Schmelzverfahren
Schmelzen von Metallen in der Zahntechnik
Allgemeines zum Thema
Gewichtete Kriterien für einen guten Schmelzofen erstellen, evtl. aus Sicht von Zahntechniker (Technisch), Laborbesitzer (Wirtschaftlich), Zahnarzt (Qualität), Patienten(Qualität)
Informieren, Plakat erstellen (keine ganzen Sätze abschreiben)
Plakat-Präsentation / Galeriegang, wenn die Gruppe groß genug ist
Eintragen der Kriterien
Vergleich der Verfahren anhand Kriterien
Flammschmelzen
Informationsmaterial zum Thema Offene Flamme
Allgemeines
Beim Flammschmelzen wird das Metall in einer keramischen Schmelzmulde mithilfe einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme geschmolzen. Dieses Verfahren erfordert viel handwerkliches Geschick und ist für die Verarbeitung von eher geringen Metallmengen ausgelegt.
Beim Flammschmelzen wird die Legierung mithilfe einer Gas-Sauerstoff-Flamme in einem Tiegel geschmolzen. Der Prozess beginnt damit, dass ein Brenngas (z.B. meist 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 einer extrem hohen Temperatur. Dabei können je nach Brenngas Temperaturen von bis zu 3200 °C erreicht werden.
Ablauf
Das Flammschmelzverfahren erfordert Übung und ist für ungelernte hoch Gefährlich. Es darf nur nach einer ausführlichen Einweisung durchgeführt werden. Diese Beschreibung dient nur zur Veranschaulichung und ersetzt keine Einweisung. Den genauen Ablauf und alle Sicherheitsvorkehrungen lernt man von erfahrenen KollegInnen im Labor.
Beispielhafter Ablauf: Die Gasflaschen müssen gegen Umfallen und stöße gesichert sein. Das Flaschenventil muss geöffnet werden, dann zeigt das Inhaltsmanometer an dem angeschraubten Druckminderer den Druck der Gasflasche und damit auch den Inhalt der Gasflasche an. An der Einstellschraube kann man den Arbeitsdruck einstellen, dieser wird an dem Arbeitsmanometer angezeigt. Der Arbeitsdruck ist viel geringer als der Gasflaschendruck. Der Arbeitsdruck ist der Druck mit dem das Gas über die Schläuche zum Brenner geleitet werden. Das Absperrventil muss geöffnet werden, dann kann das Gas zum Brenner fließen. Hinter dem Absperrventil muss ein Sicherheitsventil angebracht werden, falls es zu einen Flammrückschlag kommt.
Folgende Reihenfolge muss laut DGUV bei Saugbrennern üblicherweise eingehalten werden:
1. Sauerstoffventil öffnen,
2. Brenngasventil öffnen,
3. ausströmendes Gasgemisch anzünden,
4. Flamme einstellen.
Zum Abstellen muss in umgekehrter Reihenfolge verfahren werden.[1]
Beim Flammschmelzen wird immer eine Vormischflamme genutzt. Bei einer Vormischflamme wird dem Brennstoff vorher Sauerstoff zugemischt. Beim Flammschmelzen wird üblicherweise eine Flamme mit wenig Sauerstoff verwendet, so entzieht die Flamme der Umgebung den Sauerstoff und der Umgebungssauerstoff kann nicht an die Schmelze gelangen. So verhindert man, dass der Sauerstoff mit der geschmolzenen Legierung reagiert.
[Bild Foto unterschiedliche Flammen, Neutrale, oxidierende und aufkohlende Flamme]
Die Menge an Gas die ausströmt wird als Ausströmgeschwindigkeit bezeichnet. Je nach zu schmelzender Legierung wird eine harte (große Ausströmgeschwindigkeit) oder weiche (geringe Ausströmgeschwindigkeit) Flamme eingestellt. Je höher die Ausströmgeschwindigkeit desto heißer wird die Flamme.
Das Flammschmelzverfahren benötigt viel Übung und ist auch nicht ganz ungefährlich. Zudem Überhitzt man schnell die Legierung, welches zu einer geringeren Qualität führen kann. Beim Flammschmelzverfahren können nur geringe Mengen an Legierung geschmolzen werden.
Hier einige kurze Videos die ein Flammschmelzen zeigen:
Flammschmelzen
Flammschmelzen und anschließendes Gussschleudern
Flammschmelzen in der Nahaufnahme
Gesundheits- und Arbeitsschutz
Grundsätzlich gilt: Geräte werden nur verwendet wenn man darin Eingewiesen wurde und man sich sicher ist, damit sicher Umgehen zu können.
Dies gilt insbesondere für das Flammschmelzen. Hier sind einige Sicherheitshinweise die es zu beachten gilt: Man muss die persönliche Schutzausrüstung (PSA) tragen. Dass heißt spezielle Schutzhandschuhe zum Flammschmelzen, Schutzbrille und einen Körperschutzanzug. Die Haare müssen zusammen gebunden sein. Schmuck sollte nicht getragen werden. Die Gasflaschen müssen vor Umfallen und Stößen geschützt sein. Zudem dürfen die Gasflaschen normalerweise nur aufrecht verwendet werden. DIe Gasflaschen dürfen also nicht liegen. Die Umgebung muss geschützt sein, so dürfen z.B. keine brennbaren Gegenstände herumliegen. In kleineren Räumen muss für eine Frischluftzufur gesorgt werden.
Die Sauerstoffflasche kann bei falschen Umgang wie eine Rakete umherfliegen.
Das Brenngas ist hoch explosiv und leicht entzündlich.
Viele nützliche Tipps findet man bei der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) zum Thema Gasschweißen: https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/319
Widerstandsofen
Informationsmaterial zum Thema Widerstandsofen
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).
Das Gussgerät mit Widerstandsschmelzverfahren viel 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.
Induktionsofen
Informationsmaterial zum Thema Induktionsofen
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.
[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 in Bewegung. Durch diese Bewegung der Elektronen in der Legierung wird Wärme erzeugt, die nach kurzer Zeit 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 Induktionsschmelzen
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.