Entwicklung und Charakterisierung von ZrO2-gefüllten Photopolymeren für die generative Fertigung

Abstract

Keramische Bauteile sind oft nicht als solche erkennbar - mit ein Grund, warum sie für dentale Restaurationen eingesetzt werden. Allen voran ist Zirkoniumdioxid aufgrund der zahnähnlichen Färbung und seiner der Anwendung spezifischen mechanischen Eigenschaften der Werkstoff der Wahl. Dicht gesintert zeichnet er sich vor allem durch seine hohe Festigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit aus. Nach dem Stand der Technik werden dentale Restaurationen mittels CAD/CAM Verfahren gefertigt, wo nach Konstruktion der Präparation die zu fertigende Restauration aus einem industriell gefertigten Keramikblock mittels Fräsmaschine herausgeschliffen wird. Prozessbedingt sind diesem Verfahren jedoch Grenzen bezüglich der zu realisierenden Wandstärke gesetzt. Nachbearbeitungsschritte werden dadurch unerlässlich und sind mit hohem Werkzeugverschleiß verbunden. Als Alternative zu dieser Frästechnik bieten sich Verfahren der generativen Fertigung an. Diese haben den Vorteil, dass man weder in der Wandstärke noch in der Komplexität der Bauteile limitiert ist. Eines dieser Verfahren ist das sogenannte Digital Light Processing (DLP) - eine lithographiebasierende Technologie - wo durch schichtweise Aushärtung eines photosensitiven, keramikgefüllten Materials ein dreidimensionaler Körper strukturiert werden kann, welcher nach einer thermischen Prozessierung seine werkstoffspezifischen Eigenschaften erhält. Ziel der vorliegenden Dissertation war die Entwicklung eben solcher keramikgefüllten Schlicker aus Zirkoniumdioxid, welche mittels DLP-Technologie verarbeitbar sein sollen. Einerseits galt es durch Erstellen von Schlickervariationen die Grünfestigkeit der Probenkörper zu erhöhen, um die Schädigung dünnwandiger Bauteile zu verhindern - andererseits waren die Prozessparameter auf die jeweilige Formulierung abzustimmen, um eine erfolgreiche Strukturierung zu ermöglichen. Anhand von thermischen Analysen an strukturierten Grünkörpern sollte das Entbinderungsverhalten ergründet und mit den daraus erhaltenen Erkenntnissen das Sinterprofil so angepasst werden, dass rissfreie Zirkoniumdioxidkeramiken mit guten mechanischen Eigenschaften erhalten werden. Durch Variieren der Versuchsparameter und den Einsatz von speziellen Schlickersystemen ist es gelungen, mit dem Verfahren des Digital Light Processing Bauteile mit hoher Präzision und hervorragender Oberflächenqualität herzustellen. Durch Optimierung des Sinterprofils, welches maßgebend durch thermische Analysen beeinflusst wurde, konnten Bauteile mit Wandstärken von bis zu 10 mm rissfrei entbindert werden. Sinterdichtewerte von bis zu 99,92 % der Theorie und Biegefestigkeiten von bis zu 1345 MPa konnten erzielt werden. Durch Perfektionierung sämtlicher Parameter konnte somit ein stabiler Prozess entwickelt und die Herstellung dentaler Restaurationen in entsprechend guter Qualität realisiert werden.

Ceramic parts are often not identifiable as such - a major advantage when using ceramics for dental applications. Due to its natural colour and the good mechanical properties zirconia is the material of choice. When zirconia is densely sintered it exhibits high mechanical strength, hardness and wear-resistance. It is state-of-the-art to produce dental restorations by the CAD/CAM technique. Thereby the restoration is produced by milling the desired geometry out of a solid sintered ceramic raw material. This technique suffers from several drawbacks: (1) The smallest wall thickness is in the range of several millimeters limiting the natural appearance of the restoration. (2) The high tool wear, which is caused by the high strength and hardness of ceramics, is an additional limiting factor. (3) Subtractive CAD/CAM-methods produce significantly more waste material than additive manufacturing methods. Additive manufacturing can be an alternative technique for producing ceramic parts. Using additive manufacturing technologies (AMT) parts with high geometric-complexity and without any limitation in terms of wall thickness can be produced. Among the AMT, Digital Light Processing (DLP) is one of the most promising methods. DLP is a lithography based technique where the 3D-part is produced layer by layer (green part). For dental applications ceramic filled photopolymers are processed with the DLP technology. A subsequent thermal treatment gives the 3D-structured part the final and excellent material properties. It was the goal of the present dissertation to develop resins filled with zirconia which can be processed by DLP-technology. By testing different slurry-formulations the mechanical strength of the ceramic green bodies had to be improved in order to reduce the minimal wall thickness. Furthermore the process parameters had to be determined and adjusted for each slurry formulation to achieve reproducible structuring results. Additionally the time temperature profile of the sintering-process had to be set up carefully as the thermal treatment plays a key role for obtaining crack free ceramic (zirconia) parts with good mechanical properties. Therefore thermal analyses on the fabricated ceramic green bodies were carried out to get a better understanding of the behaviour during debinding. By optimisation of the building and process parameters and by development of high-end slurry-formulations, parts with high resolution and excellent precision and surface quality were fabricated using the DLP-technology. After the sintering-process, which was set up according the results gained by thermal analysis, crack free ceramic parts with a total thickness of 10 mm could be achieved. The sintered parts reached a density up to 99,92 % of the theoretical density and a biaxial strength up to 1345 MPa. The optimisation of all parameters led to stable and reliable building process suitable for the fabrication for dental restorations with high quality and precision.