Lernsituation 2 - Einbettmassen - Das Geheimnis der Expansion

Legierungen verschiedener Metalle unterliegen beim Erstarren und Erkalten einer bestimmten Kontraktion (Schwindung).

Kontraktion einer Legierung oberhalb des Soliduspunktes

Zwischen Gieß- und Solidustemperatur verringert sich das Volumen eines Gussobjektes um ca. 5%. Diese Erstarrungskontraktion wird u.A. durch das günstige Anbringen von Gusskanälen und die Positionierung des Gussobjektes in der Muffel ausgeglichen. Auch zusätzlich angebrachte Wachsobjekte sollen die richtige Form des Gussobjekte garantieren.

Arbeitsauftrag

Erarbeite anhand der in der Klasse ausliegenden Literatur (Der passgenaue Dentalguss, Heraeus, 1999), wie die Erstarrungskontraktion, anhand der Positionierung des Objektes in der Muffel, den Gusskanälen und zusätzlichen Wachsobjekten, ausgeglichen werden soll.

Dokumentiere deine Ergebnisse in Form einer Grafiz.

Der Maschinenbau-Ingenieur Andreas Sabath hat eine Gießtechnik entwickelt, die viele Probleme mit dem dentalen Guss vermeiden soll. Diese wird mittlerweile von der Firma Bredent als Bredent-Gießtechnik nach Sabath vermarktet. Im Lernmanagmentsystem oder im Klassenraum liegt Literatur dazu vor (Bredent-Gießtechnik, Der Dentalguss, März 2008, Kapitel 5).

Wie wird nach dieser Methode die Kontraktion oberhalb des Soliduspunktes ausgeglichen?

Dokumentiere deine Ergebnisse ebenfalls in Form einer Grafiz. Hierbei sollen Unterschiede zum herkömmlichen Verfahren begründet deutlich werden.

Probiere die Gießtechnik nach Sabath im Labor einmal aus und/oder diskutiere sie mit Chef oder Technikern.

Kontraktion einer Legierung unterhalb des Soliduspunktes

Erstarrung- und Thermische Kontraktion

Zwischen Solidustemperatur und Raumtemperatur erfolgt die Thermische Kontraktion. Ca. 1,6 % bei Goldguss- und 2,2% bei Modellgusslegierungen. Sie muss durch eine entsprechende Vergrößerung der Gussform ausgeglichen werden. In der Zahntechnik besteht die Gussform aus Einbettmasse. Diese Einbettmasse expandiert während ihrer Verarbeitung bzw. Verwendung, um die thermische Kontraktion der Legierung auszugleichen.

Abbindeexpansion der Einbettmasse

Einbettmasse expandiert während des Abbindevorgangs (Abbindeexpansion). Die Abbindeexpansion unterscheidet sich je nach verwendetem Bindemittel.

• Bindemittel
  • Gips (Gipsgebundene Einbettmassen)
  • Ammoniumphosphat (Phosphatgebundene Einbettmassen)
  • Magnesiumoxid (MgO, Bindemittel und Steuerung der Verarbeitungszeit)

Die Expansion hängt neben der Auswahl des Bindemittels von folgenden Faktoren ab:

1. Verhältnis von Wasser zu Anmischflüssigkeit (nur bei phosphatgebundenen Einbettmassen)
2. Dicke des Muffelvlieses (Die Expansion wird bei zu dünnem Vlies zwangsweise durch den Muffelring in die Längsachse der Muffel gerichtet!)
3. Einhalten der vorgegebenen Abbindezeiten
4. Verwendung eines Drucktopfes (?)

Die Anmischflüssigkeit bei Phosphatgebundenen Einbettmassen ist eine Lösung von Kieselsol, also ein kollodiales (gelartiges) Siliziumhydroxid. Es geliert und kristallisiert an den Kristallen der feuerfetsen Bestandteile Quarz und Cristobalit in der Einbettmassemischung. Es sorgt so für eine etwas höhere Expansion.

Arbeitsauftrag

Plane Versuche mit dem Expansiometer und den Einbettmassen, die die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Abbindeexpansion der Einbettmasse belegen! Genügt die gemessene Expansion zum Ausgleich der Thermischen Kontraktion der Legierung?

Die Thermische Expansion der Einbettmasse

Die Versuche zur Abbindeexpansion von Einbettmasse haben gezeigt, dass diese Expansion nicht ausreicht, um die Thermische Kontraktion des Gussobjektes zwischen Soliduspunkt und Raumtemperatur auszugleichen. Es muss also noch eine weitere Expansion der Einbettmasse stattfinden!

Es handelt sich dabei um die so genannte Thermische Expansion!

Sie ist zurückzuführen auf die Zusammensetzung der Einbettmasse:

• Feuerfeste Bestandteile
  • Quarz
  • Cristobalit
  • (Tridymit, wird kaum verwendet, daher irrelevant, aber immer wieder erwähnt ;-))

Die feuerfesten Bestandteile der Einbettmasse sorgen für eine Expansion der Einbettmasse bei Erwärmung. Tridymit und Cristobalit sind (Hochtemperatur-)Modifikationen von Quarz (SiO₂). Sie ändern/wandeln, je nach Temperatur, ihren kristallinen Aufbau und damit auch ihr Volumen. Diese Umwandlung geschieht bei bestimmten Temperaturen recht zügig! Tridymit wird, im Gegensatz zu Critobalit und Quarz, nur in kleinen Mengen verwendet.

Die thermische Umwandlung von Quarz und seinen Modifikationen hängt mit der Anordung der Atome zusammen. Die Umwandlung von α-Quarz in β-Quarz (Tiefquarz in Hochquarz), ist mit einer Änderung des Bindungswinkels der SiO₂-Moleküle von 144° auf 147° verbunden. Die Umwandlung von α-Cristobalit in β-Cristobalit (Tiefcristobalit in Hochcristobalit) ist mit einer Änderung des Bindungswinkels von 147° auf 148° verbunden.

Arbeitsauftrag

Die thermische Umwandlung (und damit Expansion) der verschiedenen Quarz-Modifikationen findet bei den in der Grafik dargestellten Temperaturen statt. Bei welchen, zahntechnisch gesehen, relevanten Temperaturen, finden Umwandlungsprozesse der Quarz-Modifikationen Quarz, Tridymit und Cristobalit statt und wie hoch ist die jeweilige Expansion in diesem Temperaturbereich? Was bedeutet das für das Vorwärmen der Einbettmasseformen?

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Eine Verarbeitungsanleitung für eine gebräuchliche phosphatgebundene Einbettmasse findest findest du hier.

Eine Verarbeitungsanleitung für gipsgebundene Einbettmasse ist z.B. hier zu finden.

Zum Thema Einbettmassse gibt es auch einen großen Artikel in der Wikipedia.

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Übung:

Erstelle eine Übersicht (Skizzen oder vielleicht ein kleines Comic?) über die Expansionsvorgänge der Einbettmasse und die Kontraktionsvorgänge des metallischen Werkstücks zwischen Einbetten und abgeschlossener Abkühlung der gegossenen Form.

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Artikel zur Einbettmasseflüssigkeit einfügen ...

• Zeitfenster zur Verwendung der Flüssigkeit (4-8 Monate), danach entsorgen!
• In glasklare Flaschen abfüllen
• Nicht zu kalt lagern!
• Güsse mit Konus testen
• Mit Expansiometer nachweisen
• Gelansammlungen H2SiO3 (ganz klein), schweben elektrostatisch in der Flüssigkeit und sind Kristallisationskeime. Beim Wachstum drücken sie sich dann gegenseitig auseinander.
• High Expansion Liquids 130%-Liquid gibt es auch
• Normalerweise 0,3% Expansion mehr