Sinterofen für Bauteile aus Sinterwerkstoff, insbesondere

Dentalbauteile

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Sinterofen für Bauteile aus einem Sinterwerkstoff, insbesondere für Dentalbauteile und insbesondere für Bauteile aus Keramik, umfassend eine

Ofenkammer mit einem Kammervolumen, wobei in der Ofenkammer eine Aufheizvorrichtung, ein Aufnahmeraum mit einem im Kammervolumen liegenden durch die Aufheizvorrichtung begrenzten Bruttovolumen und ein Nutzbereich mit einem im Bruttovolumen liegenden Nutzvolumen angeordnet sind und wobei die Ofenkammer eine aus mehreren Wänden bestehende Umwandung mit einem in zumindest einer der Wände zu öffnen- den Wandabschnitt zum Einbringen eines zu sinternden

Bauteils mit einem Ob ektvolumen in den Aufnahmeraum aufweist .

Stand der Technik

Entscheidend für die Gestaltung eines Sinterofens ist das zu sinternde Material. Gesintert werden grundsätzlich metallische oder keramische Formkörper, die aus einem

Pulver gepresst wurden und die eventuell entweder direkt oder nach einem Ansinterprozess durch einen Fräs- oder Schleifprozess weiterverarbeitet wurden. Das Material bestimmt das notwendige Temperaturprofil. Die Größe und die Menge der Bauteile bestimmt die Baugröße des Ofens und ebenso das Temperaturprofil. Je heißer der Ofen sein soll, umso dickwandiger ist die Isolation. Die Baugröße des Ofens, der Bauteile und die gewünschte Aufheizgeschwindig- keit bestimmen die Auslegung des Heizsystems und des

Regelverhaltens. Dabei spielt auch die Stromversorgung eine Rolle. Letztendlich unterscheidet vor allem die Baugröße und auch die zur Verfügung stehende Stromversorgung einen Dentalofen für ein Labor von einem Industriesinterofen.

Wärmebehandlungsprozesse, insbesondere das vollständige Sintern von dentalen Restaurationen aus vorgesinterten

Keramiken oder Metallen unter Verwendung eines Sinterofens dauern typischer Weise zwischen 60 min und mehreren Stunden. Der Herstellungsprozess einer dentalen Restauration, die auch noch vorbereitende sowie nachfolgende Schritte erfordert, wird durch diesen Zeitbedarf eines Einzel ^¬ schritts nachhaltig unterbrochen. So benötigt das sogenann ^¬ te Speed-Sintern für Zirkonoxid minimal 60 min.

Das sogenannte Super-Speed-Sintern für Zirkonoxid benötigt heute nur noch minimal 15 Minuten Prozessdurchlaufzeit . Dies setzt allerdings voraus, dass der Sinterofen, insbe ^¬ sondere aufgrund seiner Masse, auf die vorgesehene Halte ^¬ temperatur vorgeheizt wird, was abhängig von der verfügba ^¬ ren Netzspanung zwischen 30 und 75 Minuten dauert. Weiterhin muss der Ofen nach dem Vorheizen über eine automatische Beladesequenz beladen werden, damit spezielle Temperaturprofile eingehalten werden können und der Ofen nicht unnötig abkühlt.

Ein Nachteil des Vorheizens und anschließenden Beiadens ist jedoch, dass der Ofen, insbesondere dessen Isolation sowie dessen Heizelemente einer hohen thermischen Wechselbelas ^¬ tung ausgesetzt werden, was sich mindernd auf die Gerätele ^¬ bensdauer auswirkt .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Sinterofen bereitzustellen, der eine entsprechend kurze Herstellungszeit ermöglicht, ohne dass ein Vorheizen des Sinterofens und/oder eine spezielle Beladesequenzen notwendig sind. Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Sinterofen für Bauteile aus einem Sinterwerkstoff, insbesondere für Dentalbauteile und insbesondere für Bauteile aus Keramik, gelöst, der eine Ofenkammer umfasst, die ein Kammervolumen aufweist und in der eine Aufheizvorrichtung, ein Aufnahmeraum und ein

Nutzbereich angeordnet sind. Der Aufnahmeraum nimmt ein im Kammervolumen liegendes und durch die Aufheizvorrichtung begrenztes Bruttovolumen ein. Der Nutzbereich weist ein Nutzvolumen auf und liegt im Aufnahmeraum. Die Ofenkammer weist weiterhin eine aus mehreren Wänden bestehende Umwan- dung mit zumindest einem zu öffnenden Wandabschnitt zum Einbringen eines zu sinternden Bauteils mit einem Objektvo ^¬ lumen in den Aufnahmeraum auf. Die Aufheizvorrichtung in der Ofenkammer weist mindestens einen thermischen Strahler mit einem Strahlungsfeld auf, der an mindestens einer Seite des Aufnahmeraums angeordnet ist und in dessen Strahlungs ^¬ feld zumindest das Nutzvolumen des Nutzbereichs angeordnet ist. Der maximal mögliche Abstand des zu sinternden Bau- teils zu dem Strahler entspricht höchstens der zweitgrößten Dimension des maximalen Nutzvolumens.

Die Ofenkammer, auch Brennkammer genannt, bildet den das zu sinternde Bauteil aufnehmenden und erhitzenden Teil, also den Kern des Sinterofens. Das gesamte von der Ofenkammer umschlossene Volumen wird als Kammervolumen bezeichnet. Der zwischen der in der Ofenkammer angeordneten Aufheizvorrichtung verbleibende freie Raum kann das zu sinternde Bauteil aufnehmen und wird daher als Aufnahmeraum bezeichnet. Das Volumen des Aufnahmeraums ergibt sich im Wesentlichen aus der zwischen der Aufheizvorrichtung und gegebenenfalls den Kammerwänden verbleibenden lichten Weite und Höhe und wird daher als Bruttovolumen bezeichnet. Als Nutzbereich wird der Bereich des Sinterofens bezeichnet, in dem die für den Sinterprozess notwendige bzw.

gewünschte Temperatur mittels der Heizvorrichtung erreicht wird. Der Nutzbereich ist somit der Bereich, in dem das von dem thermischen Strahler erzeugte Strahlungsfeld die nötige Intensität und/oder Homogenität für den Sinterprozess aufweist und in dem das Bauteil für die Sinterung positio ^¬ niert wird. Dieser Nutzbereich ergibt sich somit im Wesent ^¬ lichen aus dem Strahlungsfeld bzw. aus der Anordnung der Aufheizvorrichtung und deren Abstrahlcharakteristik und kann entsprechend kleiner sein als das Bruttovolumen. Für einen erfolgreichen Sinterprozess sollte das Ob ektvolumen des zu sinternden Objekts daher maximal die Größe des Nutzvolumens aufweisen. Andererseits sollte für möglichst effiziente und schnelle Sintervorgänge die Größe des

Nutzvolumens maximal die Größe einer oberen Abschätzung der zu sinternden Objektvolumen aufweisen.

Soll der Ofen zum Sintern von Objekten verschiedener Größe verwendbar sein, beispielsweise zum Sintern von einzelnen Zahnkronen und auch von Brücken, so kann es daher vorteilhaft sein, den Strahler der Aufheizvorrichtung bewegbar auszugestalten, so dass die Größe des Aufnahmeraums , also das Bruttovolumen, sowie insbesondere die Größe des Nutzbe ^¬ reichs, also das Nutzvolumen, an die Größe des Objekts anpassbar ist.

Das Nutzvolumen kann aber auch durch das Verkleinern des Nutzbereichs verringert und an die Objektgröße angepasst werden. Beispielsweise kann mit einem isolierenden Türeinsatz ein Teil des Aufnahmeraums ausgeblockt werden. Durch eine möglichst gute Ausnutzung des Bruttovolumens, also ein im Verhältnis zum Bruttovolumen möglichst großes Nutzvolumen, kann das während des Sinterprozesses zu erwärmende Volumen möglichst gering gehalten werden, wodurch ein schnelles Aufheizen und insbesondere das

Einsparen eines Vorheizprozesses möglich ist.

Dentale Objekte haben typischerweise Größen von nur wenigen Millimetern bis Zentimetern, so dass entsprechend ein

Nutzvolumen im Bereich von Zentimetern typischerweise ausreicht. Für zu sinternde Einzelzahnrestaurationen, wie Kronen oder Käppchen, kann beispielsweise ein Nutzvolumen von 20x20x20 mm ³ ausreichen. Für größere dentale Objekte, wie beispielsweise Brücken, kann ein Nutzvolumen von

20x20x40 mm ³ ausreichen. Die Dimensionen des Nutzvolumens (VN) können dann vorteilhafterweise höchstens 20 mm x 20 mm x 40 mm betragen. Entsprechend kann der maximal mögliche Abstand des zu sinternden Bauteils zum Strahler für einen dentalen Sinterofen beispielsweise auf 20mm beschränkt bzw. sichergestellt werden.

Vorteilhafterweise steht das Nutzvolumen zum Kammervolumen der Ofenkammer in einem Verhältnis von 1:50 bis 1:1 und zum Bruttovolumen des Aufnahmeraums in einem Verhältnis von 1:20 bis 1:1.

Je weniger Volumen und je weniger Masse insgesamt erwärmt werden müssen, umso schneller kann eine gewünschte Tempera ^¬ tur in der Ofenkammer bzw. im Nutzbereich erreicht werden und ist der Sinterprozess erfolgreich durchführbar. Bei- spielsweise kann das Kammervolumen der Ofenkammer 60x60x45 mm ³ und das Bruttovolumen noch 25x35x60 mm ³ betragen.

Vorteilhafterweise steht das Nutzvolumen für das zu sin ^¬ ternde Bauteil zum Objektvolumen des zu sinternden Bauteils in einem Verhältnis von 1500:1 bis 1:1.

Je kleiner der Unterschied zwischen dem Nutzvolumen des Nutzbereichs und dem Objektvolumen des zu sinternden Bauteils ist, um so energieeffizienter und schneller ist der Sintervorgang für das Bauteil durchführbar.

Vorteilhafterweise weist die Umwandung eine für das Strah ^¬ lungsfeld undurchlässige und/oder dieses zurückgebende Kammerinnenwand auf, die insbesondere eine reflektierende Beschichtung trägt oder als Reflektor ausgebildet ist.

Durch eine reflektierende Beschichtung kann die Intensität des Strahlungsfelds des Strahlers im Nutzbereich, also innerhalb des Nutzvolumens erhöht werden. Ist der Strahler nur an einer Seite des Aufnahmeraums angeordnet, so kann mittels einer beispielsweise gegenüberliegenden reflektie ^¬ renden Beschichtung oder einem gegenüberliegend angeordneten Reflektor ein homogeneres und/oder intensitätsstärkeres Strahlungsfeld im Nutzbereich erreicht werden.

Vorteilhafterweise weist die Aufheizvorrichtung ein Heiz ^¬ element mit einer Aufheizrate im Nutzbereich von mindestens 200 K/min bei 20°C auf.

Vorteilhafterweise ist das Heizelement resistiv oder induktiv erwärmbar. Induktive oder Wiederstandsheizelemente stellen einfache Ausführungsvarianten für ein Heizelement eines Sinterofens dar .

Vorteilhafterweise kann der Strahler als Tiegel ausgebildet sein, da hier das Nutzvolumen dem Bruttovolumen entsprechen kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt : Fig. 1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Sinterofens für Bauteile aus einem Sinterwerkstoff, insbeson ^¬ dere für Dentalbauteile;

Fig. 2A,B eine induktiv erwärmbare Aufheizvorrichtung mit einem aus Tiegel und Spule bestehenden Strahler;

Fig. 3 einen plattenförmigen induktiv erwärmbaren

thermischen Strahler mit integrierter Spule;

Fig. 4A,B resistiv erwärmbare Aufheizvorrichtungen mit aus stabförmigen Heizelementen bestehendem thermi- sehen Strahler;

Fig. 5 eine Heizspirale als Widerstandsheizelement;

Fig. 6 einen aus Heizspirale und Reflektor bestehenden thermischen Strahler;

Fig. 7 einen aus U-förmigen Heizelementen bestehenden thermischen Strahler;

Fig. 8 einen aus Flachheizelementen bestehenden thermischen Strahler.

Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines Sinterofens 1, der eine Ofenkammer 2 mit einem Kammervolumen VK aufweist, deren Wände 3 mit einer Isolierung 4 zum Abschirmen der heißen Ofenkammer 2 gegen die Umgebung versehen sind. Zum Aufheizen der Ofenkammer 2 ist in der Ofenkammer 2 eine Aufheizvorrichtung 5 mit zwei thermischen Strahlern 6 angeordnet. Die Ofenkammer 2 weist einen zu öffnenden Wandabschnitt 7 zum Einbringen eines zu sinternden Bauteils 15 in die

Ofenkammer 2 auf, der hier der untere Wandabschnitt, also der Boden der Ofenkammer 2 ist. Der Boden 7 weist ebenfalls eine Isolierung 4 auf, auf die eine Unterlage 8 für die zu sinternden Bauteile 15 abgestellt ist, die auch als Träger 8 bezeichnet wird. Als Träger 8 kommen aber auch Bügel oder ein Tiegel oder senkrecht stehende Stifte aus Keramik oder hochschmelzendem Metall in Betracht, auf die das Bauteil 15 aufgesetzt wird.

Durch die Aufheizvorrichtung 5 bzw. den thermischen Strahler 6, der in Fig. 1 beispielhaft an zwei Seiten der

Ofenkammer 2 angeordnet ist, ergibt sich innerhalb der Ofenkammer 2 ein im Vergleich zum Kammervolumen VK geringeres freies Volumen, welches in Fig. 1 mit gestrichelter Linie angedeutet ist und als Bruttovolumen VB bezeichnet wird. Der Raum, den dieses Bruttovolumen VB einnimmt, ist der Aufnahmeraum 9, in den ein zu sinterndes Objekt 15 eingebracht werden kann.

Mit dem Strahler 6 der Aufheizvorrichtung 5 wird ein

Aufheizen des Aufnahmeraums 9 erreicht, wobei zumindest ein Teil des Bruttovolumens VB des Aufnahmeraums 9 ausreichend stark und gleichmäßig aufgeheizt wird. Dieser Bereich wird als Nutzbereich 10 und das Volumen als Nutzvolumen VN bezeichnet. Der Nutzbereich 10 ist in Fig. 1 mit einer strichpunktierten Linie schematisch dargestellt und eine zweitgrößte Dimension des Nutzbereichs 10 als D _y einge ^¬ zeichnet. Die Größe und Lage des Nutzbereichs 10 wird im Wesentlichen durch die Abstrahlcharakteristik, also das Strahlungsfeld 13, und die Anordnung der Strahler 6 be- stimmt, wobei durch eine Anordnung der Strahler 6 an mindestens einer Seite des Aufnahmeraums 9 sichergestellt wird, dass der Nutzbereich 10 innerhalb des Aufnahmeraums 9 liegt .

Die Erwärmung des zu sinternden Objekts 15 kann beispiels- weise resistive oder induktive erfolgen. In Fig. 2A und 2B ist beispielsweise ein induktiv erwärmter Strahler 6 als Aufheizvorrichtung 5 dargestellt. Der Strahler 6 ist als Tiegel 11, beispielsweise aus M0S1 ₂ oder SiC, mit mindes ^¬ tens einer umlaufenden Spule 12 zur induktiven Erwärmung ausgebildet, wobei das Abstrahlen des Tiegels 11, also die thermische Strahlung 13, durch Pfeile angedeutet ist. In diesem Beispiel wird der Aufnahmeraum 9 durch den Innenraum des Tiegels gebildet. Der Nutzbereich 10 liegt ebenfalls im Innenraum des Tiegels 11, wobei das Verhältnis des Nutzvo ^¬ lumens VN des Nutzbereichs 10 zum des Bruttovolumens VB des Aufnahmeraums 9 1:1 beträgt. Das zu sinternde Bauteil 15 wird in dem Innenraum des

Tiegels 11, im mit dem Nutzbereich 13 übereinstimmenden Aufnahmeraum 9 angeordnet. Der Abstand des Objekts zum Strahler 6, also hier zum Tiegel 11 wird als d bezeichnet.

Fig. 3 zeigt einen aus zwei plattenförmigen Elementen gebildeten thermischen Strahler 6, der mittels integrierter Spulen 12 erwärmt wird. Der Aufnahmeraum 9 befindet sich entsprechend zwischen den beiden plattenförmigen Elementen. In Fig. 3 ist weiterhin das Strahlungsfeld 13 des thermi ^¬ schen Strahlers 6 mit Linien dargestellt. Entsprechend ergibt sich ein im Aufnahmeraum 9 angeordneter Nutzbereich 10, der einen möglichst homogenen Bereich des Strahlungs ^¬ felds 13 mit hoher Intensität abdeckt.

Die in den Fig. 4A und 4B dargestellten thermischen Strahler 6 bestehen aus drei bzw. vier stabförmigen Widerstands- heizelementen 14.

Weitere Varianten von resistiven thermischen Strahlern 6 und Anordnungen sind in den Fig. 5 bis 8 dargestellt. Der in Fig. 5 gezeigte Strahler 6 ist als Heizspirale 16 ausgebildet, wobei Aufnahmeraum 9 und Nutzbereich 10 zylinderförmig ausgebildet und innerhalb der Heizspirale angeordnet sind. In Fig. 6 ist der Strahler 6 eine Kombina ^¬ tion aus einem Heizstrahler, hier einer Heizspirale 16 und einem Reflektor 17, wobei sich Aufnahmeraum 9 und Nutzbereich 10 zwischen der Heizspirale 16 und dem Reflektor 17 befinden. Fig. 7 zeigt einen aus zwei U-förmigen Heizelementen 18 bestehenden Strahler mit einem zwischen den

5 beiden U-förmigen Heizelementen 18 angeordneten Aufnahmeraum 9. In Fig. 8 ist ein Strahler 6 aus zwei Flachheizele ^¬ menten 19 dargestellt. Diese weisen typischerweise eine flächige Abstrahlung auf, wodurch der Nutzbereich einen besonders großen Teil des zwischen den Flachheizelementen 10 19 liegenden Aufnahmeraums 9 einnimmt.

Bezugs zeichenliste

1 Sinterofen

2 Ofenkammer

3 Wände

5 4 Isolierung

5 Aufheizvorrichtung

6 thermischer Strahler

7 Wandabschnitt

8 Unterlage

10 9 Aufnahmeraums

10 Nutzbereich

11 Tiegel

12 Spule

13 Strahlungsfeld

15 14 stabförmigen Widerstandsheizelementen

15 zu sinterndes Objekt

16 Heizspirale

17 Reflektor

18 U-förmigen Heizelementen

20 19 Flachheizelementen

d Abstand

D _y zweitgrößte Dimension

VB Bruttovolumen

VK Kammervolumen

25 VN Nutzvolumen VO O ektvolumen