Dentale Restaurationen aus keramischen Werkstoffen werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und ihres ästhetischeren Erscheinungsbildes vermehrt vom Patienten nachgefragt.<br />Nach dem Stand der Technik erfolgt die Herstellung mittels CAD/CAM-Verfahren. Diese werden den subtraktiven Formgebungsverfahren zugeordnet, da aus vorgefertigten Keramikblöcken die entsprechende Restauration abtragend herausgearbeitet wird. Diese Herstellungsverfahren unterliegen allerdings Einschränkungen durch die geforderte Mindestwandstärke und in der Komplexität der Restauration.<br />Als Alternative bieten sich Methoden der generativen Fertigung an. Diese haben den Vorteil, dass nahezu beliebig Bauteilgeometrien erzeugt werden können. Die Formgebung erfolgt durch das aneinanderfügen von Volumenelementen, wodurch keinerlei spezifisches Werkzeug benötigt wird.<br />Im Gegensatz zu konventionellen CAD/CAM-Verfahren tritt kein Verschleiß an Maschinenteilen wie z.B. Schleifkörpern auf, wodurch Stillstandszeiten für Wartungsarbeiten entfallen. In Abhängigkeit des generativen Fertigungsverfahren und der Maschinengröße besteht die Möglichkeit, eine Vielzahl von unterschiedlichen dentalen Restaurationen gleichzeitig herzustellen, wodurch potenziell die Kosten für ein Bauteil erheblich gesenkt werden können.<br />Derzeit ist jedoch kein kommerziell erhältliches generatives Fertigungsverfahren in der Lage, keramische Bauteile in ausreichender Präzision, Dichte und Festigkeit herzustellen. Aus diesem Grund wurde mit einem Industriepartner ein Forschungsvorhaben initiiert, um die Möglichkeit der Verarbeitung von keramischen Materialen mit Hilfe von generativen Fertigungsmethoden zu evaluieren. Ziel ist die Entwicklung der gesamten Prozesskette, beginnend bei der Materialherstellung über die Verarbeitung bis hin zum Postprocessing. Der Schwerpunkt dieser Arbeit besteht im Bereich der Verarbeitung der keramischen Materialien, d.h. der Strukturierung mittels Verfahren des Rapid Prototyping.<br />Das beschriebene Herstellungsverfahren beruht auf einen schlickerbasierten Prozess. Als Ausgangsmaterialien werden Photopolymere eingesetzt, die mit oxidkeramischen Füllstoffen, im speziellen Zirkoniumdioxid, versetzt sind. Der flüssige Schlicker wird in die Maschine eingebracht und durch selektive Belichtung schichtweise ausgehärtet. Hierbei können Schichtdicken von 50 µm bzw. 25 µm erreicht werden. Die auf diese Weise hergestellten keramischen Grünkörper werden mit einem auf die Formulierung abgestimmten Temperaturprofil entbindert und gesintert.<br />Die ersten Strukturierungsversuche wurden an einer kommerziell erhältlichen Anlage durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Verarbeitung von hochgefüllten keramischen Schlickersystemen auf der bestehenden Anlage nur sehr eingeschränkt möglich ist. Aus diesem Grund wurde eine eigenständige Maschine entwickelt, welche speziell auf die Prozessierung von hochviskosen Schlickersystemen abgestimmt wurde. Eine Reihe an neuartigen Entwicklungen ermöglicht die reproduzierbare Strukturierung von keramischen Bauteilen, wobei im speziellen die Anhaftung der Bauteile an der Bauplattform durch die Anordnung einer zusätzlichen Lichtquelle im Glasstempel verbessert und die automatische Nachführung von frischen Ausgangsmaterial durch die Rotation der Wanne sichergestellt wurde. Zusätzlich wurde ein Kraftaufnehmer in das System integriert, welcher es ermöglicht, während des Bauvorganges die Prozesskräfte auf das Bauteil zu bestimmen. Die Aufzeichnung und Auswertung der Haft- und Trennkräfte liefert wichtige Erkenntnisse für das Prozessverständnis und ermöglicht die gezielte Optimierung des Bauvorgangs. Des Weiteren wurden Untersuchungen zur Gleichmäßigkeit der Lichtintensitätsverteilung über das Baufeld durchgeführt und die Problematik der Lichtstreuung infolge des hohen Füllgrad an keramischen Partikel im Schlicker aufgezeigt.<br />Mit dem neu entwickelten Verfahren kann eine Sinterdichte der Bauteile von über 99 % der theoretischen Dichte erreicht werden, welches mit reinen pulverbasierten Verfahren nur bedingt möglich ist. Die Festigkeitsuntersuchungen an Biaxialprüfkörpern ergaben Werte von 1000 MPa. Es konnte gezeigt werden, dass das neue Herstellungsverfahren im Hinblick auf die zu erwartenden Materialeigenschaften der Bauteile im Bereich der konventionellen keramischen Formgebungsverfahren einzuordnen ist, weshalb dieses eine ernsthafte alternative für die Herstellung von Einzelstücken bzw. Kleinserien darstellt.<br />
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Dental restorations made of ceramic materials are in high demand by patients due to their excellent mechanical qualities and their aesthetic appearance. Using current technology production is carried out by means of CAD-CAM processes. These methods can be classified as subtractive design processes, as erosion techniques are used to form the dental restoration is from pre-prepared ceramic blocks. However these production processes suffer from limitations brought about by the required minimum wall strength and the complexity of the restoration.<br />Certain types of generative manufacture provide alternatives to this method, and have the advantage that components of almost any kind of geometry can be produced. The design is created by fusing together volume elements, a process which does not require any specific tools.<br />Here, unlike in the conventional CAD/CAM process, there is no wear caused to parts of machines - for example abrasive wheels - and down-time is also eliminated from the production process. Depending on the generative manufacturing process and the size of the machine, there may be the possibility to produce a large number of different dental restorations simultaneously, meaning the costs of a single component could be significantly reduced.<br />At the moment there is no commercially available additive manufacturing process which is capable of making ceramic components which are sufficiently precise, and of the correct thickness and strength. For this reason a research project with an industrial partner was started, in order to evaluate the potential for the use of ceramic materials in additive production methods. The aim is the development of the whole production process, from the preparation of the materials to the processing and finally post-processing stages. The focus of this work lies in the area of the processing of ceramic materials, i.e. the structuring by means of a rapid prototyping process.<br />This manufacturing process is based on a slip process. The raw materials are photosensitive resins which are mixed with oxide-ceramic fillers, especially zirconia. The liquid slurry is put into the machine, and hardened layer by layer using selective exposure. With this method we can create layers of a thickness between 50 µm and 25 µm. Ceramic green parts which are produced in this way are then debinded and sintered with a temperature profile specific to the model.<br />The first attempts at structuring were carried out on an apparatus which is commercially available. It turned out that the capabilities of processing ceramic slurries on this apparatus were very limited. For this reason an tailor-made machine was developed, which was especially adjusted for the processing of highly viscous slurries. Many new developments have enabled the reproducible structuring of ceramic parts, whereby especially the attachment of the components to the construction platform has been improved through the alignment of an additional light source in the glass panel and the automatic renewing of fresh raw materials is guaranteed due to the way in which the vat rotates.<br />Additionally a force sensor was integrated into the system, which allows the forces acting upon the component to be adjusted during the construction process. The recording and analysis of the adhesive forces and separating forces delivers important findings for the understanding of the process, and enables the targeted optimisation of the construction method. Furthermore investigations were carried out into the constancy of the distribution of light intensity over the construction area, highlighting the problem of light scatter as a consequence of the high proportion of ceramic particles in the slip.<br />With the newly developed process, a sinter-density of over 99% of the theoretical density of the component can be achieved; something which is only conditionally possible in a process based purely on powder. The investigations into strength carried out on biaxial strength measurements showed strength values of 1000 MPa. It was shown, that the new manufacturing process should be classified in terms of the expected characteristics of the materials used to produce components in the area of conventional ceramic designs. For this reason this new method presents a serious alternative for the production of individual pieces or small batches.
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zsfassung in engl. Sprache
