DE3921514A1 - Verfahren zur herstellung individueller formen fuer gussteile aus hochreaktiven metallen bzw. metallegierungen - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung individueller Formen für Gußteile aus hochreaktiven Metallen bzw. Metallegie­ rungen umfassend die Herstellung eines dem zu erstel­ lenden Gußteil entsprechenden Wachsmodells und das Einbetten des Wachsmodells in eine metallische Ein­ bettmasse sowie das Ausschmelzen des Wachses unter Er­ zeugung eines Formhohlraums in der metallischen Ein­ bettmasse, wobei die metallische Einbettmasse nach dem Ausfüllen des Gießhohlraums und dem Aushärten der Gießmasse aufbrechbar ist.

Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Patent­ anmeldung P 37 25 755 bekannt. Das gattungsgemäße Ver­ fahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Gußteilen aus biokompatiblen Werkstoffen.

Herkömmlicherweise werden für biomedizinische Gußteile Werkstoffe wie Edelstahl oder Cr-Mo-Co-Legierungen verwendet, deren Reaktivität gegenüber Gasen der At­ mosphäre und Formwerkstoffen, wie z. B. Keramiken, re­ lativ gering ist. Solche Werkstoffe können dementspre­ chend z. B. im Schleudergußverfahren mit Hilfe indivi­ dueller keramischer Formen, welche durch Verwendung eines Wachsmodells erstellt wurden, gegossen werden. Diese Werkstoffe weisen allerdings den Nachteil auf, daß sie nicht hinreichend biologisch verträglich sind.

Als besonders gut biokompatible Werkstoffe sind demge­ genüber die Metalle Titan, Tantal, Niob oder Zirkonium und deren Legierungen bekannt, wobei diese Werkstoffe auch sehr vorteilhafte mechanische Eigenschaften für biotechnische Anwendungen aufweisen.

Problematisch ist jedoch die Verarbeitung dieser Werk­ stoffe, da sie eine sehr hohe Reaktivität sowohl mit den Bestandteilen der Atmosphäre als auch mit Form­ werkstoffen aufweisen. Bei manchen Gießmaterialen, wie z. B. Titan, ist weiterhin die Ausbildung einer sauer­ stoffstabilisierten Alpha-Phase ("Alpha Case") an der Oberfläche des Gußteils problematisch, da diese Alpha- Phase ("Alpha Case") zwar eine relativ große Härte, jedoch auch eine geringe Duktilität aufweist. Das gleiche Problem ergibt sich hinsichtlich möglicher Reaktionen mit Elementen wie Alluminium, Eisen, Nickel oder Chrom sowie Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und anderen.

Es ist an sich bekannt, die in Betracht stehenden Werkstoffe zur Herstellung einer Vielzahl untereinan­ der identischer Gußteile in metallische Dauerformen (Kupferkokillen) zu gießen. Außerdem sind Formen aus Graphit bekannt, bei denen jedoch insbesondere bei kleineren Teilen eine Reaktion mit dem Kohlenstoff eintritt, was zu einer Versprödung führt. Weiterhin sind Gießformen aus Yttriumoxid bekannt, welche jedoch sehr teuer sind. Außerdem stellt sich zwischen dem Yttriumoxid und z. B. Titan ein Gleichgewicht ein, d. h. das Titan nimmt einen gewissen Anteil an Sauerstoff auf und versprödet hierdurch.

Aus der eingangs genannten, gattungsgemäßen Patentan­ meldung ist erstmals ein Verfahren bekannt geworden, durch welches die Herstellung individueller Gießformen für individuell ausgebildete prothetische Teile mög­ lich wird.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein derartiges Verfahren weiter zu entwickeln und insbesondere die Herstellung von Gußteilen mit vorteilhaften Oberflächeneigenschaften bei Minimierung des Aufwandes für die Nachbearbeitung des fertigen Gußteils zu ermöglichen und gleichzeitig eine Erhöhung der Formgenauigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wachsmodell vor dem Einbetten in die metallische Einbettmasse mit einem Metallüberzug versehen wird.

Durch das Aufbringen eines Metallüberzuges auf das Wachsmodell vor dem Einbetten desselben in die Ein­ bettmasse aus Metallpulver wird beim Gießen eine sehr rasche Wärmeableitung durch eine Verminderung des Wär­ meleitungs-Übergangswiderstandes an der Oberfläche der Einbettmasse erreicht. Gleichzeitig führt der Metall­ überzug dazu, daß die Oberfläche des fertigen Gußteils sehr glatt ausfällt und damit das Erfordernis einer Nacharbeitung auf ein Minimum reduziert wird. Das Vor­ sehen eines derartigen Metallüberzugs gewährleistet also, daß die mit dem vorbekannten, gattungsgemäßen Verfahren prinzipiell erreichbare Vorteile auch tat­ sächlich realisiert werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist vorgesehen, daß das Wachsmodell elektrisch leitend gemacht und galvanisch mit dem Metallüberzug versehen wird. Dies bedeutet also, daß das Wachsmodell in ein elektrolytisches Bad gebracht wird und darin als Kathode fungiert.

Das Modellierwachs kann entweder durch Beimengung ei­ nes elektrisch leitenden Zusatzes, wie Metallpulver, Kohlepulver oder dergleichen leitfähig gemacht werden, oder aber durch Tauchen, Auftragen, Aufsprühen oder dergleichen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung. Besonders gute Erfahrungen wurde damit gemacht, daß auf das Wachsmodell ein Silber-Leitlack mit einem Pin­ sel aufgetragen wurde.

Alternativ zu einer galvanischen Herstellung des Me­ tallüberzuges kann auch vorgesehen sein, daß dieser durch PVD (Physical Vapor Deposition) oder CVD (Chemical Vapor Deposition) aufgebracht wird.

Hinsichtlich der Aufbringbarkeit und der vorteilhaften galvanischen Eigenschaften ist als Metallüberzug vor­ zugsweise eine Kupfer- oder Silberschicht vorgesehen.

Die Dicke des Metallüberzugs liegt günstigerweise zwi­ schen 10 und 100 µ, wobei aber je nach Anforderung auch noch höhere Schichtdicken realisiert werden kön­ nen.

Die metallische Einbettmasse besteht in an sich be­ kannter Weise aus einem Metallpulver, einer Metallpul­ vermischung bzw. einer Mischung unter Zusatz von Me­ talloxiden.

Nach dem Einbetten des mit einem Metallüberzug verse­ henen Wachsmodells wird die metallische Einbettmasse in an sich bekannter Weise durch Sintern verfestigt, wobei das Modellierwachs ausgeschmolzen wird, wobei anschließend organische Reste in dem Gießhohlraum durch Anlegen eines Vakuums ausgedampft werden.

Die erfindungsgemäße Kombination des Vorsehens eines Metallüberzugs auf dem Wachsmodell mit dem Einbetten in ein Metallpulver ermöglicht es, die Wärmeabfuhr in Anpassung an Art und Größe des zu erstellenden Guß­ teils und der als Gußmaterial verwendeten Legierung bzw. des entsprechenden Metalls gezielt zu steuern und zu optimieren.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Gießform, wel­ che nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren herge­ stellt wurde.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird die Her­ stellung einer Krone für zahntechnische Zwecke be­ schrieben.

Zunächst wird in herkömmlicher Weise durch den Zahn­ arzt ein Gipsabdruck des zu verblendenden Zahnes er­ stellt. Anhand dieses Gipsabdruckes wird mit einem marktüblichen Modellierwachs in ebenfalls bekannter Weise ein Wachsmodell erstellt.

Dieses Wachsmodell wird nun leitfähig gemacht, indem mittels eines Pinsels ein kommerziell verfügbarer Sil­ ber-Leitlack aufgetragen wird.

Nach dem Austrocknen wird die elektrisch leitende Überzugsschicht des Wachsmodells als Kathode eines galvanischen Bades verwendet.

Als Gegenelektrode wird eine platinierte Titananode in einem Kupferelektrolyten verwendet. Durch Anlegen einer Spannung wird innerhalb von ca. 2 Stunden eine etwa 100 µ Dicke Kupfer-Überzugsschicht auf dem leit­ fähig gemachten Wachsmodell abgelagert.

Das Wachsmodell mit der so erzeugten Metallschicht wird in einem Behälter in ein Metallpulver eingebet­ tet. Das Metallpulver besteht aus einem Gemisch von Kupfer- und Zinnpulver in einem Mengenverhältnis von 10 : 1. Durch das beigemengte Zinn mit seinem relativ niedrigen Schmelzpunkt wird der Sintervorgang einge­ leitet. Anschließend wird die gesamte Anordnung im Va­ kuum einer Temperatur von etwa 500°C ausgesetzt, wo­ bei der Sintervorgang fortschreitet und gleichzeitig das Wachs des Wachsmodells ausschmilzt und aufgrund des angelegten Vakuums organische Dämpfe abgezogen werden.

In die so erstellte Gußform kann nun mit einer her­ kömmlichen Gießvorrichtung, in welcher z. B. Titan mit Hilfe eines Lichtbogens unter Schutzgas aufschmelzbar ist, der Guß erfolgen.

Nach dem Aushärten des so gegossenen Gußteils kann das gesinterte Metallpulver mühelos durch Abkratzen ent­ fernt werden. Der verbleibende Kernbereich um das Guß­ teil mit dem Kupferüberzug wird in ein Salpetersäure­ bad gebracht, wodurch die restlichen Formrückstände und insbesondere auch die Kupferschicht vollständig abgelöst werden, wobei aber das Titan-Gußteil selbst überhaupt nicht angegriffen wird.

Eine auf diese Weise gegossene Krone weist eine weit­ gehend glatte, metallisch blanke Oberfläche auf, so daß in Abhängigkeit von der Qualität des Wachsmodells nun nur noch eine sehr geringe Nachbearbeitung durch Schleifen bzw. Polieren erfolgen muß. Im günstigsten Fall kann eine Nachbearbeitung ganz entfallen. Außer­ dem weist eine derart hergestellte Krone eine sehr hohe Formgenauigkeit auf, d. h. sie entspricht prak­ tisch identisch dem Wachsmodell.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung individueller Formen für Gußteile aus hochreaktiven Metallen bzw. Metallegie­ rungen, umfassend die Herstellung eines dem zu erstel­ lenden Gußteil entsprechenden Wachsmodells und das Einbetten des Wachsmodells in eine metallische Ein­ bettmasse sowie das Ausschmelzen des Wachses unter Er­ zeugung eines Formhohlraums in der metallischen Ein­ bettmasse, wobei die metallisch Einbettmasse nach dem Ausfüllen des Gießhohlraums und dem Aushärten der Gießmasse aufbrechbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachsmodell vor dem Einbetten in die metallische Einbettmasse mit einem Metallüberzug versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachsmodell elektrisch leitend gemacht und galvanisch mit dem Metallüberzug versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modellierwachs durch Beimengung eines elek­ trisch leitenden Zusatzes, wie Metallpulver, Kohlepul­ ver oder dergleichen leitfähig gemacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Wachsmodell durch Tauchen, Auftragen, Auf­ sprühen oder dergleichen eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Wachsmodell ein Leitlack aufgetragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug durch PVD (Physical Vapor Deposition) oder CVD (Chemical Vapor Deposition) auf­ gebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug eine Kupfer- oder Silberschicht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Metallüberzugs ca. 10 bis 100 µ beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Einbettmasse aus Metallpulver, ei­ ner Metallpulvermischung bzw. einer Mischung unter Zu­ satz von Metalloxiden besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Einbettmasse in an sich bekannter Weise durch Sintern verfestigt wird, wobei das Model­ lierwachs ausgeschmolzen wird, wobei anschließend or­ ganische Reste in dem Gießhohlraum durch Anlegen eines Vakuums ausgedampft werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettmasse bzw. deren Zusammensetzung so ge­ wählt wird, daß die Wärmeabfuhr in Anpassung an Art und Größe des zu erstellenden Gußteils und der als Gußmaterial verwendeten Legierung bzw. des entspre­ chenden Metalls gezielt gesteuert wird.

12. Gußteil, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer Gießform gegossen ist, die nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wurde.