Zerspanung ultraharter Keramik am Beispiel einer dreigliedrigen Zahnbrücke

Ziel der Arbeit ist ein besseres Verständnis für den Abtragsmechanismus der Ultrahart‐ bearbeitung von Keramiken im gesinterten und nachverdichteten Zustand sowie das Aufzeigen der Prozessfähigkeit an einem praxisnahen Beispiel aus einer ZrO2‐Struktur‐ keramik zur Beurteilung einer wirtschaftlichen Fertigung unter technologischen und medizinischen Aspekten. Zur Identifizierung der Prozessgrenzen unter den Gesichtspunkten möglichst hoher Abtragsraten und Werkzeugstandzeiten sowie der duktilen und spröden Abtragsarten wurden Standzeitversuche mit Diamantwerkzeugen durchgeführt. Zur Validierung und Verifizierung dieser Ergebnisse, insbesondere hinsichtlich des duktilen Abtragsverhaltens der ZrO2‐Strukturkeramik bei genügend kleinen Spanungsdicken, wurden die Zerspanungs‐ mechanismen mit Einzelkornritzversuchen untersucht. Diese bieten eine vielversprechende Methode, die Abtragsmechanismen und vorliegenden Prozessgrössen (z. B. Prozesskraft, Spanungsdicken, Ritztopographie etc.) während der Interaktion einzelner Körner mit dem Material zu untersuchen, da der Schleifspalt messtechnisch kaum zugänglich ist. Die Übertragbarkeit der ermittelten Grössen sowie die Funktionsfähigkeit der digitalen Prozesskette für das Koordinatenschleifen und somit der Nachweis der Prozessfähigkeit für die 3D‐Bearbeitung mit bis zu fünf simultanen Achsen erfolgt anhand der Fertigung einer dreigliedrigen Zahnbrücke. Die Untersuchung der Bauteilschädigung und des Materialabtrags wurden mittels Optischem‐ und Rasterelektronenmikroskop, 4‐Punkt‐Biegeprüfung sowie röntgendiffraktometrischen Analysen umgesetzt. Für die vorliegenden Prozessgrössen und die gefundenen Prozessfenster liegt bei ausreichenden Kühlschmierbedingungen keine signifikante Schädigung der Bauteile vor und es können sehr hohe G‐Werte erreicht werden. Des Weiteren zeigen die Untersuchungen, dass der Materialabtrag mit einem Anteil von bis zu 98 % im duktilen Bereich stattfindet, sodass Modelle, wie z. B. zur Beschreibung der Prozesskräfte, des Abtragsverhaltens für duktile Zerspanung sowie der kritischen Spanungsdicke nach Bifano angewendet werden können. Im Rahmen dieser durchgeführten Untersuchungen konnte eine dreigliedrige Dummybrücke im harten Zustand in einer Zeit von 60 min gefertigt werden. Zusammenfassend zeigt sich, dass eine Bearbeitung im gesinterten und nachverdichteten Zustand unter technischen, medizinischen und wirtschaftlichen Aspekten möglich ist, wobei die Kühlschmierbedingungen eine essentielle Rolle spielen. Wesentliche Erkenntnisse sind weiterhin, dass keine prozessbedingte Schädigung der Oberfläche vorliegt, die Abtrags‐ mechanismen für die ZrO2‐Struturkeramik überwiegend duktil verläuft und die Wirtschaft‐ lichkeit für komplexe Bauteile, wie direkt implantierbare Zahnbrücken, gegeben ist.