Lasertechnik

Laser

Vor einigen Jahren hat die Laserfügetechnik in den Laboratorien Einzug gehalten. Damit ist es heute möglich, Metallverbindungen ohne Lot, nur mit Originalmaterial zusammenzufügen. Biokompatible Metallverbindungen sind nur mit dem Laser möglich.

Bedingt durch die äußerst hohen Anschaffungskosten eines Dental-Lasers ist diese Technik wohl nur in Labors mit entsprechenden Qualitätsanforderungen zu finden.

Laserschweißen in der Zahntechnik

Die Schwierigkeiten Titan als dentalen Werkstoff zu fügen, waren der Auslöser für den Einsatz der Laserschweißtechnologie in der Zahntechnik. Da sich diese Technologie auch für die lotfreie Verbindung anderer dentaler Metalle anbot, haben mehrere Dentalfirmen Laserschweißgeräte auf den Markt gebracht. In diesem Bericht sollen die physikalischen Grundlagen, Vor- und Nachteile, sowie Anwendungs- und Sicherheitshinweise kurz dargestellt werden, um Auszubildenden und "Laserschweißneulingen" einen Einblick in diese Technologie zu geben.


Laserschweißgerät

Bei einem Laser ( - light amplification by stimulatet emission of radiation - d. h. Lichtverstärkung durch angeregtes Aussenden von Strahlung) handelt es sich um kohärentes, polarisiertes und meist auch monochromatisches Licht, das ohne Zusatzgeräte stark gebündelt und von extrem hoher Strahlungsdichte ist. Die Wellenlänge dieses Lichtes muß sich nicht im Bereich des sichtbaren Lichts (380 - 780 nm) befinden. Erzeugt werden die Laserstrahlen in der Zahntechnik heute üblicherweise durch sogenannte Festkörperlaser mit über 1000 nm Wellenlänge.

 

 

Strahlengang

Die Schweißenergie wird dem Werkstück beim "Lasern" durch den Laserstrahl zugeführt. D.h. nur jene Energie die vom Metall absorbiert wird, führt zur Aufheizung, der reflektierte Teil geht für den Schweißvorgang verloren. Das Werkstück muß demzufolge so vorbereitet werden (sandstrahlen, aufrauhen), daß möglichst große Strahlanteile absorbiert werden. Ein weiteres Problem stellen Metalle mit einer guten Wärmeleitung dar, da hier die zugeführte Energie sehr schnell in das Material abgeführt wird. Daher läßt sich Titan (l = 22 W/mK ) mit wesentlich geringerer Laserenergie schweißen als Gold (l = 316 W/mK) mit seiner ca. 14 -fach größeren Wärmeleitung.
Die in der Zahntechnik eingesetzten Laser arbeiten im Impulsbetrieb, d.h. der Laserblitz wirkt nur einige Millisekunden auf das Metall ein. Viele Schweißpunkte in Reihe überlappt angeordnet ergeben die Schweißnaht. Um die Schweißstelle vor Oxidation zu schützen, wird sie ständig mit hochreinem Argon umspült.

 
   
Schweißnaht

Für eine gute Schweißung müssen die folgenden Parameter optimiert werden:

  • Leistung des Laserstrahls
  • Einwirkungsdauer des Laserstrahls
  • Fleckgröße des Strahls (Durchmesser des Strahls im Fokus der Werkstückoberfläche)
  • Abstand des Werkstücks
  • Überlappung der Schweißpunkte
 

in Abhängigkeit von

  • den Werkstoffeigenschaften
  • der Kombination der zu verbindenden Werkstoffe
  • der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstoffes

Laserschweißungen werden in der Zahntechnik manuell durchgeführt. Das Werkstück wird mit der Hand im geschlossenen Schweißraum in den durch eine Hilfsleuchte und ein Fadenkreuz markierten Brennpunkt des Gerätes gebracht. Die visuelle Kontrolle geschieht durch ein Stereomikroskop. Der Schweißimpuls wird durch einen Fußschalter ausgelöst.
 

Beim Laserschweißen unterscheiden wir verschiedene Verfahren:

Tiefschweißen:

Bei diesem Verfahren werden zwei Werkstoffe ohne Schweißzusatzwerkstoff durch Aneinanderreihen von einzelnen Punkten stumpf aneinander geschweißt. Die zu fügenden Teile sollten paßgenau mit einem Spalt von weniger als 0,1 mm aneinander fixiert sein. Um den Verzug der Schweißnaht möglichst gering zu halten, soll alternierend, d.h. wechselweise von beiden Seiten geschweißt werden. Die Schweißpunkte müssen sich dabei um ca. 80% überlappen. Die Schweißnaht bildet sich dabei häufig nur an der Oberfläche. Wird mit größerer Energie gearbeitet, um tiefer in das Werkstück einzudringen, so bildet sich eine mit Plasma gefüllte Dampfkapillare. Das birgt die Gefahr der Riß- und Lunkerbildung in und am Rande der Naht. Die wesentliche Anwendung des Tiefschweißens liegt somit im Heften der Werkstücke.

Tiefschweißen

Wärmeleitungsschweißen mit Schweißzusatzwerkstoffen.Für zuverlässiges und sicheres Schweißen bietet sich das Wärmeleitungsschweißen unter Verwendung von Draht als Schweißzusatzwerkstoff an. Dazu wird der zu fügende Spalt V bzw X-förmig aufgeschliffen wobei zwischen den Werkstückteilen eine parallele Fläche zum genauen Fixieren der zueinander verbleiben sollte. Unter Zuführung von Schweißdraht wird dieser Spalt dann in mehreren Lagen von innen nach außen aufgeschweißt. Die entsprechenden Schweißdrähte können bei Hochgoldlegierungen in 0,4 mm Stärke mitgegossen werden (z.B. eine eingebettete Angelschnur). Palladium, NE-Legierungen sowie Titandraht sollten konfektioniert gekauft werden, da selbstgegossene Drähte sich nicht eignen.


Schweißzusatzwerkstoffe

Beim Schweißen ist zu beachten, daß der Draht nur mit der Spitze in den Laserstrahl gehalten wird, so daß das Werkstück nahezu vollständig vom Laserstrahl getroffen wird und der abtropfende Draht auf die geschmolzene Oberfläche trifft.

Auch bei diesem Schweißverfahren muß alternierend (wechselseitig) gearbeitet werden. Nach jeder Schweißlage sollte eine Kontrolle erfolgen, um eventuell auftretende Risse sofort ausschleifen zu können. Durch die einfache Kontrollmöglichkeit ist bei diesem Schweißverfahren die Gefahr von verborgenen Rissen oder Lunkern praktisch ausgeschlossen.

 

Praktische Tips

Werkstücke erst (auf dem Modell) heften um Verspannungen zu vermeiden. Beim Zersetzen von Gips durch Laserstrahlen entstehen Schwefeldämpfe. Modell daher durch Silberfolie als Reflektionsschicht abdecken.
Schweißnaht nach dem Heften wechselseitig auflegen. Dabei die Paßgenauigkeit von Zeit zu Zeit durch das Zurücksetzen auf das Modell überprüfen


Ermittlung der Schweißenergie:

Die Schweißenergie setzt sich aus der Fleckgröße, Schweißleistung und der Schweißzeit zusammen. Beim praktischen Arbeiten sollte man sich bei mittlerer Fleckgröße (0,8 - 1,2 mm) von kleinen Energien (geringe Leistung; kurze Zeit) an die optimale Energieeinstellung heranarbeiten.


Für die Praxis gilt als Faustregel:

Hochgoldlegierungen: höhere Leistung - kurze Zeit
NE-Metalle: geringe Leistung - längere Zeit
Werden NEM und EM miteinander gefügt, so wird der EM-Schweißdraht in dünner Schicht auf die NEM-Oberfläche aufgetragen (Vorschwemmen). Dabei wird der Draht an der Spitze Punkt für Punkt abgetropft.
Beim Fügen verschiedener Metalle miteinander immer Draht aus der höherwertigen Legierung verwenden.
Zu fügende Teile pfeilernah an gering belasteten Zonen trennen
Mindestabstand von Verblendmaterialien 1 mm (der Laserstrahl beschädigt Kunststoffe und Keramik!).


Das Laserprinzip

Das Emittieren von Lichtstrahlung läßt sich an einem einfachen Atommodell damit erklären, daß Elektronen, die durch Energiezufuhr (z.B. Blitzlicht) auf ein höheres Energieniveau angehoben wurden, auf ihre Ursprungsschale "zurückfallen". Dabei senden sie ein Lichtquant aus. Beim LASER geschieht dieses "Zurückfallen" stimuliert, d.h. eine Lichtwelle die mit der stimulierten Welle übereinstimmt, löst bei allen angeregten Elektronen dieses "Zurückfallen" gleichzeitig aus. Dabei strahlt die stimulierte Lichtwelle in der gleichen Richtung (oft auch mit der gleichen Phase) wie die auslösende Lichtwelle. Wir erhalten somit einen in die gleiche Richtung strahlenden Lichtblitz einer ganz bestimmten Wellenlänge.

Laserprinzip

Der Laserkristall (Nd:YAG; Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) befindet sich dabei zwischen zwei Spiegeln, zwischen denen die Lichtwelle hin- und herläuft. Jeder Durchlauf durch den Kristall führt zu einer Verstärkung der Lichtwelle. Einer der Spiegel ist teildurchlässig, so daß ein Teil der Lichtenergie das System als Lichtenergie verlassen kann.


Sicherheitsvorschriften:

Ein zum Schweißen bestimmter LASER sendet unsichtbare Strahlen aus, die beim Einwirken auf Haut und Augen zu Verbrennungen führen. Daher sind beim Umgang mit einem solchen Gerät umfangreiche Sicherheitsvorschriften einzuhalten. Für ihre Einhaltung muß in jedem Betrieb der einen LASER (Leistungsklasse 4) einsetzt ein geschulter und geprüfter Laserschutzbeauftragter benannt werden.

Die auf dem Markt befindlichen Geräte sind so gesichert, daß aus der geschlossenen Arbeitskammer beim bestimmungsgemäßen Gebrauch keine Strahlung austreten kann. So wird beim öffnen der Klappe zur Schweißklammer der Laserstrahl durch eine Blende unterbrochen, und im Moment des Laserstrahls schließt eine sogenannte Sichtblende den Strahlengang im Steromikroskop.

 
Dennoch müssen alle Techniker und Technikerinnen die mit diesem Gerät arbeiten vom Laserschutzbeauftragten über die Gefahren und Sicherheitsbestimmungen von Laser-Geräten informiert werden.


Wichtige Anwenderregeln:

  • Hände stets außerhalb des Laserstrahls halten
  • keine metallischen Ringe tragen
  • In die Schweißkammer keine brennbaren Materialien einbringen

Fazit:

Der praktische Umgang mit der Laserschweißtechnik muß von Zahntechnikerinen und Zahntechnikern handwerklch erlernt und praktisch geübt werden. Nur dann werden paßgenaue, zugfeste, lunker- und rißfreie Verbindungen erreicht. Dazu gehört auch die Erkenntnis, daß bei Laserschweißungen ohne Schweißzusatzwerkstoffe solche Verbindungen nicht möglich sind.

 


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