In der Bearbeitung von Dentalkeramiken kommen bislang überwiegend nickelgebundene Diamantschleifstifte zum Einsatz, deren Herstellung und Nutzung mit ökologischen sowie gesundheitlichen Herausforderungen verbunden sind. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickelt gemeinsam mit der Firma Philipp Persch Nachf. KG im Forschungsprojekt „GreenDentalGrind“ ein neuartiges Dentalschleifwerkzeug auf Basis einer Kupferbindung. Ziel ist eine ressourcenschonendere und biokompatiblere Alternative bei vergleichbarer Leistungsfähigkeit.
In der industriellen Bearbeitung von Dentalkeramiken kommen derzeit überwiegend galvanisch nickelgebundene Diamantschleifstifte zum Einsatz. Obwohl dieses Verfahren etabliert ist, ist es mit erheblichen ökologischen, gesundheitlichen und ressourcentechnischen Herausforderungen verbunden. Die Behandlung nickelhaltiger Prozessabwässer verursacht einen hohen technischen Aufwand. Zusätzlich können bei der Bearbeitung Nickelionen freigesetzt werden, die Kontaktallergien begünstigen und bei entsprechender Exposition gesundheitliche Risiken darstellen. Darüber hinaus werden mögliche Rückstände in bearbeiteten dentalen Werkstücken kritisch diskutiert. Auch aus wirtschaftlicher Perspektive gewinnt die Materialwahl an Bedeutung, da Nickel im Vergleich zu Kupfer kostenintensiver und weniger verfügbar ist.
Vor diesem Hintergrund rücken alternative Bindungssysteme auf Kupferbasis verstärkt in den Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Ziel ist es, die Nachteile der Nickelgalvanik zu vermeiden und gleichzeitig ein leistungsfähiges Schleifwerkzeugkonzept bereitzustellen, das im industriellen Einsatz vergleichbare Eigenschaften aufweist. Dabei stellt insbesondere die deutlich abweichende Werkstoffcharakteristik der Bindungssysteme eine zentrale Herausforderung dar: Während nickelbasierte Bindungen durch hohe Festigkeit und eine starke Affinität zum Diamanten geprägt sind, zeigt Kupfer ein deutlich duktileres Verhalten und eine geringere Bindungswirkung gegenüber den Schleifkörnern, was unmittelbare Auswirkungen auf Kornhaltigkeit und Verschleißverhalten hat.
Karbidbildung mit Wirkung (Prozessintegrierte Karbidbildung zur Verbesserung der Kornhaltekraft)
Zur Kompensation der werkstoffbedingten Nachteile der Kupferbindung werden titanbeschichtete Diamantkörner eingesetzt. Durch eine gezielte Wärmebehandlung reagieren diese zu Titankarbid (TiC), das als Haftvermittler zwischen Diamant und metallischer Matrix fungiert und die Kornhaltekraft signifikant erhöht. Für die Untersuchungen wurden Flachstahlproben in einem Kupferelektrolyten mit titanbeschichteten Diamanten belegt und galvanisiert. Anschließend erfolgte eine Wärmebehandlung in der FAST-Sinterpresse des Typs DSP510 des Herstellers Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH unter Vakuum bei Temperaturen von 800 °C bis 900 °C über eine Haltezeit von 900 s. Während dieses Prozesses reagiert der Kohlenstoff des Diamanten mit der Titanbeschichtung und bildet im Grenzbereich Titankarbid. Aufgrund seiner gemischt metallisch-kovalenten Bindungsstruktur kann Titankarbid sowohl mit dem Diamanten als auch mit der metallischen Kupfermatrix wechselwirken. Die entstehende TiC-Grenzschicht verbessert dadurch die Anbindung der Diamantkörner an die Kupferbindung und kompensiert deren duktiles Verhalten. Dies führt zu erhöhten Kornhaltekräften und schafft die Grundlage für eine verbesserte Werkzeugstandzeit sowie eine gesteigerte Prozessproduktivität. Zum Nachweis der Karbidbildung wurde eine röntgendiffraktometrische Analyse (XRD) an zuvor entkupferten Proben durchgeführt. Die Auswertung der Diffraktogramme zeigte bei beiden untersuchten Temperaturen charakteristische Reflexe von Titankarbid (TiC) bei 2 = 42,1° und 49°. Damit konnte die Bildung der TiC-Grenzschicht experimentell bestätigt werden.
Einsatzuntersuchungen der neuartigen Schleifwerkzeuge
Zur Bewertung der neu entwickelten Schleifstifte wurden Schleifversuche an Lithiumdisilikat durchgeführt, einem Werkstoff, der typischerweise für dentale Keramikanwendungen eingesetzt wird. Als Referenz dienten nickelgebundene Schleifstifte. Untersucht wurde insbesondere der Einfluss des Kornüberstands auf das Schleifverhalten. Die Ergebnisse der Voruntersuchungen im Flachschleifprozess zeigen, dass die kupfergebundenen Schleifstifte höhere Schleifkräfte als die Nickelreferenz erzeugen, während vergleichbare Oberflächenrauheiten erreicht werden. Dabei wurden für die Varianten mit 40 % und 50 % Kornüberstand die niedrigsten Schleifkräfte innerhalb der kupfergebundenen Werkzeuge gemessen.
In weiterführenden Untersuchungen mit kugelköpfigen Schleifstiften unter praxisnahen 3+2-Achs-Bedingungen wurden unterschiedliche Anstellwinkel von 30°, 45° und 60° betrachtet. Für die Nickelreferenz wurde ein Kornüberstand von 60 % eingesetzt, während die kupfergebundenen Schleifstifte mit Kornüberständen von 40 %, 60 % und 90 % untersucht wurden. Die Prozesskräfte der kupfergebundenen Variante mit 40 % Kornüberstand lagen dabei auf einem vergleichbaren Niveau zur Nickelreferenz. Unterschiede zeigten sich jedoch beim Schleifkraftverhältnis μ (s. Abbildung 2), das für die kupfergebundenen Werkzeuge geringer ausfiel. Ein geringeres Schleifkraftverhältnis weist auf einen höheren Anteil der Normalkraft gegenüber der Tangentialkraft hin und lässt auf eine reduzierte Effizienz der Spanbildung sowie einen erhöhten Anteil an Bindungsreibung während des Schleifprozesses schließen. Bei kleinen Anstellwinkeln befindet sich überwiegend der Bereich des Kugelkopfradius im Eingriff. Aufgrund der dort geringen lokalen Schnittgeschwindigkeit treten verstärkt Reib- und Pflugvorgänge auf, die zu vergleichsweise hohen Normalkraftanteilen führen. Mit zunehmendem Anstellwinkel verlagert sich der Kontakt in Richtung des Werkzeugumfangs, wodurch die lokale Schnittgeschwindigkeit ansteigt und die Spanbildung begünstigt wird. Dadurch nimmt der Anteil der Tangentialkraft gegenüber der Normalkraft zu, was sich in einem steigenden Schleifkraftverhältnis äußert. Die Nickelreferenz weist das höchste Schleifkraftverhältnis auf, was auf einen vergleichsweise hohen Anteil der Tangentialkraft und damit auf eine ausgeprägtere Schneidwirkung im Schleifprozess hindeutet. Die Kupferbindung mit 40 % Kornüberstand zeigt ein geringeres Schleifkraftverhältnis, jedoch einen ähnlichen Verlauf über die untersuchten Anstellwinkel. Für die Kupferbindungen mit 60 % und 90 % Kornüberstand wurden nochmals niedrigere Schleifkraftverhältnisse ermittelt.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Werkzeugoberflächen zeigen, dass die titanbeschichteten Diamanten der kupfergebundenen Schleifstifte derzeit noch nicht vollständig belegt werden. Insbesondere im Bereich des Kugelkopfradius liegt eine geringe Kornkonzentration vor. Dies führt bei kleinen Anstellwinkeln zu veränderten Eingriffsbedingungen im Vergleich zur vollständig belegten Nickelreferenz.
Die Untersuchungen zeigen zugleich deutliches Optimierungspotenzial des neuartigen Bindungskonzepts. Durch gezielte Anpassungen der Kupferbindung, beispielsweise durch eine kontrollierte Versprödung der Matrix sowie durch eine homogenere Verteilung der Diamantkörner auf dem Werkzeug, insbesondere im Bereich des Kugelkopfradius lassen sich konkurrenzfähige Schleifstifte realisieren. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse das Potenzial kupfergebundener Dentalschleifwerkzeuge als ressourceneffiziente und biokompatiblere Alternative zur klassischen Nickelbindung. Insbesondere die erfolgreiche prozessintegrierte Bildung von Titankarbid stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um die werkstoffbedingten Nachteile der Kupferbindung zu kompensieren und langfristig eine Substitution nickelgebundener Schleifwerkzeuge zu ermöglichen.
Autoren: Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Michael Maier
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