Schmelzverfahren

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Schmelzen von Metallen in der Zahntechnik

Um die Legierung gießen zu können, muss sie zuerst geschmolzen werden. Dafür wird die Legierung auf die Schmelztemperatur erhitzt, und zum Gießen wird sie auf die Gießtemperatur gebracht (die Schmelztemperatur und Gießtemperatur sind für Legierungen immer angegeben).

In der Zahntechnik werden hauptsächlich drei Schmelzverfahren verwendet:

• Flammschmelzverfahren
• Widerstandsschmelzverfahren
• Induktionsschmelzverfahren

Diese Schmelzverfahren erhitzen die Legierungen bis auf die Gießtemperatur auf unterschiedliche Weise und haben jeweils ihre Vor- und Nachteile.

Flammschmelzverfahren

Allgemeines

Aufbau zum Flammschmelzen mit Acetylen und Sauerstoff

Keramik Tiegel für ein Gießgerät (hier Schleuderguss) mit dem Flammschmelzverfahren

Beim Flammschmelzen wird die Legierung in einem Tiegel mithilfe einer Gas-Sauerstoff-Flamme geschmolzen (siehe Videos). Der Prozess beginnt damit, dass ein Brenngas (wie beispielsweise Acetylen oder Propan) mit Sauerstoff vermischt und durch eine Düse am Brenner (Handstück) geleitet wird. Das aus der Düse austretende Gasgemisch wird angezündet (siehe Video). Eine Flamme mit extrem hoher Temperatur entsteht. Je nach Brenngas können Temperaturen von bis zu 3200 °C erreicht werden.

Dieses Verfahren erfordert ein hohes Maß an handwerklichem Geschick und ist vor allem für die Verarbeitung geringer Metallmengen ausgelegt.

Das Flammschmelzverfahren zeichnet sich durch seine kostengünstige Anschaffung und den Betrieb aus. Die Geräte zur Flammschmelze erfordern nur geringe Wartung und sind robust, sodass sie nicht leicht beschädigt werden. Beachten Sie, dass das Flammschmelzverfahren nur für kleine Mengen an Legierungen geeignet ist. Das Flammschmelzverfahren erfordert viel Übung und ist nicht ungefährlich. Es besteht zudem die Gefahr der Überhitzung der Legierung, was zu einer geringeren Qualität führen kann.

Ablauf

Druckminderer an einer Gasflasche

Das Flammschmelzverfahren erfordert Übung und ist für Ungelernte äußerst gefährlich. Es darf nur nach einer ausführlichen Einweisung durchgeführt werden. Diese Beschreibung dient lediglich zur Veranschaulichung und ersetzt keine professionelle Einweisung. Den genauen Ablauf und alle Sicherheitsvorkehrungen erlernt man am besten von erfahrenen Kollegen im Labor.

Grober Ablauf: Die Gasflaschen müssen gegen Umfallen und Stöße gesichert sein. Zunächst wird das Flaschenventil geöffnet, wobei das Inhaltsmanometer am angeschraubten Druckminderer den Druck der Gasflasche und somit den Inhalt anzeigt. Über die Einstellschraube kann der Arbeitsdruck festgelegt werden, welcher am Arbeitsmanometer angezeigt wird. Der Arbeitsdruck ist wesentlich niedriger als der Gasflaschendruck und bestimmt den Druck, mit dem das Gas durch die Schläuche zum Brenner geleitet wird. Nachdem das Absperrventil geöffnet wurde, kann das Gas zum Brenner fließen. Hinter dem Absperrventil sollte ein Sicherheitsventil angebracht werden, falls es zu einem Flammrückschlag kommt.

Üblicherweise wird bei Saugbrennern folgende Reihenfolge eingehalten:

1. Sauerstoffventil öffnen,
2. Brenngasventil öffnen,
3. Ausströmendes Gasgemisch anzünden,
4. Flamme einstellen.

Zum Abschalten erfolgt der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge.

Beim Flammschmelzen wird immer eine Vormischflamme genutzt, bei der dem Brenngas vorher Sauerstoff zugemischt wird. Beim Flammschmelzen wird üblicherweise eine Flamme mit geringem Sauerstoffanteil verwendet, sodass die Flamme der Umgebung den Sauerstoff entzieht und dieser nicht mit der schmelzenden Legierung reagieren kann (siehe Videos).

Die Menge an ausströmendem Gas wird als Ausströmgeschwindigkeit bezeichnet. Je nach zu schmelzender Legierung wird eine harte Flamme (große Ausströmgeschwindigkeit) oder eine weiche Flamme (geringe Ausströmgeschwindigkeit) eingestellt. Eine höhere Ausströmgeschwindigkeit führt zu einer heißeren (harten) Flamme.

Hier einige kurze Videos die ein Flammschmelzen zeigen (Bitte die Hinweise zur persönlichen Schutzausrüstung beachten):

Flammschmelzen

Flammschmelzen und anschließendes Gussschleudern

Flammschmelzen in der Nahaufnahme

Gesundheits- und Arbeitsschutz

Im Bereich des Gesundheits- und Arbeitsschutzes gelten grundsätzliche Regeln: Geräte sollten nur von Personen verwendet werden, die darin geschult wurden und sich sicher im Umgang damit fühlen.

Dies ist besonders wichtig beim Flammschmelzen. Hier sind einige Sicherheitshinweise zu beachten:

• Persönliche Schutzausrüstung (PSA) muss getragen werden. Dazu gehören spezielle Schutzhandschuhe für das Flammschmelzen, eine Schutzbrille und ein Körperschutzanzug. Die Haare sollten zusammengebunden sein, und das Tragen von Schmuck ist nicht empfehlenswert.

• Gasflaschen müssen vor Umfallen und Stößen geschützt werden. Außerdem sollten Gasflaschen normalerweise nur aufrecht verwendet werden. Es ist wichtig, dass die Gasflaschen nicht liegend aufbewahrt werden.

• Die Arbeitsumgebung muss geschützt sein. Es sollten keine brennbaren Gegenstände in der Nähe liegen. In kleineren Räumen sollte für eine ausreichende Frischluftzufuhr gesorgt werden.

• Die unsachgemäße Handhabung der Sauerstoffflasche kann zu gefährlichen Situationen führen, wie beispielsweise dem Wegfliegen wie eine Rakete.

• Das Brenngas ist hoch explosiv und leicht entzündlich. Es ist äußerste Vorsicht geboten.

Bitte beachten Sie diese Sicherheitshinweise, um Unfälle zu vermeiden und die Gesundheit und Sicherheit aller zu gewährleisten.

Viele nützliche Tipps findet man bei der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) zum Thema Gasschweißen: https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/319

Widerstandsschmelzverfahren

Querschnitt Tiegel mit Legierung umgeben von einer Spule durch die Strom fließt

Beim Widerstandsschmelzen erfolgt das Schmelzen der Legierung durch einen erhitzten Heizleiter.

Ein Heizleiter ist ein Draht durch den Strom fließen, der einen hohen elektrischen Widerstand hat und hohe Temperaturen verträgt. Durch den Heizleiter wird elektrischer Strom geleitet, wenn der Strom (also die Elektronen) auf Widerstand (die Atomkerne im Heizleiter) treffen, schwingen die Atomkerne und durch die Reibung entsteht Wärme. Der Heizleiter umgibt (rundherum) den Tiegel mit der Legierung (siehe Abbildung). Der Heizleiter wird stark erhitzt und erhitzt somit die Legierung in dem Tiegel, bis die Legierung schmilzt.

Hier ein kleines Video über ein Gießgerät mit Widerstandsschmelzverfahren:

Keramik Tiegel für ein Gießgerät mit Widerstandsschmelzverfahren

Hier ein kleines Video, welches verdeutlicht warum die Wärme im Heizleiter entsteht:

Freiwillige Zusatzinformationen (falls noch Zeit vorhanden ist): https://www.youtube.com/watch?v=g5tR0AzQjfE

Der Strom kann effektiv gesteuert werden, wodurch eine präzise Kontrolle der Schmelzerwärmung möglich ist und hochwertige Gussteile entstehen. Dieses Verfahren eignet sich für Legierungen mit Schmelzpunkten von bis zu etwa 1300°C. Es wird hauptsächlich beim Gießen von Edelmetall-Legierungen angewendet. NEM-Legierungen haben oft einen zu hohen Schmelzpunkt, wodurch sie nicht mit dem Widerstandsschmelzverfahren geschmolzen werden können. Die Durchführung des Widerstandsschmelzverfahrens dauert normalerweise etwa 8 Minuten (bei Verwendung des Gussgeräts Heraeus Combilabor CL-G 77 A mit Widerstandsschmelzverfahren).

Die Bedienung des Gussgeräts mit Widerstandsschmelzverfahren ist sehr einfach.

Im Vergleich zum Flammschmelzverfahren ist das Gussgerät mit Widerstandsschmelzverfahren teurer, aber günstiger als das Induktionsverfahren. Bei diesem Verfahren gehen die Heizleiter, abhängig von der geschmolzenen Legierung, etwa einmal im Jahr kaputt. Dies bedeutet zusätzliche Kosten. Ansonsten erfordert das Gerät keine besondere Wartung. Der Stromverbrauch ist sehr hoch und das Metall wird über die Heizleiter erwärmt, daher wird viel Energie verschwendet.

Heutzutage werden keine neuen Gussgeräte mit Widerstandsschmelzverfahren mehr hergestellt, aber gebrauchte Geräte sind noch erhältlich. Es kann jedoch schwierig sein, Ersatzteile zu finden, wenn sie beschädigt sind.

Gesundheits- und Arbeitsschutz

Hinweis: Alle Geräte sollten immer nur nach Lesen und Verstehen der Gebrauchsanleitung und im Anschluss an eine ausführliche und verstandene Einweisung bedient werden!

Die Oberfläche des Gussgerätes wird sehr heiß, dies kann zu Verbrennungen führen. Bei Nichtbeachtung der Sicherheitsvorkehrungen kann es durch die hohe Spannung zu lebensgefährlichen Stromstößen kommen.

Induktionsschmelzverfahren

Tiegel mit Spule und Hochfrequenz-Magnetfeld

In der Zahntechnik wird das Induktionsschmelzen mithilfe von induktiven Gießgeräten durchgeführt. Dabei wird die Legierung, die gegossen werden soll, mit induktiver Wärme geschmolzen.

Um diesen Prozess durchführen zu können, muss die Legierung magnetisierbar sein und ihre Magnetisierung selbstständig beibehalten, was als ferromagnetisch bezeichnet wird. Beispiele für ferromagnetische Materialien sind Cobalt, Nickel und Eisen, während Silber, Gold und Aluminium nicht ferromagnetisch sind. Aufgrund der Tatsache, dass Dentallegierungen nie zu 100 % aus Gold bestehen und andere ferromagnetische Elemente hinzugefügt wurden, können alle Dentallegierungen mit diesem Verfahren geschmolzen werden. Das Induktionsschmelzverfahren erreicht Temperaturen von bis zu 2000 °C.

Um die Legierung zu schmelzen, wird sie in einen Tiegel gefüllt, der von einer Spule umgeben ist (siehe Abbildung). Durch die Spule fließt ein Hochfrequenzstrom, dessen Richtung sehr häufig wechselt (ungefähr 1,5 Millionen Mal pro Sekunde). Dadurch erzeugt die Spule ein hochfrequentes Magnetfeld, das die Legierung im Tiegel magnetisiert.

Keramik Tiegel für ein Gießgerät mit Induktionsschmelzverfahren

Das ständig wechselnde Magnetfeld bringt die freien Elektronen (Elektronegas, negativ geladen) und Metall-Ionen (positiv geladen) in einem Metallgitter der Legierung in Bewegung. Diese Bewegung der Elektronen erzeugt Wärme in der Legierung, die nach kurzer Zeit (etwa 4 Minuten) ausreicht, um die Legierung zu schmelzen. Gleichzeitig kommt es zu einer guten Durchmischung der Schmelze. Da die Spule selbst warm wird und sich in unmittelbarer Nähe zur heißen Legierung befindet, muss sie mit Wasser gekühlt werden (siehe Abbildung).

Durch die präzise Steuerung der Hochfrequenz besteht normalerweise kein Risiko einer Überhitzung der Legierung. Dadurch werden gute Gussergebnisse erzielt. Da die Wärme direkt in der Legierung erzeugt wird, ist dieses Verfahren äußerst effizient im Hinblick auf den Stromverbrauch.

Allerdings ist das Induktionsschmelzen keine kostengünstige Methode. Das Gießgerät hat einen hohen Anschaffungspreis und erfordert regelmäßige Wartung. Zudem besteht wie bei den meisten komplexen Geräten die Möglichkeit einer Fehlfunktion. Beim Gießen entstehen außerdem Stromkosten.

Die Bedienung des Gießgeräts durch den Zahntechniker ist nach einer Einweisung einfach. Die meisten Geräte haben bereits die gängigen Legierungen vorprogrammiert, sodass der Benutzer lediglich den Anweisungen auf dem Bildschirm folgen muss.

Video der Zahntechniker Meisterschule Berlin zum Thema „Gießen mit der Heracast iQ“

Video zum Schmelzen und Gießen mit der Heracast iQ.

Gefahren beim Induktionsschmelzverfahren

Hinweis: Alle Geräte sollten immer nur nach Lesen und verstehen der Gebrauchsanleitung und im Anschluss an eine ausführliche und verstandene Einweisung bedient werden!

Die geschmolzene Legierung und die Spule werden wie erwähnt sehr warm. Das Anfassen des Gerätes kann zu Verbrennungen führen. Bei Nichtbeachtung der Sicherheitsvorkehrungen kann es durch die hohe Spannung zu lebensgefährlichen Stromstößen kommen. Zudem ist das Gerät nicht für Menschen mit Herzschrittmachern geeignet, da die erzeugten Magnetfelder zu Störungen beim Herzschrittmacher führen können.