Stereolithographic Ceramic Manufacturing (SLCM) of lithium disilicate and bioactive glass ceramics for dental and medical applications

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem stereolithographischen &quot;3D-Druck&quot; von Dentalkeramiken (Lithium Disilikat) und bioaktiven Knochenersatzkeramiken (45S5 Bioglass). Bei diesem Verfahren (Stereolithographic Ceramic Manufacturing - SLCM) wird ein mit Keramikpartikeln gefülltes Photopolymer selektiv belichtet und schichtweise ausgehärtet, sodass ein definierter Formkörper hoher Präzision erstellt werden kann. Dieser &quot;Grünling&quot; kann nun thermisch nachbehandelt werden, um zuerst Lösemittel und organischen Binder auszutreiben und danach das zurückbleibende keramische Pulverkonstrukt (welches zwar geschrumpft, aber immer noch formstabil ist) zu einer dichten Keramik zu sintern. Über diesen mehrstufigen Prozess ist es daher möglich, technisch oder medizinisch einsetzbare Keramikstrukturen mit sehr hoher Dichte (>99vol%) und außerordentlicher Präzision (<25µm) in einem additiven Verfahren herzustellen. Die Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der Fertigung von Dentalrestaurationen aus Lithium Disilikat, einer Glaskeramik für hochästhetische Frontzahnversorgungen. Die Anforderungen dieses Fertigungsbereiches stellen höchste Ansprüche an die Mechanik der gefertigten Glaskeramik (Biegefestigkeit, Dichte), deren optische Eigenschaften (Transluzenz, Färbung) und die allgemein mögliche Fertigungstoleranz (3D-Druckpräzision, Formverzug während des Sinterns). Zusätzlich wurden Strukturierungsversuche mit bioaktiven Gläsern durchgeführt, welche sich für den Einsatz als Knochenersatzmaterial und zur Defektversorgung in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie eignen. Die Arbeit deckt dabei experimentelle Forschungsbereiche von der Erstellung photopolymerisierbarer Ausgangssysteme, der Anpassung und Weiterentwicklung der benötigten 3D-Drucktechnik bis zur detaillierten Untersuchung der Entbinder- und Sintervorgänge, sowie der mechanischen, optischen und elektronenmikroskopischen Prüfung und Charakterisierung der erstellten Glaskeramiken ab. Es ist dem Autor schlussendlich gelungen, definierte Lithium Disilikat Strukturen (Einzelkronen, 3-gliedrige Brücken) mit hoher Formtreue und Wiederholgenauigkeit (Passungspalt max. 150µm) und ausgezeichneter Mechanik (>300MPa Biegefestigkeit, >99,9vol% Dichte), sowie passender Tansluzenz herzustellen. Darüber hinaus konnte die Möglichkeit einer monochromatischen Einfärbung der Glaskeramik bereits in der Rohstoffaufbereitung nachgewiesen werden, welche eine Abstufung der finalen Restaurationen in den gängigen Dentalfarben ermöglicht und welche die Werkstoffmechanik nicht negativ beeinflusst. Zudem konnte eine Vielzahl an Erkenntnissen über mögliche Prozesseinflüsse auf das finale Sinterergebnis gesammelt werden, welche sich in detaillierten Werkstoffparametern ablesen lassen. Im Bereich bioaktiver Glaskeramiken konnte ebenfalls herausragende mechanische Kennwerte erzielt werden (>120MPa Biegefestigkeit) und die neuen Möglichkeiten der additiven Formgebung bei der Erstellung künstlicher Knochen- Mikrostrukturen demonstriert werden.

This work deals with the Stereolithographic Ceramic Manufacturing (SLCM) technology for the additive manufacturing of dental glass ceramics (lithium disilicate) and bioactive glasses for bone replacement applications (45S5 Bioglass). In this process, the selective and layer-wise curing of a photosensitive resin filled with ceramic particles leads to the formation of a highly precise composite structure. After printing, this &quot;green body&quot; can be dried and debinded to remove all organic substances. The remaining structure is now made of the ceramic powder alone and - despite a defined shrinkage - is still in its former shape. By sintering this delicate structure, a dense ceramic part can be produced. Hence, this multi-step process allows the additive manufacturing of ceramic parts for the use in technical or medical applications with tremendous precision (<25µm feature resolution) and banner density (>99,9vol%). This work deals with the manufacturing of dental restorations made of lithium disilicate, which is a glass ceramic material for high aesthetic front teeth replacement. The dental manufacturing industry call for highest requirements in terms of mechanical properties (bending strength, density), optical properties (translucency, colouration) as well as overall manufacturing tolerance (3D-printing precision, shape consistency during sintering). In addition, SLCM of bioactive glasses has been demonstrated which are useable for bone replacement applications (e.g. in the maxillofacial surgery). The study deals with several experimental research topics such as the creation of photosensitive filled slurries for selective curing, the adaptation and development of suitable stereolithographic printing systems, the detailed investigation of debinding and sintering processes and effects as well as the mechanical, optical and SEM characterization of the resulting glass ceramic parts. Eventually, the author was able to demonstrate the additive manufacturing of well-defined lithium disilicate parts (dental crowns, three-membered bridges) with high shape accuracy (fitting gap below 150µm) and excellent mechanics (>300MPa biaxial bending strength, >99,9vol% density) as well as suitable translucency. Moreover, the possibility of monochromatic colouration of lithium disilicate was demonstrated without negatively affecting the mechanical properties of the glass ceramic material. This allows easy restoration colouration according to dental standards. In addition, the influence of various SLCM process parameters was investigated and resulting mechanical properties are shown. In the field of additive manufacturing of bioactive glasses, outstanding mechanical strength (>120MPa biaxial bending strength) was achieved as well and innovative shaping possibilities in the additive manufacturing of trabecular bone microstructure are demonstrated.