Vergleichende Untersuchungen ausgewählter mechanischer Kennwerte dreier Weißkeramiken in der CAD/CAM-Technik

Abstract

In der vorliegenden In-vitro-Untersuchung wurden drei handelsübliche, für den Einsatz in der CAD/CAM-Technik konzipierte Weißkeramiken (Cercon base, DeguDent GmbH, Hanau, D; DC-Shrink, Bien-Air DCS Solutions SA, Allschwil, CH; Lava frame, 3M ESPE AG, Seefeld, D) auf ihre mechanischen Festigkeitswerte überprüft. Dazu wurden Prüfungen der Biegefestigkeit (Dreipunkt-Biegetest), der kritischen Riss¬zähigkeit (KIc) und eine Weibull-Analyse vorgenommen. Zusätzlich wurde die Schrumpfung während des Sinterbrandes ermittelt: Die geringste Sinter¬schrumpfung der drei Gerüstkeramiken weist die Keramik DC- Shrink 20,6 % (±1,76 %) auf, die zugleich am stärksten vorgesintert war. Cercon base 21,3 % (±2,71 %) und Lava frame 22,3 % (±6,03 %) weisen höhere Schrumpfungswerte auf. Für die Höhe der Biegefestigkeitswerte konnte eine Korrelation mit der Sintertemperatur festgestellt werden. Das Material mit der den Herstellerangaben zufolge höchsten Sintertemperatur (DC-Shrink, 1530°C) zeigte die höchsten Biegefestigkeitswerte (779,66 MPa ±277,09 MPa). Analog dazu wurden für die niedrigste Sintertemperatur (Cercon base, 1300°C) die niedrigsten Biegefestigkeitswerte ermittelt (582,03 MPa ±133,07 MPa). Lava frame (1500°C) erzielte Werte von 750,02 MPa ±118,19 MPa. Eine Abhängigkeit der Biegefestigkeit von den unterschiedlich langen Verweilzeiten im Hochtemperaturofen konnte nicht festgestellt werden. Mit Hilfe der Weibull- Analyse wurden folgende Werte ermittelt: Cercon base (Weibull-Festigkeit 634,89 MPa, Weibull-Modul m=4,99), Lava frame (798,12 MPa, m=7,26), DC-Shrink (1047,18 MPa, m=2,82). Mit einem Weibull-Modul von m=7,26 weist Lava frame die geringste Streuung der Festigkeitswerte auf. Die kritische Risszähigkeit (KIc) der Keramiken wurde nach ANSTIS in MUNZ/FETT ermittelt. Cercon base: 3,86 MPam½ (±0,51 MPam½), Lava frame: 4,96 MPam½ (±0,85 MPam½). Den höchsten KIc- Wert erzielte DC-Shrink mit 7,51 MPam½ (±3,4 MPam½). Im Rahmen der Voruntersuchungen wurde der Einfluss der Prüfkörperlage zu den Heizelementen des Sinterofens untersucht. Eine Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit der Probekörper konnte nicht ermittelt werden. Weiterhin sind durch unterschiedliche Befüllung der Sinterschale mit Prüfkörpern Differenzen in der Wärmekapazität des Hochtemperaturofens vermutet worden. Zur Prüfung dieser These wurde exemplarisch das Material DC-Shrink ausgewählt und mit ±50°C von der empfohlenen Sintertemperatur behandelt. Weder im Dimensionsverhalten noch bei Biegefestigkeits- oder Risszähigkeitswerten sind auf dem Niveau von p=0,05 statistisch signifikante Unterschiede aufgetreten. Die in den vorliegenden Untersuchungen ermittelten Werte werden als verlässlich und reproduzierbar eingeschätzt. Insofern könnten sie möglicherweise eine Diskussionsbasis für die noch zu entwickelnde DIN-Norm für die getestete Keramikart darstellen.

The present in-vitro study examines some aspects of the mechanical properties of three standard, commercial zirconia blanks, currently used in the CAD/CAM- technique: Cercon base, DeguDent GmbH, Hanau, D; DC-Shrink, Bien-Air DCS Solutions SA, Allschwil, CH; Lava frame, 3M ESPE AG, Seefeld, D. The mean strength and standard deviation values were calculated with the use of flexural strength (3-point bending test), fracture toughness (KIc), and Weibull-analysis (Weibull strength σ0, Weibull parameter m). In addition, the sinter-shrinkage was tested: DC-Shrink 20,6 % (±1,76 %), Cercon base 21,3 % (±2,71 %) and Lava frame 22,3 % (±6,03 %). Of all ceramics examined, the lowest sinter-shrinkage was observed for DC-Shrink. Moreover, relative to the other ceramics, the DC-Shrink was sintered most prominently. A correlation was found between the flexural strength and the sintering temperature: the highest sintering temperature (DC-Shrink, 1530°C) is linked with the highest flexural strength (779,66 MPa ±277,09 MPa). The lowest sintering temperature (Cercon base, 1300°C), on the other hand, is linked with the lowest flexural strength (582,03 MPa ±133,07 MPa). Finally, intermediate values were observed for Lava frame (1500°C, 750, 02MPa ±118,19). No connection was found between the flexural strength and the linger-time in the special high-temperature sintering furnace. Using the Weibull-analysis of the flexural strength data, the following results were obtained: Cercon base (σ0 = 634,89 MPa, m=4,99), Lava frame (σ0 = 798,12 MPa, m=7,26), DC-Shrink (σ0 = 1047,18 MPa, m= 2,82). A higher Weibull-modulus (Lava m=7,26) reflects a close distribution of strength values and is therefore advantageous. The median fracture resistance values were tested according to ANSTIS published in MUNZ/FETT: Cercon base: 3,86 MPam½ (±0,51 MPam½), Lava frame: 4,96 MPam½ (±0,85 MPam½). The highest flexural toughness in this study revealed DC-Shrink: 7,51 MPam½ (±3,4 MPam½). Ultimately, differences in the effective heat capacity of the furnace were expected, with respect to the altered filling (with specimen) of the respective sintering tray. DC-Shrink was exemplarily chosen to test this hypothesis and treated with ±50°C of the recommended manufacturers’ sintering temperature. No significant values (p=0,05) occurred: neither for the dimensional attitude, nor the flexural strength or the fracture toughness. However, the values presented in this study, are reported to be consistent and can be replicated. In this respect, they could possibly lead to a future DIN standard for the tested type of ceramic.