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G. Mitteramskogler:
"Selektives Einfärben von 3D-gedruckten Bauteilen aus ZrO₂";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, R. Liska; Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2015; oral examination: 03-05-2015.

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.