Vilken typ av ugn används för sintring?

 

När ett dentallaboratorium börjar arbeta med zirkoniumoxid är en av de första utrustningsfrågorna vanligtvis ganska enkel:

Vilken typ av ugn används egentligen för sintring?

Till en början verkar svaret självklart.

Zirkoniumoxid måste sintras vid hög temperatur, så laboratoriet behöver en sintringsugn med hög-temperatur.

När man väl börjar jämföra olika typer av utrustning blir dock frågan mer komplicerad.

Det finns konventionella elektriska motståndsugnar, snabba-sintringsugnar, ugnar som använder molybdendisilicid (MoSi₂) värmeelement, ugnar som använder kiselkarbidelement (SiC) och andra uppvärmningstekniker, inklusive mikrovågs- ​​och induktionssystem.

För ett laboratorium eller en distributör som tittar på den här utrustningen för första gången kan dessa termer lätt bli förvirrande.

Ur ett FoU-perspektiv tror jag att den mer användbara frågan inte bara är:

"Vilken typ av ugn är bäst?"

En mer praktisk fråga är:

"Vilken uppvärmningsmetod och ugnskonfiguration matchar de zirkoniumoxidmaterial, produktionsvolym och sintringsprogram som laboratoriet faktiskt använder?"

Det ger oss en bättre utgångspunkt för att jämföra olika ugnar.

Ugnen som används för zirconia skiljer sig från en konventionell keramisk ugn

Den första distinktionen är förmodligen den viktigaste.

En konventionell dental keramisk brännugn och en zirkoniumoxid sintringsugn är inte utbytbara bara för att båda används i dentala laboratorier.

Traditionella keramiska bränningsprocesser äger i allmänhet rum vid mycket lägre temperaturer.

Zirkoniumoxidsintring är en hög-temperaturprocess, med många dentala zirkoniumoxidprogram som fungerar runt 1 450–1 600 graders intervall, beroende på materialet och tillverkarens rekommenderade cykel.

Till exempel är Nabertherms dentala LHT ../17 D-serie specificerad för zirkoniumoxidsintring upp till 1 650 grader, och tillverkaren listar molybdendisilicidvärmeelement för dessa ugnar. Beroende på modell listar företaget kapaciteter på upp till 30 eller 75 enkelkronor per cykel.

Detta ger oss en enkel utgångspunkt:

En ugn för zirkoniumoxid måste utformas kring hög-temperatursintring snarare än konventionell keramisk bränning.

Maximal temperatur är dock bara en del av specifikationen.

Värmeelementen, kammardesign, isolering, temperaturkontroll, kylningsbeteende, programinställningar och användbar lastyta påverkar alla hur ugnen presterar i faktisk användning.

Så, vilka typer av ugnar används?

Det finns flera sätt att klassificera sintringsugnar av zirkoniumoxid.

Ett sätt är att titta på värmetekniken:

Elektrisk motståndsvärme

Uppvärmning av mikrovågsugn

Induktionsvärme

Ett annat sätt är att titta på sintringsarbetsflödet:

Konventionell sintring

Snabbsintring

Snabb eller höghastighetssintring-

Elmotståndsugnar kan också delas in efter vilka värmeelement de använder.

Två typer som vanligtvis förekommer i dentala zirkoniumoxidugnar är:

Molybdendisilicid (MoSi₂)

och

Kiselkarbid (SiC).

Detta är inte bara olika namn för samma komponent.

De har olika elektriska och termiska egenskaper, och dessa skillnader kan påverka hur en ugn är utformad och drivs.

1. Elektriska motståndssintringsugnar

Den mest välkända typen av dentala zirkoniumoxidugnar är en elektrisk motståndsugn.

Grundprincipen är relativt okomplicerad.

Elektrisk energi passerar genom ett resistivt värmeelement.

Elementet värms upp.

Värme överförs till ugnskammaren.

Zirkoniumoxidrestaureringarna värms sedan upp enligt den programmerade temperaturcykeln.

Denna typ av ugn används i stor utsträckning för bearbetning av dental zirkoniumoxid.

En genomgång av sintringsteknologier av zirkoniumoxid beskriver konventionella ugnar som att använda motståndsvärmeelement och noterar att konventionella system vanligtvis kan uppnå uppvärmningshastigheter i intervallet cirka 40–70 grader/min, beroende på ugnskonfigurationen.

Den faktiska uppvärmningshastigheten för en specifik ugn kan vara lägre eller högre beroende på dess design och det valda programmet, så detta område bör inte behandlas som en universell specifikation.

Huvudpoängen är att elektrisk motståndsuppvärmning förblir ett vanligt tillvägagångssätt för dental zirkoniumoxidsintring.

Varför är elektrisk motståndsuppvärmning så vanligt?

En anledning är nivån på temperaturkontroll den kan ge.

Ugnen kan programmeras med en definierad temperatur-tidsprofil.

Till exempel:

Rumstemperatur

↓

Kontrollerad uppvärmning

↓

Målsintringstemperatur

↓

Hållperiod

↓

Kontrollerad kylning

Denna typ av styrning gör att ugnen kan följa olika sintringsprogram för olika zirkoniumoxidmaterial.

Ett laboratorium kan ha flera program sparade i ugnen för olika material.

Samma grundläggande ugn kan därför användas för konventionell zirkoniumoxidsintring, godkända snabba-sintringscykler och andra material-specifika program, förutsatt att utrustningen kan återskapa de nödvändiga förhållandena.

Denna flexibilitet är en anledning till att elektriska motståndsugnar fortfarande är vanliga i dentala laboratorier.

2. MoSi₂ värmeelement

När människor börjar jämföra sintringsugnar av zirkoniumoxid kommer de ofta att stöta på termen MoSi₂.

MoSi₂ står för molybdendisilicid.

Det är ett värmeelementmaterial med hög-temperatur som vanligtvis används i sintringsugnar av zirkoniumoxid.

En teknisk artikel publicerad av Ceramic Applications beskriver MoSi₂ och SiC som två huvudtyper av värmeelement som finns i dentala zirkoniumugnar. Den noterar att MoSi₂-element kan användas vid temperaturer upp till cirka 1 750 grader, beroende på elementets kvalitet och ugnsdesign, medan SiC-element vanligtvis används vid lägre maximala temperaturer.

Samma källa rapporterar att MoSi₂-element kan ha en yteffektbelastning över 25 W/cm² och diskuterar uppvärmning till 1 550 grader på mindre än 15 minuter under vissa utrustningsförhållanden.

Det betyder inte att alla MoSi₂-ugnar värms upp med den hastigheten.

Ugnsstruktur, elementarrangemang, isolering, effektkontroll och temperatur-kontrollinställningar påverkar alla den faktiska uppvärmningshastigheten.

Exemplet visar dock varför MoSi₂ vanligtvis förknippas med hög-temperaturapplikationer och relativt snabb uppvärmning.

Vad är speciellt med MoSi₂?

En egenskap hos MoSi₂ är det skyddande kiseldioxid-baserade skiktet som bildas på ytan under drift med hög-temperatur.

Detta oxidskikt spelar en viktig roll för att skydda elementet vid höga temperaturer.

Värmeelementet är därför helt annorlunda än en enkel metallisk värmetråd.

För en zirkoniaugn är detta viktigt eftersom ugnen kan spendera en betydande tid vid temperaturer runt 1 500 grader eller högre.

Värmeelementen måste tåla upprepade cykler med höga-temperaturer.

Valet av värmeelement är därför inte bara ett litet komponentbeslut. Det är en del av ugnens övergripande termiska design.

3. SiC värmeelement

Ett annat värmeelement som laboratorier kan stöta på är kiselkarbid (SiC).

SiC-värmeelement har också använts i dentala sintringsugnar- med hög temperatur.

Jämfört med MoSi₂ har de olika elektriska och termiska egenskaper.

En teknisk jämförelse publicerad i Ceramic Applications rapporterade att SiC-element vanligtvis används upp till cirka 1 530 grader, medan MoSi₂ kan arbeta vid avsevärt högre temperaturer, beroende på element och ugnsdesign.

Denna skillnad är användbar när man tittar på ugnsspecifikationer.

Om ett laboratorium huvudsakligen använder zirkoniumoxidmaterial vars rekommenderade cykler ligger inom den nedre delen av det höga-temperaturområdet, kan ett SiC-baserat system vara tekniskt lämpligt.

Om laboratoriet behöver en högre maxtemperatur eller vissa uppvärmningshastigheter kan MoSi₂ vara ett lämpligt alternativ, beroende på ugnens design och nödvändiga sintringsprogram.

Av denna anledning skulle jag inte beskriva frågan enbart som:

"Är MoSi₂ bättre än SiC?"

En mer användbar fråga är:

"Vad behöver laboratoriet ugnen för att göra?"

4. Hur är det med mikrovågssintring?

Mikrovågssintring är en annan teknik som har studerats för zirkoniumoxid.

Till skillnad från konventionell motståndsuppvärmning använder mikrovågssystem elektromagnetisk energi för att värma materialet.

Detta förändrar hur energin införs i zirkoniumoxiden och det omgivande systemet.

Mikrovågssintring har väckt forskningsintresse eftersom det potentiellt kan minska bearbetningstiden och ge ett annat uppvärmningsbeteende jämfört med konventionell motståndsuppvärmning.

Mikrovågssintring är emellertid inte bara en fråga om att byta ut värmeelementen i en konventionell dentalugn.

Mikrovågssystemet kräver olika utrustning och styrmetoder.

Det är också användbart att skilja mellan en teknik som har studerats eller demonstrerats experimentellt och en som vanligtvis används i dagliga tandlaboratorier.

För ett laboratorium som köper en ugn är den praktiska frågan om tekniken har ett etablerat arbetsflöde för de specifika zirkoniumoxidmaterial som används.

5. Induktionssintring

Induktion är en annan teknik som har undersökts för zirkoniumoxid.

Principen är en annan igen.

Istället för att förlita sig på ett konventionellt motståndselement för att värma upp kammaren, används ett alternerande elektromagnetiskt fält för att generera uppvärmning genom en elektriskt ledande susceptor eller ett relaterat system.

En systematisk genomgång av sintringstekniker för zirkoniumoxid beskriver induktionsuppvärmning som en fältassisterad uppvärmningsmetod och noterar att den kan uppnå högre uppvärmningshastigheter än konventionella motståndsugnar.

Granskningen diskuterar också rapporterade-höghastighetsprotokoll som involverar uppvärmningshastigheter på cirka 50–100 grader/min och som håller runt 1 570–1 590 grader i 10 minuter i vissa forskningsmiljöer.

Dessa siffror ska inte tolkas som ett universellt induktions-sintringsprogram.

Lämplig temperatur och cykel beror fortfarande på zirkoniumoxidmaterialet och den specifika utrustning som används.

För ett dentallaboratorium betyder en hög uppvärmningshastighet inte automatiskt att varje zirkoniumoxidblock kan bearbetas med den cykeln.

Konventionell, snabb och snabb sintring är inte samma sak

En annan källa till förvirring är ordet "snabb".

Ett laboratorium kan se termer som:

Konventionell sintring

Snabbsintring

Snabb sintring

Hög-sintring

Dessa termer är relaterade, men de är inte nödvändigtvis standardiserade namn för exakt samma process.

En nyligen genomförd granskning av sintringsteknologier av zirkoniumoxid beskriver hastighetssintring som en process som kan ta ungefär 30–120 minuter, med en konventionell ugn med snabbare uppvärmningshastighet.

Den ger också ett exempel på ett hastighets-sintringsschema som involverar en ramp på 17 grader/min, en 35-minuters hållperiod vid 1 540 grader följt av kontrollerad kylning.

Det exakta programmet är material-beroende.

För köpare är detta en viktig punkt att kontrollera.

När en tillverkare säger:

"Det här är en snabb-sintringsugn."

nästa fråga borde vara:

"Vilka zirkoniumoxidmaterial har testats med det snabba programmet?"

Den frågan ger mer användbar information än att bara titta på cykeltiden.

Varför kan inte alla zirconia sintras snabbt?

Denna fråga kommer upp ganska ofta.

Anledningen är att zirkoniumoxid inte är en enda formulering.

Olika zirkoniumoxidmaterial kan ha olika sammansättningar, pulveregenskaper och mikrostrukturer.

Deras rekommenderade sintringsförhållanden kan därför skilja sig åt.

Vissa zirkoniumoxidtillverkare publicerar snabba-sintringsprogram för specifika produkter.

Andra kan rekommendera konventionella cykler.

Till exempel, publicerade KATANA zirconia sintringsscheman skiljer mellan konventionella och snabba program, med olika topptemperaturer, uppvärmningshastigheter och hålltider. Tillverkarens publicerade information anger också vilka restaureringar som kan bearbetas med snabbcykeln.

Detta är ett bra exempel på varför ugnen och materialet måste övervägas tillsammans.

En ugn som kan snabbt värma upp gör inte automatiskt varje zirkoniumoxid lämplig för snabb sintring.

Vad behöver laboratoriet egentligen?

Det är här utrustningsbeslutet blir praktiskt.

Föreställ dig två laboratorier.

Laboratorium A

Laboratoriet tillverkar främst konventionella zirkoniumoxidrestaurationer.

Den körs flera partier varje dag.

Cykeltiden är relevant, men det finns inget behov av att behandla varje ärende omedelbart.

För detta laboratorium kan en konventionell hög-temperaturugn med elektrisk motstånd vara helt lämplig.

Laboratorium B

Det här laboratoriet tar ofta emot fall samma-dag.

Den fräser restaureringar på morgonen och måste slutföra sintringen inom ett mycket kortare fönster.

För detta laboratorium kan en ugn med godkänd snabb-sintringsförmåga vara mer användbar.

De två laboratorierna behöver inte nödvändigtvis samma ugn.

Ingen av dem gör fel val.

Deras produktionskrav är helt enkelt olika.

Vad sägs om en liten ugn?

Små dentala sintringsugnar har en praktisk fördel.

En mindre kammare innehåller mindre termisk massa, vilket kan göra uppvärmning och kylning snabbare, beroende på ugnens design.

En äldre industrirapport om dentala sintringsugnar noterade att vissa små ugnar kunde bearbeta cirka 20–50 enheter per cykel samtidigt som de erbjuder sintringscykler så korta som cirka 90 minuter.

Detta illustrerar en användbar avvägning-.

En liten kammare kan vara attraktiv för:

Mindre laboratorier

Samma-dagsfall

Lägre daglig produktion

Snabbare uppvärmning och kylning

En större kammare kan vara mer meningsfull för:

Laboratorier med hög-volym

Flera brickor

Större partier

Laboratorier försöker minska antalet dagliga cykler

Rätt kapacitet beror på faktisk produktionsvolym.

Att köpa den största ugnen som finns gör inte automatiskt ett laboratorium mer effektivt.

Vad sägs om en större ugn?

Stora ugnar är användbara när laboratoriet behöver bearbeta fler restaureringar per cykel.

Till exempel listar Nabertherm för närvarande en LHT-modell för upp till 30 enkelkronor per cykel och en annan för upp till 75 enkelkronor per cykel, beroende på modell.

Kapaciteten bör beaktas tillsammans med cykeltiden.

Till exempel:

Ugn A

20 kronor × 2-timmars cykel

Ugn B

60 kronor × 6-timmarscykel

Den andra ugnen har tre gånger så stor kapacitet, men den dagliga produktionskalkylen är mer komplicerad.

Laboratoriet måste överväga:

Antal cykler per dag

Lastning och lossningstid

Kyltid

Faktiskt antal restaureringar per cykel

Högsta produktionsperioder

En ugn bör därför utvärderas enligt laboratoriets arbetsflöde, inte bara dess kammarvolym.

Värmeelementet är inte den enda viktiga delen

När köpare hör "MoSi₂" eller "SiC" är det lätt att fokusera helt på värmeelementet.

Värmeelementet fungerar dock inte självständigt.

Den faktiska ugnens prestanda beror också på:

Kammardesign

Isolering

Värmeelementarrangemang

Temperaturgivare

Styrsystem

Effektkontroll

Brickdesign

Kylsystem

Dessa komponenter påverkar temperaturfördelningen och hur ugnen följer den programmerade cykeln.

Till exempel kan två ugnar båda använda MoSi₂-element men har olika kammarstrukturer och olika temperaturegenskaper.

Därför:

Samma värmeelement betyder inte nödvändigtvis samma ugnsprestanda.

Detta är värt att tänka på när man jämför utrustning från olika tillverkare.

Hur är det med temperaturlikformighet?

Temperaturens enhetlighet är en annan faktor som förtjänar uppmärksamhet.

En ugn kan nå 1 500 grader, men det betyder inte automatiskt att varje punkt inuti kammaren är exakt 1 500 grader.

Temperaturfördelningen beror på ugnens termiska design.

När man utvärderar en ugn kan köpare fråga:

Hur mäts temperaturens enhetlighet?

Vid vilken temperatur?

Hur många mätpunkter används?

Vad är det effektiva sintringsområdet?

Var ugnen tom eller laddad under testet?

Finns det en temperaturkartläggning?

Dessa frågor kan ge mer användbar information än att bara fråga efter maxtemperaturen.

Vad ska en distributör jämföra?

För distributörer kan valet av ugnar vara mer komplicerat eftersom utrustningen kan levereras till laboratorier med mycket olika produktionsmönster.

En kund kan behöva en liten ugn för 10–20 restaureringar.

En annan kan bearbeta 50 eller fler restaureringar per cykel.

En annan kanske bryr sig mest om snabb sintring.

En annan kanske främst fungerar med hög-translucens zirkoniumoxid och lägger större vikt vid att följa materialtillverkarens rekommenderade termiska cykel.

Av denna anledning skulle jag undvika att rekommendera en ugn som endast baseras på:

Pris + maxtemperatur.

En mer användbar jämförelse skulle inkludera:

Parameter	Varför det spelar roll
Maximal temperatur	Indikerar det tillgängliga höga-temperaturintervallet
Uppvärmningshastighet	Relevant för konventionella och snabba-sintringsprogram
Värmeelement	Påverkar temperaturkapacitet och ugnsdesign
Kammarkapacitet	Bestämmer möjlig batchstorlek
Temperaturens enhetlighet	Relevant för konsistens över det användbara området
Programkontroll	Användbar när du arbetar med flera zirkoniummaterial
Kyl	Påverkar den totala cykeltiden och den fullständiga termiska profilen
Användbarhet	Spelar roll när ugnen används varje dag
Reservdelar	Viktigt för lång-drift
Material som stöds	Bör matcha zirkoniumprodukterna som används av kunder

Denna typ av jämförelse är mer användbar än att bara rangordna ugnar efter maximal temperatur.

Vilken typ av ugn ska ett laboratorium köpa?

Det finns inget entydigt svar.

Om laboratoriet huvudsakligen behöver konventionell zirkoniumoxidsintring kan det räcka med en pålitlig elektrisk motståndsugn med ett lämpligt hög-temperaturuppvärmningssystem.

Om laboratoriet har en hög daglig arbetsbelastning blir kammarkapacitet och cykeleffektivitet viktigare.

Om laboratoriet behöver produktion samma-dag kan en godkänd snabb-sintringsfunktion vara användbar.

Om laboratoriet arbetar med flera zirkoniumoxidmärken blir programmerbara temperaturcykler viktigare.

Om laboratoriet bearbetar mycket genomskinlig zirkoniumoxid bör det också vara uppmärksamt på materialtillverkarens krav och ugnens renhet och egenskaper hos värmeelementen-.

Beslutet bör börja med zirkoniumoxidmaterialen och laboratoriets arbetsflöde och sedan flyttas till ugnen.

Inte tvärtom.

En fråga jag skulle ställa innan jag köpte

Om jag skulle hjälpa ett laboratorium att välja en sintringsugn skulle jag inte börja med att fråga:

"Hur varmt kan det bli?"

Jag skulle fråga:

"Vilken zirkoniumoxid använder du, hur många restaureringar sinter du per dag och hur snabbt behöver du att cykeln ska avslutas?"

Dessa tre frågor ger redan en användbar utgångspunkt.

Då skulle jag titta på:

Vilka sintringsprogram kräver dessa zirkoniumoxidmaterial?

Kan ugnen återskapa dessa program?

Hur många restaureringar kan faktiskt laddas?

Hur fungerar ugnen vid önskad temperatur?

Vilka är de förväntade underhålls- och ersättningskostnaderna?

Detta ger oss en mer realistisk bild av om en ugn är lämplig för laboratoriet.

En sak till: Välj inte en ugn genom att bara värma upp hastigheten

Snabb uppvärmning är attraktivt eftersom det kan förkorta cykeln.

Det är dock inte automatiskt bättre för varje zirkoniummaterial.

Zirkoniumoxidtillverkarens rekommenderade program bör förbli referensen.

En ugn som kan 100 grader /min betyder inte att varje material ska värmas upp till 100 grader /min.

Likaså betyder inte en ugn med en maxtemperatur på 1 650 grader att zirkoniumoxid ska sintras vid 1 650 grader .

Ugnen ger en rad möjligheter.

Materialet avgör vilken del av det intervallet som faktiskt ska användas.

Slutliga tankar

Så, vilken typ av ugn används för sintring?

För dentala zirconia är den vanligaste metoden en sintringsugn för hög-elektrisk resistans, med MoSi₂ och SiC bland de uppvärmnings-elementtekniker som används på marknaden.

Andra tillvägagångssätt, inklusive mikrovågs- ​​och induktionsuppvärmning, har också undersökts och använts i specifika tillämpningar, särskilt där snabbare uppvärmning eller olika termiska mekanismer undersöks. Forskningsrecensioner har rapporterat hastighets-sintrings- och induktions-baserade cykler med högre uppvärmningshastigheter än konventionella program.

För ett laboratorium är dock den mest användbara frågan inte vilken teknik som låter mest avancerad.

Den mer praktiska frågan är om ugnen kan ge den temperatur, uppvärmningshastighet, hålltid, kylningsförhållanden och temperaturfördelning som krävs av de zirkoniumoxidmaterial som används.

En ugn med högre maxtemperatur är inte automatiskt en bättre ugn.

En snabbare ugn är inte automatiskt en bättre ugn.

En större ugn är inte automatiskt en bättre ugn.

Och ett speciellt värmeelement berättar inte hela historien.

När vi tittar på en sintringsugn ur ett FoU-perspektiv tittar vi på det kompletta termiska systemet.

Värmeelementet är en del.

Kammaren är en del.

Temperaturkontrollen är en del.

Programmet är en del.

Och zirkoniummaterialet i sig är ett annat.

Det lämpligaste utrustningsvalet är vanligtvis det som passar dessa faktorer med laboratoriets faktiska arbetsflöde.