Stampfl, Jürgen

Mitteramskogler, Gerald

2022-09-02T03:44:17Z

2015

2015-03

<div class="csl-bib-body"> <div class="csl-entry">Mitteramskogler, G. (2015). <i>Selective coloring of 3D-printed parts made of ZrO2</i> [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79471</div> </div>

http://hdl.handle.net/20.500.12708/79471

ger: Die Dentalindustrie stellt hohe Ansprüche an die Fertigung von vollkeramischen Restaurationen (z.B. Kronen oder Brücken) hinsichtlich den geometrischen Eigenschaften, den mechanische Eigenschaften, und der Wiedergabe einer natürlichen Ästhetik. Automatisierte Herstellungsverfahren basieren auf der Fräs- oder Schleifbearbeitung von patientenspezifischen Versorgungen aus dentalen Hochleistungskeramiken (z.B. Zirconiumdioxid). Die subtraktiven CAM-Konzepte bietet dennoch Nachteile: Die begrenzte Freiheit der Gestaltung, der hohe Verschleiß des Schneidwerkzeugs und die produzierte Menge an Abfallmaterial. Eine alternative Technologie für die Herstellung von Vollkeramik-Restaurationen ist der lithographiebasierende 3D-Druck von Keramischen Bauteilen - das LCM-Verfahren. Das an der Technischen Universität Wien entwickelte LCM-System fertigt einen dreidimensionalen Grünkörper durch das schichtweise Aushärten eines photosensitiven Materials, welches Keramikpulver bis zu einer Feststoffbeladung von etwa 45 Vol.% enthält. Erst nach dem thermischen Entbindern und Sintern erhält der Körper seine werkstoffspezifischen Eigenschaften. Für 3D-gedrucktes Zirconiumdioxid wurden Werte von bis zu 1000 MPa biaxiale Biegefestigkeit erreicht. Für die Photopolymerisation einer Grünschicht verwendet das LCM-Verfahren eine sogenannten Light Engine, welche die Schichtinformation von Unten in die XY-Ebene, die Oberfläche der Materialwanne, projiziert. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Modifikation der Light Engine um individuelle Lichthärte-Strategien (LCS) zu realisieren. Die Streuung des projizierten Lichtes bewirkt in der XY-Ebene, dass die resultierende Grünschicht flächenmäßig größer ausfällt als das ursprünglich projizierte Bild. Die Differenz in der Dimension wird als Überwuchs bezeichnet. Der Überwuchs steigt mit ansteigender Belichtungszeit und absolut belichteter Gesamtfläche. Praktische Anwendung führt zu einer separaten Aushärtung eines bestimmten Konturbereiches einer Schicht. Durch die Wahl der jeweiligen Belichtungszeit kann der Überwuchs eingestellt werden. Dieses digitale Einstellen führt zu realisierbare Auflösung unterhalb der nativen Auflösung der Light Engine, eine sogenannte Subpixel-Auflösung. Zusätzlich zur Geometrieverbesserung wurden der Einfluss der LCS und der Durchhärtungstiefe (Cd) auf die strukturellen Eigenschaften des 3D-gedrucken Bauteils bewertet. Es wurde gezeigt, dass Softstart LCS und höhere Werte für Cd Risse in der gesinterten Keramik reduzieren. Die Kombination der vorgestellten Ergebnisse führen zu einer Verbesserung der Formgenauigkeit und der strukturellen Eigenschaften. Das LCM-System erlaubt die Fertigung von monochromatischen Restaurationen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein neues Verfahren entwickelt, welches die Herstellung von Restaurationen mit patientenspezifischen Geometrie UND Farbe in einem Arbeitsgang ermöglicht. Die 3D-Farbgebung wird durch selektives Färben mithilfe einer speziellen Tinte erreicht, welche zwischen den Schichten des 3D-Drucks mittels Tintenstrahldrucks eingebracht wird. Hervorragende Ergebnisse wurden dabei in Bezug auf Qualität und Ästhetik der eingefärbten dentalen Restaurationen erzielt. Das neue Verfahren bietet große ökonomische Vorteile gegenüber der herkömmlichen CAM-Technologie, da keine Notwendigkeit besteht für speziell eingefärbte Rohlinge oder eines manuellen Färbeschrittes. Beide Themenschwerpunkte dieser Dissertation sind Teil des Christian Doppler Labors für Photopolymere in der digitalen und restaurativen Zahnheilkunde an der TU Wien.

eng: Full-ceramic restorations for the dental industry (i.e. crowns or bridges) require a high level of detail, dimensional accuracy, and sufficient mechanical properties, as well as natural aesthetics. As a state of the art practice, digital dentistry uses a subtractive CAD/CAM approach to digitally design and manufacture a patient-specific restoration made of high-performance ceramics, such as zirconia. However, this technique suffers from several inherent drawbacks: The limited freedom of design, the high wear of the cutting tool, and the amount of waste material. An alternative technology for the manufacturing of all-ceramic restorations is lithography-based ceramic manufacturing (LCM). The LCM system developed at the Vienna University of Technology generates parts with good geometrical properties (precision, surface quality, feature resolution) and excellent mechanical properties. The LCM system fabricates a ceramic green part layer-by-layer. Each layer is created from a photo-curable resin, which includes zirconia powder up to a solid loading of around 45 vol.%. For the photopolymerization of the resin the LCM process uses a so-called light engine, which projects the layer information from below onto the X-Y plane-the surface of the material vat. The light engine used in this work had a native resolution of 40 &micro;m, which is predetermined by the internal DMD chip (digital mirror device) and the optical system employed. After the 3D printing a thermal debinding and sintering step is necessary to turn the green part into a dense ceramic with its final mechanical properties (biaxial bending strength up to 1000 MPa for ZrO2). Within the first part of this work, the light engine is modified to enable the implementation of customized light curing strategies, which are used to improve the geometrical accuracy as well as the structural properties of the final ceramic part. The scattering of the projected light in the X-Y plane causes the resulting green layer to be larger than the originally projected image. The dimensional difference is referred to as overgrowth and is sensitive to both exposure time and exposed area. By a separate curing of the contour region and by choosing a respective exposure time, the dimensional overgrowth can be adjusted to gain resolution below the native resolution of the light engine-a sub-pixel resolution. By using the full capabilities of the light engine, different light curing strategies (LCS) and depths of cure (Cd) were used for the 3D printing of ceramic green parts and their influence on cracks in the final ceramic was evaluated. It was concluded that softstart LCS, as well as higher values for Cd, reduce cracks in the final ceramic. The LCM system only allows the processing of mono-colored restorations. However, within the second part of this work a novel process has been developed, which enables the manufacturing of restorations with patient-specific geometry AND color in a single step. The 3D coloring is achieved by selectively jetting a special ink between the layers of the LCMprinted ceramic green part. Excellent results have been achieved in terms of quality and aesthetics of the final color. This novel process provides a great advantage over conventional CAM technologies since there is no need for specially colored blanks or manual coloration techniques. The combination of the presented findings should lead to a highly flexible manufacturing system for high-performance ceramics, especially suitable for the dental industry. Both topics are part of the Module 2 of the Christian Doppler Laboratory for Photopolymers in the Digital and Restorative Dentistry at the VUT.

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers

Zsfassung in dt. Sprache

III, 121 Bl.

English

en

generative Fertigung

Dentalkeramik

Photopolymere

Selective coloring of 3D-printed parts made of ZrO2

Selektive Einfärbung 3D-gedruckter Keramiken

Thesis

Hochschulschrift

TU Wien, Österreich

Technische Universität Wien

E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie

Doctoral

AC12228360

121

Dissertation

Dissertation

staff

0000-0002-3626-5647

en

none

Publications

doctoral thesis

http://purl.org/coar/resource_type/c_db06

no Fulltext

E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie

E300 - Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften