Monoliittisten hammasproteesien 3D-tulostus
Hannula, Rafael (2022)
Hannula, Rafael
2022
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Master's Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-06-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206045481
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202206045481
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkitaan hammasteollisuuteen kehitettyjen keraamimateriaalien ominaisuuksia ja tuotantomenetelmiä. Työn tavoite on syventyä 3D-tulostamisen ominaispiirteisiin sekä tar kastella kuinka nämä suhteutuvat nykyisin käytössä olevien jyrsintämenetelmien vahvuuksiin ja heikkouksiin.
Työ jakaantuu kahteen osaan. Suurin osa työstä on kirjallisuustutkimusta, jossa käydään läpi hammaskeraamien tuotantomenetelmiä, materiaaleja sekä analysoidaan niiden reaalimaailman kestävyyttä. Työn toisessa osassa tavoitteena oli tulostaa keraamilietteestä hammasmalli. Tulostimena käytettiin monomeerilietteille kehitettyä tulostinta, jolla myös keraamilietteiden tulostaminen on teoriassa mahdollista.
Kirjallisuustutkimuksesta paljastui, että eri valmistajien zirkoniamateriaalien hydrotermisessä kestävyydessä oli suuria eroja. Täten pelkän staattisen lujuuden perusteella ei voida taata hyvää pitkäaikaiskestävyyttä. Kaksiosaisten laminaattikeraamien kestävyys viiden vuoden seurantajaksolla on ollut noin 97 %. Monoliittisen zirkonian ja litiumsilikaatin kestävyys on puolestaan ollut n. 98 % (3,4 vuoden keskimääräinen seurantajakso). Käytännön kestävyyksissä ei havaita tilastollisesti merkittäviä eroja, vaikka purentatesteissä monoliittiset vaihtoehdot kestävät murtumatta 4–10 kertaisia voimia laminoituihin nähden.
Työssä käsitellään myös sirontamalleja, sekä niiden tarkkuutta ennustaa valon vaimenemista ja leviämistä keraamilietteissä. Havaitaan, että Mie-teoria antaa hyviä tuloksia partikkelikoon ollessa lähellä käytettävän valon aallonpituutta. Mallin tarkkuus heikkenee huomattavasti, kun partikkelien halkaisija on alle kolmasosa aallonpituudesta. Teoreettisten mallien perusteella pystytään tekemään kvalitatiivisia ennustuksia mm. polymerisaatioleveydestä, mutta kvantitatiiviseen analyysiin käytetään semi-empiirisiä kaavoja.
3D-tulostuksessa yleisimpiä virhemekanismeja ovat tulostekerrosten irtoaminen ja kappaleen halkeaminen sintrausprosessissa. Lujan ja rakenteellisesti eheän kappaleen tuottaminen on tasapainoilua keraamipitoisuuden, kerrosten välisen adheesion ja viskositeetin välillä. 3D-tulostamalla on saavutettu n. 600–800 MPa taivutuslujuuksia, mikä on noin 50 % perinteisillä menetelmillä tuotettujen zirkonioiden lujuuslukemista. Tulostettujen kappaleiden lujuus ei tosin välttämättä ole sama jokaisen suunnan suhteen, vaan lujuus saattaa olla kertaluokkaa heikompi, mikäli vääntävä voima kohdistuu tulostekerrosten suuntaisesti.
Tutkimuksen kokeelliset tulosteet eivät onnistuneet tavoitteiden mukaisesti. Pääasiallisiksi rajoittaviksi tekijöiksi osoittautuivat adheesio tulostusalustaan ja keraamipartikkelien (alumiini-oksidi) aiheuttama voimakas sironta. Joko valoteho oli liian matala hyvän adheesion muodostamiseksi tai se polymerisoi lietettä myös suurelta alueelta kappalerajojen ulkopuolella. Kaiken kaikkiaan keraamiliete tarvitsi noin kymmenkertaisen valotusajan verrattuna puhtaaseen monomeerilietteeseen.
Työ jakaantuu kahteen osaan. Suurin osa työstä on kirjallisuustutkimusta, jossa käydään läpi hammaskeraamien tuotantomenetelmiä, materiaaleja sekä analysoidaan niiden reaalimaailman kestävyyttä. Työn toisessa osassa tavoitteena oli tulostaa keraamilietteestä hammasmalli. Tulostimena käytettiin monomeerilietteille kehitettyä tulostinta, jolla myös keraamilietteiden tulostaminen on teoriassa mahdollista.
Kirjallisuustutkimuksesta paljastui, että eri valmistajien zirkoniamateriaalien hydrotermisessä kestävyydessä oli suuria eroja. Täten pelkän staattisen lujuuden perusteella ei voida taata hyvää pitkäaikaiskestävyyttä. Kaksiosaisten laminaattikeraamien kestävyys viiden vuoden seurantajaksolla on ollut noin 97 %. Monoliittisen zirkonian ja litiumsilikaatin kestävyys on puolestaan ollut n. 98 % (3,4 vuoden keskimääräinen seurantajakso). Käytännön kestävyyksissä ei havaita tilastollisesti merkittäviä eroja, vaikka purentatesteissä monoliittiset vaihtoehdot kestävät murtumatta 4–10 kertaisia voimia laminoituihin nähden.
Työssä käsitellään myös sirontamalleja, sekä niiden tarkkuutta ennustaa valon vaimenemista ja leviämistä keraamilietteissä. Havaitaan, että Mie-teoria antaa hyviä tuloksia partikkelikoon ollessa lähellä käytettävän valon aallonpituutta. Mallin tarkkuus heikkenee huomattavasti, kun partikkelien halkaisija on alle kolmasosa aallonpituudesta. Teoreettisten mallien perusteella pystytään tekemään kvalitatiivisia ennustuksia mm. polymerisaatioleveydestä, mutta kvantitatiiviseen analyysiin käytetään semi-empiirisiä kaavoja.
3D-tulostuksessa yleisimpiä virhemekanismeja ovat tulostekerrosten irtoaminen ja kappaleen halkeaminen sintrausprosessissa. Lujan ja rakenteellisesti eheän kappaleen tuottaminen on tasapainoilua keraamipitoisuuden, kerrosten välisen adheesion ja viskositeetin välillä. 3D-tulostamalla on saavutettu n. 600–800 MPa taivutuslujuuksia, mikä on noin 50 % perinteisillä menetelmillä tuotettujen zirkonioiden lujuuslukemista. Tulostettujen kappaleiden lujuus ei tosin välttämättä ole sama jokaisen suunnan suhteen, vaan lujuus saattaa olla kertaluokkaa heikompi, mikäli vääntävä voima kohdistuu tulostekerrosten suuntaisesti.
Tutkimuksen kokeelliset tulosteet eivät onnistuneet tavoitteiden mukaisesti. Pääasiallisiksi rajoittaviksi tekijöiksi osoittautuivat adheesio tulostusalustaan ja keraamipartikkelien (alumiini-oksidi) aiheuttama voimakas sironta. Joko valoteho oli liian matala hyvän adheesion muodostamiseksi tai se polymerisoi lietettä myös suurelta alueelta kappalerajojen ulkopuolella. Kaiken kaikkiaan keraamiliete tarvitsi noin kymmenkertaisen valotusajan verrattuna puhtaaseen monomeerilietteeseen.