Process optimization for stereolithography-based 3D-printed ceramic parts

Abstract

Aktuell werden dentale keramische Implantate- bzw. Restaurationen computergestützt entworfen oder direkt durch eine Oberflächenerfassung des präparierten Zahnes erstellt, und anschließend durch subtraktive Methoden angefertigt. Subtraktive Fertigungsverfahren weisen jedoch Einschränkungen auf, darunter, zum Beispiel, geometrische Einschränkungen für den Fräskopf, die Designfreiheit, mögliche Auflösung und hoher Materialverbrauch. In Bezug auf diese Herausforderungen werden stereolithograhiebasierte Techniken als eine zukunftsträchtige Verbesserung gesehen. Das Prinzip der Stereolithographie verwendet Polymerisation, um durch die Auftragung dünner Materialschichten genaue 3D-Strukturen zu erzeugen. Diese Systeme schaffen mithilfe von Licht (UV oder Laser) solide Objekte, indem gezielt bestimmte Querschnittsbereiche von flüssigen photosensitiven Materialien ausgehärtet werden. Digital Light Processing gehört zu diesen Herstellungsverfahren. Die für dieses Forschungsprojekt verwendeten lichthärtende Schlicker beinhalten einen Füllgrad von ca. 73 Gew.% an Lithiumdisilikat Pulver. Bei LiSi2 handelt es sich um eine Glaskeramik mir einer durchschnittlichen Biegfestigkeit von 400 MPa. Dieses Material weist eine Transluzenz ähnlich der des natürlichen Zahnmaterials, sowie eine hohe Haltbarkeitsdauer auf. Daher wird es für Zahnerhaltungsmaßnahmen, wie z.B. Kronen oder dreigliedrige Brücken verwendet. Im ersten Teil des Projekts wurden je nach Schlicker die Verbesserung der Druckparameter für die Erlangung der korrekten LiSi2 Grünkörpermaße untersucht. Mithilfe eines Scanners wurde das Schwinden der Bauteile durch die Wärmenachbehandlung gemessen, sowie die erforderlichen Messfaktoren für die Grünkörper und die angestrebte hohe Auflösung bzw. Endproduktdimensionen. Der zweite Teil der Arbeit versuchte, die jetzigen Druck- und Nachbearbeitungsprozesse für LiSi2 Werkstücke zu verbessern, mit Berücksichtigung der heutigen Ansprüche in der Zahnindustrie. So wurden während der gesamten Herstellungsphase zwei neue Suspensionskombinationen getestet: von der Schlickerzusammensetzung bis zum erzeugten Endprodukt. Im Fall der pyrogenen Siliziumdioxid-Suspensionen wurden auch mechanische Untersuchungen durchgeführt. Die Entbinderung der Grünkörper ist jene Phase des gesamten Stereolithographieprozesses, die am meisten Zeit in Anspruch nimmt. Im Hinblick auf die Optimierung der Produktionszeit wurden unterschiedliche Entbindungsverfahren und Schlicker getestet. Es konnte gezeigt werden, dass es durch ein 3-stündiges anstatt eines 20 stündigen Entbindungsverfahrens möglich ist, Brüche in LiSi2 D6H6 Zylindern zu verhindern. Obwohl dieses Verfahren noch einiger Veränderungen bedarf, waren die untersuchten Bauteile defektfrei und zeigten eine einwandfreie Transluzenz.

ental ceramic implants and restorations are currently digitally designed with input data from patient specific 3D-scans, and produced via molding or subtractive methods (CAD/CAM). But subtractive methods have some limitations such as cutting tool access, design freedom, achievable resolution and high material waste. Stereolithography-based techniques are thought to be the future improvement to these limitations. Stereolithography uses photopolymerization to produce precise 3D structures by stacking up thin layers of material. These systems create solid pieces using light (UV or laser) by selectively solidifying designated cross-sectional regions of photosensitive liquid materials. Digital light processing (DLP) is among these manufacturing technologies. The photo-curable slurries used for this thesis project contain a solid loading of approximately 73 weight% of lithium disilicate powder (LiSi2). LiSi2 is a glass-ceramic with an average flexural strength of 400 MPa, this material possess a similar translucency to natural dentin and features high durability, therefore it is used for restorative applications such as crowns or 3-unit bridges. In the first part of this project, improvements of the printing parameters in order to acquire the most accurate LiSi2 green body dimensions are investigated according to the slurry. With the help of a scanner the shrinkage that parts suffer during the thermal post-processing treatments along with the required scaling factors to apply to the green parts and obtain high resolution/accurate end product dimensions are calculated. The second part of this work attempts to improve the current printing and post-processing treatments for LiSi2 parts taking into consideration dental industry requirements. Two new suspension combinations were tested during the whole manufacturing process; since the slurry composition until end product outcome. In the case of the fumed silica suspensions, mechanical tests were performed as well. Debinding is the stage that requires the longest time within the entire ceramic materials SLA process. With the aim of improving production times diverse debinding profiles were tested along with diverse slurries. It was proven that is possible to avoid cracks in LiSi2 D6H6 cylinders using a 3 hours debinding profile instead of a 20 hours profile. Although this profile requires some modifications, the tested samples were successful, presented no defects, showing a proper and continuous translucency.