Zirkon ein alter Werkstoff neu entdeckt
Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) gilt als einer der angesehensten deutschen Chemiker seiner Zeit. Mit der Entdeckung (1789) des Zirkoniumdioxid ( umgangssprachlich Zirkonoxid ZrO 2) wurde ein neuer Werkstoff gefunden, welcher allerdings erst in den letzten Jahrzehnten von der Industrie wiederentdeckt wurde.

Zirkonoxid ist ein außergewöhnliches Material und überzeugt durch seine außerordentlichen Eigenschaften wie hohe Biegefestigkeit (bis 1000 MPa), Härte (bis HV 10 = 11-12,5 GPa) als auch durch seine Korrosionsbeständigkeit . Industriell lässt sich schon heute eine Vielzahl von Produkten herstellen, wie z.B. Küchenmesser und Schneidwerkzeuge. Für thermomechanisch stark beanspruchte Teile wird in der Automobil-, Flugzeug- oder in der Stahlindustrie ebenfalls auf diesen Werkstoff zurückgegriffen. Neben seinen physikalischen Eigenschaften ist Zirkonoxid biokompatibel. Aus diesem Grunde ist es auch für die Medizin- (Endoprothesen) und Zahntechnik (Zahnkronen, Implantate etc.) geeignet. Zirkonoxid wird als Rohstoff in Pulverform aufbereitet und unter Druck in einem Pressverfahren zu Grünkörpern (z.B für Zahnkeramik, Dentalkeramik) verdichtet.

In einem nach geschaltetem Wärmeprozess erhält der Grünkörper entweder eine Grundfestigkeit, oder die gewünschten physikalischen Eigenschaften. Nach dem so genannten Vorsinterprozess (ca.1100°C) ist eine mechanische Bearbeitung des Grünkörpers möglich, jedoch wird erst durch den endgültigen Sintervorgang (ca.1700°C) die höchste mechanische Festigkeit erreicht.

Aus dem vorgesinterten Grünkörper können die unterschiedlichsten Formen wie beispielsweise Zahnfüllungen, Kronen oder Brücken in einem Fräsverfahren herausgearbeitet werden. Hieraus wird auch der Name „Fräskeramik“, abgeleitet. Der abschließende Sinterprozess unterwirft das bearbeitete Zirkonoxid einer Schrumpfung von ca.20%. Das Schrumpfen wird als feste Größe vor der Bearbeitung der Keramik einkalkuliert, so dass der bearbeitete Zirkonoxid – Körper nach dem Sintern den geforderten Maßen entspricht. Dazu ist es zwingend notwendig die Dichte im Grünkörper in engen Grenzen einzustellen um im gesamten Körper ein gleichmäßiges Schrumpfen zu erzielen.

Homogene Dichte für die industrielle Zahnkeramik (Dentalkeramik)
Homogene Dichten können durch isostatisches Pressverfahren erreicht werden. Hier wird mit einem fluiden Medium und einer flexiblen Pressform von allen Seiten Druck auf den pulverisierten Werkstoff ausgeübt. Da überall gleiche (hydrostatische) Druckverhältnisse herrschen kann sich auch eine nahezu homogene Dichte im Grünkörper einstellen.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass die Grünform keine genaue geometrische Maßhaltigkeit aufweist. Ursachen hierfür sind Unebenheiten in der flexiblen Pressform als auch Schüttdichte- unterschiede im Pulverwerkstoff, der zu Absenkungen in der Oberfläche der Grünteils führt. Für die Fräskeramik bedeutet dies, das Bezugflächen durch eine mechanische Nachbearbeitung hergestellt werden müssen. Dieser Bearbeitungsschritt, sowie die entstehen Kosten für Vor- und Nachbereitung durch Einfüllen des Pulvers und Grünkörperentnahme aus der Pressform sind im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren nachteilig. Hinzu kommt das viele der Arbeitsschritte sehr Personal- und Zeitintensiv sind und hier nur wenig Spielraum für Automation vorhanden ist.

Axialpressen kickt isostatisches Pressverfahren raus!
Die industrielle Forderung nach wirtschaftlicher Fertigung von Grünkörpern aus Zirkonoxid führte zur Überlegung, ob ein axiales Pressverfahren die geforderten Dichteeigenschaften und Maßhaltigkeit erzielen kann. Bei diesem Verfahren wird innerhalb einer massiven Pressform ausschließlich mit einem Ober- und Unterstempel Druck auf das Pulver ausgeübt, so dass eine Endkontur des Grünteils erzeugt wird, die keiner Nachbearbeitung bedarf.