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). Es ist wichtig, dass Legierungen nicht über die Gießtemperatur erhitzt werden, da dies zu Fehlern im Guss führen kann, wie beispielsweise Lunker oder schlechte Legierungseigenschaften. Wenn die Legierung über die Gießtemperatur erhitzt wird, spricht man von Überhitzung.

In der Zahntechnik werden hauptsächlich drei Schmelzverfahren verwendet:

   Flammschmelzverfahren
   Widerstandsschmelzverfahren
   Induktionsschmelzverfahren

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

Flammschmelzen

Allgemeines

Aufbau zum Flammschmelzen mit Acetylen und Sauerstoff

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. An der Düse entzündet sich das Gemisch und bildet eine Flamme mit extrem hoher Temperatur. 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:

Sauerstoffventil öffnen,
Brenngasventil öffnen,
Ausströmendes Gasgemisch anzünden,
Flamme einstellen.

Zum Abschalten erfolgt der Vorgang in umgekehrter Reihenfolge.

Beim Flammschmelzen wird immer eine Vormischflamme genutzt, bei der dem Brennstoff 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).

[Bild: Fotos verschiedener Flammentypen - neutrale, oxidierende und aufkohlende Flamme]

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 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

Widerstandsofen

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

Beim Widerstandsschmelzen erfolgt das Schmelzen der Legierung durch eine 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 treffen entsteht Wärme. Der Heizleiter umgibt 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:

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

Den Strom kann man sehr gut steuern, daher kann man die erwärmung der Schmelze gut steuern und es kommt die Qualität der Güsse sind sehr gut. Das Verfahren eignet sich zum Schmelzen von Legierungen mit Schmelzpunkten von bis zu etwa 1300°C. Der Einsatz solcher Geräte ist vor allem beim Gießen von Edelmetall-Legierungen üblich. NEM-Legierungen haben jedoch häufig einen zu hohen Schmelzpunkt und können mit dem Widerstandsschmelzen nicht geschmolzen werden. Das Widerstandsschmelzverfahren dauert normalerweise etwa 8 Minuten (bei dem Gussgerät mit Widerstandsschmelzverfahren Heraeus Combilabor CL-G 77 A).

Die Bedienung des Gussgeräts mit Widerstandsschmelzverfahren ist sehr einfach.

Das Gussgerät mit Widerstandsschmelzverfahren kostet mehr als das Flammschmelzverfahren aber weniger als das Induktionsverfahren. Bei dem Widerstandsschmelzverfahren gehen die Heizleiter je nach geschmolzener Legierung etwa einmal im Jahr kaputt. Dies kostet natürlich auch Geld. Ansonsten braucht das Gerät keine besondere Wartung.

Heute werden keine Gussgeräte mit Widerstandsschmelzverfahren mehr angeboten, man kann aber noch gebrauchte Gussgeräte mit Widerstandsschmelzverfahren finden. Wenn diese jedoch kaputt gehen, ist es sehr schwer Ersatzteile zu finden.

Gefahren beim Widerstandsschmelzen

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 Das Anfassen des Gerätes kann zu Verbrennungen führen. Bei Nichtbeachtung der Sicherheitsvorkehrungen kann es durch die hohe Spannung zu lebensgefährlichen Stromstößen kommen.

Induktionsschmelzverfahren

Schmelztiegel umgeben von wassergekühlter Induktionsspule

Induktionsschmelzen geschieht in der Zahntechnik mit sogenannten induktiven Gießgeräten. Die Legierung die gegossen werden soll, muss dazu natürlich erst geschmolzen werden. Dies geschieht durch induktive Wärme. Die Legierung muss dazu magnetisierbar sein und seine Magnetisierung selbstständig beibehalten (ferromagnetisch).

Ferromagnetisch sind z.B. Cobalt, Nickel und Eisen. Nicht ferromagnetisch sind Silber, Gold und Aluminium. Reine Goldlegierungen könnten also nicht mit diesem Verfahren geschmolzen werden. Die Legierungen bestehen allerdings nie aus 100 % Gold und wenn andere Bestandteile ferromagnetisch sind, funktioniert es auch.

Um die Legierung zu schmelzen wird die Legierung in einen Tiegel gefüllt und dieser Tiegel ist von einer Spule umgeben. An dieser Spule wird Wechselspannung angelegt, die Richtung, in der die Elektronen in der Spule fließen wechselt also sehr häufig (etwa 1,5 Millionen mal die Sekunde).

[Animation Wechselspannung in der Spule]

Durch diese Spannung wird die Legierung im inneren des Tiegels magnetisch und es wechselt ständig seine Polung (positiv, negativ, positiv, negativ und dass immer wieder ganz schnell hintereinander).

Dieses ständig wechselnde Magnetfeld bringt die freien Elektronen (Elektronegas, negativ geladen) und Metall-Ionen (positiv geladen) in einem Metallgitter der Legierung in Bewegung. Durch diese Bewegung der Elektronen in der Legierung wird Wärme erzeugt, die nach kurzer Zeit (etwa 4 Minuten) ausreicht, um die Legierung zu schmelzen. Dabei kommt es gleichzeitig zu einer guten Durchmischung der Schmelze. Die Spule wird dabei selbst warm und zusätzlich ist die Spule noch nah an der sehr heißen Legierung. Daher muss die Spule mit Wasser gekühlt werden (siehe Abbildung).

Da man die Spannung sehr gut steuern kann, kommt es normalerweise nicht zu einer Überhitzung der Legierung. Dies führt zu guten Gussergebnissen und vermeidet unnötig langes ausarbeiten. Das Induktionsschmelzen ist aber nicht so günstig. Das Gießgerät hat einen hohen Anschaffungspreis und muss regelmäßig gewartet werden. So muss regelmäßig das Kühlwasser nachgefüllt werden und Zudem kann es wie die meisten komplizierten Geräte kaputt gehen. Beim Gießen werden zudem hohe Stromkosten verursacht. Die Bedienung durch den Zahntechniker ist nach einer Einweisung einfach. Die meisten Geräte haben die üblichen Legierungen bereits einprogrammiert und man muss nur noch den Anweisungen auf dem Bildschirm folgen.

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.