LS11.3 Laserschweißen

Laserschweißen

Das Laserschweißen (EN ISO 4063) wird vor zum Verschweißen zahntechnischen Werkstücken eingesetzt. Es ermöglicht hohe Schweißgeschwindigkeit bei geringen tehrmischen Verzug. Das Laserschweißen wird in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt. Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche der Stoßkante, also der Fügestoß der zu verschweißenden Werkstücke, befindet sich in der unmittelbaren Nähe des Fokus der Optik (im Brennfleck). Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur des Metalls hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird diese je nach Werkstoff sehr hart und verliert in der Regel an Zähigkeit (er wird also spröder).

Präsentation zum Thema Laserschweißen in der Zahntechnik

Das vollständige Transkript Präsentation zum Mitlesen

Hallo, in dieser kurzen Präsentation möchte ich dir einige Hintergründe und Grundlagen zum Laserschweißen in der Zahntechnik erklären.

Als Erstes eine kleine Definition für das Wort Schweißen. Unter Schweißen versteht man nach Wikipedia gemäß einer DIN-Norm das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe. Das bedeutet: Diese Verbindung wird unlösbar, das heißt, man kann sie ohne Zerstörung der jeweiligen Werkstücke nicht mehr lösen. Es wird Wärme, in unserem Fall normalerweise ein Laser, oder Druck verwendet, was in der Zahntechnik nicht unbedingt vorkommt.

Schweißzusatzwerkstoffe bedeuten, dass dort, wo Material fehlt, auch ein Draht oder ein Stück gleichen Werkstoffs verwendet werden kann, das dann mit zwei Schweißnähten befestigt wird. Das könnte so aussehen: Möchtest du zum Beispiel einen gebrochenen Bügel zusammenschweißen und der sieht an der Bruchstelle so aus, dann kannst du diese Bruchstelle nicht direkt schweißen. Dann brauchst du etwas, was du dort hineinlegst, zum Beispiel einen Draht aus gleichem Werkstoff. Dann kannst du von hier schweißen, von hier schweißen und von hier schweißen. So kann daraus wieder ein Werkstück werden.

Hast du aber zum Beispiel, man nennt das Stoßnaht, einen solchen Bruch, dann kannst du von hier schweißen und von hier schweißen und brauchst keinen Zusatzwerkstoff.

Man unterscheidet beim Laserschweißen grundsätzlich zwischen Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen. Das Tiefschweißen hat für uns ein großes Problem: Die sogenannte Wärmeeinflusszone, das heißt der Bereich, in dem sich die Wärme ausbreitet und das Material geschmolzen wird, ist beim Tiefschweißen sehr groß und sehr tief. Es entsteht eine sogenannte Dampfkapillare, das heißt ein Bereich, in dem das Material tatsächlich verdampft. Das bedeutet, es kann hier auch nachher eine Lücke entstehen.

Diese Art des Tiefschweißens erzeugt zwar sehr tiefe und schmale Schweißnähte, was gut sein kann, bedeutet aber, dass man sehr genau schweißen muss und die Werkstücke sehr gut positioniert werden müssen. Das ist normalerweise beim händischen Laserschweißen in der Zahntechnik kaum möglich, sodass wir normalerweise das Wärmeleitungsschweißen machen. Das heißt, wir gehen nur ungefähr bis in die Hälfte des Werkstücks hinein. Die andere Hälfte bleibt unangetastet und wird nachher von der anderen Seite geschweißt. Es gibt einen kleinen geschmolzenen Bereich, in dem es wirklich heiß wird und das Material flüssig wird. So kann zum Beispiel eine Stoßnaht, die hier durchläuft, geschweißt werden. Welche Vorteile hat nun Laserschweißen? Laserschweißen erzeugt korrosionsbeständige Verbindungen. Das bedeutet, wir nehmen keinen Werkstoff, zum Beispiel beim Löten, der eine andere Zusammensetzung hat als der Werkstoff der Werkstücke selbst. Sollte das der Fall sein, das heißt, man nimmt zum Beispiel ein Lot oder einen Draht aus einem anderen Werkstoff und schweißt ihn mit einem anderen zusammen, dann kann es Korrosion, also eine Veränderung an diesen Werkstoffen, geben, weil es zwei verschiedene Werkstoffe sind. Das liegt daran, dass solche Werkstoffe verschieden edel sind. So kann Korrosion entstehen, die wiederum das Werkstück zerstört beziehungsweise den Patienten, der so etwas im Mund hat, mit Metallen schädigt. Das ist aber ein ganz eigenes Thema.

Auf jeden Fall entsteht Korrosion immer dann, wenn verschiedene Werkstoffe benutzt werden. Beim Laserschweißen kann man dieselben Werkstoffe zusammenschweißen. Beim Lasern gibt es eher eine Steigerung der Festigkeitswerte, als dass die Festigkeitswerte leiden. Das ist gut für die Schweißverbindung.

Man kann beim Laserschweißen sehr punktgenau schweißen. Das bedeutet, man muss nicht unbedingt Kunststoffsättel, die in der Nähe sind, entfernen und Ähnliches, sondern man kann das Schweißen wirklich auf die Bereiche beschränken, die geschmolzen und geschweißt werden sollen.

Es gibt keinen Farbunterschied, weil wir keine weiteren Werkstoffe verwenden, sondern nur die Originalwerkstoffe. Deshalb gibt es keinen Farbunterschied zwischen den Schweißnähten und dem restlichen Bereich. Schweißen nah bei der Verblendung ist möglich, habe ich gerade schon erklärt. Man kann auf Lote und Flussmittel verzichten, die man vom Löten kennt, auf die Löteinbettmasse, auf ein Lötmodell sowie auf das Lösen und Befestigen von Sätteln. Das ist ein Riesenvorteil gegenüber dem Löten. Besonders ist auch die Korrosionsbeständigkeit noch einmal zu erwähnen.

Wenn man mit dem Laserschweißgerät einzelne Punkte setzt, dann ist es wichtig, dass die Schweißpunkte so tief gesetzt werden, dass sie, wenn man von der anderen Seite dagegen schweißt, eine vollständige Schweißung ergeben. Das heißt, es darf in der Mitte keine Lücke mehr bleiben. Die Schweißpunkte müssen sich zu 60 bis 70 Prozent überlappen, damit wir eine durchgehende Schweißverbindung haben.

Wäre das nicht der Fall und die Schweißpunkte würden zum Beispiel nebeneinander liegen, dann gäbe es dazwischen immer wieder Lücken. Das geht nicht. Deshalb müssen die Schweißpunkte überlappend liegen, damit es eine durchgehende Schweißnaht gibt. Von unten muss so geschweißt werden, dass die Punkte tief genug sind und das Schweißen von der anderen Seite leicht überlappt. Damit hat man wirklich eine komplett durchgeschweißte Naht, die die entsprechende Festigkeit hat und keine Löcher enthält, an denen vielleicht Korrosion entstehen könnte.

Die Wärmeleitfähigkeit von Edelmetallen, in dem Fall Gold und Silber, Au und Ag, ist deutlich höher als die von Palladium, Kobalt, Chrom und Titan. Palladium, Kobalt und Chrom sind die Elemente, die in Nichtedelmetalllegierungen sind. Das heißt, man braucht deutlich weniger Energie und Wärme beim Schweißen, um die Metalle aufzuschmelzen.

Das ist insbesondere dann interessant, wenn man Edelmetalle und Nichtedelmetalle zusammenschweißen will. Dann muss man nämlich den Schweißpunkt und den Laser mehr auf die Nichtedelmetalle halten, weil diese sonst nicht genug Wärme abbekommen, um tatsächlich auch aufzuschmelzen. Die Wärmeleitfähigkeit ist sehr unterschiedlich, und da muss man tatsächlich vorsichtig sein. Eventuell muss man sogar einen Werkstoff vorschweißen, also einen edlen Werkstoff auf den Nichtedelmetallbereich vorschweißen, um dann eine vernünftige Schweißverbindung zu erhalten. So eine Verbindungsstelle kann zum Beispiel V-förmig sein. Dann muss man hier einen Draht einlegen, wenn man etwas wegfräsen musste. Sie kann auch X-förmig sein, das wäre eine solche X-Naht. Auch da muss man hier und hier etwas zulegen und erhält dann vier Schweißnähte.

Eine Stoßnaht wäre zum Beispiel eine Verbindung bei Sekundärkronen zum Modellguss. Da versucht man natürlich vorher schon, so einen Kasten zu erzeugen, an dem die Krone dran ist, damit man hier eine Stoßnaht hat, die man dann direkt von oben schweißen kann, weil diese Stoßnähte besonders fest sind. Hier kommt dann noch ein Formschluss dazu, weil solche Bauteile auch genau ineinander passen.

Als Zusatzwerkstoffe wird natürlich derselbe Werkstoff verwendet. Das heißt, man nimmt keine anderen Werkstoffe, sondern kann den gleichen verwenden, weil das Metall aufgeschmolzen wird, im Gegensatz zum Löten. Vorsicht ist geboten bei Kohlenstoffgehalten über 0,22 Prozent, denn diese können nicht gut geschweißt werden, weil sie schlecht aufschmelzen. Deshalb werden spezielle kohlenstoffarme, schweißbare Legierungen verwendet. Das ist mehr etwas für den Maschinenbau. Wir verwenden als Schweißzusatzwerkstoff in der Zahntechnik immer denselben Werkstoff wie den, den wir gerade schweißen.

Hier sind noch ein paar Stoßarten genannt, also wie man die Werkstoffe gegeneinander legen und dann schweißen kann. Man sieht hier: Das ist ein Stumpfstoß oder eine Stumpfnaht. Hier ist ein T-Stoß. Es gibt die verschiedensten Möglichkeiten, bei denen man mit oder ohne Zulegewerkstoff oder Zusatzwerkstoff schweißen kann. Das nur noch der Vollständigkeit halber. Das ist auch nach DIN-ISO.

Wenn die Oberfläche poliert ist und reflektiert, dann wird der Laserstrahl reflektiert und es gibt einen Energieverlust. Das heißt, die Energie als Licht geht nicht in den Werkstoff, sondern wird reflektiert. Deshalb muss man die Bereiche abstrahlen, damit das Laserlicht gut eindringen kann.

Ich habe gerade schon gesagt: Goldbasis-Zusatzwerkstoff aufschweißen, damit man die hochwärmeleitfähigen Edelmetallbereiche mit nicht so wärmeleitfähigen NEM-Bereichen schweißen kann. Beim Schweißen von NEM und Titan muss Schutzgas verwendet werden. Das heißt, das Gas Argon. Das ist ein Element, ein Gas aus der achten Hauptgruppe. Das heißt, es geht überhaupt keine Verbindungen ein.

Wenn man dieses Schutzgas aus einer Düse in den Bereich der Schweißnaht strahlen oder fließen lässt, dann entsteht dort kein Oxid und die Oberfläche oxidiert nicht, sodass man perfekt schweißen kann. Ein Oxid auf der Oberfläche würde die Schweißnaht schädigen.

Die Schweißparameter müssen immer richtig eingestellt werden. Dazu gehören zum Beispiel die Spannung und die Leistung, also wie stark der Laser ist, der Fokus, also ob der Laser auch auf der Oberfläche scharf gestellt ist und nicht darüber oder darunter, wie lange der Laser auf die jeweilige Fläche wirkt und welchen Durchmesser der Laser hat. Das muss je nach Geometrie und Zusammensetzung immer wieder verändert und angepasst werden. Dazu wirst du später eine interaktive Übung machen, bei der du das ausprobieren kannst.

Die Werkstücke müssen zum Schweißen auf dem Modell lagerichtig befestigt werden. Das bedeutet: Wenn du zum Beispiel eine Sekundärkrone an einem Modellguss befestigen willst, dann musst du sie auf dem Modell genau richtig befestigen, weil sonst nachher Modellguss und/oder Krone nicht im Mund und nicht auf dem Modell passen. Man schweißt immer überkreuzt. Das bedeutet: Wenn wir jetzt hier eine Naht haben und ich mache das Ganze dreidimensional, dann schweiße ich nicht erst oben haufenweise Schweißpunkte hin und dann erst unten, weil sich das Werkstück dann verzieht. Da, wo mehr geschmolzen wird, zieht es hin. Stattdessen schweiße ich auf einer Seite, dann auf der anderen Seite, dann hinten und dann unten hinten. Also immer im Zickzack hin und her, damit die Verzüge, die entstehen, sich automatisch immer wieder ausgleichen und somit am Ende kein Verzug entsteht. Hier ist ein Beispiel aus einer alten Animation, die es so nicht mehr gibt, weil sie auf heutigen Rechnern nicht mehr funktioniert. Da sieht man zum Beispiel, wie eine Klammer repariert wird. Da ist eine Y-Naht zu sehen. Es gibt einen Zusatzwerkstoff, einen Draht, und mit einem bestimmten Punktdurchmesser, einer Pulsdauer und einer bestimmten Spannung wird jeweils ein Punkt gesetzt. Damit wird die Schweißnaht wechselweise von der einen und von der anderen Seite geschweißt.

Wenn man zum Beispiel Brücken verbindet, hat man wahrscheinlich eine Stoßnaht, weil die Brücke einfach sauber getrennt ist. Wenn man Zusatzwerkstoff verwenden will, weil der Spalt zu groß ist, kann man zum Beispiel die Schweißnaht um 30 Grad mit einer Fräse öffnen und dann den Zusatzwerkstoff hineinlegen.

Bei einer Sekundärkrone und Modellguss verwendet man normalerweise eine Kastenzapfenverbindung. Das bedeutet, dass hier neben dem Stoffschluss, also der chemischen Verbindung durch das Aufschmelzen, auch ein Formschluss verwendet wird, weil Kasten und Zapfen ineinandergreifen und somit ein Verwackeln und Verziehen nicht möglich ist. Bei Edelmetall muss vorgeschweißt werden, wie ich eben schon gesagt habe, wenn es mit NEM verbunden werden soll.

Dann gibt es beim Laserschweißen noch ein paar Sicherheitsbestimmungen. Der Laser, den wir verwenden, ist ein Laser der Klasse 4. Er ist tatsächlich unsichtbar. Das ist eine hohe Gefährdung für Augen und Haut. Der Betrieb ist nur nach Einweisung durch einen Laserschutzbeauftragten möglich und sollte unter größten Sicherheitsvorkehrungen und sehr konzentriert stattfinden, damit man sich an den Laserstrahlen nicht verletzt.

Der Pilotlaser, das heißt ein sichtbares Licht, das als kleiner roter Punkt an der Stelle zu sehen ist, an der man hinschweißen wird, ist nur ein Laser der Klasse 2. Da reicht der Lidschlussreflex als Schutz. Das ist der gleiche Laser, den man zum Beispiel im Baumarkt kaufen kann, um beim Fliesenlegen eine Linie auf die Wand zu projizieren. Dafür braucht es keine besonderen Schutzvorkehrungen. In jedem Labor, in dem ein Laser steht, muss ein Laserschutzbeauftragter durch eine entsprechende Schulung ausgebildet werden und vorhanden sein. Dieser Laserschutzbeauftragte ist dann für die Überwachung, das Abstellen von Mängeln, Unterweisungen und so weiter zuständig. Ohne ausgebildeten Laserschutzbeauftragten darf ein Laser im Labor nicht betrieben werden.

Gegliederte Zusammenfassung der Präsentation zum Thema Laserschweißen in der Zahntechnik

Definition „Schweißen“

• Schweißen ist das unlösbare Verbinden von Bauteilen durch Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Zusatzwerkstoff.
• „Unlösbar“ bedeutet: Trennung nur durch Zerstörung der Werkstücke möglich.
• Zusatzwerkstoff (z. B. Draht gleichen Materials) wird genutzt, wenn Material fehlt; bei einer Stoßnaht kann oft ohne Zusatz geschweißt werden.

Arten des Laserschweißens

• Tiefschweißen
  • Große und tiefe Wärmeeinflusszone.
  • Gefahr einer Dampfkapillare (Material verdampft) → mögliche Lücken/Poren.
  • Erfordert sehr präzise Positionierung; in der zahntechnischen Handarbeit meist schwierig.
• Wärmeleitungsschweißen (in der Zahntechnik üblich)
  • Schmelzbereich bleibt begrenzter (ungefähr bis zur halben Materialstärke).
  • Gegenstück wird oft von der anderen Seite nachgeschweißt, um vollständige Durchschweißung zu erreichen.

Vorteile des Laserschweißens

• Korrosionsbeständig, weil idealerweise gleiche Werkstoffe verbunden werden (keine „fremden“ Lote).
• Häufig gute bis gesteigerte Festigkeit der Verbindung.
• Sehr punktgenaues Arbeiten, dadurch Schweißen in sensiblen Bereichen möglich (z. B. nahe an Verblendungen), ohne große Umgebung zu beeinflussen.
• Kein Farbunterschied, da Originalwerkstoffe verwendet werden.
• Wegfall von typischen Lötmitteln und -schritten (z. B. Lot, Flussmittel, Einbettmasse, Lötmodell, Entfernen/Befestigen von Sätteln).

Anforderungen an die Schweißtechnik (Punktsetzung)

• Schweißpunkte müssen tief genug sein, damit beim Gegenschweißen keine Lücke in der Mitte bleibt.
• Punkte müssen 60–70 % überlappen, damit eine durchgehende Naht entsteht.
• Ziel: vollständig durchgeschweißte, feste und porenarme Verbindung (weniger Risiko für spätere Probleme).

Werkstoffkunde: Wärmeleitfähigkeit und Materialkombinationen

• Edelmetalle (Au, Ag) leiten Wärme stärker als viele NEM/andere Metalle (z. B. Pd, Co, Cr, Ti).
• Beim Verbinden von Edelmetall mit Nichtedelmetall muss der Laser oft mehr auf den NEM-Bereich ausgerichtet werden, damit dieser ausreichend aufschmilzt.
• Ggf. ist Vorschweißen (z. B. edler Werkstoff auf NEM-Bereich) sinnvoll, um eine stabile Verbindung zu ermöglichen.

Nahtformen und Verbindungsarten

• Beispiele: V-Naht, X-Naht, Stoßnaht, T-Stoß (teilweise nach DIN/ISO).
• In der Zahntechnik werden Verbindungen teils so vorbereitet, dass eine Stoßnaht möglich ist (besonders fest).
• Bei Sekundärkrone–Modellguss wird häufig eine Kastenzapfenverbindung genutzt: Stoffschluss + Formschluss für zusätzliche Stabilität.

Zusatzwerkstoff und Einschränkungen

• In der Zahntechnik: Zusatzwerkstoff meist identisch zum Grundwerkstoff.
• Hinweis: Hohe Kohlenstoffgehalte (über ca. 0,22 %) sind schlecht schweißbar → besser kohlenstoffarme, schweißbare Legierungen.

Praktische Voraussetzungen und Prozessführung

• Polierte Oberflächen reflektieren den Laser → Energieverlust; daher Oberfläche abstrahlen/aufrauen, damit Energie besser eindringt.
• Bei NEM und Titan: Schutzgas Argon verhindert Oxidation → bessere Nahtqualität.
• Schweißparameter müssen passend eingestellt werden: Spannung/Leistung, Fokus, Pulsdauer, Punktdurchmesser.
• Werkstücke müssen lagerichtig am Modell fixiert werden (Passung muss erhalten bleiben).
• Überkreuz/wechselweise schweißen (Zickzack), um Verzug zu minimieren.

Sicherheit

• Zahntechnische Laserschweißgeräte: meist Laserklasse 4 → hohe Gefahr für Augen und Haut, Betrieb nur nach Einweisung und unter strengen Schutzmaßnahmen.
• Pilotlaser (sichtbarer Zielpunkt): Laserklasse 2, Schutz durch Lidschlussreflex.
• Es muss ein Laserschutzbeauftragter vorhanden sein; ohne diesen darf der Laser nicht betrieben werden.

Lichtbogen-Mikroimpuls-Schweißen

Lichtbogen-Mikroimpuls-Schweißen (WIG-Impuls-Schweißen, Mini-WIG-Schweißen oder WIG-Schweißen mit geringer Energie genannt) ist ein modernes Verfahren, das präzise und effiziente Schweißverbindungen bei minimaler Wärmeeinbringung ermöglicht. Das Funktionsprinzip wird hier erläutert.

• Webseite der Fa. Lambert zum Thema Schweißen in der Zahntechnik
• Playlist zum Schweißen im YouTube-Channel der Fa. Lampert.

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