Wie wird die Schrumpfung beim Sintern von Zirkonoxid kontrolliert?

Zahnrestaurationen aus Zirkonoxid werden aus vorgesinterten Zirkonoxidblöcken gefräst und anschließend bei hohen Temperaturen gebrannt, um ihre endgültige Dichte und Festigkeit zu erreichen. Dabei wird die Restauration mit zunehmender Materialverdichtung kleiner.

Aber wie kann eine Krone oder Brücke aus Zirkonoxid um ein vorhersehbares Maß schrumpfen und trotzdem die in der CAD-Software entworfenen Abmessungen erreichen?

Die Antwort ist nicht einfach die Sintertemperatur. Die vorhersehbare Schrumpfung von Zirkonoxid ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Materialformulierung, Pulververarbeitung, Vorsinterdichte, Sinterbedingungen, Dimensionsmessung und CAD/CAM-Kompensation.

Warum schrumpft Zirkonoxid beim Sintern?

Vorgesintertes Zirkonoxid ist nicht vollständig dicht. Seine Zirkonoxidpartikel sind miteinander verbunden, zwischen ihnen verbleiben jedoch mikroskopisch kleine Poren.

Wenn das Material erhitzt wird, erhöht thermische Energie die atomare und ionische Mobilität. Durch Diffusionsprozesse kann sich Material in Richtung Partikelkontakte und Korngrenzen bewegen. Die Verbindungen zwischen Teilchen, bekannt als Sinterhälse , allmählich wachsen.

Gleichzeitig werden die Poren kleiner und verschwinden schließlich, wenn das Material dichter wird.

In einfachen Worten:

Die Partikelbindung nimmt zu → das Porenvolumen nimmt ab → die Dichte nimmt zu → die Gesamtabmessungen nehmen ab.

Daher ist die Schrumpfung beim Sintern von Zirkonoxid im Wesentlichen das makroskopische Ergebnis Verdichtung .

Dehnt sich Zirkonoxid zunächst aus und schrumpft es dann?

Diese Frage erfordert eine wichtige Unterscheidung.

Wenn Zirkonoxid erhitzt wird, verformt es sich auf natürliche Weise Wärmeausdehnung . Bei relativ niedrigen Temperaturen kann der Temperaturanstieg zu einer leichten Vergrößerung seiner Abmessungen führen.

Wenn die Temperatur so hoch wird, dass es zu einer deutlichen Sinterung kommt, beginnt die Verdichtung stärker zu wirken. Die Verringerung des Porenvolumens übersteigt schließlich die durch die Wärmeausdehnung verursachte Dimensionszunahme.

Der Gesamtprozess kann daher vereinfacht werden:

Erwärmung → Wärmeausdehnung → Beginn der Verdichtung → zunehmende Schrumpfung → Endverdichtung.

Das bedeutet nicht, dass eine Zahnrestauration sichtbar größer und dann plötzlich kleiner wird. Diese Effekte überlagern sich während eines kontinuierlichen Erhitzungsprozesses und das genaue Dimensionsverhalten hängt vom Material und den Sinterbedingungen ab.

Was bestimmt das Ausmaß der Schrumpfung?

Das Ausmaß der Schrumpfung hängt stark vom Zustand des vorgesinterten Körpers ab.

Einer der wichtigsten Faktoren ist vorgesinterte Dichte .

Betrachten Sie zwei Zirkonoxidblöcke, die aus demselben Pulvertyp hergestellt wurden.

Ein vorgesinterter Block mit geringerer Dichte enthält mehr Porenvolumen. Beim abschließenden Sintern muss mehr Porenraum beseitigt werden, was zu einer stärkeren Verdichtung und möglicherweise einer größeren linearen Schrumpfung führt.

Ein Block mit höherer Dichte enthält weniger verbleibendes Porenvolumen, sodass weniger Raum für eine weitere Verdichtung vorhanden ist.

Dadurch entsteht eine wichtige Beziehung:

Vorgesinterte Dichte → verbleibende Porosität → Verdichtung → Dimensionsschwund

Für die Herstellung von Dentalzirkonoxid ist die Kontrolle der Gleichmäßigkeit der Dichte daher ebenso wichtig wie die Kontrolle der durchschnittlichen Dichte.

Warum ist eine gleichmäßige Dichte wichtig?

Angenommen, verschiedene Bereiche eines Zirkonoxidblocks weisen unterschiedliche Vorsinterdichten auf.

Wenn ein Bereich eine geringere Dichte aufweist als ein anderer, kann es beim Sintern zu einer stärkeren Verdichtung kommen. Infolgedessen können verschiedene Bereiche leicht unterschiedliche Dimensionsänderungen erfahren.

Dies kann zu Maßungenauigkeiten bei größeren oder komplexeren Restaurationen führen.

Aus diesem Grund konzentriert sich die Herstellung von Zirkonoxid darauf, durch kontrollierte Herstellung eine gleichmäßige innere Struktur zu erreichen:

• Pulvereigenschaften

• Pulvermischung und -verarbeitung

• Verdichtung

• Vorsintern

• Dichteverteilung

Ziel ist es nicht einfach, einen bestimmten durchschnittlichen Schrumpfwert zu erreichen, sondern ihn zu erreichen gleichmäßige und wiederholbare Schrumpfung im gesamten Material .

Wie wird die Schrumpfung von Zirkonoxid gemessen?

Zirkonoxid schrumpft nicht in jedem Material oder jeder Produktionscharge um genau den gleichen Prozentsatz.

Daher ermitteln Hersteller den Schwund experimentell.

Ein vereinfachtes Beispiel wäre:

Vorsintermaß: 100,00 mm

Dimension nach dem Sintern: 79,20 mm

Die lineare Schrumpfung beträgt:

[
\frac{100,00-79,20}{100,00}\times100%=20,8%
]

Der entsprechende Maßhaltigkeitsfaktor beträgt:

[
\frac{79,20}{100,00}=0,792
]

Dieser Messwert kann dann zur Festlegung eines geeigneten CAM-Kompensationsfaktors verwendet werden.

In der tatsächlichen Produktion muss die Schrumpfungsprüfung einem kontrollierten Messverfahren folgen und das Dimensionsverhalten kann in verschiedene Richtungen bewertet werden.

Wie kompensiert CAM Schrumpfung?

Dies ist der Hauptgrund dafür, dass eine Restauration nach dem Sintern nahezu wieder ihre vorgesehenen Abmessungen erreichen kann.

Angenommen, die gewünschte Endabmessung ist:

10,00 mm

und der gemessene lineare Schrumpfungsfaktor beträgt ungefähr:

0.792

Das CAM-System muss eine größere vorgesinterte Restauration herstellen:

[
10,00 / 0,792 \ungefähr 12,63\text{ mm}
]

Nach dem Sintern:

[
12,63\times0,792\ungefähr10,00\text{ mm}
]

Die tatsächlich von einem CAM-System verwendeten Werte hängen vom jeweiligen Zirkonoxidmaterial und seinem gemessenen Schrumpfungsfaktor ab.

Daher „weiß“ das Zirkonoxid selbst nicht, dass es auf ein bestimmtes Endmaß schrumpfen muss.

Stattdessen:

Das Material weist eine vorhersehbare Schrumpfung auf → der Hersteller misst sie → das CAM-System gleicht sie aus.

Ist die Schrumpfung in jede Richtung gleich?

Idealerweise sollte ein homogener Zirkonoxidkörper in verschiedenen Richtungen eine ähnliche Schrumpfung aufweisen. Dies wird oft als relativ beschrieben isotrope Schrumpfung .

Allerdings können reale Materialien Unterschiede zwischen der X-, Y- und Z-Richtung aufweisen.

Beispielsweise könnte ein hypothetisches Material angezeigt werden:

Die geringen Unterschiede deuten auf ein relativ gleichmäßiges Dimensionsverhalten hin.

Wenn die Unterschiede größer sind, kann es sein, dass das Material ausgeprägter erscheint anisotrope Schrumpfung .

Dies ist besonders wichtig bei großen Brücken und komplexen Restaurationen, bei denen sich bereits geringe Maßabweichungen häufen können.

Wie wirkt sich das Sinterprogramm auf die Schrumpfung aus?

Das Sinterprogramm bestimmt, wie sich das Material durch den Verdichtungsprozess bewegt.

Wichtige Parameter sind u.a:

• Heizrate

• Maximale Sintertemperatur

• Haltezeit

• Abkühlrate

• Gleichmäßigkeit der Ofentemperatur

• Größe und Geometrie der Restauration

• Platzierung im Ofen

Eine höhere Temperatur bedeutet nicht einfach „bessere Schrumpfkontrolle“.”

Wenn die Sinterbedingungen nicht geeignet sind, können übermäßiges Kornwachstum, unzureichende Verdichtung oder andere Veränderungen in der Mikrostruktur die Endeigenschaften und die Dimensionsstabilität beeinträchtigen.

Ziel ist die Etablierung eines kontrollierter und wiederholbarer Sinterprozess Dadurch werden die erwartete Enddichte und die erwarteten Abmessungen erreicht.

Warum können verschiedene Zirkonoxidmaterialien unterschiedliche Schrumpfungsfaktoren haben?

Verschiedene Zirkonoxidmaterialien können unterschiedliche Eigenschaften haben:

• Pulvereigenschaften

• Partikelgrößenverteilungen

• Stabilisatorsysteme

• Verdichtungsbedingungen

• Vorgesinterte Dichten

• Sinterverhalten

Daher kann nicht für jeden Zirkonoxidblock ein universeller Schrumpfungsfaktor angewendet werden.

Selbst wenn zwei Materialien eine ähnliche Zusammensetzung haben, können ihre Verarbeitungsbedingungen zu unterschiedlichen vorgesinterten Strukturen und damit zu unterschiedlichem Sinterverhalten führen.

Aus diesem Grund sollte der Schrumpfungsfaktor material- und fertigungsspezifisch ermittelt und nicht einfach angenommen werden.

Der vollständige Schrumpfungskontrollprozess

Die Maßhaltigkeit einer Zirkonoxidrestauration kann als geschlossener Prozess betrachtet werden:

Zirkonpulver

↓

Pulververarbeitung und -verdichtung

↓

Kontrollierte vorgesinterte Dichte

↓

Vorsintern

↓

Schrumpfungsmessung

↓

Bestimmung des Schrumpfungsfaktors

↓

CAD/CAM-Kompensation

↓

Mahlen

↓

Endsintern

↓

Verdichtung und Schrumpfung

↓

Endgültige Restaurierung

Dies erklärt, warum Zirkonoxid beim Sintern relativ vorhersehbare Dimensionsänderungen erzielen kann.

Die Genauigkeit kommt nicht allein vom Ofen. Dies geschieht durch die Kontrolle des Materials vor dem Sintern, die Charakterisierung seines tatsächlichen Dimensionsverhaltens, die Aufrechterhaltung eines stabilen Sinterprozesses und die Anwendung der entsprechenden Kompensation während der CAD/CAM-Herstellung.

Abschluss

Die Schrumpfung beim Sintern von Zirkonoxid ist grundsätzlich ein Verdichtungsprozess . Während des Erhitzens ermöglicht die atomare und ionische Diffusion eine engere Bindung der Zirkonoxidpartikel, während die mikroskopischen Poren allmählich kleiner werden. Mit abnehmendem Porenvolumen verringern sich die Gesamtabmessungen des Materials.

Gleichzeitig erfährt Zirkonoxid beim Erhitzen auch eine thermische Ausdehnung. Die endgültige Dimensionsänderung ist daher das Ergebnis mehrerer physikalischer Prozesse, die während des Erhitzungs- und Sinterzyklus ablaufen.

Der Grund dafür, dass Zahnzirkonia vorhersagbare Endabmessungen erreichen kann, liegt nicht darin, dass es um einen genau festgelegten Prozentsatz schrumpft. Stattdessen kontrollieren die Hersteller das Pulver, die Dichte, den Vorsinterprozess und die endgültigen Sinterbedingungen, messen dann die tatsächliche Schrumpfung und kompensieren sie mithilfe von CAD/CAM-Software.