Che tipo di forno viene utilizzato per la sinterizzazione?

 

Quando un laboratorio odontotecnico inizia a lavorare con la zirconia, una delle prime domande sull’attrezzatura è solitamente piuttosto semplice:

Che tipo di forno viene effettivamente utilizzato per la sinterizzazione?

In un primo momento, la risposta sembra ovvia.

La zirconia deve essere sinterizzata ad alta temperatura, quindi il laboratorio necessita di un forno di sinterizzazione ad alta-temperatura.

Una volta che si iniziano a confrontare diversi tipi di apparecchiature, tuttavia, la questione diventa più complicata.

Esistono forni a resistenza elettrica convenzionali, forni a sinterizzazione rapida-, forni che utilizzano elementi riscaldanti in disiliciuro di molibdeno (MoSi₂), forni che utilizzano elementi in carburo di silicio (SiC) e altre tecnologie di riscaldamento, compresi i sistemi a microonde e a induzione.

Per un laboratorio o un distributore che esamina questa apparecchiatura per la prima volta, questi termini possono facilmente creare confusione.

Dal punto di vista della ricerca e sviluppo, penso che la domanda più utile non sia semplicemente:

"Quale tipo di forno è il migliore?"

Una domanda più pratica è:

"Quale metodo di riscaldamento e configurazione del forno corrispondono ai materiali di zirconio, al volume di produzione e ai programmi di sinterizzazione effettivamente utilizzati dal laboratorio?"

Questo ci fornisce un punto di partenza migliore per confrontare diversi forni.

Il forno utilizzato per la zirconio è diverso da un forno per ceramica convenzionale

La prima distinzione è probabilmente la più importante.

Un forno convenzionale per la cottura della ceramica dentale e un forno per la sinterizzazione dell'ossido di zirconio non sono intercambiabili semplicemente perché entrambi vengono utilizzati nei laboratori odontotecnici.

I tradizionali processi di cottura della ceramica avvengono generalmente a temperature molto più basse.

La sinterizzazione della zirconia è un processo ad alta-temperatura, con molti programmi di zirconia dentale che operano nell'intervallo di 1.450-1.600 gradi, a seconda del materiale e del ciclo consigliato dal produttore.

La serie dentale LHT ../17 D di Nabertherm è ad esempio specifica per la sinterizzazione della zirconio fino a 1.650 gradi e per questi forni il produttore elenca elementi riscaldanti in disiliciuro di molibdeno. A seconda del modello, l'azienda elenca capacità fino a 30 o 75 corone singole per ciclo.

Questo ci dà un semplice punto di partenza:

Un forno per la zirconia deve essere progettato in base alla sinterizzazione ad alta-temperatura anziché alla cottura ceramica convenzionale.

La temperatura massima, tuttavia, è solo una parte delle specifiche.

Gli elementi riscaldanti, il design della camera, l'isolamento, il controllo della temperatura, il comportamento di raffreddamento, le impostazioni del programma e l'area di carico utilizzabile influiscono tutti sulle prestazioni del forno nell'uso effettivo.

Quindi, quali tipi di forni vengono utilizzati?

Esistono diversi modi per classificare i forni per la sinterizzazione dell'ossido di zirconio.

Un modo è guardare alla tecnologia di riscaldamento:

Riscaldamento a resistenza elettrica

Riscaldamento a microonde

Riscaldamento a induzione

Un altro modo è osservare il flusso di lavoro della sinterizzazione:

Sinterizzazione convenzionale

Sinterizzazione veloce

Sinterizzazione veloce o ad alta-velocità

I forni a resistenza elettrica possono essere suddivisi anche in base agli elementi riscaldanti che utilizzano.

Due tipi comunemente riscontrati nei forni per zirconia dentale sono:

Disiliciuro di molibdeno (MoSi₂)

E

Carburo di silicio (SiC).

Questi non sono semplicemente nomi diversi per lo stesso componente.

Hanno caratteristiche elettriche e termiche diverse e tali differenze possono influenzare il modo in cui un forno è progettato e gestito.

1. Forni di sinterizzazione a resistenza elettrica

Il tipo più familiare di forno per zirconia dentale è un forno a resistenza elettrica.

Il principio di base è relativamente semplice.

L'energia elettrica passa attraverso un elemento riscaldante resistivo.

L'elemento si riscalda.

Il calore viene trasferito nella camera del forno.

I restauri in zirconia vengono quindi riscaldati secondo il ciclo di temperatura programmato.

Questo tipo di forno è ampiamente utilizzato per la lavorazione della zirconia dentale.

Una revisione delle tecnologie di sinterizzazione dell'ossido di zirconio descrive i forni convenzionali come se utilizzassero elementi riscaldanti a resistenza e rileva che i sistemi convenzionali possono tipicamente raggiungere velocità di riscaldamento nell'intervallo di circa 40-70 gradi /min, a seconda della configurazione del forno.

La velocità di riscaldamento effettiva di un forno specifico può essere inferiore o superiore a seconda della sua progettazione e del programma selezionato, pertanto questo intervallo non deve essere considerato una specifica universale.

Il punto principale è che il riscaldamento con resistenza elettrica rimane un approccio comune per la sinterizzazione della zirconia dentale.

Perché il riscaldamento con resistenza elettrica è così comune?

Uno dei motivi è il livello di controllo della temperatura che può fornire.

Il forno può essere programmato con un profilo di temperatura-tempo definito.

Per esempio:

Temperatura ambiente

↓

Riscaldamento controllato

↓

Temperatura di sinterizzazione target

↓

Periodo di detenzione

↓

Raffreddamento controllato

Questo tipo di controllo consente al forno di seguire diversi programmi di sinterizzazione per diversi materiali di zirconio.

Un laboratorio può avere diversi programmi salvati nel forno per materiali diversi.

Lo stesso forno di base può quindi essere utilizzato per la sinterizzazione convenzionale della zirconia, cicli di sinterizzazione veloce-approvati e altri programmi specifici-per materiali, a condizione che l'attrezzatura possa riprodurre le condizioni richieste.

Questa flessibilità è uno dei motivi per cui i forni a resistenza elettrica rimangono comuni nei laboratori odontotecnici.

2. Elementi riscaldanti MoSi₂

Quando le persone iniziano a confrontare i forni per la sinterizzazione dello zirconio, incontreranno spesso il termine MoSi₂.

MoSi₂ sta per disiliciuro di molibdeno.

È un materiale per elementi riscaldanti ad alta-temperatura comunemente utilizzato nei forni di sinterizzazione della zirconia.

Un articolo tecnico pubblicato da Ceramic Applications descrive MoSi₂ e SiC come due principali tipi di elementi riscaldanti- presenti nei forni dentali per zirconia. Si rileva che gli elementi MoSi₂ possono essere utilizzati a temperature fino a circa 1.750 gradi, a seconda della qualità dell'elemento e del design del forno, mentre gli elementi SiC sono comunemente utilizzati a temperature massime inferiori.

La stessa fonte riporta che gli elementi MoSi₂ possono avere un carico di potenza superficiale superiore a 25 W/cm² e parla del riscaldamento fino a 1.550 gradi in meno di 15 minuti in determinate condizioni dell'apparecchiatura.

Ciò non significa che ogni forno MoSi₂ riscalderà a quella velocità.

La struttura del forno, la disposizione degli elementi, l'isolamento, il controllo della potenza e le impostazioni di controllo della temperatura-influiscono tutti sulla velocità di riscaldamento effettiva.

L'esempio, tuttavia, mostra perché il MoSi₂ è comunemente associato ad applicazioni ad alta-temperatura e a un riscaldamento relativamente rapido.

Che cosa ha di speciale MoSi₂?

Una caratteristica del MoSi₂ è lo strato protettivo a base di silice-che si forma sulla superficie durante il funzionamento ad alta-temperatura.

Questo strato di ossido svolge un ruolo importante nella protezione dell'elemento alle alte temperature.

L'elemento riscaldante è quindi ben diverso da un semplice filo riscaldante metallico.

Per un forno per zirconio, questo è importante perché il forno può trascorrere una notevole quantità di tempo a temperature intorno a 1.500 gradi o superiori.

Gli elementi riscaldanti devono resistere a ripetuti cicli ad alta-temperatura.

La scelta dell'elemento riscaldante non è quindi solo una decisione di piccoli componenti. Fa parte del progetto termico complessivo del forno.

3. Elementi riscaldanti SiC

Un altro elemento riscaldante che i laboratori potrebbero incontrare è il carburo di silicio (SiC).

Gli elementi riscaldanti SiC sono stati utilizzati anche nei forni di sinterizzazione dentale ad alta-temperatura.

Rispetto al MoSi₂ hanno caratteristiche elettriche e termiche diverse.

Un confronto tecnico pubblicato su Ceramic Applications ha riportato che gli elementi SiC sono comunemente utilizzati fino a circa 1.530 gradi, mentre il MoSi₂ può funzionare a temperature sostanzialmente più elevate, a seconda del design dell'elemento e del forno.

Questa differenza è utile quando si esaminano le specifiche del forno.

Se un laboratorio utilizza principalmente materiali in zirconio i cui cicli consigliati rientrano nella parte inferiore dell'intervallo di alta-temperatura, un sistema basato su SiC-può essere tecnicamente adatto.

Se il laboratorio necessita di una temperatura massima più elevata o di determinate velocità di riscaldamento, MoSi₂ può essere un'opzione adatta, a seconda del design del forno e dei programmi di sinterizzazione richiesti.

Per questo motivo non descriverei la domanda semplicemente come:

"Il MoSi₂ è migliore del SiC?"

Una domanda più utile è:

"Cosa deve fare il laboratorio con la fornace?"

4. Che dire della sinterizzazione a microonde?

La sinterizzazione a microonde è un'altra tecnologia studiata per la zirconia.

A differenza del tradizionale riscaldamento a resistenza, i sistemi a microonde utilizzano l’energia elettromagnetica per riscaldare il materiale.

Ciò cambia il modo in cui l'energia viene introdotta nella zirconia e nel sistema circostante.

La sinterizzazione a microonde ha attirato l’interesse della ricerca perché può potenzialmente ridurre i tempi di lavorazione e produrre un comportamento di riscaldamento diverso rispetto al riscaldamento a resistenza convenzionale.

Tuttavia, la sinterizzazione a microonde non è semplicemente una questione di sostituzione degli elementi riscaldanti in un forno dentale convenzionale.

Il sistema a microonde richiede apparecchiature e metodi di controllo diversi.

È anche utile distinguere tra una tecnologia studiata o dimostrata sperimentalmente e una comunemente utilizzata nei laboratori odontotecnici di tutti i giorni.

Per un laboratorio che acquista un forno, la questione pratica è se la tecnologia ha un flusso di lavoro stabilito per gli specifici materiali di zirconio utilizzati.

5. Sinterizzazione ad induzione

L'induzione è un'altra tecnologia che è stata studiata per la zirconia.

Il principio è ancora diverso.

Invece di fare affidamento su un elemento resistivo convenzionale per riscaldare la camera, viene utilizzato un campo elettromagnetico alternato per generare il riscaldamento attraverso un suscettore elettricamente conduttivo o un sistema correlato.

Una revisione sistematica delle tecnologie di sinterizzazione della zirconia descrive il riscaldamento a induzione come un approccio di riscaldamento-assistito sul campo e rileva che può raggiungere velocità di riscaldamento più elevate rispetto ai forni a resistenza convenzionali.

La revisione esamina inoltre i protocolli ad alta-velocità segnalati che prevedono velocità di riscaldamento di circa 50-100 gradi/min e mantenimento a circa 1.570-1.590 gradi per 10 minuti in alcuni contesti di ricerca.

Questi numeri non devono essere interpretati come un programma di sinterizzazione-universale a induzione.

La temperatura e il ciclo appropriati dipendono ancora dal materiale di zirconio e dall'attrezzatura specifica utilizzata.

Per un laboratorio odontotecnico, una velocità di riscaldamento elevata non significa automaticamente che ogni blocchetto di zirconio possa essere lavorato utilizzando quel ciclo.

La sinterizzazione convenzionale, veloce e veloce non sono la stessa cosa

Un'altra fonte di confusione è la parola "veloce".

Un laboratorio può vedere termini come:

Sinterizzazione convenzionale

Sinterizzazione veloce

Sinterizzazione veloce

Sinterizzazione ad alta-velocità

Questi termini sono correlati, ma non sono necessariamente nomi standardizzati per esattamente lo stesso processo.

Una recente revisione delle tecnologie di sinterizzazione della zirconia descrive la sinterizzazione rapida come un processo che può richiedere circa 30-120 minuti, utilizzando un forno convenzionale con una velocità di riscaldamento più rapida.

Fornisce inoltre un esempio di un programma di sinterizzazione-veloce che prevede una rampa di 17 gradi/min, un periodo di mantenimento di 35 minuti a 1.540 gradi, seguito da un raffreddamento controllato.

Il programma esatto dipende dal materiale-.

Per gli acquirenti, questo è un punto importante da verificare.

Quando un produttore dice:

"Questo è un forno di sinterizzazione-veloce."

la domanda successiva dovrebbe essere:

"Quali materiali in zirconio sono stati testati con il programma veloce?"

Questa domanda fornisce informazioni più utili rispetto al semplice esame del tempo di ciclo.

Perché non è possibile sinterizzare velocemente ogni zirconia?

Questa domanda si presenta abbastanza spesso.

Il motivo è che la zirconia non ha un'unica formulazione.

Diversi materiali in zirconio possono avere composizioni, caratteristiche della polvere e microstrutture diverse.

Le condizioni di sinterizzazione consigliate possono quindi differire.

Alcuni produttori di zirconia pubblicano programmi di sinterizzazione-veloce per prodotti specifici.

Altri potrebbero raccomandare cicli convenzionali.

Ad esempio, i programmi di sinterizzazione della zirconio KATANA pubblicati distinguono tra programmi convenzionali e veloci, con temperature di picco, velocità di riscaldamento e tempi di mantenimento diversi. Le informazioni pubblicate dal produttore specificano anche quali restauri possono essere lavorati con il ciclo rapido.

Questo è un buon esempio del perché il forno e il materiale devono essere considerati insieme.

Un forno in grado di riscaldarsi rapidamente non rende automaticamente ogni zirconia adatta alla sinterizzazione rapida.

Di cosa ha realmente bisogno il laboratorio?

È qui che la decisione sull'attrezzatura diventa pratica.

Immagina due laboratori.

Laboratorio A

Il laboratorio produce principalmente restauri convenzionali in zirconio.

Esegue diversi lotti ogni giorno.

Il tempo di ciclo è rilevante, ma non è necessario elaborare immediatamente ogni caso.

Per questo laboratorio, un forno a resistenza elettrica convenzionale ad alta-temperatura può essere perfettamente adeguato.

Laboratorio B

Questo laboratorio riceve spesso casi nello stesso giorno-.

Fresa i restauri al mattino e deve completare la sinterizzazione in un lasso di tempo molto più breve.

Per questo laboratorio potrebbe essere più utile un forno con capacità di sinterizzazione rapida-approvata.

I due laboratori non necessitano necessariamente dello stesso forno.

Nessuno dei due sta facendo la scelta sbagliata.

Le loro esigenze di produzione sono semplicemente diverse.

Che ne dici di una piccola fornace?

I piccoli forni per sinterizzazione dentale hanno un vantaggio pratico.

Una camera più piccola contiene meno massa termica, il che può rendere il riscaldamento e il raffreddamento più rapidi, a seconda del design del forno.

Un vecchio rapporto di settore sui forni di sinterizzazione dentale rilevava che alcuni piccoli forni potevano processare circa 20-50 unità per ciclo offrendo cicli di sinterizzazione di circa 90 minuti.

Ciò illustra un utile compromesso-.

Una piccola camera può essere attraente per:

Laboratori più piccoli

Casi-in giornata

Produzione giornaliera inferiore

Riscaldamento e raffreddamento più rapidi

Una camera più grande può avere più senso per:

Laboratori ad alto-volume

Vassoi multipli

Lotti più grandi

Laboratori che cercano di ridurre il numero di cicli giornalieri

La giusta capacità dipende dal volume di produzione effettivo.

Acquistare il forno più grande disponibile non rende automaticamente un laboratorio più efficiente.

Che ne dici di una fornace più grande?

I forni di grandi dimensioni sono utili quando il laboratorio deve elaborare più restauri per ciclo.

Nabertherm offre attualmente ad esempio un modello LHT fino a 30 corone singole per ciclo e un altro a seconda del modello fino a 75 corone singole per ciclo.

La capacità dovrebbe essere considerata insieme al tempo di ciclo.

Per esempio:

Fornace A

20 corone x ciclo di 2 ore

Fornace B

60 corone x ciclo di 6 ore

Il secondo forno ha una capacità tre volte superiore, ma il calcolo della produzione giornaliera è più complicato.

Il laboratorio deve considerare:

Numero di cicli al giorno

Tempo di carico e scarico

Tempo di raffreddamento

Numero effettivo di restauri per ciclo

Periodi di punta della produzione

Un forno dovrebbe quindi essere valutato in base al flusso di lavoro del laboratorio, non solo al volume della sua camera.

L'elemento riscaldante non è l'unica parte importante

Quando gli acquirenti sentono "MoSi₂" o "SiC", è facile concentrarsi interamente sull'elemento riscaldante.

L'elemento riscaldante, tuttavia, non funziona in modo indipendente.

Le effettive prestazioni del forno dipendono anche da:

Progettazione della camera

Isolamento

Disposizione degli elementi riscaldanti

Sensore di temperatura

Sistema di controllo

Controllo della potenza

Progettazione del vassoio

Sistema di raffreddamento

Questi componenti influiscono sulla distribuzione della temperatura e sul modo in cui il forno segue il ciclo programmato.

Ad esempio, due forni possono utilizzare entrambi elementi MoSi₂ ma avere strutture della camera diverse e caratteristiche di temperatura diverse.

Perciò:

Lo stesso elemento riscaldante non significa necessariamente le stesse prestazioni del forno.

Vale la pena tenerlo presente quando si confrontano apparecchiature di diversi produttori.

Che dire dell'uniformità della temperatura?

L’uniformità della temperatura è un altro fattore che merita attenzione.

Una fornace può raggiungere i 1.500 gradi, ma ciò non significa automaticamente che ogni punto all'interno della camera sia esattamente a 1.500 gradi.

La distribuzione della temperatura dipende dalla progettazione termica del forno.

Quando si valuta una fornace, gli acquirenti possono chiedere:

Come viene misurata l'uniformità della temperatura?

A che temperatura?

Quanti punti di misurazione vengono utilizzati?

Qual è l'area di sinterizzazione effettiva?

Durante il test il forno era vuoto o carico?

Esiste un registro della mappatura della temperatura?

Queste domande possono fornire informazioni più utili rispetto alla semplice richiesta della temperatura massima.

Cosa dovrebbe confrontare un distributore?

Per i distributori, la scelta del forno può essere più complicata perché le apparecchiature possono essere fornite a laboratori con modelli di produzione molto diversi.

Un cliente potrebbe aver bisogno di un piccolo forno per 10-20 restauri.

Un altro può elaborare 50 o più restauri per ciclo.

Un altro potrebbe interessarsi maggiormente alla sinterizzazione rapida.

Un altro potrebbe lavorare principalmente con zirconia ad alta-traslucenza e porre maggiormente l'accento sul rispetto del ciclo termico consigliato dal produttore del materiale.

Per questo motivo eviterei di consigliare un forno basato solo su:

Prezzo + temperatura massima.

Un confronto più utile includerebbe:

Parametro	Perché è importante
Temperatura massima	Indica l'intervallo di temperature elevate-disponibili
Velocità di riscaldamento	Pertinente ai programmi di sinterizzazione convenzionale e veloce-
Elemento riscaldante	Influisce sulla capacità di temperatura e sulla progettazione del forno
Capacità della camera	Determina la possibile dimensione del batch
Uniformità della temperatura	Rilevante per la coerenza nell'area utilizzabile
Controllo del programma	Utile quando si lavora con diversi materiali in zirconio
Raffreddamento	Influisce sul tempo di ciclo totale e sul profilo termico completo
Facilità di manutenzione	È importante quando il forno viene utilizzato ogni giorno
Parti di ricambio	Importante per il funzionamento a lungo-termine
Materiali supportati	Dovrebbe corrispondere ai prodotti in zirconio utilizzati dai clienti

Questo tipo di confronto è più utile della semplice classificazione dei forni in base alla temperatura massima.

Che tipo di forno dovrebbe acquistare un laboratorio?

Non esiste una risposta unica.

Se il laboratorio necessita principalmente della sinterizzazione convenzionale della zirconia, potrebbe essere sufficiente un forno a resistenza elettrica affidabile con un adeguato sistema di riscaldamento ad alta-temperatura.

Se il laboratorio ha un carico di lavoro giornaliero elevato, la capacità della camera e l’efficienza del ciclo diventano più importanti.

Se il laboratorio necessita della produzione nello stesso giorno-, può essere utile una capacità di sinterizzazione rapida-approvata.

Se il laboratorio lavora con diverse marche di zirconia, i cicli di temperatura programmabili diventano più importanti.

Se il laboratorio sta processando zirconia altamente traslucente, dovrebbe prestare attenzione anche ai requisiti del produttore del materiale, alla pulizia del forno e alle caratteristiche degli elementi riscaldanti-.

La decisione dovrebbe iniziare con i materiali in zirconio e il flusso di lavoro del laboratorio, per poi passare alla fornace.

Non il contrario.

Una domanda che farei prima di acquistare

Se dovessi aiutare un laboratorio a scegliere un forno di sinterizzazione, non inizierei chiedendomi:

"Quanto può fare caldo?"

Vorrei chiedere:

"Che ossido di zirconio stai utilizzando, quanti restauri sinterizza al giorno e quanto velocemente è necessario che il ciclo finisca?"

Queste tre domande forniscono già un utile punto di partenza.

Poi guarderei:

Quali programmi di sinterizzazione richiedono questi materiali in zirconio?

Il forno può riprodurre quei programmi?

Quanti restauri possono essere effettivamente caricati?

Come funziona il forno alla temperatura richiesta?

Quali sono i costi di manutenzione e sostituzione previsti?

Questo ci dà un quadro più realistico dell’idoneità di un forno per il laboratorio.

Ancora una cosa: non scegliere una fornace basandosi solo sulla velocità di riscaldamento

Il riscaldamento rapido è interessante perché può abbreviare il ciclo.

Tuttavia, non è automaticamente migliore per ogni materiale in zirconio.

Il programma consigliato dal produttore dell'ossido di zirconio dovrebbe rimanere il riferimento.

Un forno capace di 100 gradi/min non significa che ogni materiale debba essere riscaldato a 100 gradi/min.

Allo stesso modo, un forno con una temperatura massima di 1.650 gradi non significa che la zirconia debba essere sinterizzata a 1.650 gradi.

Il forno offre una gamma di funzionalità.

Il materiale determina quale parte di tale intervallo deve essere effettivamente utilizzata.

Considerazioni finali

Quindi, che tipo di forno viene utilizzato per la sinterizzazione?

Per la zirconia dentale, l’approccio più comune è a forno di sinterizzazione con resistenza elettrica ad alta-temperatura, con MoSi₂ e SiC tra le tecnologie degli elementi riscaldanti-utilizzate sul mercato.

Altri approcci, tra cui il riscaldamento a microonde e a induzione, sono stati studiati e utilizzati in applicazioni specifiche, in particolare dove si stanno esplorando un riscaldamento più rapido o diversi meccanismi termici. Le revisioni delle ricerche hanno segnalato cicli basati sulla-sinterizzazione e sull'induzione-veloci con velocità di riscaldamento più elevate rispetto ai programmi convenzionali.

Per un laboratorio, tuttavia, la domanda più utile non è quale tecnologia sembri la più avanzata.

La questione più pratica è se il forno può fornire la temperatura, la velocità di riscaldamento, il tempo di mantenimento, le condizioni di raffreddamento e la distribuzione della temperatura richiesti dai materiali di zirconio utilizzati.

Un forno con una temperatura massima più elevata non è automaticamente un forno migliore.

Un forno più veloce non è automaticamente un forno migliore.

Un forno più grande non è automaticamente un forno migliore.

E un particolare elemento riscaldante non racconta tutta la storia.

Quando guardiamo un forno di sinterizzazione dal punto di vista della ricerca e sviluppo, guardiamo al sistema termico completo.

L'elemento riscaldante è una parte.

La camera è una parte.

Il controllo della temperatura è una parte.

Il programma è una parte.

E il materiale stesso della zirconio è un altro.

La scelta dell'attrezzatura più adatta è solitamente quella che adatta questi fattori al flusso di lavoro effettivo del laboratorio.