1998 LS 8.3 Schweißen, Löten und Kleben

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Schweißen, Löten und Kleben

Situation Brücke gebrochen. Möglichkeiten: Schweißen/Löten und Kleben?

Verbinden/Fügen

Es gibt eine Vielzahl von Fällen, in denen Zahntechnikerinnen und Zahntechniker Teile miteinander verbinden müssen: Eine Brücke, die gebrochen ist, eine Prothese, bei der etwas abgebrochen ist oder die Verbindung von Primärteil und Sekundärteil bei Implantaten.

Man unterscheidet zwischen lösbaren Verbindungen und unlösbaren Verbindungen:

Lösbare Verbindungen

Lösbare Verbindungen sind Verbindungen, die ohne Beschädigung der verbundenen Teile wieder gelöst werden können. Sie sind dafür gedacht, bei Bedarf demontiert und wieder zusammengesetzt zu werden. Beispiele hierfür sind:

• Schraubverbindungen: Schrauben und Muttern können leicht ein- und wieder ausgeschraubt werden.
• Steckverbindungen: Steckdosen und Stecker, die einfach getrennt und wieder verbunden werden können.
• Klemmverbindungen: Klemmen oder Clips, die durch mechanischen Druck Teile zusammenhalten und bei Bedarf wieder gelöst werden können.

Unlösbare Verbindungen

Unlösbare Verbindungen sind Verbindungen, die nicht ohne Zerstörung oder erhebliche Beschädigung der Teile getrennt werden können. Diese Art von Verbindung ist dauerhaft und wird verwendet, wenn eine hohe Festigkeit und Stabilität erforderlich ist. Beispiele hierfür sind:

• Schweißverbindungen: Teile werden durch Schweißen (mit oder ohne Schweißzusatz) dauerhaft miteinander verbunden.
• Lötverbindungen: Metallteile werden durch Erhitzen und Zugabe eines Lotmetalls fest miteinander verbunden.
• Klebverbindungen: Teile werden durch Klebstoffe dauerhaft verbunden, wobei der Kleber aushärtet und eine feste Verbindung bildet.
• Nieten: Nieten werden durch Verformen dauerhaft in die Teile eingesetzt.

Man unterscheidet auch folgende Verbindungstechniken:

Stoffschlüssige Verbindungen sind eine Art der festen Verbindung zwischen zwei oder mehr Materialien, bei der die Verbindung durch das Verbinden der Werkstoffe selbst entsteht. Das bedeutet, dass die Materialien an der Verbindungsstelle so miteinander verbunden werden, dass sie eine einheitliche, durchgehende Struktur bilden.

Formschlüssige Verbindungen sind Verbindungen, bei denen die Teile durch ihre Form so miteinander verbunden sind, dass sie nicht ohne weiteres voneinander getrennt werden können. Die Verbindung wird durch ineinandergreifende Formen erreicht, die eine Bewegung oder das Auseinanderfallen der Teile verhindern.

Kraftschlüssige Verbindungen sind Verbindungen, bei denen die Teile durch Reibungskraft zusammengehalten werden. Diese Reibungskraft entsteht durch das Zusammendrücken oder Klemmen der Teile, wodurch sie aneinander haften und sich nicht gegeneinander bewegen können.

Laserschweißen

Schweißen ist ein Verfahren zur unlösbaren Verbindung von Werkstoffen, bei dem durch Wärmeeinwirkung (oft in Kombination mit Druck) die Materialien an den Verbindungsstellen aufgeschmolzen und miteinander verschmolzen werden. Dabei entsteht eine stoffschlüssige Verbindung, die nahezu so stark wie das Ausgangsmaterial ist.

In der Zahntechnik wird häufig Laserschweißen genutzt. Das Laserschweißen ist ein modernes Schweißverfahren, bei dem ein Laserstrahl als Energiequelle verwendet wird, um Materialien zu verbinden. Dieses Verfahren ist besonders für präzise und hochqualitative Schweißnähte geeignet und wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Medizintechnikindustrie eingesetzt.

Ein Laserstrahl wird durch einen Laseroszillator erzeugt. Die häufig verwendeten Lasertypen sind CO2-Laser, Nd:YAG-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) und Faserlaser. Der Laserstrahl wird mittels Spiegeln und Linsen zum Schweißbereich geführt und auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert, was eine hohe Energiedichte ermöglicht. Der fokussierte Laserstrahl trifft auf die Oberfläche der Werkstoffe und erwärmt diese lokal sehr stark. Die hohe Energiedichte des Laserstrahls führt zum Aufschmelzen des Materials.

Die aufgeschmolzenen Bereiche der Werkstoffe verschmelzen miteinander und bilden nach dem Erstarren eine feste Schweißnaht. Je nach Anwendungsfall kann das Verfahren im Durchschweißmodus oder im Tiefschweißmodus durchgeführt werden. Im Durchschweißmodus wird der Laserstrahl verwendet, um dünne Materialien vollständig zu durchdringen, während im Tiefschweißmodus tiefe und schmale Schweißnähte in dickeren Materialien erzeugt werden.

Das Laserschweißen bietet zahlreiche Vorteile. Der Laserstrahl kann sehr genau gesteuert werden, wodurch präzise Schweißnähte mit minimaler Wärmeeinflusszone möglich sind. Aufgrund der konzentrierten Energiezufuhr bleibt die Wärmeeinflusszone klein, was zu minimaler thermischer Verformung führt. Zudem ermöglicht das Verfahren schnelle Schweißprozesse, was die Produktivität erhöht. Laserschweißsysteme lassen sich gut in automatisierte Fertigungsprozesse integrieren, was die Automatisierbarkeit des Verfahrens unterstreicht. Weiterhin können verschiedene Materialien, einschließlich schwer schweißbarer Legierungen und dünner Bleche, miteinander verbunden werden.

Das Laserschweißen bietet viele Vorteile, doch es gibt auch einige Nachteile, die bei der Entscheidung für dieses Verfahren berücksichtigt werden müssen.

Die Anschaffungskosten für Laserschweißanlagen sind sehr hoch. Die Laserquelle, Strahlführungssysteme und die erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen machen diese Technologie zu einer teuren Investition. Dies kann insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen eine Hürde darstellen. Neben den hohen Anschaffungskosten können auch die Wartungs- und Betriebskosten erheblich sein. Laserquellen und die damit verbundenen Systeme erfordern regelmäßige Wartung, um eine optimale Leistung sicherzustellen. Zudem können Ersatzteile und Verbrauchsmaterialien teuer sein.

Funktionsweise

Der Laserstrahl führt der Materialoberfläche an der Auftreffstelle mehr Energie zu, als durch Wärmeleitung im Material abgeführt werden kann. Dadurch entsteht ein Wärmestau im Material, das örtlich begrenzt aufgeschmolzen wird. Der Wärmestau ist abhängig von der Leistungsdichte des Laserstrahls und den Eigenschaften des Werkstoffes. Er ist umso größer, je mehr Energie (Wärmemenge) pro Zeiteinheit (Pulsleistung) während der Einwirkdauer des Laserstrahls in das Material abgegeben wird und je kleiner die Einwirkfläche (Schweißdurchmesser) des Laserstrahls ist. Wegen der geringen Wärmeeinflusszone kann das Laserschweißen neben dem Schweißpunkt in unmittelbarer Nähe von Keramik- oder Kunststoffverblendungen ausgeführt werden.

Aufbau Laser

In der Zahntechnik verwendet man als Laserschweißgeräte sogenannte Festkörper-Laser. Das sind optisch gepumpte quantenelektronische Verstärker mit elektrisch nichtleitenden, dotierten Kristallen als aktives Medium (Laseraggregat). Damit werden die hochfrequenten Schwingungen mit Hilfe von gespeicherter Energie phasenrichtig verstärkt. Das Laseraggregat ist bei einem Festkörper-Laser das aktive Medium in Form elektrisch nichtleitender, dotierter Kristalle, die hochfrequente Schwingungen phasenrichtig verstärken können. Die Kristalle bestehen aus synthetisch hergestelltem, mit dreiwertigen Chromionen dotiertem Aluminiumoxid (Al2O3; Rubin) oder aus Yttrium-Aluminium-Granat, das mit Neodym-Ionen dotiert (YAG:Ng oder manchmal Ng:YAG) wird. Ein Laser-Kristall besteht aus synthetisch hergestelltem, mit Chromionen dotiertem Aluminiumoxid (Rubinkristall). Das emittierte (ausgestrahlte/abgegebene) und verstärkte rote Licht hat die Wellenlänge 694 nm. Das optische Pumpen geschieht mit intensiven Lichtblitzen über eine Gasentladungslampe. Diese Lampe kann wendelförmig um den stabförmigen Rubinkristall geführt sein oder sie ist stabförmig in einer der beiden Brennlinien eines Reflektors mit spiegelnder Innenwand angebracht.

Als Laserparameter bezeichnet man die einstellbaren Größen, die ein reproduzierbares Schweißergebnis ermöglichen. Bei Laserschweißgeräten lassen sich Laserparameter, wie Wellenlänge und Leistungsdichte des Laserstrahls, Emissionscharakteristik (Strahlung kontinuierlich, getaktet, gepulst), Impulslänge, Leistungsdichte, Impulsenergie, Impulsfrequenz und Fokussierung des Laserstrahls, festlegen. Das Laser-Schweißgerät (z.B. Heraeus-Laser Nd YAG) besteht aus dem Lasergerät und dem Arbeitsplatz, die über Glasfaserkabel zur verlustfreien Übertragung des Laserlichtes miteinander verbunden sind.

Vorgehen

Ein beispielhafter Ablauf kann in folgendem Dokument entnommen werden: https://www.dentaurum.de/files/989-850-10_2008-05.pdf

Arbeits- und Gesundheitsschutz

Informationen zum Arbeits- und Gesundheitsschutz (Berufsgenossenschaft):

https://sicheres-dentallabor.bgetem.de/dentallabor/keramik-modellraum/laser

Informationen zum Arbeits- und Gesundheitsschutz (Dentaurum):

https://www.dentaurum.de/files/989-850-10_2008-05.pdf

Löten

Funktionsweise

Beim Löten wird das Lötmaterial, das meist aus einer Metalllegierung besteht, erhitzt, bis es schmilzt. Das flüssige Lot wird dann zwischen die zu verbindenden Werkstücke gebracht. Die Lötstellen werden ebenfalls erhitzt, jedoch nicht bis zur Schmelztemperatur des Grundwerkstoffs. Das geschmolzene Lot benetzt die Oberflächen der Werkstücke und fließt in die Lötstelle, wobei es durch Kapillarwirkung verteilt wird. Nach dem Erstarren des Lots entsteht eine feste Verbindung zwischen den Werkstücken.

In der Zahntechnik nutzt man meist folgende Lötverfahren:

• Löten mit offener Flamme (Bunsenbrenner, Lötlampe, Azetylen-Sauerstoffbrenner);
• Ofenlöten mit präziser Temperaturregelung;

Damit eine brauchbare Verbindung entsteht, muss das Lot die gleichen Materialeigenschaften wie das Grundmetall aufweisen, einschließlich Festigkeit, Farbe und Beständigkeit im Mund. Außerdem muss das Lot das gleiche elektrische Potential wie das Grundmaterial haben, um elektrolytische Reaktionen im Mund zu vermeiden. Für verschiedene Legierungen müssen passende Lote verwendet werden.

Durch spezielle Legierungszusätze niedrigschmelzender Metalle werden die Schmelztemperaturen der Lote gesenkt. Hauptbestandteile der Lote sind meist Gold, Palladium und Silber. Die Arbeitstemperaturen der Lote liegen im Allgemeinen 50 - 100 °C unter den Solidustemperaturen der Grundwerkstoffe.

Während des Lötvorgangs bleibt das Grundmaterial fest, wird aber bis nahe an seinen Soliduspunkt erhitzt. Dadurch erhöht sich die Atombewegung im Gitter, die Atomabstände vergrößern sich, das Gitter dehnt sich aus und es kommt zur Wärmedehnung. Diese technische Herausforderung besteht darin, bei großen Werkstücken Wärmespannungen und Verziehen zu kompensieren. Eine gleichmäßige langsame Erwärmung durch das Ofenlöten kann dies gewährleisten.

Die Verbindungen, die durch Löten hergestellt werden, sind in der Regel weniger stark als geschweißte Verbindungen. Das Lötmaterial hat oft eine geringere Festigkeit und Tragfähigkeit als die Grundwerkstoffe, was die Belastbarkeit der Lötstelle einschränken kann. Lötverbindungen sind zudem weniger temperaturbeständig als Schweißverbindungen. Bei hohen Temperaturen kann das Lötmaterial erweichen oder schmelzen, was die Integrität der Verbindung beeinträchtigt. Dies kann insbesondere in Umgebungen mit hohen thermischen Belastungen problematisch sein.

Lötstellen können anfällig für Korrosion sein, insbesondere wenn unedle Lötmaterialalien verwendet werden. Die Korrosionsbeständigkeit der Lötstelle kann geringer sein als die der Grundwerkstoffe, was zu einer verminderten Lebensdauer der Verbindung führen kann. Während das Löten in der Elektronik weit verbreitet ist, können Lötverbindungen unerwünschte elektrische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können Lötstellen unerwünschte Widerstände oder parasitäre Kapazitäten einführen, die die elektrische Leistung beeinflussen.

Lötverbindungen erfordern eine sorgfältige Vorbereitung der Oberflächen. Die Werkstücke müssen sauber und frei von Oxiden, Fett und anderen Verunreinigungen sein, um eine gute Benetzung und Haftung des Lotes zu gewährleisten. Dies kann zusätzlichen Aufwand in der Produktion bedeuten.

Während des Lötvorgangs bleibt der Grundwerkstoff fest, erwärmt sich aber nahe dem Soliduspunkt, was zu einer Gittererweiterung und Wärmespannungen führen kann. In flüssigem Lot sind die Atome beweglich und dringen an den Korngrenzen in das geweitete Gitter des Grundwerkstoffs ein. Diffusion führt dazu, dass die unedlen Lotbestandteile in die Grenzschicht eindringen und diese Zone mit unedlen Komponenten anreichern, während das Lot edler wird.

Die Güte einer Lotnaht hängt vom Diffusionsgrad (Grad der Vermischung) ab, der größer ist, je geringer der Temperaturunterschied zwischen Lot und Grundwerkstoff ist, je länger die Arbeitstemperatur gehalten wird und je ähnlicher die Legierungsstrukturen von Lot und Grundwerkstoff sind.

Die Qualität der Lotnaht kann durch den Zahntechniker beeinflusst werden durch:

• Auswahl des passenden Lotes
• Verwendung von wenig Lot
• Vermeidung des Zuschmierens der Lotnaht
• Gleichmäßige Erwärmung von Lotnaht und Werkstück
• Nachwärmen zur Erhöhung der Diffusion
• Langsames Abkühlen, niemals abschrecken

Für eine optimale Lotnaht müssen die Werkstücke parallel zueinander stehen und einen Abstand von 0,05 mm bis 0,2 mm haben, um eine Kapillarwirkung (s. Video unten) zu ermöglichen. Die Lötflächen sollten beschliffen und sauber sein. Ein Flussmittel hält die Lötstelle frei von Oxiden und Verunreinigungen.

Während des Lötens müssen die Werkstücke fixiert sein, um Verschiebungen zu verhindern. Ein Lötmodell ist oft erforderlich. Eine gleichmäßige Erwärmung des Lötblockes verhindert Wärmespannungen und Verzerrungen.

Die Ofenlötung bietet den Vorteil einer gleichmäßigen Durchwärmung, was die Gefahr von Spannungen und Verziehungen minimiert.

Zusammenfassend ist Löten ein vielseitiges und effektives Verfahren zur Verbindung von Werkstoffen, jedoch gibt es Einschränkungen bezüglich der mechanischen Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsanfälligkeit der Lötstellen. Außerdem sind sorgfältige Vorbereitungen und Umweltaspekte zu berücksichtigen. Trotz dieser Nachteile bleibt Löten in vielen Bereichen unverzichtbar, insbesondere dort, wo Präzision und die Erhaltung der Materialeigenschaften entscheidend sind.

Vorgehen

Es wird mit Löteinbettmasse ein Lotmodell hergestellt. Die zu lötende Stelle wird muldenförmig ausgeschliffen Die Metallteile werden in die richtige Position gebracht, dann wird der Bereich, in dem gelötet werden soll, erhitzt und das geschmolzene Lot zwischen die beiden Teile eingeführt. Vor dem Löten muss die Lötnaht sorgfältig vorbereitet werden: sie sollte schmal, parallelwandig und sauber sein. Außerdem wird sie mit Flussmittel bedeckt, um unerwünschte chemische Reaktionen zu verhindern. Das Lot wird durch Kapillarwirkung in den Spalt gezogen und dringt in das Grundmaterial beider Teile ein. Außerdem soll zur Unterstützung der Kapillarwirkung die Oberfläche des Lötspalts aufgeraut, d.h. angeschliffen sein. Dadurch wird die Oberfläche auch gleich sauber und oxidfrei. Da das Lot etwas weicher ist als der Grundwerkstoff, ist die Härte an der Lötstelle geringer. Im Randbereich der Lötstelle vermischen sich die Ursprungslegierung und das Lot und bilden neue Mischkristalle, die härter sein können, als die Ursprungslegierung.

Kapillareffekt

Eine Beispielhafte Anleitung finden Sie hier: Vorbereitung und Lötung

Beachten Sie:

Die Lötflächen müssen aufgeraut werden, um eine größere Oberfläche zu schaffen. Eine raue Oberfläche ist größer als eine glatte oder polierte Fläche und lässt sich besser mit Lot benetzen. Dies führt zu einer verbesserten Kapillarwirkung, Diffusion und Legierung, sowie zu einer besseren Verzahnung zwischen Lot und Grundmaterial. Das Schleifen der Lötflächen hat außerdem den Zweck, sie von Schmutz, Fett und Oxiden zu befreien.

Ein Flussmittel wird benötigt, um den Lötbereich während des Lötvorgangs frei von Schmutz, Fett und Oxiden zu halten. Durch seine reduzierende Wirkung verhindert es die Oxidbildung, die bei Temperaturen über 750°C auftreten würde. Nur auf einer oxidfreien Oberfläche kann das Lot vollständig benetzen.

Flussmittel, die von Scheideanstalten angeboten werden, bestehen aus Borsäure (H3BO3), Borax (Na2B4O7•10H2O) und Fluoriden (Na3AlF6) und sind auf die Löttemperatur abgestimmt. Diese Flussmittel müssen im Arbeitstemperaturbereich von 750 bis 1100°C (DIN 8511) zähflüssig sein, die Lotnaht abdecken, Oxide reduzieren und deren Neubildung verhindern. Da die Flussmittel in diesem Temperaturbereich nur begrenzt Oxide lösen können, sollte die Gesamtlötzeit 5 Minuten nicht überschreiten.

Die Werkstücke müssen während des Lötens fest und unverrückbar fixiert sein. Ein Lötmodell ist dafür in der Regel notwendig. Der Lötblock aus Löteinbettmasse sollte klein genug sein, um bei der Flammenlötung schnell und sicher erhitzt zu werden, aber groß genug, um die Wärme lange genug zu speichern. Der Lötblock muss sich bei der Löttemperatur genauso ausdehnen wie das Grundmaterial, weshalb Gusseinbettmasse ungeeignet ist, da sie sich zu stark ausdehnt und den Lötspalt auseinanderzieht.

Eine gleichmäßige Erwärmung des Lötblocks ist erforderlich. Wenn nur die Lötstelle erhitzt wird, entstehen starke Wärmespannungen, die zum Reißen des Lötblocks führen können. Dies beeinträchtigt die Werkstücke, die unter Spannung stehen und sich verziehen. Bei einseitiger Erwärmung wird der Lötspalt oft massiv verringert, weil sich die Werkstücke nur in den Lötbereich hinein ausdehnen können, was die Passgenauigkeit der verlöteten Teile beeinträchtigt.

Dieser Fehler tritt bei der Ofenlötung nicht auf, da im Ofen eine gleichmäßige Erwärmung garantiert ist.

Beispiel