CADFEM Users Meeting 2008, Darmstadt, 2.12

Einsatz der FEM in der Zahnprothetik
Dr. Holger von Both 1, Christoph Müller 2
1
Wieland Dental + Technik GmbH & Co. KG, 75179 Pforzheim
2
CADFEM GmbH, 85567 Grafing
Summary
The production of dental prothesis has been carried out by manual processes for centuries. New
dental materials like technical ceramics and automated CAD/CAM-technologies have been introduced
to the market during the last 10 to 15 years. A lot of dentists and dental technicians are very
conservative with the consequence that market penetration with promising new technologies and
materials takes time. Dentists and dental technician do not have long-term experiences with new
materials like zirconia and CAD/CAM-technologies. A result of that is the possiblility that materials and
technologies are wrongly used.
The current approach offers a highly automated tool for finite element analysis of dental prothesis to
the dental technician so that a strenght optimized design of the patient work can be carried out. This
ensures a better ethetic and longlife behavior of the hole dental prosthesis. To validate the approach
dental frameworks were manufactured out of zirconia and were fractured using the 3-point bending
test afterwards. The results of the bending test were compared with the finite element simulation.
Keywords
Dental technology, finite element simulation of dental prothesis, dental CAD/CAM-technology
ANSYS Conference &
26th CADFEM Users’ Meeting 2008
October 22-24, 2008 darmstadtium wissenschaft | kongresse, Darmstadt, Germany
1.
Einleitung
Zahntechnische Arbeiten werden seit Jahrhunderten durch manuelle und häufig sehr zeitaufwendig
Prozesse gefertigt. Neue Werkstoffe, wie z.B. Hochleistungskeramiken aus Zirkonoxid, und
automatisierte CAD/CAM-Fertigungsverfahren wurden erst in den letzten 10 bis 15 Jahren im Markt
eingeführt. Zahnärzte und Zahntechniker sind häufig sehr konservativ bzgl. des Einsatzes neuer
Werkstoffe und Technologien, so dass diese Neuerungen erst verstärkt in den letzten Jahren Einzug
in den zahntechnischen Alltag erhalten.
Der typische Verfahrensablauf einer mittels CAD/CAM-Technologie gefertigten zahntechnischen
Arbeit aus der Hochleistungskeramik Zirkonoxid ist in Bild 1 dargestellt:
Bild 1: Typischer Ablauf einer mittels CAD/CAM-Technik gefertigten zahntechnischen Arbeit.
Der Zahnarzt beschleift beim Patienten den zu erneuernden Zahn und fertigt anschließend einen
Abdruck an. Der Abdruck wird dann im Dentallabor in ein Gipsmodell invertiert, welches anschließend
üblicherweise mit einem Laserscanner digitalisiert wird. Basierend auf den Scandaten wird in einer
dentalen CAD-Software die zahntechnische Arbeit modelliert und auf ein CAM-Modul übertragen. Hier
wird die digitale CAD-Konstruktion mit dem Werkstoff verbunden und es werden die Fräsbahnen für
die Fertigung berechnet. Die Restauration wird anschließend z.B. aus angesintertem Zirkonoxid
gefräst und dann in einem Hochtemperaturofen, zur Erlangung der mechanischen Festigkeit,
gesintert. Nun liegt beispielsweise eine zahntechnischen Brücke vor, also die Unterkonstruktion,
welche nachfolgend manuell mit einer Glaskeramik verblendet wird. Die fertiggestellt Arbeit wird zum
Zahnarzt geschickt und von diesem im Patientenmund zementiert.
Das Design der zahntechnischen Arbeit erfolgt vom Zahntechniker in der CAD-Software üblicherweise
aufgrund von Erfahrungswerten und vorwiegend nach ästhetischen Gesichtspunkten. Belastungs- und
festigkeitsoptimierte Randbedingungen werden normalerweise nicht beachtet und mit neueren
Werkstoffen, wie z.B. bei Zirkonoxid, liegen häufig noch weniger Erfahrungen vor. Aus diesem Grund
bietet sich die finite Elemente Analyse von zahntechnischen Arbeiten an, so dass der Zahntechniker
ein Handwerkzeug erhält, welches ihn bei der täglichen Arbeit unterstützt und entlastet.
Die vorliegende Arbeit zeigt die Entwicklung einer auf zahntechnische Bedingungen und
Anforderungen zugeschnittene Anwendungssoftware, welche die finite Elemente Analyse von
zahntechnischen Arbeiten ermöglicht. Darüber hinaus werden die simulierten Ergebnisse mit 3-PunktBiegeversuchen von CAD/CAM-gefertigten Arbeiten aus Zirkonoxid verglichen.
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2.
Experimentelle Vorgehensweise
2.1
Programmtechnische Realisierung der finite Element Analyse von zahntechnischen
Arbeiten
Zur programmtechnischen Realisierung der finite Elemente Analyse von zahntechnischen Arbeiten
wurde eine Schnittstelle entwickelt, welche die Ausgabedaten der dentalen CAD-Software so
aufbereitet, dass diese für die FEM Analyse optimiert vernetzt werden. Im nächsten Anwendungsschritt sind vom Benutzer die Randbedingungen zu definieren, so dass anschließend, ohne weitere
Benutzerinteraktion, die FEM-Berechnung durchgeführt wird. Das Bild 2 veranschaulicht die dentale
Anwendungssoftware im Prozessschritt der Definition der Randbedingungen.
Bild 2: Definition der Randbedingungen in der dentalen Anwendungssoftware.
Das Bild 3 zeigt die Ergebnisse der FEM-Analyse und veranschaulicht die Belastungssituation in der
zahntechnischen Arbeit. Zur Validierung der Ergebnisse, wurde eine idealisierte Geometrie
verwendet, welche vergleichbar mit einer zahntechnischen Situation im Backenzahnbereich ist. Hier
treten die höchsten Kaukräfte und damit größten Belastungssituationen auf.
Bild 3: Darstellung der FEM-Analyse in dentaler Anwendungssoftware.
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2.2
3-Punkt-Biegeversuche von idealisierten zahntechnischen Arbeiten
Zur Validierung der FEM-Analysen wurden unter Verwendung eines dentalen CAD/CAM-Systems
(ZENO® Tec System, Wieland Dental+Technik GmbH & Co. KG, Deutschland) Prüfkörper aus der
Hochleistungskeramik Zirkonoxid (ZENO® Zr Disc, Wieland Dental+Technik GmbH & Co. KG,
Deutschland) gefertigt.
Die Prüfkörper wurden, wie in Bild 4 dargestellt, auf metallische Kegelstümpfe aufgesetzt und mit
einer Universalprüfmaschine (Zwick BTC-FR010TN.A50, Ulm, Deutschland) mit 1 mm/min im 3-PunktBiegeversuch bis zum Bruch belastet.
Bild 4: Idealisierte Prüfkörper aus Zirkonoxid im 3-Punkt-Biegeversuch (vor und nach Belastung).
Die Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse des Biegeversuches und es ist festzustellen, dass die 12
Prüfkörper bei einer Kraft von 392 N ± 35 N gebrochen sind. Die minimale Bruchkraft Fmin beträgt
345 N. Die genaue Analyse der Probekörper zeigt, dass der Rissursprung sich bei allen Proben an der
dem Pressstempel abgewandten Seite, also der Unterseite, befindet.
Bild 5: Ergebnisse der idealisierten Prüfkörper aus Zirkonoxid im 3-Punkt-Biegeversuch.
Die Auswertung der Biegeversuche ergibt gemäß der bei keramischen Werkstoffen üblicherweise
angewendeten Wahrscheinlichkeitsrechung von Weibul eine charakteristische Bruchlast F0 von 408 N
sowie ein Weibulmodul von 12 [1].
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2.3
FEM-Simulation des 3-Punkt-Biegeversuches
Der 3-Punktbiegeversuch wurde mit ANSYS für die Belastungssituation Fmin mit 345 N sowie der
charakteristischen Bruchlast von 408 N nachgestellt. Bild 6 zeigt die Simulationsergebnisse der
zahntechnischen Situation und es ist bei einer Kraft Fmin von 345 N festzustellen, dass die
Maximalspannung 727 MPa beträgt [2]. Bei der charakteristischen Bruchlast F0 von 408 N ergibt sich
eine Maximalspannung von 847 MPa.
Bild 6: FEM-Simulationsergebnisse bei der Kraft Fmin von 345 N.
3.
Diskussion
Der direkte Vergleich des 3-Punkt-Biegeversuches mit der FEM-Simulation verdeutlicht, dass die
ermittelten Maximalspannungen geringer sind als typische Festigkeitswerte von Zirkonoxid
(1000 MPa). Erwartungsgemäß müssten die berechneten Werte größer als 1000 MPa sein. Dies hat
zur Folge, dass die Randbedingungen der FEM-Simulation und die Aufbereitung der Geometriedaten
für diesen Anwendungsfall weiter optimiert werden müssen.
Desweiteren zeigt der direkte Vergleich von Simulation zu Bruchversuch, dass die Stelle des
Rissursprunges mit der Stelle der Maximalspannung übereinstimmt.
4.
Zusammenfassung
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass es interessante Einsatzfelder für die finite Elemente
Analyse in der Zahntechnik gibt. Langjährige zahntechnische und ästhetische Erfahrungen eines
Zahntechnikers können zukünftig geschickt mit der FEM-Simulation kombiniert werden, so dass eine
festigkeitsoptimierte Gestaltung der zahntechnischen Arbeiten möglich wird. Dies wird zur Folge
haben, dass die Restaurationen graziler und damit noch ästhetischer gestaltet werden können ohne
an Qualität und mechanischer Sicherheitsreserve zu verlieren. Dies ist ein großer Vorteil für alle am
Herstellungsprozess beteiligten Partner und vor Allem für den Patienten, der eine noch ästhetischere
Arbeit erhält, die dem natürlichen Zahn immer ähnlicher wird.
5.
References
[1]
DIN EN ISO 6872 (Juli 2006)
[2]
Master Thesis „Finite Elemente Analyse und bruchstatistische Auswertung dentaler Brücken“,
Felix Stroscher, Technische Universität München, Mai 2008
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