Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Verschleiß von Halteelementen in der zahnärztlichen Prothetik

Abstract

Zur Beurteilung der Eignung eines Werkstoffes ist neben funktionellen Eigenschaften auch sein Langzeitverhalten von Interesse. Insbesondere Verschleißprozesse, die durch zyklische Belastung der aus diesen Stoffen hergestellten Werkstücke hervorgerufen werden, haben einen entscheidenden Einfluss auf deren Funktionalität. Numerische Methoden aus der angewandten Informatik bieten hier eine Alternative zu experimentellen Studien. Gerade bei der Etablierung neuer numerischer Methoden muss jedoch auf eine geeignete Validierung geachtet werden. <br /> In dieser Arbeit wird am Beispiel von Teleskopkronen für die zahnärztliche Prothetik, die aus verschiedenen Legierungen hergestellt wurden, gezeigt, wie die Untersuchung dieser Werkstoffe mit numerischen und experimentellen Methoden unterstützt werden kann. Ziel war es dabei, mit der Finite-Elemente-Methode ein numerisches Modell zur Beschreibung von Verschleißvorgängen an diesen Teleskopkronen zu erarbeiten und dieses mit in experimentellen Untersuchungen gewonnenen Daten zu validieren. Je zehn Teleskopkronen, die aus zehn verschiedenen Legierungen hergestellt wurden, und die mit Hilfe eines mechanischen Verschleißsimulators in 10.000 Belastungszyklen verschlissen wurden, dienten als Grundlage für die Untersuchung und die Modellerstellung. <br /> Es wurde ein Messaufbau entwickelt, mit dem die durch Verschleißprozesse ausgelösten Veränderungen der Mikrobeweglichkeit untersucht werden können. Mit Hilfe eines Hexapoden als Belastungssystem und einem selbst entwickelten optischen Erfassungssystem erlaubte es dieser Aufbau, hochpräzise Kraft/Auslenkungskurven mit einem Kraftbereich von bis zu 100 N und einer Auflösung von unter einem Mikrometer zu erfassen. An rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der verschlissenen Oberflächen sowie durch Bestimmung der Mikrobeweglichkeit der Teleskope vor und nach Verschleiß im oben beschriebenen Messaufbau wurde der auftretende Verschleiß qualitativ und quantitativ beurteilt.<br /> Es wurden mehrere Finite-Elemente-Modelle der Teleskopkronen für die numerische Untersuchungen entwickelt. Diese Modelle umfassten verschiedene Idealisierungsgrade, angefangen bei stark idealisierte zweidimensionalen Modellen bis hin zu nahezu realistischen dreidimensionalen Modellen. In systematischen Simulationen wurde das numerische Modell zur Verschleißsimulation entwickelt, optimiert und mit Hilfe der im Experiment ermittelten Daten validiert. Insbesondere bei der Verwendung von zweidimensionalen Finite-Elemente-Modellen konnte in den numerischen Simulationen ein mit den im Experiment gewonnenen Daten vergleichbares Verhalten erreicht werden.