Die Qualität des Hochtemperaturofens zum Dichtsintern von Zirkonoxid gewinnt durch Materialinnovationen an Bedeutung. Innovative,  hochtransluzente Zirkonoxid-Typen eröffnen neue Möglichkeiten – benötigen aber geeignete Sinterbedingungen.  

Zahnmedizinisches Zirkonoxid befindet sich seit mehr als 20 Jahren im klinischen Einsatz. Es hat sich als hochfestes und langlebiges Gerüstmaterial etabliert. In den letzten Jahren haben sich viele industrielle Hersteller von ZrO2 Fräsrohlingen darauf konzentriert, die Lichtdurchlässigkeit des Materials zu erhöhen. Neue, chemische Rohmaterial-Varianten und verbesserte Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von Rohlingen, die eine hohe Festigkeit (> 900 MPa) mit einer gesteigerten Lichtdurchlässigkeit kombinieren. Zahnfarben lassen sich inklusive Aufhellung im inzisalen Drittel durch Liquid basierende Färbesysteme herstellen. Zudem stehen vor-colorierte Rohlinge in Zahnfarben zur Verfügung. Diese Materialien eignen sich in der Regel als Gerüstmaterial jeglicher Brückenlänge und insbesondere für monolithische (vollanatomische) Kronen- und Brückenversorgungen ohne keramische Verblendung im Seitenzahnbereich. Bei der neusten Generation des monolithischen Zirkonoxids nähert sich die Transluzenz der von Glaskeramiken an. Diese neue Materialgruppe erreicht eine minimierte Lichtbrechung und  reduzierte Lichtstreuung zu Gunsten einer nochmals gesteigerten Transluzenz durch ein hybrides Mikrogefüge aus kubischen und tetragonalen Kristallen. Das Indikationsspektrum für monolithische Versorgungen kann so auf den Frontzahn- und Lachlinienbereich erweitert werden. 
   
Um sich mit monolithischen Konstruktionen der Ästhetik von verblendeten Anteilen anzunähern, ist es notwendig die Farbgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit im Griff zu haben. Dies kann mit den innovativen, hoch- transluzenten Zirkonoxiden durchaus schwierig sein. Neben dem verwendeten Färbesystem und der korrekten Handhabung hat insbesondere der Sinterprozess erheblichen Einfluss auf Farbe und Opazität. Während des Schrumpfungsprozesses und der Verfestigung des Materials im Ofen, können verschiedene Effekte das Ergebnis negativ beeinflussen. Um den Sinterprozess kontrollierbar zu machen ist es hilfreich, diese Effekte zu verstehen.  Die Auswahl des Ofenkonzeptes und die Kenntnis um die Präzision in Bezug auf die Endtemperatur und Heizraten sind entscheidend. 

Verfärbungen  

Im Wesentlichen können die für den dentalen Gebrauch angebotenen Hochtemperaturöfen in zwei Gruppen, entsprechend der verbauten Heizelemente unterschieden werden. Etabliert haben sich Heizelemente aus Molybdändisilizid (MoSi2) und Siliciumcarbid (SiC).
Bei MoSi2 kann es zu unerwünschten Verfärbungen kommen. An weißen, ungefärbten  Zirkonoxid Teilen zeigt sich diese als gelb- grünlich (Abb. 1).

Sinteröfen. Abb.1 Blogbeiträge

Abb. 1: Rechte Krone: grün-gelbliche Verfärbung durch MoO3 h

Hervorgerufen wird die Verfärbung durch die Absonderung von MoO3 (Molybdän(VI)-oxid) aus den Heizstäben. Trifft  MoO3 zusammen mit den farbgebenden Oxiden in einem Färbeliquid oder einem vor- gefärbten Rohlingsmaterial, kommt es zu einer Mischreaktion, welche die gewünschten Zahnfarben erheblich verfälschen kann.
Intakte Heizelemente aus MoSi2 sind von einer Schutzschicht aus SiO2 (Siliciumdioxid) umgeben, welche die Verfärbungen verhindert. Betrachtet man MoSi2-Heizelemente hinsichtlich Ihres Temperaturverhaltens, so lassen sich Reaktionen in zwei Temperaturbereichen feststellen. Im unteren Bereich von ca. 400-600°C und im oberen von ca. 1000°C-1600°C (abhängig vom Ofenhersteller). Durchfährt man den unteren Temperaturbereich mit geringer Geschwindigkeit kann es zur so genannten „Pestoxidation“ kommen, bei der sich in Kombination mit Sauerstoff im Wesentlichen das unerwünschte MoO3 bildet. Bei höheren Temperaturen baut sich SiO2 als schützende Schicht auf dem Heizelement auf und verhindert bzw. verzögert die Pestoxidation (Abb. 2).

Sinteröfen Abb.2 Blogbeiträge

Abb. 2: Darstellung der Entstehung von Verfärbungen bedingt durch MoSi2-Heizelemente („Pestoxidation“). Das Heizelement verbraucht sich im Laufe der selber.

Die SiO2-Schutzschicht befindet sich unter geringer Druckeigenspannung. Wird die Spannung z.B. durch das ständige Anwachsen der Schicht zu groß, kommt es im Laufe der Zeit zu Rissen und Abplatzern und es kann erneut zur Entstehung von MoO3 in der kommenden Aufheizphase kommen. Durch „Reinigungszyklen“ mit schneller Aufheizung und langer Haltezeit bei hoher Temperatur, kann die Schutzschicht wieder repariert werden (Angaben des 

Ofenherstellers beachten). Je nach Intensität der Schädigung können mehrere Zyklen für eine ausreichende Reparatur notwendig sein. Die Verwendung von Reinigungspulvern auf ZrO2- Basis können zusätzlich helfen, die Ofenkammer von MoO3  Rückständen zu befreien. Da sowohl die Pestoxidation als auch die Schutzschicht zu Ihrer Entstehung das Heizelement selber benötigen, braucht sich dieses mit fortlaufender Nutzung immer weiter auf. Dadurch beschränkt sich die Anzahl möglicher Reparaturen sowie die Funktionalität des Heizelementes. Letztendlich führt dies dann zum notwendigen Austausch der Elemente. Diese Verfärbungseffekte sind bei SiC-betriebenen Öfen nicht bekannt. Wer also eine negative Variable in seinem Prozess ausschließen möchte, sollte sich vor der Investition zu Öfen mit SiC-Heizelementen erkundigen.

Einfluss von Temperatur auf Farbe und Transluzenz 

Eine Konstruktion aus Zirkonoxid braucht eine bestimmte Menge thermischer Energie um ein optimales Gefüge auszubilden. Das auftreffende Licht tritt in Wechselwirkung mit diesem Gefüge, es kommt zu Absorption und Reflektion bestimmter Wellenlängen des Lichts, wodurch letztendlich eine gewisse Farbwirkung entsteht. Wird das Gefüge signifikant verändert, verändert sich folglich auch die Optik des Materials. Ein stabiler Sinterprozess ist deshalb Voraussetzung für reproduzierbare Farbergebnisse. 
Mit steigender Sintertemperatur und demnach erhöhtem Eintrag thermischer Energie kommt es zu zunehmendem Kornwachstum. In einem Gefüge mit größeren Körnern wird das Licht vergleichsweise weniger gebrochen und gestreut, da weniger Korngrenzen vorhanden sind. Dies führt zu einer gesteigerten Transluzenz des Materials.
Aber auch das Chroma der Konstruktion verändert sich, da mit erhöhter Sintertemperatur die farbgebenden Dopants/ Ionen anders in das Gefüge des Materials eingebaut werden, was zu einer veränderten Wechselwirkung mit dem auftreffenden Licht führt. Abbildung 3 zeigt Kronen aus einem hochtransluzenten Zirkonoxid (3Y TZP-LA) gefärbt in Farbe A3,5 entsprechend Vita®. Gesintert wurde in einem Standardsinterprozess (ca. 8h) bei unterschiedlichen Sinterendtemperaturen. In dem Diagramm darüber sind die Werte der Farb- und Transzluzens-Messungen dargestellt. Die Messung und Darstellung der Farben erfolgt mit dem L*a*b*- System (cie Lab). Dieses beschreibt einen dreidimensionalen Farbraum in dem sich mit dem Helligkeitswert L* und den Farbkoordinaten a* (+a rot/ -a grün) und b* (+b gelb/ -b blau) alle Farben in Ton und Buntheit/ Sättigung durch Zahlenwerte darstellen lassen.

Sinteröfen die vernachlässigte komponente Blog Abb.3

Abb. 3: Einfluss der Endtemperatur auf Farbe und Transluzenz

Aus dem Diagramm geht hervor, dass mit einer um 100°C erhöhten Sintertemperatur die Transluzenz um etwa 3 % steigt. Gleichzeitig verändert sich aber auch der Farbton signifikant, wie in den Abbildungen zu erkennen ist. Der Weißwert L* steigt, während der Rot (a*)- und der Gelb (b*)- Anteil sinken. Die Vita® A- Farbreihe ist als rötlich- bräunlich definiert. Geht rot / gelb- braun Chroma verloren, entfernt man sich entsprechend von der angestrebten Zahnfarbe. 

Also ist hier die Präzision des Ofens in Bezug auf die exakte Endtemperatur und Energieverteilung gefragt. Eine Möglichkeit die Brenngenauigkeit zu ermitteln sind Tests mit so genannten PTC-Ringen. Der PTCR (process temperature control ring) ist ein keramischer Ring, der während eines speziellen Sinterzyklus proportional zum Wärmeeintrag schrumpft. Dem Endmaß des Rings nach Sinterung kann anhand von Temperaturtabellen mit einer Genauigkeit von +/- 10 °C eine Ofen-Endtemperatur zugeordnet werden. Zeigt sich anhand des PTCR-Kontrollbrands eine signifikante Abweichung der ermittelten Ofen-Endtemperatur von der programmierten/ gewünschten Sinterendtemperatur, empfiehlt es sich den Ofen entsprechend neu zu kalibrieren.
Neben der Sinterendtemperatur nimmt auch die Befüllung des Ofens maßgeblich Einfluss auf das Farbergebnis. In einem voll besetzten Ofen steht jeder einzelnen Einheit deutlich weniger thermische Energie zur Verfügung, als in einem vergleichbaren Sinterzyklus mit geringem Ofenbesatz. Dies kann zu deutlichen Unterschieden in Transluzenz und Farbe führen. Um eine Reproduzierbarkeit der optischen Eigenschaften zu gewährleisten, empfiehlt es sich daher bei hohem Ofenbesatz und/ oder massiven Konstruktionen ein Sinterprogramm mit längeren Aufheizphasen zu wählen (Abb. 4).

Sinteröfen Abb.4 Blogbeiträge

Abb. 4: Ein erhöhter Ofenbesatz durch mehr Konstruktionen oder Sinterhilfsmitteln (Schalen oder Auflageplatten) absorbiert mehr Energie, die dann den einzelnen Teilen fehlt. Langsamere Aufheizraten können helfen, gleichmäßige Ergebnisse von Brand zu Brand zu erreichen.

Auch hier kann sich die Verwendung eines SiC-Ofens positiv auswirken. Da ein Abdecken der Arbeiten in SiC-Öfen nicht notwendig ist, um die einzelnen Teile vor Verfärbung zu schützen, ist die Ofenbefüllung geringer. Auch die keramische Abdeckung absorbiert Energie, die den einzelnen, abgeschirmten Teilen zum perfekten Sintern fehlen kann. 

Die dargestellten Aspekte können nur einige Einflussgrößen beleuchten. Wer seine Farbergebnisse verbessern möchte, sollte sich ausführlich von seinem Zirkonoxid- Lieferanten und Ofen-Lieferanten beraten lassen. Mit einem gut abgestimmten Sinterprozess lassen sich Farbtreue und Reproduzierbarkeit verbessern.