DE19750502B4

DE19750502B4 - Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von zahntechnischen Teilen

Info

Publication number: DE19750502B4
Application number: DE19750502A
Authority: DE
Inventors: Gerlinde Lange; Franz-Josef Dr. Grau; Jürgen Dr. Kiese
Original assignee: Degudent GmbH
Current assignee: Degudent GmbH
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2017-11-15
Also published as: DE19750502A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer in Bezug auf Ermüdungsfestigkeit bei schwingenden Belastungen von metallischen zahntechnischen Teilen, wie Wurzelstifte, Implantate, Prothesen oder Brücken, durch eine Oberflächenbehandlung dieser Teile durch Einbringen von Druckspannung in die Oberflächen dieser Teile durch Kugelstrahlen mit Stahlkugeln oder Glaskugeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen mit Kugeln mit Kugelgrößen zwischen 400 μm und 600 μm erfolgt, die über eine Kugelstrahldüse mit einem Innendurchmesser von 3 bis 8 mm abgegeben werden, wobei das Kugelstrahlen mit einem Strahldruck von 1 bar bis 10 bar bei einer Dauer von 30 bis 60 Sekunden erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer in Bezug auf Ermüdungsfestigkeit bei schwingenden Belastungen von metallischen zahntechnischen Teilen, wie Wurzelstifte, Implantate, Prothesen oder Brücken, durch eine Oberflächenbehandlung dieser Teile durch Einbringen von Druckspannung in die Oberflächen dieser Teile durch Kugelstrahlen mit Stahlkugeln oder Glaskugeln.
Metallische Teile ertragen generell schwingende Belastungen auch dann nicht beliebig oft ohne zu Bruch zu gehen, wenn die Spannungsamplitude relativ klein gegenüber der im Zugversuch ermittelten Zugfestigkeit der entsprechenden Werkstoffe ist. Oft gehen metallische Bauteile auch dann noch zu Bruch, wenn die Spannungsamplitude kleiner als die Dehngrenze des eingesetzten Werkstoffes ist. Das Werkstoffverhalten wird also durch die Spannungsamplitude und die Häufigkeit ihrer Wiederholung bestimmt. Daneben wirken sich auch die Umgebungsbedingungen und die Geometrie der Teile auf die Schwingfestigkeit aus.
Im zahntechnischen Bereich werden viele Bauteile absichtlich (z. B. Federn) oder unabsichtlich (z. B. Wurzelstifte) schwingend beansprucht. Dabei ergibt sich immer wieder das Problem, dass Bauteile, obwohl aus einer optimierten Legierung gefertigt und ausreichend dimensioniert, wie z. B. Wurzelstifte oder Konstruktionselemente, brechen, ohne dass im nachhinein Materialfehler oder Verarbeitungsfehler feststellbar sind. Vielmehr zeigen Untersuchungen, dass die Bauteile aufgrund von Materialermüdung, welche durch die Umgebungsbedingungen (Speichel) noch gefördert wird, versagt haben. Eine Möglichkeit, diese Ermüdungsbrüche zu vermeiden wäre eine stärkere Dimensionierung der Bauteile, um die lokalen Spannungen im Bauteil zu reduzieren. Dies ist jedoch oft aus Gründen der Platzsituation im Munde oder aus ästhetischen Gründen nicht möglich. Solche Brüche sind meist nur sehr schwer und mit großem Aufwand zu reparieren.
Im Fahrzeug- und Flugzeugbau ist das Kugelstrahlen zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Metallgegenständen schon seit vielen Jahren bekannt und wird dort erfolgreich eingesetzt. So wurde allgemein gefunden, daß bei vielen Teilen, welche einer Kugelstrahlung unterzogen wurden, eine erhöhte Ermüdungsfestigkeit festgestellt werden konnte. Die erhöhte Ermüdungsfestigkeit ist dabei auf die in die Oberflächenschicht eingebrachten Druckspannungen zurückzuführen, welche die Ausbildung von Rissen im Bauteil erschweren. So werden im Fahrzeugbau Differentialgetriebe für Fahrzeugachsen, Spindeln, Wellen, Druckringe sowie Verbindungsstangen kugelgestrahlt, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen. Auch im Turbinenbau werden Schaufeln, welche im Verdichterteil der Turbine eingesetzt werden, oft kugelgestrahlt, um die Ermüdungsfestigkeit und damit die Lebensdauer des Bauteils zu erhöhen.
Solche Techniken sind im Dentalbereich bisher nicht angewendet worden. Spezielle Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit sind bisher auch noch nicht in Betracht gezogen worden.
Im Dentalbereich wird zum Beispiel das Sandstrahlen für das Reinigen von Gussteilen eingesetzt. Durch das Sandstrahlen wird aber mehr Material abgetragen als Verformung in die Oberflächenschicht eingebracht. Die Oberfläche der Teile wird daher nur aufgerauht. Diese mikroskopischen Defekte führen, da sie nicht von Druckspannungen überlagert werden, eher zu einer Abnahme der Ermüdungsfestigkeit dieser Teile.
Durch Sandstrahlen der Teile lässt sich eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit nicht erzielen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist der US 5 108 289 A zu entnehmen.
Um eine Oberflächenhärtung von Knochenimplantaten vorzunehmen, werden diese nach der JP 08289927 A mit Keramik-, Glas- oder Stahlkugeln mit Durchmessern zwischen 50 μm und 500 μm beaufschlagt.
Die Literaturstelle: Hirsch Th., Vöhringer O., Macherauch E.: Optimizing of the bending fatigue behaviour of TiAI6V4 by shot peening. In: Titanium Science and Technology, 1985, Vol. 4, S. 2163–2170, beschreibt Grundlagenuntersuchungen zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von Titanlegierungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von metallischen zahntechnischen Teilen, wie Wurzelstiften, Implantaten, Prothesen oder Brücken, durch eine Oberflächenbehandlung zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahrendadurch gelöst, dass das Kugelstrahlen mit Kugeln mit Kugelgrößen zwischen 400 μm und 600 μm erfolgt, die über eine Kugelstrahldüse mit einem Innendurchmesser von 3 bis 8 mm abgegeben werden, wobei das Kugelstrahlen mit einem Strahldruck von 1 bar bis 10 bar bei einer Dauer von 30 bis 60 Sekunden erfolgt.
Trotz der im Vergleich zu herkömmlichen Anwendungsgebieten völlig anderen Ausgangsproblemstellung hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Lebensdauer von aus üblichen Dentallegierungen gefertigten Teilen durch Einbringen von Druckspannungen in die Oberflächenschicht der Teile mittels Kugelstrahlen beträchtlich erhöht werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch um über zwei Zehnerpotenzen erhöhen. Falls gewünscht können die auf der Oberfläche der kugelgestrahlten Teile zurückbleibenden Eindruckstellen mit geeigneten Mitteln ohne Aufhebung der Druckspannungen in der Oberflächenschicht entfernt werden. Ansonsten können sie zur Erhöhung der Retention, z. B. bei Wurzelstiften, belassen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für alle in der Zahntechnik üblichen metallischen Materialien und die daraus gefertigten Teile geeignet. Diese bestehen überwiegend aus Edelmetallegierungen und können als Hauptlegierungsbestandteile Gold, Silber, Platin und Palladium enthalten. Auch Titan bzw. Titan-haltige Legierungen kommen im Dentalbereich zum Einsatz und können erfindungsgemäß behandelt werden.
Als Kugelstrahlmaterialien kommen Stahl oder Glas zum Einsatz, wobei die Partikel im wesentlichen kugelige, vorzugsweise exakte Kugelgestalt aufweisen. Die Kugelgröße wird zweckmäßigerweise auf die Dimensionierung der zu behandelnden Teile abgestimmt und kann vorzugsweise zwischen 420 und 500 μm und insbesondere um 500 μm liegen.
Eine ausreichende Behandlung ist bei einem Strahldruck von vorzugsweise 2 bis 9 bar gewährleistet.
Die zu behandelnden Dentalteile werden zweckmäßigerweise in einem Abstand von 10 bis 40 mm von der Kugelstrahldüse angeordnet. Um eine möglichst gleichmäßige Behandlung der Objektoberfläche zu erreichen, lässt man den Gegenstand rotieren, zweckmäßigerweise mit einer Drehgeschwindigkeit von 0,5 bis 5 Umdrehungen pro Sekunde.
Geeignete Apparaturen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kugelstrahlverfahrens sind vorhanden und ihr Betrieb ist dem Fachmann geläufig.
1 zeigt schematisch die Anordnung einer solchen Apparatur. Aus der Düse (1) treten die Kugeln (2) als Strahl aus und treffen auf die Oberfläche des rotierenden Objekts (3) Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:
Probestäbe der Abmessung 40 mm Länge und 2,5 mm Durchmesser aus verschiedenen Werkstoffen wurden kugelgestrahlt mit Glaskugeln der Körnung 420 bis 590 μm. Der Strahldruck betrug 8 bar bei einem Abstand Düse – Probe von 35 mm und einer Strahlzeit von 45 Sekunden. Die Probe rotierte dabei einmal pro Sekunde um ihre Achse.
Zur Beurteilung der Lebensdauer bzw. Dauerfestigkeit dieser Proben wurden sogenannte Wählerkurven bestimmt. Dazu werden mehrere Probestäbe aus dem gleichen Werkstoff bei konstanter Mittelspannung mit verschiedenen großen Spannungsamplituden bis zum Bruch schwingend beansprucht.

Die folgende Tabelle zeigt die gemessenen Werte an den kugelgestrahlten Proben, im Vergleich zu unbehandelten Proben für drei Werkstoffe. Man erkennt dabei die beträchtliche Erhöhung der Dauerfestigkeiten bzw. Lebensdauer der kugelgestrahlten Proben gegenüber den unbehandelten. Tabelle:

		Lastwechsel bis Bruch
Werkstoff	angelegte Prüfspannung [MPa]	unbehandelte Proben	kugelgestrahlte Proben
1	200	89 000	> 11 000 000
60 Au, 24,9 Pt,	300	100 000	2 600 000
15 Pd, 0,1 Ir	350	61 000	2 200 000
2	300	20 000	> 10 000 000
Titan	350	10 000	300 000
	400	8 000	290 000
3	150	530 000	> 10 000 000
60 Pt 40 Au	200	450 000	8 300 000
	250	120 000	4 100 000
	300	85 000	2 500 000
	400	27 000	210 000

2 zeigt Wählerkurven für den Werkstoff 1. In der Darstellung ist für erfindungsgemäß behandelte Probestäbe (•) und für lediglich geschliffene Probestäbe (o) der Gang der Bruchlastspielzahl bei Änderung der Spannungsamplitude aufgetragen. Die Verbesserung der behandelten Proben ist deutlich zu erkennen.
3 zeigt für den Werkstoff 1 den Einfluß unterschiedlichen Kugelstrahldrucks auf die Bruchlastspielzahl (bei einer Spannungsamplitude von 350 Mpa); zum Vergleich der Wert für eine nur geschliffene Probe.

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer in Bezug auf Ermüdungsfestigkeit bei schwingenden Belastungen von metallischen zahntechnischen Teilen, wie Wurzelstifte, Implantate, Prothesen oder Brücken, durch eine Oberflächenbehandlung dieser Teile durch Einbringen von Druckspannung in die Oberflächen dieser Teile durch Kugelstrahlen mit Stahlkugeln oder Glaskugeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen mit Kugeln mit Kugelgrößen zwischen 400 μm und 600 μm erfolgt, die über eine Kugelstrahldüse mit einem Innendurchmesser von 3 bis 8 mm abgegeben werden, wobei das Kugelstrahlen mit einem Strahldruck von 1 bar bis 10 bar bei einer Dauer von 30 bis 60 Sekunden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen mit Stahlkugeln oder Glaskugeln zwischen 420 μm und 590 μm erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen mit einem Strahldruck von 2 bis 9 bar erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Teil in einem Abstand von 10 bis 40 mm von der Kugelstrahldüse angeordnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil während der Kugelstrahlbehandlung rotiert.