Recycling von dental zirconia blanks : Machbarkeit und Hemmnisse

Abstract

Aufgrund des hohen Abfallaufkommens bei der Herstellung eines keramischen Zahnersatzes gewinnt die Suche nach einer geeigneten Recyclingmöglichkeit in der Dentalindustrie immer mehr an Interesse. Diese Arbeit zeigt die in Grenzen bewiesene technische Machbarkeit zweier unterschiedlicher Recyclingprozesse sowie deren positive ökologische Auswirkung und ökonomische Sinnhaftigkeit. Als Grundlage liefert die vorliegende Arbeit eine detaillierte Beschreibung des Herstellungsprozesses von Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid ausgehend vom Rohstoff bis hin zum fertigen keramischen Zahnersatz sowie einen Überblick der Vielzahl an sich auf dem Markt befindlichen Dental Blank Typen in Hinsicht auf deren chemische Zusammensetzung, Aufbau und Farbe. Mehrere Versuchsreihen eines sortenreinen Recyclingprozesses mit Blankrückständen unterschiedlicher Qualitäten (3 mol% und 4 mol% Y2O3) und Farben (Weiß und VITAFarbeA2) liefern das Ergebnis, dass im Vergleich zu den jeweils hergestellten Referenzen keine Verschlechterungen in den charakteristischen Werten der Grün- sowie Sinterdichte, der BET-Oberfläche, der Vickers-Härte und der Mikrostruktur festgestellt werden können. Zusätzlich kann bei allen recycelten Pulvern ein gleichbleibendes Sinterverhalten beobachtet sowie die gewünschte tetragonale Phase nach dem Sintern vollständig wiedererhalten werden. Obwohl es bei mehreren Versuchen möglich ist die erforderliche Transluzenz des Materialsaufrecht zu erhalten, liegt der sehr kritische Farbwert nur bei einem einzigen Recyclingversuch innerhalb der festgesetzten Toleranz. Darüber hinaus zeigt die Variante eines nicht-sortenreinen Recyclingprozesses die Möglichkeit der Dotierung und Färbung einer Mischung an verschiedensten Blankrückständen, bei welchen eine gefärbte Keramik spezieller Zusammensetzung (3 mol% Y2O3 und 0,25 wt% Al2O3) für eine mögliche Anwendung in der Schmuckindustrie erhalten werden kann. Berechnungen zur Thematik der Abfallmenge bei der CAD/CAM-Bearbeitung der Dental Blanks liefern das Ergebnis, dass ungefähr 88 % dieses hochwertigen YSZ-Materials bei diesem Prozessschritt verworfen werden und unterstreichen somit die hohe Notwendigkeit der Etablierung eines Recyclingprozesses.Eine grobe Abschätzung der ökologischen Auswirkungen zeigt, dass zum Zeitpunkt des Ankommens von Blankrückständen bei der Treibacher Industrie AG, welche für einen sortenreinen Recyclingprozess Verwendung finden, schätzungsweise 97 % an CO2-Äquivalenten pro Kilogramm YSZ im Vergleich zur Verwendung des herkömmlichen Rohstoffes eingespart werden können. Der unter der Prämisse einiger Annahmen stehende Kostenvergleich eines standardmäßigen Herstellungsprozesses mit einem sortenreinen Recyclingprozess, welcher in dieser Arbeit in Form einer kategorisierten Kostenstruktur mit Bewertungssystem dargestellt wird, zeigt leichte ökonomische Vorteile des Recyclingprozesses.

Due to the high percentage of waste, the interest in finding a suitable recycling method is constantly growing. This work shows the feasibility, within certain limits, of two different recycling processes for dental blank residues as well as their positive ecological impact and economic benefits.As basic information this work provides a detailed description of the manufacturing process of yttria-stabilized zirconia starting from raw material to the finished ceramic dental tooth replacement product. In addition, an overview of different types of dental blanks in respect of chemical composition, structure and color is given.Several series of experiments with a recycling process using sorted blank residues of different qualities (3 mol and 4 mol% Y2O3) and colors (white and VITA color A2) provide the result that in comparison to produced references no degradation in the characteristic values of green as well as sinter density, BET surface, Vickers hardness and microstructure can be observed.Furthermore, the recycled powders show the same sintering behavior and the required tetragonal phase can be fully retained after the sintering process. Although it is possible to maintain the required translucency in several tests, the criteria of color stability within specific tolerances can only be achieved in one single recycling test. Alternatively, a tested recycling process using non-sorted blank residues shows the opportunity of doping and coloring a mixture of different blank residue qualities to obtain a ceramic material with certain color andcomposition (3 mol% Y2O3 and 0.25 wt% Al2O3) for a possible usage in the jewelry industry.Calculations of the amount of waste produced during CAD/CAM processing of dental blanks show that approximately 88 % of these high-quality materials are discarded during this process step. This figure underlines the great necessity of establishing a recycling process.An estimation of the ecological impact shows that at the time of the arrival of blank residues to be used for recycling at Treibacher Industrie AG the carbon dioxide equivalents per kilogram yttria-stabilized zirconia can be reduced by approximately 97 % in comparison to the use of conventional raw material. In addition, the comparison of the costs of a standard material production compared to a sorted recycling process, which is presented in the form of a categorized cost structure including an evaluation system, indicates a small economic advantage of the recycling process.