Pfaffinger, M. (2017). Entwicklung und Optimierung photopolymerisierbarer Schlicker für den Lithography-based ceramic manufacturing (LCM) Prozess [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78288
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Number of Pages:
194
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Abstract:
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den, für den Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) Prozess als Ausgangsmaterial dienenden, photopolymerisierbaren keramischen Schlickersystemen. Diese stellen kolloidale Suspensionen dar. Keramische Partikel sind mithilfe eines Dispergieradditivs in einem organischen Gemisch aus Lösungsmittel und Monomeren fein dispergiert. Ein Photoinitiator ermöglicht durch selektive Belichtung des Schlickers das schichtweise Aushärten und schlussendliche Strukturieren dreidimensionaler Formkörper. In einer abschließenden thermischen Behandlung wird die organische Matrix der Bauteile ausgebrannt und die Keramikpartikel zu einer dichten Keramik ( 99 % theor. Dichte) gesintert. Bauteile hergestellt im LCM Prozess zeichnen sich durch hohe Auflösung (< 25 µm) sowie hohe Oberflächenqualität aus. Es wurden Schlickersysteme für die Dentalkeramiken Zirkoniumdioxid, einer Oxidkeramik mit guten mechanischen Eigenschaften für Restaurationen im Seitenzahnbereich, sowie Lithiumdisilikat, einer Glaskeramik mit zahnähnlichen optischen Eigenschaften (Transluzenz, Farbe) für hochästhetische Versorgungen im Frontzahnbereich behandelt. Des Weiteren wurden Suspensionen mit der Biokeramik Tricalciumphosphat untersucht. Drei Hauptanforderungen an keramisch gefüllte Schlicker im LCM Prozess sind (Langzeit-) Stabilität gegen Sedimentation und Stabilität gegen Entmischung unter Scherbelastung, zudem ist eine einfache, zeiteffiziente Entbinderung der hergestellten Grünkörper gefordert. Hierfür wurden verschiedene Ansätze verfolgt um eine stabile, fehlerfreie und reproduzierbare Produktion von Hochleistungskeramikbauteilen zu ermöglichen. Durch den Einsatz thermoplastischer Komponenten anstelle des Lösungsmittels oder dem Einsatz von pyrogener Kieselsäure, einem anorganischen Rheologieadditiv, in bestehenden Schlickersystemen, konnten keramische Schlicker gegen Sedimentation stabilisiert werden. Allerdings zeigten sich bei der schichtweisen Bauteilstrukturierung Schwierigkeiten aufgrund auftretender Separationsprozesse oder unzureichender Fließeigenschaften der Schlicker. Stereolithographie als Formgebungsverfahren erfordert zur Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile bestimmte optische Eigenschaften des Ausgangsmaterials. Aus diesem Grund wurden Schlickersysteme mit verbesserten optischen Eigenschaften (Abstimmung des Brechungsindex von Organikkomponenten auf Keramikpulver) entwickelt, welche die Bauteilstrukturierung mit höchstmöglicher Auflösung und Oberflächenqualität ermöglichen (minimale Wandstärke von 100 µm). Die veränderte Schlickerorganik ermöglicht zusätzlich (Langzeit-)Stabilität gegen Partikelsedimentation aufgrund thixotroper Fließeigenschaft. Neben der Schlickerentwicklung war eine Adaptierung der gesamten Prozesskette inklusive additiver Bauteilstrukturierung, thermischem Entbindern von Grünlingen und abschließendem Sintern notwendig. Der Autor konnte mit diesem Schlickersystem zudem einen zeiteffizienten Entbinderungsprozess (dentale Kronen in < 3 h) etablieren.
This work deals with photopolymerizable ceramic slurries the raw material for the Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) process. They are colloidal suspensions. By means of a dispersing agent the ceramic particles are finely dispersed in an organic mixture out of diluent and monomers. By using a photoinitiator selective exposure enables the layer-wise curing, hence, the structuring of threedimensional bodies. In a final thermal treatment the organic matrix of the green parts gets burned out and the ceramic particles get sintered to obtain dense ceramics (> 99 % theor. density). Parts manufactured in the LCM process excel in high resolution (< 25 µm) as well as high surface quality. Slurry systems are covered for the dental ceramics zirconia, an oxide ceramic with good mechanical properties used for restorations in the posterior tooth region and lithium disilicate, a glass ceramic with tooth-like optical properties (translucency, color) used for highly aesthetic restorations in the anterior region. Furthermore, suspensions for the bioceramic tricalcium phosphate are examined. There are three main requirements to ceramic-filled slurries in the LCM process, long-time stability against sedimentation, stability against separation due to occuring shear forces, and an easy, time efficient debinding of the manufactured green bodies. For this purpose different approaches are pursued to enable a stable, flawless and reproducible production of parts out of high-performance ceramics. Through applying a thermoplastic component in existing slurry formulations instead of the diluent or by using fumed silica, an inorganic rheology additive, the ceramic slurries could be stabilized against sedimentation. However, during the layer-wise manufacturing of parts difficulties arose due to separation processes or deficient flow properties. Stereolithography as an optical forming process for the production of high quality parts requires specific optical properties of the raw material. On this account slurry systems with improved optical properties (matching of the refractive index of organic components and ceramic powder) are developed which allow the manufacturing of parts with the highest possible resolution and surface quality (minimal wall thickness of 100 µm). Due to the modified organic fraction the slurries show thixotropic flow behavior. Thereby long-time stability against sedimentation is achieved. Besides the slurry development an adaptation of the overall process chain, including additive manufacturing of parts, thermal debinding of green bodies and final sintering was necessary. Additionally, with this slurry system the author could establish a time efficient debinding process (dental crown in < 3 h).