3D-Druck von transluzentem Zirkonoxid

Abstract

Zusätzlich zu ihren funktionellen Aufgaben (Zerkleinern von Nahrung, Lautbildung,...) erfüllen die Zähne eines Menschen auch einen ästethischen Zweck. Zur Erhaltung dieser Funktionen bei zerstörten oder fehlenden Zähnen ist eine Zahnersatz nötig. In der modernen zahnärztlichen Prothetik geht der derzeitige Trend in Richtung vollkeramischer Restaurationen. An der Technischen Universität Wien wurden Maschinen zur generativen Fertigung von Keramiken entwickelt. Damit werden mittels DLP-Technologie aus photosensitiven keramischen Suspensionen so genannte Grünlinge hergestellt. Durch eine anschließende thermische Behandlung werden dichte Keramik erreicht. In einer vorausgegangenen Arbeit gelang es Y-TZP ZrO2 Keramikpulver zu verarbeiten. Ziel dieser Arbeit war die Adaptation der Bau-, Entbinderungs- und Sinterparameter für die Strukturierung eines neuartigen ZrO2 Pulver mit der Bezeichnung Zpex. Dieses Pulver zeichnet sich durch eine erhöhte Transluzenz aus, welche für zahnärztliche Restaurationen eine wesentliche Werkstoffeigenschaft darstellt. Bei der Verarbeitung des Zpex Pulvers zeigte sich, dass sich die enthaltenen Agglomerate schwer aufbrechen lassen. Deshalb wurden verschiedene Aufbereitungsmethoden getestet, um diese Agglomerate zu zerstören. Mit Hilfe eines Dissolvers konnten die besten Resultate erzielt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Viskosität der verwendeten Schlickersysteme wesentlich von deren Verarbeitungstemperatur abhängt. Aus diesem Grund wurde eine beheizte Wanne entwickelt, wodurch es möglich war die Schlicker bei einer Temperatur von 50 °C zu verarbeiten. Die mit Zpex Pulver strukturierten Grünlinge zeigten ein anderes Entbinderungsverhalten als jene aus bisherigem ZrO2 Pulver. Das Entbindern führte zu interlaminaren und spannungsbedinten longitudinalen Rissen. Untersuchungen von gespaltenen Zylindern im Grünzustand mit einem Durchmesser und einer Höhe von je 10 mm im Rasterelektronenmikroskop zeigten, dass viele Zylinder bereits Risse enthalten. Diese Risse können während dem Spalten der Grünlinge entstehen oder in der mechanischen Belastung während dem Bauprozess begründet sein. Da auch die Grünfestigkeit der strukturierten Teile gering ist, könnte in Zukunft die Zugabe eines Vernetzers in die Organik getestet werden. Durch Anpassungen im Entbinderungs- und Sinterprofil gelang es, Zylinder mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 10 mm rissfrei zu sintern. Der verwendeten Schlickern hatten einen Füllgrad von 40 bzw. 47,3 Vol%. Die dabei erreichte Dichte liegt bei 99,51 % der theoretischen Dichte. Größere Bauteile konnten unabhängig von Geometrie und Füllgrad nicht rissfrei gesintert werden.

In addition to their functional requirements (chewing food, articulation, -), human teeth also have to fulfil aesthetic functions. In order to maintain these functions in case of damaged or missing teeth, prosthetic solutions are required. In modern restorative dentistry the current trend is towards full ceramic restorations. At the Vienna University of Technology systems for additive manufacturing of ceramics have been developed. These machines can produce so called green parts out of photosensitive ceramic filled suspensions by means of DLP technology. By a following thermal processing step dense ceramic parts are obtained. In previous work the processing of Y-TZP ZrO2 ceramic powder succeeded. The objective of this thesis was to adapt the processing, debinding and sintering parameters to the novel ZrO2 powder known under the name Zpex. This powder provides a higher translucency which is an important material property for dental restorations. During processing of the Zpex powder it turned out that the contained agglomerates are very difficult to break up. Several methods for deagglomeration were screened. By using a dissolver, the best results regarding deagglomeration were obtained. It could be shown that the viscosity of the used slurries depends highly on their processing temperature. Therefore a heated reservoir was developed which made the processing at a temperature of 50 °C possible. The green parts produced out of Zpex powder showed a different behaviour during debinding compared to those out of previous ZrO2 powder. While debinding interlaminar and internal pressure caused cracks occured. The analysis of fractured cylinders as green parts with a diameter and a height of 10 mm in the scanning electron microscope showed that many cylinders already contained cracks. These cracks can occur during the splitting of the samples or through the mechanical stress originating from the production process. Also because of the low solidity of the green parts the add-on of a crosslinking-agent to the organic matters can be tested. Through adaptations of the temperature profile it was possible to sinter cylinder with a diameter of 6 mm and a height of 10 mm without cracks. The used slurry had a solid loading of 40 respectively 47,3 Vol%. The obtained final density after sintering is 99.51 % of the theoretical density. Larger samples could not be sintered without cracks, independent of their geometry or degree of filling.