WO2006032394A1 - Dentalkeramik und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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dental
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Jürgen HAUSSELT
Hans-Joachim Ritzhaupt-Kleissl
Nadja Schlechtriemen
Stefan Stolz
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • C04B2235/9661—Colour

Definitions

  • the invention relates to a dental ceramic and a process for their preparation.
  • Ceramics which are suitable as dental ceramics for use in dental technology must meet special requirements. These include, in particular, a low chemical solubility and a color which makes it possible to color it to basic dental colors or to color it with stains.
  • DIN EN ISO 6872 sets the upper limit for the chemical solubility of dental ceramics at 100 ⁇ g / cm 2 .
  • silicate or oxide ceramics are suitable, with oxide ceramics being comparable in comparison with, for example, ceramics.
  • B. can not simply bring to so-called press ceramics in the desired shape. From ceramic powders initially so-called green bodies are produced, which are then sintered. During sintering of the porous green bodies, the powder particles condense to the solid ceramic, but inevitably a shrinkage of the volume of up to 50 percent occurs. This sintering shrinkage must be taken into account in each case during the production of the ceramic tooth replacement.
  • DE 195 47 129 discloses a method for shrinkage-free production of oxide ceramic sintered body from a powdery oxide ceramic such. Zirconia or alumina, a powdery intermetallic compound and a silicon-organic polymer.
  • a powdery oxide ceramic such. Zirconia or alumina, a powdery intermetallic compound and a silicon-organic polymer.
  • the color of the ceramics produced by this method is not white but greenish-yellow and their chemical solub
  • the product information New Improved Zirconia Powder from Tosoh, Japan, 1999, it can be seen that an addition of 0.25 wt.% Alumina Al 2 O 3 as a sintering aid to zirconia, the sintering temperature by about 100 0 C lowered.
  • a dental ceramic is to be provided, which can be produced without shrinkage, the low chemical Solubility and a color that allows a coloring ' on dental Grund ⁇ colors or a color design with stains has.
  • An inventive oxide ceramic sintered body comprises
  • an alkali metal or alkaline earth metal oxide preferably magnesium oxide MgO, more preferably from 0.25% by weight to 0.75% by weight, in particular approximately 0.4% by weight, of magnesium oxide MgO and wherein the in each case to a total of at most 100% by weight.
  • the oxide-ceramic sintered body according to the invention may additionally comprise up to 2% by weight, preferably 1.5% by weight, of yttrium oxide Y 2 O 3 added in the form of yttrium-stabilized zirconium dioxide ZrO 2 during production.
  • the chemical solubility of the ceramic according to the invention falls far short of the upper limit value of 100 ⁇ g / cm 2 for dental ceramics laid down in DIN EN ISO 6872.
  • the chemical solubility is less than 20 ⁇ g / cm 2 ; values of chemical solubility below 10 ⁇ g / cm 2 are particularly preferred.
  • the color of the ceramic according to the invention is almost white and can therefore easily be pigmented onto the basic dental colors. This observation is followed by the following preferred values for the parameters L *, a * and b * in the L * a * b * system of the Commission Internationale de l'Eclairage (CIE):
  • L * preferably assumes a value between 92 and 96, i.
  • the color of the ceramic is perceived by the retina of the human eye as desired bright and can be darkened by additions to the basic dental colors.
  • a * preferably takes on a value between -L- 'and +2, more preferably between +1.5 and -1.5, i. the retina of the eye perceives the ceramic as white. This shade can be shifted by suitable pigments into further desired shades.
  • b * preferably takes on a value between 0 and 10, more preferably between 0 and 4, i.
  • the ceramics cause in the eye of the beholder a white to at most slightly yellowish feeling, which is contrary to the coloring in the dental basic colors.
  • the addition of at least 1 wt.% Al 2 O 3 causes the chemical solubility to decrease significantly, while the addition of at least 3 wt.% Al 2 O 3 causes the ceramic to be white and no longer yellowish.
  • the addition of magnesium oxide MgO serves to improve the sintering behavior, while the sole addition of aluminum oxide Al 2 O 3 does not lead to an improvement in the sintering behavior.
  • magnesium oxide MgO other alkali metal or alkaline earth metal oxides, such as.
  • calcium oxide CaO use in a specific for each element concentration, which can be easily determined by routine experimentation.
  • the alumina content affects the properties of the ceramic; whose Concentration influence depends on the selected alkali metal or alkaline earth metal oxide.
  • a homogeneous mixture of monoclinic or optionally yttrium-stabilized zirconium dioxide ZrO 2 , aluminum oxide Al 2 O 3 , magnesium oxide MgO and zirconium disilicide ZrSi 2 , an organosilicon compound such as methylpolysiloxane and a molding assistant is first prepared. From this homogeneous mixture, a green body is then formed, which already has the desired shape or brought into the desired shape by machining (eg milling) and which is then compacted (sintered) by a reaction sintering process to the dental ceramic.
  • additional suitable pigments are added to this homogeneous mixture which color the dental ceramic completely in the desired color.
  • the ceramic according to the invention is distinguished by the fact that it can be manufactured with little or no shrinkage, ie with dimensional and dimensional accuracy.
  • the density p G of the green body is selected so that the density p D of the dental ceramic has a value of
  • m G is the mass of the green body and m D is the mass of the dental ceramic. This ensures that overall no sintering shrinkage occurs.
  • the green body consisting of zirconium disilicide, monoclinic zirconium dioxide, magnesium oxide, aluminum oxide, methylpolysiloxane and an organic pressing aid, was compacted to ceramic by a reaction sintering process, this dense zirconium-based ceramic having a Zr / Si ratio of 0, 8 had.
  • the proportion of magnesium oxide was 0.4 wt.%, While the proportion of alumina between 0 to 16 wt.% was varied. This resulted in the following ceramics:
  • the sintered densities p D in g / cm 3 of the ceramics No. 4 to No. 8 and curves 4, 5 ... 8 are the value (1 + ⁇ m ) • p G in g / cm 3 of ceramics No. 4 to No. 8 at the specified axial compression pressure in MPa during green body production. Schwindungswill the ceramic occurs when intersecting the corresponding curves 4 'and 4, 5' and 5, etc. intersect. This condition is met by the ceramics No. 4 to No. 6, which are therefore in the most preferred range. While the cut points for the ceramics No. 4 and No. 5 can be taken directly from the figure, a higher pressing pressure than 600 MPa is required for the ceramics No. 6. Likewise suitable as dental ceramics are the ceramics No. 3 and No. 7, which thus essentially narrow the preferred range. Embodiment 2
  • the green body consisting of zirconium disilicide, yttrium-stabilized zirconium dioxide (3 mol% Y.sub.2O.sub.3), magnesium oxide, aluminum oxide, methylpolysiloxane and an organic pressing aid, was compacted into a ceramic by a sintering reaction process, this dense zirconium-based ceramic being a Zr / Si Ratio of 0.8.
  • the proportion of magnesium oxide was 0.4% by weight, while the proportion of aluminum oxide was varied between 0 to 5.4% by weight.
  • the following ceramics were obtained:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dentalkeramik, die Zirkoniumdioxid und Siliziumdioxid mit einem Zr/Si-Verhältnis zwischen 0,5 und 1,0, 1 bis 12 Gew.% Aluminiumoxid und bis zu 2 Gew. % eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxids umfaßt, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Description

Dentalkeramik und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Dentalkeramik und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Keramiken, die sich als Dentalkeramiken für den Einsatz in der Dentaltechnik eignen, müssen besonderen Anforderungen genügen. Dazu gehören insbesondere eine geringe chemische Löslichkeit und eine Farbe, die eine Einfärbung auf dentale Grundfarben oder farbliche Gestaltung mit Malfarben ermöglicht.
Die DIN EN ISO 6872 legt die obere Grenze für die chemische Lös¬ lichkeit von Dentalkeramiken auf 100 μg/cm2 fest.
Die Charakterisierung der Farbe erfolgt nach dem CIE-L*a*b*-System der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), Wien, 1986. In dieser Systematik beschreiben die Parameter
L* die Helligkeitsempfindung, a* die Rot-/Grün-Empfindung, wobei a* > 0 eine rote und a* < 0 eine grüne Empfindung und b* die Gelb-/Blau-Empfindung, wobei b* > 0 eine gelbe und b* < 0 eine blaue Empfindung jeweils der Netzhaut des menschlichen Auges bedeutet.
Für yollkeramischen Zahnersatz eignen sich Silikat- oder Oxid¬ keramiken, wobei sich Oxidkeramiken im Vergleich z. B. zu so genannten Presskeramiken nicht einfach in die gewünschte Form bringen lassen. Aus keramischen Pulvern werden zunächst so genannte Grünkörper hergestellt, die anschließend gesintert werden. Beim Sintern der porösen Grünkörper verdichten sich die Pulverpartikel zur festen Keramik, wobei jedoch zwangsläufig eine Schwindung des Volumens von bis zu 50 Prozent auftritt. Dieser Sinterschwund muss bei der Fertigung des keramischen Zahnersatzes jeweils berücksichtigt werden. Die DE 195 47 129 offenbart ein Verfahren zur schwindungsfreien Herstellung oxidkeramischer Sinterkörper aus einer pulverförmigen Oxidkeramik wie z. B. Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid, einer pul- verförmigen intermetallischen Verbindung und einem siliziumor¬ ganischen Polymer. Allerdings führt nicht jede denkbare Zusammen¬ setzung zu einer Keramik, die den oben aufgeführten Anforderungen an eine Dentalkeramik gerecht wird. In der Regel ist die Farbe der mit diesem Verfahren hergestellten Keramiken nicht weiß, sondern grün¬ lich-gelb und ihre chemische Löslichkeit besitzt zu hohe Werte.
Nach J. R. Binder, S. Ray und E. Klose, Schwindungsfreie Keramiken im System Zr-Si-O, DKG Handbuch, Kap. 3.6.4.4., 2002, beruht die Herstellung schwindungsfreier Keramiken im System Zirkonium-Silizium- Oxid (Zr-Si-O) auf der Kompensation der beim Sinterprozess unvermeidbar auftretenden Schwindung durch die volumenvergrößernde Oxidationsreaktion von Zirkoniumsiliziden (Zr7Six) . Die mechanischen Eigenschaften derartiger reaktionsgesinterter Keramiken hängen dabei wesentlich vom Zr/Si-Verhältnis ab.
Aus H. Salmang und H. Scholze, Keramik, Teil 2: Keramische Werk¬ stoffe, 6. Auflage, 1983, Springer-Verlag, Seite 168-169, ist die Verwendung eines Zusatzes von 0,1 bis 0,5 Gew.% Magnesiumoxid MgO als Sinterhilfsmittel bei der Herstellung von Aluminiumoxid (Al2O3) bekannt.
Der Produktinformation New Improved Zirconia Powder der Fa. Tosoh, Japan, 1999, kann entnommen werden, dass ein Zusatz von 0,25 Gew.% Aluminiumoxid Al2O3 als Sinterhilfsmittel zu Zirkoniumdioxid die Sintertemperatur um ca. 1000C erniedrigt.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dentalkeramik und ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Ins¬ besondere soll eine Dentalkeramik bereitgestellt werden, die sich schwindungsfrei herstellen lässt, die eine geringe chemische Löslichkeit und eine Farbe, die eine Einfärbung' auf dentale Grund¬ farben oder eine farbliche Gestaltung mit Malfarben ermöglicht, aufweist.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Dentalkeramik durch die Merk¬ male des Anspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vor¬ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer oxidkeramischer Sinterkörper umfasst
- Zirkoniumdioxid ZrC>2 und Siliziumdioxid SiO2, wobei das Verhältnis zwischen dem Anteil an Zirkonium (Zr) bezogen auf den Anteil an Silizium (Si) (Zr/Si-Verhältnis) einen Wert zwischen 0,5 und 1,0, bevorzugt zwischen 0,7 und 0,9, besonders bevorzugt annähernd 0,8 annimmt, womit sich im besonders bevorzugten Bereich eine Zusammensetzung von 54 Gew.% bis 61 Gew.% Zirkoniumdioxid und
33 Gew.% bis 37 Gew.% Siliziumdioxid ergibt,
- 1 Gew.% bis 12 Gew.%, bevorzugt 2 Gew.% bis 12 Gew.%, besonders bevorzugt 3 Gew.% bis 8 Gew.% Aluminiumoxid AI2O3,
- 0 Gew.% bis 2 Gew.% eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxids, bevorzugt Magnesiumoxid MgO, besonders bevorzugt 0,25 Gew.% bis 0,75 Gew.%, insbesondere annähernd 0,4 Gew.% Magnesiumoxid MgO und wobei sich die genannten Bestandteile jeweils auf insgesamt höchstens 100 Gew.% aufsummieren.
In einer besonderen Ausgestaltung kann der erfindungsgemäße oxidkeramische Sinterkörper zusätzlich noch bis zu 2 Gew.%, bevorzugt 1,5 Gew.% Yttriumoxid Y2O3, das bei der Herstellung in Form von yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid ZrO2 zugegeben wurde, umfassen.
Die chemische Löslichkeit der erfindungsgemäßen Keramik unter¬ schreitet in einem weiten Bereich den in der DIN EN ISO 6872 festgelegten oberen Grenzwert von 100 μg/ cm2 für Dentalkeramiken. In einer bevorzugten Ausgestaltung erweist sich die chemische Löslich¬ keit geringer als 20 μg/cm2; besonders bevorzugt sind Werte der chemischen Löslichkeit unterhalb von 10 μg/cm2.
Die Farbe der erfindungsgemäßen Keramik ist nahezu weiß und lässt sich daher mit Pigmenten leicht auf die dentalen Grundfarben einfär¬ ben. Dieser Beobachtung entsprechen die folgenden bevorzugten Werte für die Parameter L*, a* und b* im L*a*b*-System der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) :
- L* nimmt bevorzugt einen Wert zwischen 92 und 96 an, d.h. die Farbe der Keramik wird von der Netzhaut des menschlichen Auges wunschgemäß als hell empfunden und lässt sich durch Zusätze auf die dentalen Grundfarben abdunkeln.
- a* nimmt bevorzugt einen Wert zwischen -L-' und +2, besonders bevorzugt zwischen +1,5 und -1,5 an, d.h. die Netzhaut des Auges empfindet die Keramik als weiß. Dieser Farbton lässt sich durch geeignete Pigmente in weitere gewünschte Farbtöne verschieben.
- b* nimmt bevorzugt einen Wert zwischen 0 und 10, besonders bevorzugt zwischen 0 und 4 an, d.h. die Keramik ruft im Auge des Betrachters eine weiße bis höchstens leicht gelbliche Empfindung hervor, was der Einfärbung in die dentalen Grundfarben entgegen kommt.
Die Zugabe von mindestens 1 Gew.% Al2O3 führt dazu, dass sich die chemische Löslichkeit signifikant erniedrigt, während die Zugabe von mindestens 3 Gew.% Al2O3 bewirkt, dass die Keramik weiß und nicht mehr gelblich ist. Die Zugabe von Magnesiumoxid MgO dient der Verbes¬ serung des Sinterverhaltens, während die alleinige Zugabe von Alu¬ miniumoxid Al2O3 zu keiner Verbesserung des Sinterverhaltens führt.
An Stelle von Magnesiumoxid MgO lassen sich auch andere Alkali- oder Erdalkalimetalloxide, wie z. B. Kalziumoxid CaO, in einer für das jeweilige Element spezifischen Konzentration einsetzen, die sich durch Routineversuche leicht ermitteln lassen. Auch beeinflusst der Aluminiumoxidanteil die Eigenschaften der Keramik; dessen Konzentrationseinfluss hangt vom gewählten Alkali- oder Erdalka¬ limetalloxid ab.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Keramik wird zunächst eine homogene Mischung aus monoklinem oder ggf. mit yttriumstabilisiert Zirkoniumdioxid ZrO2, Aluminiumoxid Al2O3, Magnesiumoxid MgO und Zirkoniumdisilicid ZrSi2, einer siliziumorganischen Verbindung wie Methylpolysiloxan und einem Preßhilfsmittel hergestellt. Aus dieser homogenen Mischung wird dann ein Grünkörper geformt, der bereits die gewünschte Form aufweist oder durch Bearbeitung (z. B. Fräsen) in die gewünschte Form gebracht und der dann durch einen Reaktionssinter- prozess zur Dentalkeramik verdichtet (gesintert) wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden ^u dieser homogenen Mischung zusätzliche geeignete Pigmente zugegeben, die die Dental¬ keramik vollständig in der gewünschten Farbe einfärben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung zeichnet sich die erfindungsgemäße Keramik dadurch aus, dass sie schwindungsarm bzw. -frei, d.h. dimensions- und formtreu, hergestellt werden kann. Hierzu wird die Dichte pG des Grünkörpers so gewählt, dass die Dichte pD der Dentalkeramik einen Wert von
PD = (mD /mG) pG
annimmt, wobei mG die Masse des Grünkörpers und mD die Masse der Dentalkeramik ist. Dadurch ist gewährleistet, dass insgesamt kein Sinterschrumpf auftritt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der drei Ausführungsbeispiele und der Figur näher erläutert. Ausführungsbeispiel 1
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Dentalkeramiken wurde der Grünkör¬ per, bestehend aus Zirkoniumdisilicid, monoklinem Zirkoniumdioxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Methylpolysiloxan und einem organischen Presshilfsmittel, durch einen Reaktionssinterprozess zur Keramik verdichtet, wobei diese dichte zirkonbasierte Keramik ein Zr/Si-Ver- hältnis von 0,8 aufwies. Der Anteil an Magnesiumoxid betrug 0,4 Gew.%, während der Anteil an Aluminiumoxid zwischen 0 bis 16 Gew.% variiert wurde. Hierdurch ergaben sich folgende Keramiken:
Figure imgf000007_0001
Zusätzlich wurden für die Dentalkeramiken Nr. 4 bis Nr. 8 die Sinterdichten pD der Dentalkeramiken, die Massenänderungen
Δm = (mD /mG) -1
sowie die Gründichten pG bei einem axialen Pressdruck während der Grünkörper-Herstellung zwischen 200 MPa und 600 MPa bestimmt. Gemäß der Beziehung
ΔV = (1+Δm) • (pG/pD)-l
wurde hieraus die entsprechende Volumenänderung ΔV ermittelt:
Figure imgf000008_0001
In der Figur sind als Kurven 4' , 5' ... 8' die Sinterdichten pD in g/cm3 der Keramiken Nr. 4 bis Nr. 8 und als Kurven 4, 5 ... 8 der Wert (1+Δm) • pG in g/cm3 der Keramiken Nr. 4 bis Nr. 8 beim angegebenen axialen Pressdruck in MPa während der Grünkörper-Herstellung aufge¬ tragen. Schwindungsfreiheit der Keramik tritt dann auf, wenn sich die jeweils zusammengehörenden Kurven 4' und 4, 5' und 5 usw. schneiden. Diese Bedingung wird von den Keramiken Nr. 4 bis Nr. 6 erfüllt, die daher im besonders bevorzugten Bereich liegen. Während die Schnitt¬ punkte für die Keramiken Nr. 4 und Nr. 5 direkt der Figur entnommen werden können, ist für die Keramik Nr. 6 ein höherer Pressdruck als 600 MPa erforderlich. Ebenfalls noch als Dentalkeramik geeignet sind die Keramiken Nr. 3 und Nr. 7, die damit im Wesentlichen den bevorzugten Bereich eingrenzen. Ausführungsbeispiel 2
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Dentalkeramiken wurde der Grünkör¬ per, bestehend aus Zirkoniumdisilicid, yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid (3 mol.% Y2O3) , Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Methylpolysiloxan und einem organischen Presshilfsmittel, durch einen Reaktionssinterprozess zur Keramik verdichtet, wobei diese dichte zirkonbasierte Keramik ein Zr/Si-Verhältnis von 0,8 aufwies. Der Anteil an Magnesiumoxid betrug 0,4 Gew.%, während der Anteil an Aluminiumoxid zwischen 0 bis 5,4 Gew.% variiert wurde. Es ergaben sich folgende Keramiken:
Figure imgf000009_0001
Ausführungsbeispiel 3
Die Herstellung erfindungsgemäßer Dentalkeramiken erfolgte wie in Ausführungsbeispiel 1, wobei hier zum Vergleich der Anteil an Ma¬ gnesiumoxid 1,1 bzw. 1,2 Gew.% betrug. Hierdurch ergaben sich folgende Keramiken, wobei die Werte der Keramiken Nr. 3 und Nr. 5 dem Ausführungsbeispiel 1 entnommen sind:
Figure imgf000010_0001

Claims

Patentansprüche
1. Dentalkeramik, umfassend Zirkoniumdioxid und Siliziumdioxid mit einem Zr/Si-Verhältnis zwischen 0,5 und 1,0,
1 Gew.% bis 12 Gew.% Alurαiniumoxid und bis zu 2 Gew.% eines Alkali- oder Erdalkalimetalloxids.
2. Dentalkeramik nach Anspruch 1 mit
2 Gew.% bis 12 Gew.% Aluminiumoxid und bis zu 2 Gew.% Magnesiumoxid.
3. Dentalkeramik nach Anspruch 2 mit einem Zr/Si-Verhältnis von annähernd 0,8. 54 Gew.% bis 61 Gew.% Zirkoniumdioxid und 33 Gew.% bis 37 Gew.% Siliziumdioxid.
4. Dentalkeramik nach Anspruch 3 mit
3 Gew.% bis 8 Gew.% Aluminiumoxid und 0,25 Gew.% bis 0,75 Gew.% Magnesiumoxid.
5. Dentalkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem nach dem CIE-L*a*b*-System für die Farbmessung definierten a*-Wert für die Rot-/Grün-Empfindung der Netzhaut zwischen -2 und +2 und einem b*-Wert für die GeIb-/ Blau-Empfindung der Netzhaut zwischen 0 und 10.
6. Dentalkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer chemischen Löslichkeit unterhalb von 10 μg/cm2.
7. Verfahren zur Herstellung einer Dentalkeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem a) eine homogene Mischung aus Zirkoniumdioxid, das ggf. yttriumstabilisiert ist, und Zirkoniumdisilicid, wobei das Zr/Si-Verhältnis der Mischung zwischen 0,5 und 1,0 liegt, Aluminiumoxid, ggf. einem Alkali- oder Erdalkalimetalloxid und einer siliziumorganischen Verbindung sowie ggf. einem Preßhilfsmittel hergestellt, b) aus der homogenen Mischung ein Grünkörper geformt und c) der so geformte Grünkörper zur Dentalkeramik gesintert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Grünkörper durch Fräsen in die gewünschte Form gebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die homogene Mischung zusätzliche Pigmente umfasst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Dichte pG des Grünkörpers so gewählt wird, dass die Dichte pD der Dental¬ keramik einen Wert von
Figure imgf000012_0001
annimmt, wobei mG die Masse des Grünkörpers und mD die Masse der Dentalkeramik ist.
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