Design of additively manufactured multi-material ceramics

Abstract

Die Umsetzung monolithischer Implantatdesigns aus bioaktiven Keramiken ist anspruchsvoll, da deren mechanische Eigenschaften nicht ausreichen, um den während des Einsatzes auftretenden Belastungen standzuhalten. Ein potenzieller Ansatz für Anwendungen im Bereich des Knochenersatzes wäre ein Multimaterial-Implantat, bei dem eine mechanisch stabilere Biokeramik mit einer bioaktiven Keramik kombiniert wird. Die Verbindung beider Komponenten ist jedoch aufgrund ihres unterschiedlichen Schrumpfverhaltens während des Sinterprozesses eine Herausforderung. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener Fügemechanismen, um diese Herausforderung zu kompensieren. Für die Experimente wurde das Sinterfüge-Verfahren ausgewählt, bei dem eine Presspassung an den Verbindungsflächen der Teile indiziert wurde. Als Materialkombination wurden Hydroxylapatit und yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid (Zirkonia) getestet. Zur Auslegung der Presspassung wurden Daten aus Hochtemperatur-Dilatometrie-Messungen herangezogen, um die Schrumpfraten der Einzelmaterialien präzise zu bestimmen. Die Bauteile wurden gemeinsam bei 1300 °C gesintert. Im Rahmen der Studie wurden zwei unterschiedliche Fügemechanismen entwickelt und evaluiert: das angepasste Vice versa-Design und das Keil-Design. In beiden Fällen konnte eine Presspassung erzielt werden, wobei die Ergebnisse auf eine höhere Zuverlässigkeit des Keil-Designs hinweisten. Das Keil-Design wurde daraufhin mithilfe verschiedener CAD-Softwarelösungen in zwei komplexere Implantatmodelle integriert und der Entwicklungsprozess dokumentiert. Nach der Fertigung wurde die Presspassung analysiert, wobei die Ergebnisse zeigten, dass die Presspassung nicht erreicht wurde. Bei den Zirkoniateilen kam es zu einer Winkelverformung. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die ungleichmäßige Wandstärke innerhalb der Teile zu Verformungen während des Sinterns führte.

Monolithic implant designs made from bioactive ceramic materials are difficult to realize, as their mechanical properties are insufficient to withstand the forces exerted on them during operation. A multi-material ceramic implant involving a stronger bioinert ceramic could offer a potential solution for bone replacement applications. However, the joining of the two ceramic parts is challenging due to their different shrinking behaviour during the sintering process. This thesis investigated different joining methods to overcome this challenge.The method of sinter-joining was selected for the experiments, which creates a press-fit between the connecting interfaces of the parts. The approach was tested on a material combination of hydroxyapatite and yttria-stabilised zirconia. Data from high-temperature dilatometric measurements was used to predict the shrinking rate of the parts to design the press-fit. The parts were co-sintered to 1300°C.Two joining mechanisms, namely the adapted reverse design and the wedge-design were proposed and evaluated. The results showed that the press-fit was achieved in both cases. The findings suggest that the wedge-design is more reliable than the adapted reverse design.The wedge-design was incorporated into two distinct implant models using various computer-aided design software, and the workflow was introduced. The implants were manufactured and evaluated. The results showed that the press-fit was not achieved, and an angular deformation was formed on the zirconia parts. The findings suggest that the non-uniform wall thickness within the parts caused warping during sintering.