Die Erfindung betrifft ein Heizelement für einen Ofen zum Brennen und/oder Sintern von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus dentalkeramischen Materialien, und einen Ofen zum Brennen und/oder Sintern von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus dentalkeramischen Materialien.

Anwendungsbereiche der Erfindung sind das Sintern bzw. Brennen von in den verschiedensten Industriebereichen einsetzbaren Werkstücken wie z.B. Zahnräder und andere insbesondere in der Automobilindustrie einsetzbare Elemente. Ein weiterer Schwerpunkt der Verwendung der Erfindung ist in der Dentalbranche zu sehen. Dort werden als metallfreier Zahnersatz Zirkonoxid sowie andere dentalkeramische Massen auf Basis von Dental-Legierungen insbesondere aus Zirkon und/oder anderen keramischen Werkstoffen gesintert und gebrannt.

Bei Dentalöfen, die zum Brennen bzw. Sintern von Verblendkeramik mit oder ohne Glanz-Bemalungen oder für Glanzbrände verwendet werden, sind elektrische Widerstandsheizungen bekannt, bei denen ein Heizdraht, vorzugsweise aus Kanthai und in einem Quarzrohr eingezogen, verwendet werden. Diese bekannten Heizelemente sind allerdings lediglich bis maximal 1200 °C einsetzbar.

Weitere bekannte Dentalöfen sind in WO 2018/011061 A1 und WO 2020/088943 A1 beschrieben.

Zum Sintern von Zirkonoxid (SiO2), das in zunehmendem Maße seit einigen Jahren bei dentalen Restaurationen Einsatz findet, wird eine Temperatur von 1650 °C benötigt.

Bei auf dem Markt befindlichen Dentalöfen für das Brennen und/oder Sintern von metallfreiem Zahnersatz wie Zirkonoxidkeramik oder ähnlichem Material sind drei verschiedene Heizsysteme bekannt, nämlich 1 . Heizsysteme mit Molybdändisilizid (MoSi2-Heizsysteme),

2. Heizsysteme mit Siliziumcarbid (SiC) und

3. Heizsysteme mittels Induktion zu 1. Molybdändisilizid:

Molybdändisilizid ist ein dichtes metallkeramisches Material, das aus Molybdändisilizid und einem Oxidanteil, überwiegend einer Glasphase, besteht. Dieser Glasanteil bzw. diese Schutzschicht verändert sich während der Heizphasen und führt zu Abplatzungen und somit zur Verunreinigung des Sinterobjekts (Werkstücks) und/oder des Brennraumes. Die Abplatzungen sind in Form kleiner Glassplitter und Glasstaub deutlich erkennbar.

Dies erfordert nach einigen Brennzyklen einen sogenannten Reinigungsbrand über eine Zeitdauer von mehr als vier Stunden bei einer Temperatur höher 1400 °C, ohne Bestückung des Ofens, was einen erheblichen Zeit- und Energieaufwand mit sich bringt.

Der Reinigungsbrand muss ohne Sinterobjekte so oft durchgeführt werden, bis wieder eine gleichmäßige Schutzschicht an den Molybdändisilizid- Heizelementen erkennbar ist.

Die Auflösung der Oxydschicht am Heizelement führt zur Bildung von MoO3 (Molybdän (Vl)-Oxid), auch „Pestoxidation“ genannt, und dies wiederum zu einer unerwünschten Grün-Gelb-Verfärbung der Restaurationen (Werkstücke). Um Sinterobjekte vor Verunreinigung/Verfärbung zu schützen, ist der Einsatz einer das Werkstück abdeckenden Sinterschale erforderlich.

Auch sind die Molybdändisilizid-Heizelemente bereits nach kurzer Betriebszeit sehr bruchempfindlich und werden in dem Temperaturbereich bis 1650° C bis an den maximalen Einsatzbereich belastet, womit Ausfälle nach kurzen Betriebszeiten die Regel sind. zu 2. Siliziumcarbid:

Siliziumcarbid-Heizstäbe weisen ein ungünstiges Temperatur-Widerstands- Verhalten auf, wodurch eine sehr aufwendige thyristorgesteuerte Regelung erforderlich ist. Darüber hinaus muss darauf geachtet werden, dass ausschließlich diejenigen Stäbe zusammengeschaltet werden, die den gleichen elektrischen Widerstand bzw. den gleichen Alterungszustand aufweisen. Dies führt dazu, dass einzelne defekte Heizstäbe in einem System nicht ausgetauscht werden können. In einem solchen Fall muss das ganze Heizsystem ausgetauscht werden.

Siliziumcarbid-Heizstäbe sind teuer und hoch bruchempfindlich. Ihr Austausch verursacht hohe Ersatzteilkosten im Vergleich zu anderen Heizsystemen. Bei Ausfall eines Siliziumcarbid-Heizelements muss, wie bereits erwähnt, das komplette System ausgetauscht werden, da Heizelemente mit gleichem elektrischem Widerstand zusammengeschaltet werden müssen. Denn ansonsten kommt es innerhalb kürzester Zeit zum Ausfall weiterer Heizelemente. Der Austausch sämtlicher Heizelemente wiederum ist mit noch höheren Kosten verbunden. zu 3. Induktion:

Es ist bekannt, Dentalöfen mittels Induktion zu betreiben, um Werkstücke zu sintern. Ein Induktionsofen weist eine Induktionsspule auf. Die Induktionsspulen werden auch Induktoren genannt. Sie sind in der Regel wassergekühlt, was zum Nachteil des Einsatzes im Dentallabor oder in einer Zahnarztpraxis führt. Der stromdurchflossene Induktor erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, welches mittels Wirbelströmen zu einer kontrollierbaren Erwärmung der Werkstücke führt.

Da es sich im Dentalbereich um nicht leitende Materialien handelt, muss zusätzlich ein Suszeptor eingesetzt, also ein Element, das die Eigenschaft besitzt, elektromagnetische Energie aufzunehmen, diese in Wärme umzuwandeln und durch Konvektion an das Werkstück weiterzuleiten. Da die Induktoren auf die Eigenschaften der zu behandelnden Materialien gut abgestimmt sein müssen, um das gewünschte Wärmeverhalten zu erzielen, sind die Einsatzmöglichkeiten für die verschiedenen nicht leitenden Materialien in der Dentaltechnik sowie insbesondere auf die Größe der Werkstücke eingeschränkt.

Die Brennraumgröße bei den bekannten Induktionsöfen liegt bei max. 3 Kronen, d.h. eine Länge von 38 mm und eine Höhe von 20 mm dürfen nicht überschritten werden.

Aufgrund der hohen Störabstrahlung sind umfangreiche Sicherheitsvorschriften zu beachten. Induktionsöfen dürfen beispielsweise nicht in der Patientenumgebung verwendet werden.

Für die Wärmebehandlung von Werkstücken durch Induktion sind nur begrenzt Materialien erlaubt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Heizelement für Sinter- und/oder Brennöfen zu schaffen, das sich durch hohe Effektivität und hohe Temperaturen auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Heizelement für einen Ofen zum Brennen und/oder Sintern von Werkstücken, insbesondere von Werkstücken aus dentalkeramischen Materialien vorgesehen, das versehen ist mit einem Saphirglasrohr und einem Heizwendel aus Wolfram und/oder Molybdän, der in dem Saphirglasrohr angeordnet ist und nach außen geführte Anschlussleitungen aufweist, wobei die Enden des Saphirglasrohres mittels insbesondere Quarzglas- Verschlüssen gasdicht verschlossen sind und wobei die Anschlussleitungen des Heizwendels durch die insbesondere Quarzglas-Verschlüsse hindurch nach außen geführt sind. Sinngemäß betrifft die Erfindung ein Heizelement, dessen Heizwendel aus Wolfram und dessen Anschlussleitungen Molybdän aufweisen und der in einem Saphirglasrohr angeordnet ist. Bei dem Material dieses Glasrohres handelt es sich um synthetisches Saphir, also um ein Aluminiumoxid mit einem Reinheitswert von 100 %.

Das Saphirglasrohr ist an seinen beiden Enden durch insbesondere Quarzglas bzw. ein anderes hitze- bzw. wärmebeständiges Materials gasdicht verschlossen, wobei durch die beiden Verschlüsse die Anschlussleitungen des Heizwendel gasdicht verlaufen. Nachfolgend wird als Material für diese Verschlüsse der Einfachheit halber von Quarzglas gesprochen. Es wird ein Quarzglas-Rohrstück verwendet, das an seinem dem Saphirglasrohr abgewandten Ende „abgequetscht“ ist. Auch bei dem Material dieses Quarzglas-Rohrstücks handelt es sich um ein synthetisches, das anders als das synthetische Saphirmaterial sich im erweichten Zustand bearbeiten lässt, um nämlich durch Zusammendrücken (Quetschen) den gasdichten Verschluss bei durch diesen verlaufender Anschlussleitung ermöglicht.

Das Saphirglasrohr und die Quarzglas-Rohrstücke sind aneinandergefügt. Vorzugsweise ist für einen besseren Übergang der unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisenden Materialien Saphir und Quarz zwischen beiden jeweils ein Borosilikat-Zwischenstück angeordnet. Auch dieses Borosilikat- Rohrstück ist mit dem Saphirglas und dem Quarzglas-Verschluss gefügt, also gasdicht mit diesen verbunden. Entsprechende Fügetechniken sind im Stand der Technik bekannt. So kann beispielsweise die Fügung durch Glaslot o.dgl. Glasmaterialien erzielt werden. Durch die stufenweise Anpassung an die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten können die daraus resultierenden thermisch bedingten Längenveränderungen ausgeglichen werden. Hierdurch werden thermische bzw. mechanische Spannungen und Risse in und zwischen den einzelnen Glasmaterialien Saphir, Quarz und Borosilikat vermieden und eine Vakuumdichtigkeit bzw. Leckrate von 10-8 mbar * l/s sichergestellt. Im Einbauzustand des Heizelements in einem Ofen ist es zweckmäßig, wenn die Zwischenrohrstücke aus Borosilikat bzw., wenn dies nicht vorhanden ist, die Quarzglas-Verschlüsse außerhalb der Brennkammer des Ofens angeordnet sind. Zusätzlich ist es möglich, diese Zwischenrohrstücke und Quarzglas- Verschlüsse zu kühlen, so dass das Auftreten von Spannungen stark verringert ist.

Die außerhalb der Brennkammer angeordneten Bereiche des Heizelements sind in einem Temperaturbereich bis zu 500 °C vakuumdicht und weisen lediglich eine Leckrate von 10’ ⁸ mbar * l/s auf.

Die Schmelztemperatur der für die Heizwendel und die Zuleitungen eingesetzten Materialien Wolfram und Molybdän liegen oberhalb 2000 °C bis 2500 °C. Diese Materialien eignen sich also insoweit für die Verwendung als Heizwendel des erfindungsgemäßen Heizelements. Dabei besteht der Heizwendel aus Wolfram, wobei der Wendel an seinen Enden über jeweils ein Molybdän- Zwischenstück mit einem elektrischen Leiter aus gewöhnlichem elektrisch leitenden Material vorzugsweise mit erhöhter Temperaturfestigkeit elektrisch verbunden ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Heizwendel elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarot-Bereich von 0,8 pm bis 5 pm oder von 0,8 pm bis 2,5 pm abgibt und dass das Saphir- Glasrohr im Bereich von 0,17 pm bis 6 pm für die elektromagnetische Strahlung durchlässig ist.

Wie bereits oben erwähnt, ist es hinsichtlich des Anpassens der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten von Vorteil, wenn zwischen den Quarzglas- Verschlüssen und den Enden des Saphirglasrohres jeweils ein Zwischenrohrstück aus Borosilikat gasdicht angeordnet ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Saphir-Glasrohr und, soweit vorhanden, die Zwischenrohrstücke aus Borosilikat mit einem Edel- oder anderes Inertgas gefüllt ist bzw. sind. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Heizelements sind darin zu sehen, dass das Heizelement bei Betrieb mit dem vorschriftsmäßigen Strom reaktionsschnell (die Zeit vom „kalten“ Zustand des Heizelements bis zum Erreichen seines Strahlungsmaximums beträgt vorzugsweise wenige Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden oder weniger als 5 Sekunden oder weniger als 3 Sekunden) elektromagnetische Strahlung abgibt und ferner keine Verunreinigungen an dem Werkstück verursacht und darüber hinaus selbst durch Substanzen des Werkstücks oder durch dieses beim Sintern und/oder Brennen verursachte Substanzen, wie z.B. Dämpfe aus Beschichtungen des Werkstücks wie z.B. Glasurmassen, nicht verunreinigt wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Heizwendel aus Wolfram, wobei die Enden des Heizwendels über elektrische Zwischenleiter aus Molybdän mit elektrischen Leitern aus einem anderen Material als Molybdän verbunden sind und/oder wobei die Molybdän-Zwischenleiter sich durch die Verschlüsse des Saphirglasrohres erstrecken.

Die Verschlüsse an den Enden des Saphirglasrohres bestehen aus hitze- bzw. wärmebeständigem Material, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient in etwa dem von Molybdän entspricht. Denn es ist zweckmäßig, dass sich die Molybdän-Zwischenleiter durch diese Verschlüsse erstrecken. Quarzglas eignet sich hier besonders. Andere Matenalkombinationen sind ebenfalls denkbar, weshalb die Erfindung nicht auf Quarzglas aus Verschlussmaterial für das Saphirglasrohr und Molybdän als elektrischer Zwischenleiter beschränkt ist. Der elektrische Zwischenleiter erstreckt sich durch „abgequetschten“ Teil des Verschlusses, sollte also im Wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das Verschlussmatenal, so dass es nicht zu thermischen Spannungen und Rissen kommen kann.

Das erfindungsgemäße Heizelement lässt sich in einem erfindungsgemäßen Ofen einsetzen, in dessen Brennkammer das Heizelement verbaut ist, und zwar vorzugsweise dergestalt, dass die Quarzglas-Verschlüsse außerhalb der Brennkammer angeordnet sind. Das Heizelement wird zweckmäßigerweise durch gegenüberliegende Öffnungen in der Brennkammerwand durch Ver- Schraubungen o.dgl. Fixierungen durchgeführt. Diese Durchführungen in der Brennkammerwand für das Heizelement werden gasdicht verschlossen, so dass innerhalb der Brennkammer ein Vakuum erzeugt werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann in der Brennkammer mindestens ein Reflexionselement angeordnet sein, um die von dem Heizelement abgegebene elektromagnetische Strahlung in Richtung auf das Werkstück zu lenken.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Heizelement teilweise von dem Reflektor Element umgeben ist und/oder dass das Reflektor Element im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist und sich vorzugsweise über die gesamte Länge eines zugehörigen Heizelements erstreckt und/oder dass die in der Brennkammer ausbildenden Kammerwände eine hohe Wärmeisolation aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Ofen ein in der Brennkammer angeordnetes Aufnahmeelement zur Aufnahme des Werkstücks auf, wobei das Aufnahmeelement strahlungsabsorbierendes Material aufweist, das insbesondere Strahlung absorbiert und somit als Suszeptor-Element wirkt, das als thermischer Strahler Wärmeenergie an das Werkstück überträgt.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung weist das Aufnahmeelement Sili- ziumcarbid auf.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Brennkammer nahe dem zu brennenden Keramikelement eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist eine die Temperatur im Bereich des Werkstücks erfassende Temperaturmesseinrichtung vorgesehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Heizelement ist es möglich, Sinter- oder Brennöfen bei extrem hohen Temperaturen von mindestens 1900 °C zu betreiben, wobei der Ofen in diesem Temperaturbereich im Dauerbetrieb eingesetzt werden kann, womit lange Betriebszeiten erreicht werden können. In derartig ausgestatteten Öfen können somit sowohl allgemeine keramische Brände und Sinterprozesse bei extrem hohen Temperaturen atmosphärisch oder unter Vakuum vonstatten gehen. Insbesondere bei „Sinterbränden“ im Temperaturbereich von ca. 1600 °C werden hohe Anforderungen an das Heizelement gestellt. Aufgrund des Einsatzes von Saphirglas erfüllt das erfindungsgemäße Heizelement die Eigenschaften der Zuverlässigkeit, langen Betriebsdauer, Schnelligkeit, Sauberkeit, Energiesparsamkeit und einer hohen, in kurzer Zeit bereitgestellten Wärmeabstrahlung. Dies wird erfindungsgemäß mittels der Verwendung des Saphir-Glasröhres und des Heizwendels aus Wolfram den Molybdän- Übergängen erreicht.

Die physikalischen Eigenschaften von synthetischem Saphirglas erfüllen sämtliche notwendigen Anforderungen an die Beständigkeit gegen aggressive Säuren und Dämpfe, an die Dichte (wichtig für die Gasdichtigkeit), Härte und Druckfestigkeit.

Die für technische und Dental-Sinterprozesse notwendigen Temperaturen von ca. 1600 °C liegen deutlich unter dem von saphirglaskritischen Schmelzpunkt von ca. 2050 °C. Damit hält das Saphir-Glasrohr den erfindungsgemäß vorgesehenen Brennkammertemperaturen von bis zu 1900 °C stand.

Eine weitere relevante Eigenschaft von Saphir liegt in der Transmission, also der Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung des Heizwendels im Bereich von 0,8 pm bis 2,5 pm, womit der Brenn- bzw. Sinterprozess in kürzester Zeit stattfinden kann. Der Strahlungsbereich im Wellenlängenbereich unterhalb von 2 pm hat die Eigenschaft einer höheren Durchdringungstiefe in das Werkstück, womit in kürzerer Zeit qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden können. Die Wärmeenergie gelangt praktisch ausschließlich durch Strahlung zum Werkstück; Wärmekonvektion spielt keine Rolle.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass mit dem Einsatz des Heizelementes und mit den physikalischen Eigenschaften des Saphirglasrohres eine exzellente Transmission im kurzwelligen Infrarotbereich von 0,8 pm bis 2,5 pm gegeben ist.

Von Vorteil ist ferner, dass das Saphirglasrohr bestens gegen chemische und aggressive Medien beständig ist, ausgezeichnete optische sowie mechanische und thermische Eigenschaften aufweist und sich somit bei dauerhaften Belastungen keine Einschränkungen bzw. Veränderungen in der Qualität des Brenn- und/oder Sinterprozessergebnisses eintreten.

Schließlich ist auch als Vorteil anzumerken, dass durch das Einwirken der kurzwelligen Infrarotstrahlung von 0,8 pm bis 2,5 pm auf das Werkstück und die damit verbundene hohe Eindringungstiefe der Strahlung in das Werkstück eine wesentlich kürzere Brenn- und/oder Sinterzeit erreicht wird. Das wiederum reduziert den Energieaufwand signifikant.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

Figur 1 eine vereinfachte Ansicht der wesentlichen Bauteile eines Brenn- und/oder Sinterofens in Explosionsdarstellung und perspektivisch und

Figur 2 eine Seitenansicht auf das Heizelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung wird nachfolgend beschrieben anhand des Einsatzes zweier Heizelemente in einem Dentalofen. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung bei Dentalöfen beschränkt. Auch können mehr oder weniger als zwei Heizelemente 7 in einem Ofen eingesetzt werden.

Ein Dentalofen weist ein Gehäuse 1 mit einem Brennraum 2 auf. Der Innenraum des Gehäuses 1 ist mit einer Hochtemperaturisolierung 6 ausgestattet und mit weiteren hochtemperaturbeständigen Isolierelementen 13, 14 sowie mit einem als Reflektor 13 fungierenden Element versehen. Weiterhin wird das Gehäuse 1 mit einem Deckel und Dichtring 15 verschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Heizelemente 7 im Brennraum 2 angeordnet. Die beiden Heizelemente 7 werden jeweils durch eine Durchgangsöffnung mit vakuumdichten Verschraubungen 12, die im Gehäuse 1 vorgesehen sind, in den Brennraum 1 eingeschoben und fixiert. Die Verschraubungen 12 umgeben und fixieren im montierten Zustand das betreffende Heizelement vakuumdicht.

Die Glasröhre 9 aus synthetischem Borosilikat und 10 aus synthetischem Quarzglas des Heizelementes 7 mit seinen Anschlüssen 11 für die Betriebsspannung liegen außerhalb der Brennkammer 1 , womit das beispielsweise durch Glaslot angefügte Quarzrohr 10 mit der Verbindung des Heizwendels 17 mit der Molybdän-Anschlussleitung 11 , die nach außen geführt ist, gasdicht verpresst ist.

Die Ausgestaltung des Heizelements ist in Fig. 2 gezeigt. Im dargestellten Beispiel ist das Saphir-Glasrohr 8 an beiden Enden an jeweils ein Borosilikat- Zwischenrohrstück 9 gasdicht gefügt und dieses wiederum jeweils weiter an dem abgequetschten Quarzglasrohr 10 gasdicht gefügt. In dem an den Enden gasdicht angefügten Quarzglasrohr 10 ist der Heizwendel 17, der sich durch die Borosilikat-Zwischenrohrstücke 9 erstreckt, über Molybdän-Zwischenstücke 18 mit den nach außen führenden Anschlussleitungen 11 verbunden, die mittels des abgequetschten Teils gasdicht verpresst sind.

Mit Hilfe eines Brenntisches 3 (Fig. 1 ) und mit einem Temperaturfühler s ist es möglich die zu brennenden und/oder zu sinternde Dentalkeramik (Werkstück 4), die auf dem Brenntisch 3 abgestellt ist, in die Brennkammer 2 einzuführen. Die Temperatur des Brennraumes 2 wird mittels des Temperaturfühlers 5 und der entsprechenden elektronischen Steuerung (nicht dargestellt) geregelt.