Werkzeug zur Bearbeitung von Zirkonoxid

Die Erfindung betrifft ein Schleif- und/oder Polierwerkzeug, eine Verwendung eines Schleif- und/oder Polierwerkzeuges sowie ein Verfahren zur Bearbeitung von Keramikmaterial, insbesondere zur Bearbeitung von Zirkonoxid.

In der Dentaltechnik spielt die Verwendung von keramischen Materialien eine immer größere Rolle. Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften eignen sich hierfür insbesondere Keramiken auf Zirkoniumdioxid (ZrO ₂ ) -Basis . Für derartige Keramiken werden in der Literatur verschiedene Bezeichnungen verwendet, so unter anderem Zirkon, Zirkondioxid und Zirkonoxid. Nachfolgend werden die Begriffe Zirkoniumoxid- Keramik und Zirkonoxid synonym verwendet .

Bei Zirkonoxid handelt es sich um ein besonders festes und stabiles Material, so daß es nicht nur beispielsweise für Hüftgelenkimplantate, sondern auch im Dentalbereich, beispielsweise in der Kronen- und Brückenrekonstruktion verwendet wird. Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften des Zirkonoxids ist eine Hartbearbeitung, beispielsweise ein Beschleifen oder Polieren von Zirkonoxid, bisher nur mit wassergekühlten Sinterdiamanten möglich, da sonst Risse in der Keramik entstehen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Bearbeiten von Keramikmaterialien zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Erfindungsgegenstände gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung der Aufgabe ein Schleif- und/oder Polierwerkzeug mit einer besonderen chemischen Zusammensetzung vorgesehen. Unter einem Werkzeug wird dabei ein Bearbeitungswerkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks verstanden. Auf Form und Ausführung des Werkzeuges kommt es erfindungsgemäß nicht an. Bei dem Werkzeug kann es sich um ein beliebig geformtes Schleif- und/oder Polierwerkzeug handeln, beispielsweise in Form eines Rades, einer Scheibe, einer Linse, eines Zylinders usw.. Unter Schleifen wird dabei auch Finieren verstanden und das Polieren umfaßt auch Hochglanz-Polieren. Im vorliegenden Text wird darüber hinaus unter einem Schleif- und/oder Polierwerkzeug auch ein Werkzeug zum Fräsen und anderweitigen Bearbeiten von Werkstücken verstanden. Das Werkzeug kann dabei als austauschbares Arbeitsteil eines Instrumentes (Mandrell o.a.) verwendet werden. Insbesondere weist ein solches Instrument eine Antriebswelle auf, die eine Rotation des Werkzeuges ermöglicht. In diesem Fall ist eine, über die durch die Erfindung ohnehin bereits deutlich verbesserte Handhabung hinausgehende, besonders effektive Bearbeitung von Werkstücken möglich.

Das erfindungsgemäße Schleif- und/oder Polierwerkzeug umfaßt eine aus Diamantkδrnern bestehende Schleifkomponente mit 60 bis 75 Gewichtsprozent, insbesondere 60 bis 70 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 65 Gewichtsprozent, eine Bindungskomponente auf Kunststoffbasis mit 10 bis 30 Gewichtsprozent, insbesondere 22 bis 28 Gewichtsprozent, bevorzugt höchstens 25 Gewichtsprozent, und eine Füllstoffkomponente mit 0 bis 15 Gewichtsprozent, bevorzugt 3 bis 5 Gewichtsprozent.

Das Optimum des Schleifkomponentenanteils liegt bei 60 bis 70 Gewichtsprozent. In diesem Bereich entsteht ein offener Schleifkörper besonders gut. In diesem Schleifkörper ist die Bindung stark genug, damit die Diamantkörner fest gehalten werden. Gleichzeitig hält die Bindung auch nicht zu fest, so daß ein gewollter Abtrag des Schleifkörpers bei der Verwendung des Werkzeuges möglich ist. Dieser Abtrag sorgt dafür, daß immer neue freie und schnittfreudige Diamantkörner an der Oberfläche des Schleifkörpers freigesetzt werden. Die Verwendung von weniger als 60 Gewichtsprozent der Schleifkomponente hätte eine ungenügende Schleifleistung zur Folge. Bei einer Verwendung von mehr als 75 Gewichtsprozent würde der Schleifkörper aufgrund der fehlenden Bindung (Kunststoffmatrix) sehr schnell verschleißen.

Das Optimum des Bindungskomponentenanteils liegt bei 22 bis 28 Gewichtsprozent. In diesem Bereich ist das Verhältnis von Verschleiß und Aggressivität des Schleifkörpers am geeignetsten für die Bearbeitung der Keramikmaterialien, insbesondere von Zirkonoxid. Die Verwendung von weniger als 25 Gewichtsprozent der Bindungskomponente hätte zur Folge, daß die Kunststoffmatrix die Schleifkörnung nicht vollständig umkleben kann und somit die Schleifer brechen oder extrem schnell verschleißen. Ein Bindungskomponentenanteil von mehr als 35 Gewichtsprozent hätte andererseits zur Folge, daß die Kunststoffmatrix zu dominant wäre, was eine zu geringe Menge an freien Schnittkanten an die Kontaktfläche zur Folge hätte.

Das Optimum des Füllstoffkomponentenanteils liegt bei 5 bis 7 Gewichtsprozent . In diesem Bereich ist einerseits eine offene Struktur des Schleifkörpers noch vorhanden, andererseits sind ausreichend freie Schnittkanten der Diamantkörnung vorhanden.

Ein Füllstoffkomponentenanteil von weniger als 3 Gewichtsprozent hätte zur Folge, daß die Struktur des Schleifkörpers zu offen wird, was zu einem höheren Verschleiß führen würde. Andererseits würde ein

Füllstoffkomponentenanteil von mehr als 15 Gewichtsprozent bedeuten, daß der Diamantanteil erniedrigt werden müßte, da sonst nicht ausreichend Kunststoffmatrix zur Bindung vorhanden wäre. Dies wäre gleichbedeutend mit einer dramatischen Verschlechterung der Schleifeigenschaften.

Bei den Diamantkörnern handelt es sich vorzugsweise um synthetische Diamanten. Von Vorteil ist es darüber hinaus, daß die Diamanten in polykristalliner Form vorliegen. Polykristalline Diamanten bestehen aus einer Vielzahl winziger Kristalliten, die eine große Anzahl kleiner Schneidkanten besitzen und dadurch einen hohen Materialabtrag des Werkzeuges bei geringer Kratztiefe gewährleisten, so daß sich insgesamt ein, beispielsweise im Vergleich zu monokristallinen Diamanten, verbessertes Schliffbild ergibt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Bindungskomponente auf Polyurethan-Basis verwendet wird. Gegenüber anderen Bindungskomponenten, beispielsweise solchen auf Silikon- Basis, wird damit eine höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit des Werkzeuges erreicht. Als Bindungskomponente kommt dabei vorzugsweise ein Zwei- Komponenten-Polyurethan-Gießharz zum Einsatz.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Füllstoffkomponente auf Oxid-Basis verwendet wird. Aufgrund der sich ergebenden zusätzlichen schleifenden Wirkung hat sich hierfür die Verwendung von Titaniumdioxid (TiO ₂ ) oder Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) als besonders geeignet erwiesen. Bei Verwendung

entsprechender Korngrößen kann der verwendete Füllstoff damit zugleich als eine Art Poliermittel dienen, so daß sich ein besonders kratzerfreies Schliffbild ergibt. Insbesondere kann bei Verwendung von Titaniumdioxid als Hauptfüllstoffkomponente durch Zugabe von Spuren von Aluminiumoxid zusätzlich eine Glättung des Schliffbildes erreicht werden. Die Zugabe von Farbstoffen, wie beispielsweise Heliogenblau, ist möglich und dient zur Farbgebung. Ganz besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Farbkomponente (farbgebende Pigmente) zu der chemischen Zusammensetzung mit 3 bis 10 Gewichtsprozent, bevorzugt 5 bis 8 Gewichtsprozent. Darüber hinaus können auch Spuren von Hilfsstoffen enthalten sein, die als Haftvermittler dienen. Alternativ zur Verwendung von Oxiden kann auch eine Füllstoffkomponente auf Siliziumkarbid (SiC) -Basis verwendet werden .

Besonders vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn die Diamantkörner beschichtet sind. Als besonders geeignet für die Bearbeitung von Zirkonoxid hat sich dabei eine Nickelbeschichtung erwiesen. Damit wird die Haltbarkeit der Diamantkörner bei der Bearbeitung der Keramik verbessert .

Die Korngröße hat erheblichen Einfluß auf das Schliffbild eines aus der chemischen Zusammensetzung hergestellten Werkzeuges sowie auf die Lebensdauer eines solchen Werkzeuges. Die in der Schieifkomponente verwendeten Diamantkörner weisen vorzugsweise die Körnung D252 auf (entspricht einer Korngröße von 60/80 in US-mesh) . Aufgrund dieser vergleichsweise groben Körnung wird eine Rauhtiefe erreicht, die ideal polierbar ist. Abweichungen von dieser Körnung sind möglich und auch von dem zu bearbeitenden Material abhängig, jedoch ist dabei zu beachten, daß die

Verwendung einer zu geringen Korngröße zur Folge hätte, daß die Abtragleistung abnehmen würde . Bei einer zu groben Korngröße würde das Schliffbild negativ beeinflußt werden. Im letzteren Fall müßte die Polierdauer erhöht werden, wodurch die Gefahr, daß Sprünge oder Haarrisse auftreten, wächst.

Das erfindungsgemäße Schleif- und/oder Polierwerkzeug ist vorzugsweise erhältlich durch Polymerisation der oben genannten Zusammensetzung. Die Herstellung des Werkzeuges erfolgt dabei insbesondere unter Druck durch ein an sich bekanntes thermisches Polymerisationsverfahren. Dabei findet vorzugsweise eine Additionspolymerisation (Stufenreaktion) der die beiden Polyurethan-Komponenten (Monomere) statt. Es wird darauf hingewiesen, daß sich sämtliche Angaben zu der Zusammensetzung in Gewichtsprozenten auf den Zustand vor der Polymerisation beziehen.

Das Schleif- und/oder Polierwerkzeug ist besonders zur Bearbeitung von Werkstücken aus Zirkonoxid oder ähnlichen Keramikmaterialien geeignet. Die chemische Zusammensetzung beeinflußt dabei maßgeblich die Eigenschaften des Werkzeuges.

Insbesondere wird durch die Art und Weise der Zusammensetzung ein Werkzeug bereitgestellt, welches sich durch eine im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen besonders poröse Struktur auszeichnet. Die Porosität entsteht dabei durch „zu viel" Grobkorn. Wenn dann noch kein Überschuß an Bindungsmaterial vorhanden ist, können die Diamantkörner lediglich von Bindungsmaterial ummantelt werden. Für eine Auffüllung der Zwischenräume reicht das Bindungsmaterial nicht aus. Es verbleiben gewollte Hohlräume.

Bei der Bearbeitung eines Werkstücks aus Keramik, insbesondere aus Zirkonoxid, wird kontinuierlich Bindungsmaterial entfernt. Zugleich werden abgenutzte Diamantkörner permanent durch neue, tiefer liegende Diamantkörner ersetzt. Aufgrund der Porosität des Werkzeuges wird die Schleifkomponente nach und nach freigesetzt, d.h. das Werkzeug nutzt sich allmählich ab. Aufgrund der Porosität des Werkzeugs wird eine schnelle oder zu hohe Aufheizung des Schleifers vermieden, es kommt daher nur zu einer sehr geringen Wärmeentwicklung, so daß ein Kühlen des Werkzeuges nicht erforderlich ist. Damit ist es erstmals möglich, Zirkonoxid ohne Kühlung, beispielsweise durch Wasser, zu bearbeiten.

Darüber hinaus wird eine nahezu polierte Oberfläche des beschliffenen Werkstücks erreicht, so daß ein Nachpolieren in vielen Fällen nicht mehr erforderlich ist . Mit anderen Worten erfolgt bei der Verwendung des neuartigen Werkzeuges beim Beschleifen zugleich ein Polieren des Werkstücks.

Schließlich kann die Gefahr der Entstehung von Haarrissen oder anderen Rissen im Keramikmaterial mit Hilfe des neuartigen Werkzeuges vermieden werden.

Die Wärmeentwicklung wird nochmals verringert und ein besonders schönes Schliffbild erzielt, wenn die Bearbeitung des Materials mit einem geringen Anpreßdruck und einer geringen Drehzahl sowie ggf. intermittierend erfolgt. Vorteilhafterweise übersteigt die Drehzahl dabei 5000 Umdrehungen/Minute nicht. Als ganz besonders vorteilhaft für die Bearbeitung von Zirkonoxid hat sich eine Drehzahl in einem Bereich von 1000 bis 3000 Upm erwiesen.

Neben einer vergleichsweise hohen Abtragsleistung zeichnet sich die Bearbeitungstechnik entsprechend der vorliegenden Erfindung dadurch aus, daß eine Kühlung nicht erforderlich ist. Somit entfallen aufwendige und teure Kühlvorrichtungen. Zudem wird eine feinere und gleichmäßigere Oberflächenstruktur des bearbeiteten Werkstückes erzielt. Gegenüber herkömmlichen Werkzeugen wird eine stark erhöhte Standzeit erreicht . Da somit weniger Werkzeugwechsel erforderlich sind, ergibt sich zudem ein Zeitgewinn bei der Bearbeitung. Darüber hinaus reduzieren sich die Lagerkosten für Werkzeuge. Da insgesamt weniger Werkzeuge anfallen, wird mit der vorliegenden Erfindung zugleich Rohstoffverbrauch und Abfallproduktion verringert, was die vorliegende Technik als besonders umweltfreundlich auszeichnet.

Die Erfindung ist unter anderem im Zahnarztbereich und in Dentallaboren einsetzbar und umfaßt insbesondere alle dentaltechnischen Arbeiten an Zirkonoxid, wie die feinmechanische Formgebung von Gerüsten, Kronen und Brücken, insbesondere das Beschleifen und Polieren dieser Werkstücke.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der einzigen Figur näher erläutert. Dabei handelt es sich um ein Schleifwerkzeug 10 für Zirkonoxid. Das Schleifwerkzeug umfaßt den eigentlichen Schleifkörper 1, an dem ein Schaft 2 angebracht ist, so daß es als austauschbares Arbeitsteil eines feinmechanischen Instrumentes 3 dienen kann. Das Instrument 3 weist eine nicht im einzelnen abgebildete Antriebswelle sowie eine von der Antriebswelle angetriebene Aufnahme für den Schaft 2 des Schleifwerkzeuges 10 auf. Zur Bearbeitung eines Zirkonoxid-Werkstückes kann das Schleifwerkzeug 10 dadurch in Drehung versetzt werden.

Der im Wesentlichen kegelförmige Schleifkörper 1 des Schleifwerkzeuges 10 ist durch Polymerisation einer chemischen Zusammensetzung hergestellt. Die Zusammensetzung umfaßt im Wesentlichen eine aus synthetischen Diamantkörnern bestehende Schleifkomponente mit 65 Gewichtsprozent, eine Bindungskomponente auf Kunststoffbasis mit 25 Gewichtsprozent, eine Füllstoffkomponente mit 5 Gewichtsprozent sowie eine Farbkomponente mit 5 Gewichtsprozent .

Bei den Diamantkörnern handelt es sich um synthetische Diamanten der Korngröße D252 in polykristalliner Form, die mit einer Nickelbeschichtung versehen sind. Als Bindungskomponente findet ein Zwei-Komponenten-Polyurethan- Gießharz Verwendung. Als Füllstoffkomponenten dienen Titaniumdioxid (TiO ₂ ) und Spuren von Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) . Als Farbkomponente findet Heliogenblau Verwendung.

Das Schleifwerkzeug 10 ist zur dentaltechnischen Bearbeitung von Zirkonoxid-Werkstücken angepaßt und zeichnet sich durch eine besonders poröse Struktur des Schleifkörpers 1 aus. Das Beschleifen eines Zirkonoxid-Werkstückes mit dem erfindungsgemäßen Schleifwerkzeug 10 erfolgt vorzugsweise mit einer Drehgeschwindigkeit von 3000 Upm und einem geringen Anpreßdruck .

Die Diamanten 4 liegen, wie in der Figur verdeutlicht, in einer Art Matrix 5 ein, die durch das Bindungsmaterial und die Füllstoffe gebildet ist. Bei der Bearbeitung eines solchen Werkstückes wird kontinuierlich Bindungsmaterial entfernt. Abgenutzte Diamantkörner werden permanent durch neue, tiefer liegende Diamantkörner ersetzt. Aufgrund der Porosität des Schleikörpers 1 kommt es dabei nur zu einer

sehr geringen Wärmeentwicklung, so daß ein Kühlen des Werkzeuges 10 nicht erforderlich ist. Das Bearbeiten von Zirkonoxid-Werkstücken ist daher ohne Kühlung möglich. Ein Nachpolieren ist aufgrund der bereits durch das Beschleifen nahezu polierten Oberfläche nicht erforderlich.

Bezugszeichenliste

1 Schleifkörper

2 Schaft

3 Instrument

4 Diamant

5 Matrix

10 Schleifwerkzeug