T5: Entwicklung von Methoden zur Herstellung und automatisierten Bearbeitung schädigungstoleranter, gehipter ZrO2-Keramiken für Dentalanwendungen

Hintergrund
Gehipte Oxidkeramiken verfügen über hervorragende mechanische Eigenschaften aufgrund ihrer geringen Porosität und feineren Gefügestruktur, sodass sie grundsätzlich für den Einsatz als Restauration oder Implantat im Dental- und Medizintechnikbereich geeignet sind. Allerdings werden Keramiken im Falle der Dentalrestaurationen (Gerüst) derzeit noch zusätzlich mit einer Glaskeramik aufgrund ästhetischer Gesichtspunkte verblendet. Des Weiteren sind Glaskeramiken weicher und reduzieren die Schädigung des Antagonisten im Kauprozess. Die Herstellung von Dentalrestaurationen aus biologisch verträglichen Vollkeramiken wird heutzutage im Zahntechniklabor sowohl manuell als auch computergestützt aus einem vorgesinterten Keramikrohling spanend gefertigt. Die Rohling-Herstellung erfolgt dabei durch den Keramikhersteller und aktuell ohne den HIP-Prozess (heißisostatisches Pressen). Vor diesem Hintergrund verlängert sich die Prozesskette von Dentalanwendungen im Vergleich zur orthopädischen Implantattechnik (vgl. SFB 599, Teilprojekt D4). Gründe hierfür sind einerseits, dass die Labore aus Kostengründen keinen kostenintensiven HIP-Prozess zur erhöhten Materialverdichtung sowie die daran folgende sprödharte Bearbeitung gehipter Oxidkeramiken durchführen können. Andererseits können Keramikhersteller aufgrund von standardisierten Formen derzeit keine kundenspezifisch gefertigten, gehipten Restaurationen anbieten. Dieser Problematik kann durch Entwicklung einer automatisierten Prozesskette für hipbare Zirkonoxidkeramiken begegnet werden. Im Vergleich zu konventionellen, verstärkten zirkonoxidbasierten Keramiken sollte die entwickelte Keramik eine geringere Härte sowie eine erhöhte Risszähigkeit aufweisen und ohne zusätzliche Verblendung für Dentalanwendungen eigesetzt werden können.

Forschungsansatz
Auf Grundlage der beim Industriepartner CeramTec bereits etablierten Standardwerkstoffen, wie verstärkte Keramiken auf Zirkonoxidbasis, erfolgt im ersten Schritt die Entwicklung neuer Hochleistungskeramiken für dentale Anwendungen mit geringerer Härte und erhöhter Risszähigkeit. Die Eignung eines Werkstoffs leitet sich einerseits aus der Forderung nach einer schädigungstoleranten sprödharten Bearbeitung im Rahmen der automatisierten Prozesskette und andererseits aus der Anwendung als Dentalkeramik ab. Durch ein iteratives Vorgehen zwischen Werkstoffentwicklung und schleiftechnologischen Untersuchungen soll die Rezeptur schrittweise diesem Ziel angepasst werden. Im Fokus steht daher die experimentelle Analyse der fertigungstechnologischen Zusammenhänge zur Charakterisierung der sprödharten Bearbeitung, welche eine Datenbasis für die Entwicklung einer automatisierten Prozesskette bereitstellt. Neben den schleiftechnologischen Untersuchungen der gehipten Keramik wird die Polierbarkeit analysiert. Aufbauend auf diesen Untersuchungen kann die automatisierte Prozesskette optimal bezüglich Wirtschaftlichkeit und Automatisierbarkeit entwickelt werden, da Wechselwirkungen zwischen Bearbeitungsprozess und resultierender Bauteilqualität der neuentwickelten Keramik bekannt sind. Die bisherigen Erkenntnisse werden hierzu am Beispiel der automatisierten Bearbeitung eines Demonstratorbauteils prototypisch umgesetzt.

Vision der Forschungsarbeiten
Ziel ist die Entwicklung einer verkürzten Prozesskette zur automatisierten Bearbeitung von schädigungstoleranten, gehipten, zirkonoxidbasierten Keramiken für die Dentaltechnik. Hierdurch ist es möglich, das heißisostatische Pressen für Dentalanwendungen zu nutzen und infolgedessen optimale mechanische Eigenschaften einer Keramik einstellen zu können. Basis für die Umsetzung der Prozesskette ist die Entwicklung einer geeigneten zirkonoxidbasierten Keramik, welche ohne zusätzliche Verblendung als vollanatomisches System eingesetzt werden kann, sowie einer geeigneten Fertigungsstrategie für die sprödharte, schädigungstolerante und wirtschaftliche Bearbeitung dieses neuen Werkstoffsystems.