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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, insbesondere in Form eines Zahnersatzes, auf Basis eines generativen Herstellungsverfahrens, bei dem eine Suspension aus einer Pulverzusammensetzung, nachfolgend als Schlicker bezeichnet, durch wiederholtes, lagenweises Abscheiden einzelner Schlickerschichten und Verfestigen einzelner Schlickerschichtbereiche zum Aufbau des keramischen Formkörpers verwendet wird, wobei wenigstens zwei sich in Art und/oder Konzentration der Pulverzusammensetzung voneinander unterscheidende Schlicker vorgesehen werden, die zur Ausbildung jeder einzelnen Schlickerschicht getrennt voneinander bevorratet und in Form einzelner tröpfchen- oder linienförmiger lokaler Schlickerabscheidungen unter Zugrundelegung eines vorgebbaren Abscheidemusters nebeneinander längs einer der jeweiligen Schlickerschicht zuordenbaren Abscheideebene ausgetragen werden.
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Im Dentalbereich besteht ein sehr großes Interesse an neuartigen Technologien zur Herstellung dentaler Restaurationen, die einerseits dazu beitragen sollen, die Herstellkosten signifikant zu senken, andererseits eine individuelle Anpassung an die natürlichen, personenspezifischen Gegebenheiten zu ermöglichen. Dabei gilt es nicht nur ästhetischen Aspekten in Hinblick auf die Farbgebung und dem transluszentem Erscheinungsbild, sondern auch den mechanischen Eigenschaften bei neuartigen dentalen Restaurationen in Bezug auf Härte, Porosität und Elastizität Rechnung zu tragen.
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Stand der Technik
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Neben traditionellen Verfahrenstechniken zur Herstellung dentaler Restaurationen im Wege von Fräs- oder Gusstechnologien, bei denen zur Endformung und finalen Farbgebung der zahntechnischen Formkörper eine oder mehrere, aus geeigneten Verblendmaterialien bestehende Schichten auf den Formkörper aufzubringen sind, haben bereits generative Herstellungsverfahren im Dentalbereich Einzug gehalten, die es ermöglichen, dreidimensionale Dentalrestaurationen zu erstellen, ohne dabei kosten- und zeitintensive, zumeist manuell durchführbare, die Endform sowie die Farbgebung bestimmende Nachbearbeitungsschritte durchzuführen.
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Eine bekannte Verfahrensvariante zum schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Formkörper stellt die selektive Laser-Sintertechnik dar, bei der einzelne, übereinander abzuscheidende Pulverschichten, zumeist bestehend aus Metall- und/oder Keramikpulver, ortsselektiv mit einem Laser belichtet und dadurch lokal erhitzt werden und somit einem Sinterprozess unterliegen, wodurch das erhitzte Pulvermaterial förmlich zusammenbackt. Die unbelichteten Pulverschichtbereiche verbleiben im losen Pulververbund und können nach Beendigung des Laser-Sinterprozesses von dem Formkörper separiert werden. Bisherige Laser-Sinterverfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere die Farbgebung durch das vorgegebene Pulvermaterial einheitlich festgelegt ist, d.h. Farbverläufe sind nicht darstellbar.
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Demgegenüber sehen dreidimensionale Drucktechniken einen großen Variantenreichtum in Bezug auf Materialwahl und Farbgebung für die Herstellung dentaler Restraurationen vor. 3D-Drucktechniken, die gleichfalls, wie das vorstehend erläuterte Sinterverfahren zur Gruppe generativer Herstellungsverfahren zu zählen sind, bedienen sich anstelle der ortsselektiven Belichtung der einzelnen Pulverschichten mit Laserlicht, dem ortsselektiven Auftragen von so genanntem Bindermaterial, durch das das gleichsam jeweils schichtweise innerhalb einer Arbeitsebene ausgetragene Pulvermaterial einer ortsselektiven, lokalen Verfestigungsreaktion unterliegt. Der Bindereintrag erfolgt im Rahmen der 3D-Drucktechnik typischerweise mittels Inkjet-Drucktechnik, zumal das Bindermaterial für gewöhnlich in flüssiger Phase als Lösung vorliegt.
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Ein derartiges Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere in Form einer dentalen Restauration ist der
DE 600 23 315 T2 zu entnehmen. Hierbei werden Schichten aus Pulvermaterial lagenweise nacheinander aufeinander abgeschieden, wobei Bindermaterial auf jede Schicht an ausgewählten Bereichen mittels einer dreidimensionalen Drucktechnik lokal aufgetragen wird, um diese ausgewählten Schichtbereiche als auch diese Schichtbereiche an die jeweils vorhergehenden Schichtbereiche zu binden und überschüssiges, nicht haftendes Pulver zu entfernen. Die auf diese Weise generativ herstellbaren Dentalstrukturen werden nachfolgend einem Sinterprozess unterzogen. Alternativ zur Verwendung von Pulvermaterial kann zur Ausbildung der einzelnen Schichten auch Pulver in dispergierter Form verwendet werden, das mittels einer oder mehrerer computergesteuerter Düsen zur Schichtbildung ausgetragen werden kann. Auch ist es möglich, zur Ausbildung einzelner Schichten ein oder mehrere Pulvermaterialien, die sich in Farbe oder in ihren Eigenschaften unterscheiden, auszubringen. Zudem ist es möglich, zu Zwecken der Farbgebung das mittels Tintenstrahlköpfen auf die jeweilige Pulver- oder Aufschlämmungsschicht auszubringende Bindemittel mit einem Färbungsmittel zu vermischen, um auf diese Weise eine möglichst individuelle und naturgetreue Farbnachbildung einer dentalen Restauration zu schaffen. Das in der vorstehenden Druckschrift beschriebene Verfahren sieht überdies nach dem Sinterschritt der generativ hergestellten dreidimensionalen Dentalstruktur eine Infiltration einer zweiten Phase in die Dentalstruktur vor, beispielsweise eine Glaskeramik oder ein Polymer, um auf diese Weise die Porosität der gesinterten Dentalstruktur zu reduzieren und dadurch die Dichte der dentalen Restauration signifikant zu erhöhen.
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Aus
EP 0 431 924 A2 ist eine dreidimensionale Drucktechnik zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper bekannt, bei der ein einziges einheitliches Pulvermaterial lagenweise auf eine Arbeitsebene abgeschieden wird. Das Pulvermaterial kann sowohl in trockener als auch in suspendierter Form vorliegen, wobei überschüssiges Pulvermaterial innerhalb der Arbeitsebene mit Hilfe eines Rakels abgetragen wird.
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Aus
DE 10 2008 027 315 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen zu entnehmen, das pulverförmiges oder flüssiges Material in einer Arbeitsebene abscheidet, wobei wenigstens zwei unterschiedliche Materialien innerhalb der Arbeitsebene in jeweils unterschiedlichen Bereichen abgeschieden werden. Das in die Arbeitsebene abgeschiedene Pulver wird mit Hilfe eines Abstreifers auf eine einheitliche Schichtdicke gebracht und anschließend mittels Laser erhitzt, vorzugsweise gesintert oder geschmolzen.
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Aus
WO 2006/078304 A2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines generativen Herstellungsverfahrens zu entnehmen, mit der dreidimensionale Formteile aus einem flüssigen Photopolymer-Bad mittels nachfolgender Stereolithographie schichtweise gefertigt werden können. Zur Gewährleistung einer gleichmäßig verteilten Photopolymerschicht innerhalb der Arbeitsebene dient eine mechanische Klinge, mit der flüssiges Photopolymermaterial gleich verteilt wird.
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DE 101 14 290 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Dentalprodukten durch schichtweises Auftragen von Mikrosträngen oder Mikrotropfen aus schmelzbaren, polymerisierbaren, polykondensierbaren oder polyaddierbaren Materialien sowie keramischen Massen, wobei jede Schicht zumindest teilweise polymerisiert bzw. durch Licht ausgehärtet wird und nach Abschluss des Schichtauftrags das gesamte Produkt durchpolymerisiert bzw. fertig ausgehärtet wird. Die Materialien können Additive wie Pigmente oder Farbstoffe enthalten.
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Aus
US 2003/0207235 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Krone mittels 3D-Drucken bekannt, bei dem ein schichtweise aufgetragenes pulverförmiges keramisches Material durch Austrag einer Binderlösung fixiert wird. Die Binderlösung kann Pigmente enthalten.
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WO 2011/023714 A1 zeigt ein Verfahren zur generativen Fertigung von Dentalprothesen oder Dentalteilen, bei dem schichtweise aufgetragenes Material selektiv gesintert oder geschmolzen wird. Nach Aushärtung der selektierten Bereiche werden diese mittels einer an einem Schieber angeordneten Schleifvorrichtung oberflächlich beschliffen, um eine definierte Oberfläche für den nachfolgenden Beschichtungs- und Aushärtungsvorgang zu erhalten.
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Aus
DE 11 2006 001 961 T5 ist ein Verfahren zum schichtweisen Erzeugen einer Zahnstruktur mit glatter Oberfläche bekannt, bei dem pro Schicht jeweils zunächst eine Flüssigkeit aufgetragen und anschließend ein Pulver auf die Flüssigkeit gestreut wird, das durch die Flüssigkeit verfestigt wird. Vor dem Auftrag einer neuen Schicht wird unverfestigtes Pulver durch Verschwenken einer Grundplatte, auf der der Aufbau erfolgt, abgeschüttelt. Durch Vorhalten und Mischen von Flüssigkeiten in verschiedenen Farbtönen kann jeder gewünschter Farbton für die künstliche Zahnstruktur erzielt werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, insbesondere in Form eines Zahnersatzes, auf Basis eines generativen Herstellungsverfahrens, bei dem eine Suspension aus einer Pulverzusammensetzung, nachfolgend als Schlicker bezeichnet, durch wiederholtes, lagenweises Abscheiden einzelner Schlickerschichten und Verfestigen einzelner Schlickerschichtbereiche zum Aufbau des keramischen Formkörpers verwendet wird, wobei wenigstens zwei sich in Art und/oder Konzentration der Pulverzusammensetzung voneinander unterscheidende Schlicker vorgesehen werden, die zur Ausbildung jeder einzelnen Schlickerschicht getrennt voneinander bevorratet und in Form einzelner tröpfchen- oder linienförmiger lokaler Schlickerabscheidungen unter Zugrundelegung eines vorgebbaren Abscheidemusters nebeneinander längs einer der jeweiligen Schlickerschicht zuordenbaren Abscheideebene ausgetragen werden, derart weiterzubilden, so dass sowohl die natürliche Farbgebung als auch die mechanischen Eigenschaften der dentalen Restauration dem nachzubildenden Original möglichst naturgetreu nachgebildet werden können. Insbesondere gilt es, die mechanischen Eigenschaften des originalen Dentalkörpers naturgetreu nachzubilden, die sich im Wesentlichen durch graduell verlaufende Dichteunterschiede innerhalb des Dentalkörpers ergeben. Ferner gilt es, das Herstellungsverfahren zugunsten einer Kostenreduzierung zu vereinfachen, so dass auf jegliche Nachbearbeitungsmaßnahmen der im Wege des generativen Herstellungsverfahrens gewonnenen dentalen Restauration verzichtet werden können. Dies betrifft insbesondere Maßnahmen zur Dichtesteigerung, wie sie in der
DE 600 23 315 T2 beschrieben sind.
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Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
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Lösungsgemäß wird das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, insbesondere in Form eines Zahnersatzes, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weitergebildet, dass nach dem Abscheiden jeweils einer Schlickerschicht innerhalb der Arbeitsebene eine Glättung der Schichtoberfläche der abgeschiedenen Schlickerschicht erfolgt, wobei die Glättung im Wege eines die Schlickerschichtdicke reduzierenden Materialabtrages durchgeführt wird, durch den eine vorgebbare Schichtdicke der Schlickerschicht erzielt wird. Der Glättungsvorgang dient zum einen der Beseitigung von Unebenheiten an der Schlickerschicht-Oberfläche, die sich ansonsten ohne eine entsprechende Glättungsmaßnahme Schicht für Schicht fortpflanzen und somit die Aufbaugenauigkeit für die dentale Restauration signifikant verschlechtern würden. Gleichzeitig mit der Glättung der Schichtoberfläche erfolgt auch ein Materialabtrag dergestalt, dass jede abgeschiedene Schlickerschicht eine definierte Schichtdicke erhält. Vorzugsweise wird der Materialabtrag an jeder einzelnen, abgeschiedenen Schlickerschicht derart durchgeführt, so dass die Schlickerschichtdicken jeweils gleich stark ausgebildet sind. Denkbar ist jedoch auch eine schichtweise, individuell variable Schichtdickeneinstellung, die im Wege des Glättungsvorganges individuell vorgenommen werden kann. Die Glättung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines in mechanischem Eingriff mit der Schlickerschichtoberfläche tretenden Mittels, wie beispielsweise einer Walze, einem Rakel, einem Bandapparat oder einem vergleichbar ausgebildeten Mittel.
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Neben der Glättung sowie der Schichtdickenreduzierung auf ein vorgegebenes Schichtdickenmaß erfährt die Schlickerschicht während des Eingriffes mit dem mechanischen Mittel zumindest in einem oberflächennahen Schichtbereich einen längs zur Schlickerschichtoberfläche orientierten Scherkrafteintrag, durch den eine graduelle Durchmischung der oberflächennahen Schlickerschicht regelrecht erzwungen wird. Insbesondere in Bereichen, in denen zwei aus unterschiedlichen stofflichen Zusammensetzungen bestehende Schlickerschichtbereiche aneinander grenzen, führt der Scherkrafteintrag zu einem feinskaligen, graduellen stofflichen Übergang zwischen beiden Schlickerzusammensetzungen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird wenigstens ein Teilbereich der geglätteten und schichtdickenreduzierten Schichtoberfläche ortsselektiv mit wenigstens einer Tintenflüssigkeit beaufschlagt, die Farbpigmente sowie eine die Schlickerschicht verfestigende Stoffzusammensetzung enthält. Die Tintenflüssigkeit, die vorzugsweise mit Hilfe eines Inkjet-Druckkopfes ortsselektiv auf die geglättete Schlickerschichtoberfläche aufgebracht wird, vermag je nach Dosierung der Farbpigmentwahl die einzelnen Schlickerschichtoberflächenbereiche individuell einzufärben und darüber hinaus zu verfestigen.
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Alternativ ist es ebenso möglich, eine lediglich mit Farbpigmenten versetzte Tintenflüssigkeit sowie eine die Schlickerschicht verfestigende Stoffzusammensetzung enthaltende Lösung jeweils in getrennter Form über einen Mehrfach-Inkjet-Druckkopf auf die Schlickeroberfläche auszubringen. Der Druckvorgang erfolgt gleichsam wie im vorgenannten Fall nur in ausgewählten Oberflächenbereichen, so dass auch nur Teilbereiche der Schlickerschicht verfestigt und entsprechend eingefärbt werden.
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Nach dem Beaufschlagen des wenigstens einen Teilbereiches der geglätteten Schichtoberfläche mit der wenigstens einen Tintenflüssigkeit an der Schichtoberfläche wird eine zweite Glättung der Schichtoberfläche durchgeführt, bei der ein Schichtoberflächen naher Materialabtrag erfolgt, durch den eine weitere vorgebbare Schichtdicke der Schlickerschicht erzielt wird,
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Die vorstehende Prozessabfolge aus Abscheiden einer Schlickerschicht innerhalb einer Arbeitsebene, Glätten und Schichtdickenreduzieren, ortsselektives Ausbringen der die Schlickerschicht verfestigenden und einfärbenden Tintenflüssigkeit sowie zweites Glätten wird zur Ausbildung der schichtförmig aufgebauten, dentalen Restauration vielfach wiederholt, wobei vor jeder erneuten Schlickerschichtabscheidung die jeweils vorher abgeschiedene und ortsselektiv mit Tintenflüssigkeit beaufschlagte Schlickerschicht zumindest teilweise eine Schichtverfestigung erfährt.
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Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, dass jeweils eine zu oberst abgeschiedene, geglättete und mit Tintenflüssigkeit versehene Schlickerschicht vollständig verfestigt ist, bevor eine nachfolgende weitere Schlickerschicht aufgebracht wird. So ist es durchaus vorteilhaft, die Abscheidung der jeweils weiteren Schlickerschicht vorzunehmen, bevor die oberflächig auf der bereits ausgebrachten und geglätteten Schlickerschichtoberfläche ortsselektiv ausgetragene Tintenflüssigkeit zur Einfärbung und Verfestigung von der Schlickerschicht vollständig aufgenommen worden ist. Befinden sich Anteile der ortsselektiv ausgebrachten Tintenflüssigkeit auf der Schlickerschichtoberfläche während bzw. nachdem eine weitere Schlickerschicht auf die Schlickerschichtoberfläche ausgebracht wird, so vermögen diese Tintenflüssigkeitsanteile auch die Schlickerschichtunterseite der zuoberst abgeschiedenen Schlickerschicht zu benetzen bzw. zu durchdringen, wodurch die jeweils zuoberst aufgetragene Schlickerschicht beidseitig, d.h. von unten und jeweils von oben eingefärbt sowie verfestigt wird.
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Sind sämtliche Schlickerschichten abgeschieden und in entsprechender Weise verfestigt, so gilt es nachfolgend, die nicht verfestigten Schlickerschichtbereiche von den verfestigten Schlickerschichtbereichen unter Ausbildung eines so genannten Formkörpergrünlings zu separieren, der im Anschluss daran einem Sinterprozess unterzogen wird.
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Das lösungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers eignet sich insbesondere zur Herstellung einer dentalen Restauration sowohl mit graduell verlaufendem Farbverlauf als auch mit einer an die natürlichen Materialeigenschaften angepassten Materialgradierung, insbesondere in Bezug auf lokale Dichteunterschiede bzw. lokal variierende Stabilitäts- bzw. Elastizitätseigenschaften. Ziel ist es hierbei, mechanische Verstärkungen in Bereichen bspw. eines Zahnersatzes vorzusehen, die mechanisch hohen Belastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise exponierte Stellen an Kauflächen von Molaren, d.h. in diesen Bereichen soll der Zahnersatzkörper über eine besonders hohe Festigkeit und Materialdichte verfügen, wohingegen im Volumeninneren eine definierte Porosität einzubringen ist, um eine optimierte Zementanbindung an eine dentale Verankerungsvorkehrung vornehmen zu können.
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Zur verfahrenstechnischen Umsetzung einer möglichst naturgetreuen Nachbildung eines Zahns auch und insbesondere in Bezug auf die räumliche Verteilung der natürlichen mechanischen Zahneigenschaften, wie Härte, Festigkeit sowie Elastizität, werden wenigstens zwei sich in Art und/oder Konzentration der Pulverzusammensetzung voneinander unterscheidende Schlickerzusammensetzungen bevorratet, die jeweils getrennt voneinander über ein drucktechnisches Dispensersystem zur Ausbildung einzelner Schlickerschichtbereiche in Form eines Punkte- oder Linienrasters in die Arbeitsebene ausgebracht werden. Die einzelnen Schlickerzusammensetzungen enthalten typischerweise anorganische Pulvermischungen aus Keramik, Glas, Glaskeramik oder metallischen Bestandteilen und sind je nach den nachzubildenden dentalen Restaurationseigenschaften zusammengesetzt. Die unterschiedlichen Schlickerzusammensetzungen können über wenigstens ein, über eine oder mehrere Dispenserdüsen verfügendes 3D-Druckkopfsystem in die jeweilige Abscheideebene zur Ausbildung einer Schlickerschicht ausgebracht werden. In einer bevorzugten Verfahrensweise erfolgt der Schlickeraustrag tropfenförmig, so dass je nach Abscheidemuster Schlickertropfen unterschiedlicher Schlickerzusammensetzung innerhalb der Arbeitsebene unmittelbar nebeneinander abgeschieden werden können, um auf diese Weise definierte Materialgradierungen zu erzeugen. Der Durchmesser der einzelnen Schlickertropfen beträgt idealerweise 100 µm bis 500 µm. Auch können je nach Dispensertechnik strangartige Schlickerausträge realisiert werden.
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Je nach Wahl der einzelnen Schlickerzusammensetzung sowie unter Maßgabe eines vorgegebenen Dispensermusters bilden sich innerhalb der jeweiligen Schlickerschichten und damit verbunden im späteren Dentalbauteil Regionen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aus, beispielsweise sehr feste Bereiche und Bereiche, die leicht nachgeben oder auch poröse Regionen darstellen.
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Unmittelbar nach Austrag der Schlickermaterialien zur Ausbildung jeweils einer Schlickerschicht ist es vorteilhaft, in die innerhalb der Abscheideebene ausgetragenen Schlickerschicht Ultraschallwellen einzukoppeln, durch die eine Verdichtung der innerhalb der Schlickerschicht dispergierten Pulverpartikel bewirkt wird, um ein möglichst dichtes Gefüge innerhalb der sich schichtweise ausbildenden dentalen Restauration zu erhalten.
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Unumgänglich ist es jedoch, zur Vermeidung sich im Rahmen der Schlickerschichtabscheidung ausbildenden Unebenheit an den einzelnen Schlickerschichtoberflächen eine Glättung vorzunehmen, wobei der Vorgang der Glättung nicht nur zur Ausbildung einer ebenen Schichtoberfläche dient, sondern zusätzlich einen Materialabtrag bewirkt, so dass jede Schlickerschicht eine definierte Schichtdicke erhält. Hierzu wird ein mechanisches Mittel, vorzugsweise in Form eines Rakels oder eines Bandapparates, längs zur Schlickerschichtoberfläche geführt, so dass das mechanische Mittel zumindest teilweise in Eingriff mit einer oberflächennahen der Schlickerschicht gerät. Durch die laterale Führung des mechanischen Mittels längs zur Schlickerschichtoberfläche erfahren die tropfen- oder strangförmigen Schlickerschichtabscheidungen innerhalb der schichtdickenreduzierten Schlickerschicht eine zumindest oberflächennahe Durchmischung, wodurch kontinuierliche Übergänge zwischen Bereichen aus unterschiedlichen Schlickerzusammensetzungen realisierbar sind.
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Im Rahmen des Materialabtrages gerät das mechanische Mittel in Eingriff mit der auf der Arbeitsebene abgeschiedenen Schlickerschicht mit einer vorgebbar einstellbaren Eindringtiefe, wobei durch einen seitlichen Materialabtrag im Wege einer oberflächennahen Materialverdrängung die Schichtdicke der Schlickerschicht um bis zu 70 % reduziert werden kann.
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Zu Zwecken einer ortsselektiven Verfestigung sowie einer individuellen Einfärbung der geglätteten und dickenreduzierten Schlickerschicht wird in einem darauf folgenden Verfahrensschritt mittels Piezo-Inkjet-Drucktechnik wenigstens eine Tintenflüssigkeit ortsselektiv auf die Schlickerschichtoberfläche aufgetragen. In einem einfachsten Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass nur eine Tintenflüssigkeit eingesetzt wird, die sowohl die in der Arbeitsebene abgeschiedene Schlickerschicht verfestigt als auch einfärbt. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung wenigstens einer Tintenflüssigkeit, die ausschließlich für die Farbgebung zuständig ist und die getrennt zu einer extra zu bevorratenden Lösung auf die Schlickerschichtoberfläche aufgedruckt wird, die eine die Schlickerschicht verfestigende Stoffzusammensetzung enthält. Sowohl die wenigstens eine Tintenflüssigkeit als auch die die Schlickerschicht verfestigende Stoffzusammensetzung enthaltende Lösung kann mit Hilfe eines Inkjet-Druckkopfes auf die Schlickerschichtoberfläche ortsselektiv aufgebracht werden, wobei der Druck nur in ausgewählten Regionen erfolgt, so dass nur Teilbereiche der Schlickerschicht verfestigt und eingefärbt werden. Die hierbei über den Inkjet-Druckkopf ausgebrachten Flüssigkeitstropfen haben typischerweise einen Durchmesser kleiner 100 µm, vorzugsweise ca. 30 µm.
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Um einen möglichst natürlichen Farbverlauf innerhalb der dentalen Restauration nachbilden zu können, sind vorzugsweise mehrere Tintenflüssigkeiten zu bevorraten und mit Hilfe des Inkjet-Druckkopfes getrennt voneinander auf die geglättete und schichtdickenreduzierte Schlickerschicht ortsselektiv aufzubringen.
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In vorteilhafter Weise kann die wenigstens eine Tintenflüssigkeit zusätzliche Nanopartikel erhalten, durch die das Werkstoffgefüge der herzustellenden dentalen Restauration in geeigneter Weise modifiziert werden kann, so beispielsweise zur Einstellung einer gewünschten Porosität.
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Der Vorgang der Verfestigung der innerhalb der Schlickerschicht dispergiert vorliegenden Pulverbestandteile erfolgt durch Wechselwirkung zwischen Komponenten innerhalb des jeweiligen Schlickers und Komponenten der Tintenflüssigkeit bzw. der Lösung, die über eine die Schlickerschicht verfestigende Stoffzusammensetzung enthält. Je nach Stoffwahl bezüglich des Schlickermaterials sowie der Tintenflüssigkeit sind folgende Varianten für die Aushärtung bzw. Verfestigung der Pulverbestandteile innerhalb des Schlickermaterials denkbar:
- – Auf der Grundlage des sog. Gelcastings wird Schlicker auf der Arbeitsebene abgeschieden, der neben Wasser, Dispergierhilfen und Pulver auch ein Monomer sowie einen Vernetzer enthält. Bspw. eignet sich als Monomer Metacrylsäureamid sowie für den Vernetzer Methylendiacrylamid. Um das im Schlicker enthaltene Pulver zu verfestigen, dient eine Lösung, die ortsselektiv gemeinsam oder getrennt zur Tintenflüssigkeit auf die Schlickeroberfläche aufgebracht wird. Zur Initiierung der Polymerisation bzw. Gelbildung und einer damit verbundenen Verfestigung eignet sich als Lösung eine Ammoniumperoxidsulfatlösung. Der Prozess der Verfestigung kann in vorteilhafter Weise durch zusätzliche thermische und/oder katalytische Aktivierung unterstützt werden.
- – Durch kontrollierte Einflussnahme auf die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den im Schlicker dispergierten Pulverbestandteilen kann die auf Koagulationsprozessen basierende Verfestigung unterstützt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Änderung des pH-Wertes und/oder durch Änderung der Ionenkonzentration innerhalb des Schlickers.
- – Auf der Grundlage eines sog. 2-Komponenten-Systems enthält die jeweilige Schlickerzubereitung eine für die Aushärtung erforderliche erste Harzkomponente, in der das Pulvermaterial, vorzugsweise Keramikpulver, dispergiert ist. Eine als Härter dienende zweite Komponente wird mit einem entsprechenden Inkjet-Druckkopf auf die entsprechend vorbereitete Schlickerschichtoberfläche aufgedruckt. Typische 2-Komponenten-Systeme stellen Epoxid- und Polyurethanharze dar.
- – Auf Basis eines UV-härtbaren Bindersystems beruht das Verfestigungsprinzip einer UV-härtenden Tintenflüssigkeit, die auf die Schlickerschichtoberfläche aufgedruckt wird und in einem nachfolgenden UV-Belichtungsprozess vernetzt. Alternativ können die UV-polymerisierbaren Komponenten bereits innerhalb der Schlickerzusammensetzung zugesetzt sein, so dass es lediglich eines UV-Initiators bedarf, der im Rahmen der Tintenflüssigkeit auf die Schlickerschichtoberfläche ortsselektiv aufgedruckt wird, die im Anschluss daran vollflächig mit UV-Licht bestrahlt wird. Eine Aushärtung bzw. Verfestigung der Schlickerschicht erfolgt lediglich in jenen Bereichen, in denen der UV-Initiator aufgedruckt worden ist.
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Auf der Grundlage der vorstehend erläuterten Aushärtemechanismen werden die innerhalb der Schlickerzusammensetzung dispergierten Pulverpartikel derart miteinander verbunden, so dass nach Fertigstellung sämtlicher im Rahmen des generativen Herstellungsverfahrens übereinander abgeschiedener Schlickerschichten ein verfestigter Formkörpergrünling entsteht, der vom übrigen, nicht verfestigten Pulvermaterial separiert wird ohne dabei die verfestigten Strukturbereiche zu beschädigen. Eine bevorzugte Separation von ungebundenen Pulveranteilen erfolgt bspw. durch Ausblasen mittels Druckluft oder durch Ausschwemmen, indem der Formkörpergrünling für eine gewisse Zeit in ein Wasser- oder Lösungsmittelbad eingelegt wird, das ansonsten keinen Einfluss auf die verfestigten Strukturbereiche ausübt. Die jeweils nicht verfestigten Pulverbestandteile lösen sich von dem verfestigten Bauteil ab und sinken sedimentativ zu Boden.
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In einem letzten Verfahrensschritt gilt es den von nichtgebundenen Pulverbestandteilen separierten Formkörpergrünling einem Sinterprozess zu unterziehen, bei dem das Bauteil innerhalb eines Ofens typischerweise bei Temperaturen zwischen 1100 °C und 1600°C gesintert wird. Organische Binderkomponenten, die das verfestigte Bauteil enthalten kann, werden in einem vorgelagerten Entbinderungsschritt zwischen 300 und 900°C entfernt. Nach dem Sintervorgang liegt der Formkörper in seiner endgültigen Geometrie und seinen endgültigen Eigenschaften in Bezug auf Farbe, Transluzenz sowie gradierten mechanische Eigenschaften vor.
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Um Farbschattierungen und Farbverläufe in feinster Ausprägung realisieren zu können, sieht das lösungsgemäße Verfahren einen zweiten Glättungsschritt der Schlickerschichtoberfläche vor.
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Der zweite Glättungsschritt, der gleichsam wie der Erste einen Materialabtrag zur Folge hat, wird unmittelbar nach dem Druckvorgang, bei dem die wenigstens eine Tintenflüssigkeit auf die bereits geglättete Schlickerschichtoberfläche ortsselektiv ausgebracht wird, durchgeführt. In gleicher Weise wie der erste Glättungsvorgang wird auch beim zweiten Glättungsvorgang ein Teil der Schlickerschichtoberfläche abgetragen, um einerseits die Schlickerschichtdicke auf eine Endschichtdicke zu reduzieren und andererseits gezielt Scherkräfte in einen oberflächennahen Schichtbereich einzutragen, die zu einer lateralen Vermischung und damit verbunden zu einem sehr fein ausgeprägten, graduellen Farbverlauf der Tintenflüssigkeit längs der Schlickerschichtoberfläche führen. Der mit dem zweiten Glättungsvorgang verbundene Materialabtrag sieht lediglich eine Abtragungstiefe, ausgehend von der Schlickerschichtoberfläche von wenigen einzelnen Mikrometer bis maximal 100 μm vor.
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Die mit dem lösungsgemäßen Verfahren herstellbare dentale Restauration vorzugsweise in Form eines Zahnersatzes weist somit die natürlichen mechanischen Eigenschaften aufgrund des vorstehend erläuterten werkstofftechnischen Gradienten auf. Außerdem ist es möglich, die natürliche Zahnfärbung nachzubilden, dies insbesondere mit Hilfe von mit geeigneten Farbpigmenten versetzten Tintenflüssigkeiten, vorzugsweise unter Verwendung von wenigstens vier unterschiedlich eingefärbten Tintenflüssigkeiten, die im Rahmen der Inkjet-Drucktechnik vereinzelt oder in gegenseitiger Durchmischung ausgetragen werden können.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1a bis e Sequenzbilddarstellungen zur Illustration der zur generativen Herstellung einer dentalen Restauration erforderlichen Verfahrensschritte.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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Die in den Sequenzbildern gemäß der 1a bis e dargestellten Teilverfahrensschritte illustrieren ein bevorzugtes schichtförmiges Herstellungsverfahren zur Nachbildung einer dentalen Restauration, die in dem Teilbild gemäß 1e als Zahnersatz Z schematisch dargestellt ist, der sich in vorteilhafter Weise dadurch auszeichnet, dass der Zahnersatz Z über eine räumlich definierte Verteilung natürlich nachgebildeter Zahneigenschaften, wie Härte, Festigkeit und Farbe verfügt. In besonderer Weise ist die räumliche Verteilung im Hinblick auf die mechanisch-werkstofflichen Eigenschaften sowie auch im Hinblick auf die Übergänge in der Farbtönung sowie der Transluzenz unter dem Aspekt einer möglichst stufenlosen, d. h. kontinuierlichen Gradierung optimiert.
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Um einen kontinuierlichen und nahtlosen Übergang der mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf Härte, Elastizität, Porosität, etc. innerhalb des Zahnersatzes Z zu erzeugen, werden gemäß 1a wenigstens zwei unterschiedliche Schlicker A, B getrennt voneinander vorgesehen, die sich bezüglich der Art sowie Konzentration der innerhalb des Schlickers enthaltenen Pulverzusammensetzung unterscheiden. Mit Hilfe bekannter Dispensertechnik werden die wenigstens zwei unterschiedlichen Schlicker A, B innerhalb einer Arbeitsebene 1 vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten Dispenserdruckkopfes unter Zugrundelegung eines Dispensermusters ausgetragen. Die in 1a innerhalb der Arbeitsebene 1 ausgetragene Schlickerschicht 2 setzt sich aus einem Punkteraster von hell und dunkel dargestellten, jeweils benachbart zueinander ausgetragenen Schlickertropfen zusammen, die den beiden Schlickerzusammensetzungen A, B entsprechen. So sei angenommen, dass der Schlicker B eine höhere Dichte bzw. Konzentration an Pulver enthält verglichen zum Schlicker A. Somit ergeben sich innerhalb der Schlickerschicht in den Bereichen, in denen die jeweils dunkel eingefärbten Schlickertropfen benachbart zueinander angeordnet sind im späteren Zahnersatz Bereiche geringere Dichte und damit verbunden niedrigere Härte verglichen zu jenen Bereichen, in denen die Schlickerzusammensetzung A ausgetragen ist.
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Optional kann gemäß 1b die längs der Arbeitsebene 1 ausgetragene Schlickerschicht 2, die sich jeweils aus der Vielzahl innerhalb der Arbeitsebene 1 abgeschiedenen Schlickertropfen zusammensetzt, durch Einschallung von Ultraschallwellen verdichtet werden.
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Zur Vermeidung von Unebenheiten an der Schlickerschichtoberfläche, die sich bei schichtweiser Vielfachabscheidung übereinander fortpflanzen können, wird gemäß 1c jede einzelne Schlickerschicht 2 geglättet. Die Glättung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Rakels, eines Bandapparates oder eines vergleichbaren mechanischen Mittels 3, durch das zusätzlich ein Materialabtrag erfolgt, so dass jede Schlickerschicht 2 auf eine definierte Schichtdicke reduziert wird.
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Durch den in eine vorgegebene Richtung längs der Schickerschichtoberfläche erfolgenden mechanischen Eingriff erfährt die Schlickerschicht neben der Glättung auch einen Eintrag von Scherkräften, durch die oberflächennahe Bereiche, die aus zwei unterschiedlichen Schlickerschichtzusammensetzungen bestehend zumindest eine oberflächennahe Vermischung erfahren. Hierdurch kann der graduelle Übergang zwischen zwei Stoffbereichen signifikant verbessert werden.
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Auf die geglättete, schichtdickenreduzierte und in ihren graduellen stofflichen Übergängen optimierte Schlickerschicht 2 erfolgt in einem nächsten Verfahrensschritt gemäß 1d eine ortsselektive Abscheidung wenigstens einer Tintenflüssigkeit, durch die die Schlickerschicht 2 sowohl eine Verfestigung bzw. Aushärtung sowie auch eine Einfärbung erfährt. Der ortsselektive Austrag der wenigstens einen Tintenflüssigkeit erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Piezo-Inkjet-Druckkopfes 4, der über die geglättete Schlickerschicht geführt wird und nur ausgewählte Regionen mit Tintenflüssigkeit beaufschlagt, so dass nur Teilbereiche der Schlickerschicht 2 verfestigt und eingefärbt werden.
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In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt (1d’) wird in unmittelbarer zeitlicher Abfolge die mit der Tintenflüssigkeit beaufschlagte Schlickerschicht einer weiteren Glättung unterzogen. Neben einer weiteren Schichtdickenreduzierung erfährt die Schlickerschicht durch die Ineingriffnahme des mechanischen Mittels 3 eine signifikante Verbesserung des gradierten Farbverlaufes im Wege einer lateralen Verteilung bzw. Verschmierung der oberflächennahen Tintenflüssigkeit.
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Durch Vielfachausführung der in den 1a bis 1d´ erläuterten Verfahrensschritte wird durch schichtweisen Aufbau der in 1e schematisiert dargestellte Zahnersatz Z gewonnen, der im dargestellten Beispiel über einen kontinuierlichen Farbverlauf sowie weitgehend kontinuierlichen Materialverlauf verfügt, der dem natürlichen optischen Erscheinungsbild und mechanischen Aufbau eines Zahnes weitgehend naturgetreu nachgebildet ist.
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Das lösungsgemäße Verfahren dient zudem zur Senkung der zur Herstellung von dentalen Restaurationen verbundenen Fertigungskosten um ca. 40%, zumal der mit dem Verfahren gewonnene Zahnersatz Z außer einem nachfolgenden Sinterprozess keine weiteren Nachbehandlungsschritte bedarf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsebene
- 2
- Schlickerschicht
- 3
- Mechanisches Mittel zur Glättung und zum Materialabtrag
- 4
- Inkjet-Druckkopf
- Z
- Zahnersatz
- A, B
- Schlickerzusammensetzungen
