzt).

Schlichten:

  • Beim anschließenden Schlichten soll eine hohe Maß-, Form- und Oberflächengüte erreicht werden (flächengeführt).

Das anschließende Schleifen erfolgt mit rotierenden vielschneidigen Werkzeugen ohne geometrisch bestimmte Schneiden. Bei der Hartbearbeitung sind an die CNC-Maschine folgende Anforderungen zu stellen:

  • Einsatz einer keramikoptimierten CNC-Maschine (Hochfrequenzspindel, hohe Maschinensteifigkeit)
  • Einsatz von optimaler Software zur Erstellung der Fräsbahnen für die zu fertigenden Geometrien
  • Kühlung, um die Überhitzung der schlecht wärmeleitenden Keramiken zu vermeiden
  • Anwendung kleiner Schleifstifte, um bei der Innenbearbeitung Hohlräume im inzisalen/okklusalen Bereich zu vermeiden
  • Anwendung an die Eingriffsverhältnisse angepasster Bearbeitungsparameter.

Aktuell arbeiten die Mehrzahl der am Markt verfügbaren CAD/CAM-Systemen subtraktiv, so dass diese Vorgehensweise hier dargestellt wird.

 

Additive Verfahren

Zu den additiven Verfahren gehören z.B. die elektrophoretische Abscheidung von Keramikschlicker, das Aufpressen von Aluminiumoxid- oder Zirkondioxidkeramik auf vergrößerte Duplikatstümpfe mit anschließender maschineller Außenkonturierung und Sinterung oder das Urformen. Aus dem Bereich des Rapid-Prototyping entnommene Technologien sind z.B. die Stereolithographie, das 3D-Drucken, das Selektive Lasersintern oder die Formgebung durch Spritzguss.

Elektrophorese:

  • Abscheidung von keramischem Schlicker (Ionen oder Teilchen mit Oberflächenladung) im elektrischen Feld an der entgegengesetzt geladenen Elektrode. Dabei wird ein, die Sinterschwindung ausgleichender Duplikatstumpf als Kathode (Leitsilberlackbeschichtung) eingesetzt. Eine anschließende Sinterung und Glasinfiltration sind notwendig.

Aufpressen und Fräsen:

  • Auf einen, die zu erwartende Sinterschwindung ausgleichenden, leicht vergrößerten Duplikatstumpf wird Keramikschlicker oder Pulver aufgebracht. Anschließend wird die Außenkontur nachgearbeitet und abschließend gesintert.

Stereolithographie:

  • Flüssige Monomere oder Harze werden mittels Belichtung durch einen Laser durch Polymerisation lokal verfestigt. Es werden Schichten unterschiedlicher Dicke erzeugt, die untereinander Verbindung haben. Bei der Photopolymerisation mit Licht im sichtbaren Bereich wird ein Acrylat mittels Maskenprojektion schichtweise gehärtet (Digital Light Processing-Technologie - DLP). Die Genauigkeit hängt von der Schichtdicke ab und hat andererseits Einfluss auf die Geschwindigkeit.

3D-Drucken:

  • Das virtuelle Modell wird in einzelne, übereinander liegende Schnitte zerlegt, die dann schichtweise aufeinander gefertigt werden (z-Richtung).  Zwei beheizte Extrudierdüsen verteilen in der x-y-Ebene in jeder Schicht Bau- bzw. Stützmaterial. Dabei wird das Modell in der Bauebene (x-y-Richtung) sehr genau, in z-Richtung hängt die Genauigkeit von der gewählten Schichtdicke ab. Die Fertigungsgeschwindigkeit ist ebenfalls von der Schichtdicke abhängig. Die Herstellung der Restaurationen erfolgt anschließend in konventioneller Gusstechnik.

Selektives Lasersintern (SLS):

  • Die Gerüste werden im SLS schichtweise aufgebaut. Eine Rolle verteilt das pulverige Material (vorgewärmt bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur) in dünnen Schichten auf der Arbeitsebene. Dieses wird durch einen Laserstrahl, der entsprechend den Vorgaben des CAD-Modells entlang des Bauteilquerschnittes gesteuert wird, verdichtet. Zur Zeit können Edelmetall- und Nichtedelmetalllegierungen gesintert werden, das Lasersintern von Keramik ist noch nicht marktreif. Beim LaserCUSING® werden ausschließlich Originalwerkstoffe ohne Zusätze verwendet, die mittels Laser durchgeschmolzen werden, so dass ein fester Werkstoffverbund, hohe Dichte und eine große Oberflächengüte entstehen (z.B. Verarbeitung von Titan).

Spritzguss:

  • Ein Pulver-Binder-Gemisch wird bei ca. 100° C hydraulisch in Spritzgusswerkzeuge gedrückt. Nach dem Erkalten kann der Grünling der Form entnommen werden. Dieser muss entbindert (Braunling) und anschließend gesintert werden (Fertigteil).

Die Umsetzung erfordert jeweils verfahrensspezifische Vorgehensweisen. Weitergehende Informationen finden Sie beispielsweise unter

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