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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnersatzteils aus 3D-Daten sowie ein danach hergestelltes Zahnersatzteil.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik ist es bekannt, keramischen Zahnersatz aus CAD-Daten herzustellen. Hierzu wird eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren vorgeschlagen.
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Zu den bekanntesten Verfahren zählt die abtragende Bearbeitung eines Rohlings mittels geeigneter computergesteuerter Bearbeitungsmaschinen.
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Ein solches Verfahren wird in der
WO 99/47065 offenbart. Es wird ein Rohling verwendet, der noch nicht auf Endfestigkeit gesintert ist und aus dem ein Zahnersatzteil herausgearbeitet wird, das nach der Bearbeitung unter Beibehaltung der Proportionen dicht gesintert wird. Dabei muss das Herausarbeiten unter einer dem Sinterschrumpf entsprechenden Vergrößerung vorgenommen werden.
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Alternativ dazu ist es möglich, wie in der
DE 100 61 630 A1 offenbart, einen porösen Rohling nach der Bearbeitung mit Glas zu infiltrieren.
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Darüber hinaus ist es bekannt, keramische Pulver auf Zahnstümpfe aufzuschlickern, diese porös vorzusintern und dann mit Gläsern zu infiltrieren. Ein derartiges Verfahren ist in der
EP 0 241 384 A2 offenbart. Die offenen Poren des Rohlings werden dazu mit dem Glas in geschmolzenem Zustand imprägniert, bis keine offenen mehr Poren übrig bleiben.
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Die abtragenden Verfahren weisen den Nachteil auf, dass mitunter große Mengen an Keramik ungenutzt entsorgt werden müssen. Dies ist dadurch begründet, dass die Rohlinge eine ausreichende Größe für mehrteilige Zahnersatzteile aufweisen, so z. B. für Brücken. Andererseits wird häufig nur ein Einzelteil hergestellt. Dennoch ist die Größe des Zahnersatzteils durch die Größe des Rohlings begrenzt.
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Bei den Schlickerverfahren besteht der Nachteil, dass der Schlicker aufgrund seiner Fließeigenschaften nicht formwahrend aufgetragen werden kann und die Herstellung von Zahnersatzeilen nicht vollautomatisch vorgenommen werden kann. Es ist notwendig, dass ein Zahntechniker die erzeugten Zahnersatzteile nachbearbeitet. Die Fließeigenschaften bedingen weiterhin, dass die Form des Gerüsts weitestgehend durch die Form des Stumpfes vorgegeben ist.
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Darüber hinaus besteht bei den Schlickerverfahren der Nachteil, dass der Schlicker nicht gleichmäßig aufgetragen wird und dadurch Störzonen und Schichtgrenzen entstehen können, die das Infiltrieren mit Glas stören und damit zu unbrauchbaren Zahnersatzteilen führen.
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Ausgehend vom Stand der Technik lässt sich die erfindungsgemäße Aufgabe dahingehend formulieren, ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Zahnersatzeilen sowie ein Zahnersatzteil bereitzustellen, bei dem eine kostengünstige und gleichzeitig genaue und qualitativ hochwertige Herstellung von Zahnersatzteilen möglich ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Zahnersatzteils aus 3D-Daten sieht vor, dass mittels Lasersintern ein Gerüstkörper mit einer Außengeometrie des Zahnersatzteils hergestellt wird, der eine Dichte aufweist, die geringer als eine Enddichte des fertigen Zahnersatzteils ist und der dazu geeignet ist, mittels einer Nachbehandlung diese Enddichte zu erreichen.
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Dieses Verfahren erlaubt die Fertigung von individuellen Zahnersatzteilen von hoher Güte. Der Gerüstkörper stellt eine Vorstufe des Zahnersatzteils dar, welches noch nicht die nötige Enddichte aufweist. Diese wird erst durch eine geeignete Nachbehandlung erreicht. Dadurch können Spannungen vermieden werden, welche insbesondere durch Herstellen eines endfesten keramischen Zahnersatzteils mittels Lasersintern entstehen.
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Die Außengeometrie des Gerüstkörpers entspricht bereits der Außengeometrie des herzustellenden Zahnersatzteils. Die Maße der Außengeometrie sind so gewählt, dass sie eventuelle Veränderungen der Maße durch die Nachbehandlung berücksichtigen. Die Maße des Gerüstkörpers entsprechen also nur in dem Fall bereits den Maßen des zu fertigenden Zahnersatzteils, wenn keinerlei Größenänderung durch die Nachbehandlung auftritt.
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Insbesondere keramische Zahnersatzteile, die mittels Lasersintern nach Verfahren des Standes der Technik hergestellt werden, weisen aufgrund des schichtweisen Aufbaus des Zahnersatzteils Unregelmäßigkeiten im Gefüge und Spannungen auf, die das keramische Zahnersatzteil in seiner Struktur schwächen können. Verfahren, bei denen mittels Lasersintern endfeste Zahnersatzeile hergestellt werden, erfordern daher intensive Nachbearbeitung, beispielsweise das Erhitzen über einen langen Zeitraum zum Abbau der Spannungen.
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Vorteilhafterweise wird der Gerüstkörper des Zahnersatzteils aus keramischem Material hergestellt.
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Vorteilhafterweise werden als Material Zirkonoxid oder Aluminiumoxid verwendet und es werden weiterhin Zuschlagsstoffe verwendet, die den Lasersinterprozess günstig beeinflussen. Dies können beispielsweise Beimengungen der gleichen Substanz mit Partikelgrößen im Nanometerbereich sein, die eine niedrigeren Sintertemperatur aufweisen als gröbere Strukturen. Diese früher schmelzenden nanoskaligen Partikel verbessern die Wärmeleitung der Laserenergie in die gröberen Partikel. Desweiteren kommen als Zuschlagstoffe Gläser oder Kunststoffe in Betracht.
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Vorteilhafterweise ist die Dichte des Gerüstkörpers nach der Lasersinterung vorbestimmbar. Dadurch kann eine Dichte gewählt werden, die auf die Nachbearbeitung abgestimmt ist.
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Vorteilhafterweise beträgt die Dichte des Gerüstkörpers nach der Lasersinterung zwischen 10% und 40% der Enddichte. Mit einem derartigen Sintergrad wird eine offenporige Struktur erzeugt, die gut infiltrierbar ist und sehr gute Festigkeitswerte aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lasersintern so er folgt, ein Gerüstkörper entsteht, der offenporig strukturiert ist. So wird sichergestellt, dass beispielsweise bei einer Infiltration mit einem Füllstoff sämtliche offenen Poren mit dem Füllstoff gefüllt werden und ein vollkommen dichtes Zahnersatzteil geschaffen wird.
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Vorteilhafterweise umfasst die Nachbehandlung eine Infiltration mit einem Füllstoff, wobei der Gerüstkörper nach dem Lasersintern bereits die Endmaße des zu fertigenden Zahnersatzteils aufweist.
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Mittels Infiltration lassen sich offene Poren schließen und eine hervorragende Ästhetik schaffen. Geeignete Füllstoffe besitzen gute Benetzungseigenschaften und breiten sich in dem zu infiltrierenden Gerüstkörper gut aus, damit keine Hohlräume entstehen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Füllstoffe muss dabei auf das Material des Gerüstkörpers angepasst sein. Der Schmelzpunkt des Füllstoffes muss darüber hinaus niedriger sein als die Sintertemperatur des Materials des Gerüstkörpers. Generell haben sich Gläser und Kunststoffe als geeignete Füllstoffe erwiesen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Lasersintern und das Infiltrieren in einem Arbeitsgang erledigt wird. Das Material des Gerüstkörpers ist dazu mit dem Füllstoff vermischt. Beim Lasersintern wird in Beimengungen von beispielsweise weniger als 10% der Gesamtmasse Füllstoff zu dem Material des Gerüstkörpers gegeben. Dies führt zu einer Absenkung der Sintertemperatur. Der Füllstoff hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des Gerüstkörpers und befindet sich beim Sintern bereits im flüssigen Zustand, bevor das Material des Gerüstkörpers schmilzt. Das Material des Gerüstkörpers baut somit Netzwerke mit Hohlräumen auf, in die der bereits flüssige Füllstoff fließt.
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Vorteilhaferweise sieht die Nachbehandlung eine formtreue Sinterung auf Endmaß vor, wobei die Maße der Außengeometrie des Gerüstkörpers nach dem Lasersintern eine Schrumpfung auf Endmaß berücksichtigen. Durch das weitere Sintern können Spannungen innerhalb des Keramikgefüges abgebaut werden und ein dichtes Zahnersatzteil wird geschaffen. Zur Berücksichtigung der Schrumpfung, die während des formtreuen Sinterns auftritt, wird mittels des Lasersinterns ein Gerüstkörper mit entsprechend größeren Maßen hergestellt. Die größeren Maße werden entsprechend in dem 3D-Datensatz berücksichtigt, der zur Steuerung des Lasersinterprozesses herangezogen wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Zahnersatzteil, welches nach dem vorhergehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie das erfindungsgemäße Zahnersatzteil werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen die
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1 eine bekannte Lasersinteranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die
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2A einen Ausschnitt eines Schnitts durch einen Materialbehälter mit keramischem Material der Lasersinteranlage aus 1 während des Lasersinterns, die
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2B ein offenporiges keramisches Zahnersatzteil, die
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3A einen Ausschnitt eines Schnitts durch den Materialbehälter aus 1 mit einer Materialmischung und mit einem fertigzustellenden Zahnersatzteil und die
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3B ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes geschlossenporiges Zahnersatzteil.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lasersinteranlage 1, die im Wesentlichen aus einem Laser 2, einer Energieversorgung 3, einer Steuereinheit 4, einem Umlenkspiegel 5 sowie einem Materialbehälter 6 mit Material 8 zur Herstellung eines Zahnersatzteils 9 besteht.
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3D-Daten des herzustellenden Zahnersatzteils 9 bzw. eines Gerüstkörpers 14 des Zahnersatzteils werden der Steuereinheit 4 durch nicht dargestellte Übertragungsmittel bereitgestellt. Dabei stellt der Gerüstkörper eine Vorstufe des Zahnersatzes dar, die bereits die Außengeometrie des Zahnersatzteils aufweist, aber noch nicht eine notwenige Enddichte. Die Steuereinheit 4 zerlegt diese 3D-Daten, die üblicherweise 3D-Volumendaten sind, in einzelne Schichten und berechnet für diese Schichten Wege für einen Laserstrahl 7 des Lasers 2. Auf der Grundlage dieser Steuerdaten steuert die Steuereinheit 4 den Laser 2, den Umlenkspiegel 5 und einen im Materialbehälter 6 befindlichen höhenverstellbaren Boden 10 sowie eine Walze 11. Der Umlenkspiegel 5 dient dazu, den Laserstrahl 7 entlang des durch die Steuereinheit 4 vorgegebenen Wegs zu steuern. Der Laserstrahl 7 ist auf die Oberfläche des Materials 8 im Materialbehälter 6 fokussiert.
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Nach der Fertigstellung einer Schicht wird der Boden 10 durch die Steuereinheit 4 um eine Schichtdicke nach unten verstellt und mittels der Walze 11 eine neue Schicht des Materials 8 aufgetragen.
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Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Gerüstkörper 14 des herzustellenden Zahnersatzteils 9 in allen Schichten vollständig aufgebaut ist.
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Pulver, welches ungesinterter in der Struktur des fertigen Zahnersatzteils verbleibt, trägt nicht zur Stabilität des Zahnersatzteils bei. Es ist aber unschädlich, sofern die gegebenen Eigenschaften des Werkstoffs für. die Anwendung als Zahnersatzteil ausreichend sind.
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In 2A ist ein Ausschnitt eines Schnitts des sich im Materialbehälter 6 befindlichen beispielsweise keramischen Materials 8 vergrößert dargestellt. Der Laserstrahl 7 ist auf die Oberfläche des keramischen Materials 8 fokussiert, wobei die Breite dL des Fokus des Laserstrahls 7 in etwa 5 Mal so groß ist wie die Abmaße eines durchschnittlich großen Keramikkörnchens dk. Der Laserstrahl 7 bewirkt dadurch ein gleichzeitiges Aufschmelzen mehrerer Körnchen des keramischen Materials 8. Die sich im Strahlenfokus des Laserstrahls 7 befindlichen Keramikkörnchen schmelzen auf den bereits fertig gestellten Teil des porösen Gerüstkörpers des Zahnersatzteils 9 auf und gehen dabei untereinander eine netzartige Verbindung ein.
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Nachdem eine Schicht vollständig erzeugt wurde, wird, wenn es sich um ein granulatartiges keramisches Material 8 handelt, der bereits fertig gestellte Teil des Gerüstkörpers 14 abgesenkt, um eine weitere Schicht auf den bereits fertig gestellten Teil des Gerüstkörpers 14 aufzutragen. Wenn es sich um ein flüssiges Material handelt, wird der bereits fertiggestellte Teil des Gerüstkörpers 14 mit einer neuen Schicht von keramischer Grundsubstanz 8 überzogen.
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Der Laserstrahl 7 und die keramische Grundsubstanz 8 bewegen sich dabei mit einer an die gewünschten Materialeigenschaften des resultierenden Zahnersatzteils 9 angepassten Relativgeschwindigkeit v in eine zweckmäßige Richtung. Vorzugsweise fährt der Laserstrahl zusammenhängende Bahnen innerhalb der Zahnersatzstruktur ab.
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2B zeigt den gemäß 2A hergestellten Gerüstkörper des Zahnersatzteils 9 als Ganzes. Der Gerüstkörper ist offenporig, wobei der Sintergrad in etwa 40% beträgt. Die offenen Poren haben dann eine Größe von 50–80% der mittleren Korngröße des Pulvers.
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Die Nachbehandlung kann auf zwei Arten erfolgen. Einerseits kann der Gerüstkörper 14 durch einen weiteren Sintervorgang auf die Enddichte von als 99% der theoretisch möglichen Dichte gesintert werden. Dann wird der Gerüstkörper 14 des Zahnersatzteils 9 beim Lasersintern vergrößert hergestellt, damit der bei der Sinterung entstehende Schrumpf kompensiert wird.
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Andererseits kann die Nachbehandlung durch Infiltration mit einem Füllstoff, beispielsweise Kunststoff oder Glas, vorgenommen werden. Dazu wird der offenporige Gerüstkörper mit dem flüssigen Füllstoff beispielsweise druckimprägniert. Es kann aber auch jeder andere physikalische Effekt genutzt werden, um den Füllstoff in den Gerüstkörper 14 hinein zu bringen, beispielsweise die Kapillarität.
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In 3A ist die Fertigung eines Zahnersatzteils 9 dargestellt, das schon während der Lasersinterung mit Glas infiltriert wird. Dazu wird zu einer keramische Komponente 8, dargestellt durch Kreise, eine Glaskomponente 13 als Füllstoff, dargestellt durch Rauten, im Materialbehälter 6 beigemischt.
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Die Glaskomponente 13 hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das keramische Material 8, so dass die Glaskomponente 13 früher schmilzt und bereits flüssig ist, während sich aus dem keramischen Material 8 der Gerüstkörper als keramisches Netzwerk 14 ausbildet, das dem Zahnersatzteil 9 seine Stabilität verleiht. Die Zwischenräume des Gerüstkörpers 14 werden durch die flüssige Glaskomponente 13 gefüllt und erzeugen die Füllung 15, beispielsweise Glas.
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3B zeigt das fertige geschlossenporige Zahnersatzteil 9, bei dem gleichzeitig das keramische Gerüst 14 durch Lasersinterung hergestellt und die Infiltration mittels Glas vorgenommen wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lasersinteranlage
- 2
- Laser
- 3
- Energieversorgung
- 4
- Steuereinheit
- 5
- Umlenkspiegel
- 6
- Materialbehälter
- 7
- Laserstrahl
- 8
- Material des Gerüstkörpers, beispielsweise keramisch
- 9
- Zahnersatzteil
- 10
- verstellbarer Boden
- 11
- Walze
- 13
- Füllstoff
- 14
- Gerüstkörper
- 15
- Füllung, beispielsweise Glas
- v
- Relativgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 99/47065 [0004]
- DE 10061630 A1 [0005]
- EP 0241384 A2 [0006]
