DE19954389C2

DE19954389C2 - Prooftestapparatur für keramische Dentalwurzelstifte

Info

Publication number: DE19954389C2
Application number: DE1999154389
Authority: DE
Inventors: Horst Fischer; Walter Rentzsch; Rudolf Marx
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: DE19954389A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Anwendung, mit denen langgestreckte Prüflinge im Dentalbereich, insbesondere keramische Dentalwurzelstifte, kurz vor ihrem klinischen Einsatz auf ihre Beanspruchbarkeit hin mit Hilfe eines sogenannten Prooftests untersucht werden können.

Für Restaurationen von Zähnen mit Stiftaufbauten stehen metallische und seit einiger Zeit auch keramische (z. B. aus Zirkonoxid, ZrO₂) Dentalwurzelstifte zur Verfügung. Diese Dentalwurzelstifte dienen zur Verankerung einer Krone (Stiftkrone) in der Wurzel eines endodontisch vorbehandelten Zahnes. Die Vorteile der keramischen Stifte liegen darin, daß sie hohe Ansprüche an die Ästhetik erfüllen können. Im Gegensatz zu konventionellen Wurzelstiften aus Titan weisen keramische Wurzelstifte nämlich keine negativen Farbeffekte auf, wenn ein Aufbau mit einer vollkeramischen Zahnkrone erfolgen soll. Außerdem gelten keramische Werkstoffe als biokompatibler im Vergleich zu Metallen.

Zur Zeit kommerziell erhältliche keramische Wurzelstifte (Typ Cosmopost, Ivoclar, Schaan, FL und Typ Cerapost, Komet, Lemgo, FRG) sind ca. 20 mm lang und haben Durchmesser zwischen 1,4 und 1,7 mm. In Stiftachsenrichtung besitzen sie einen zylindrischen und einen konischen Abschnitt. Mit dem konischen Abschnitt wird der Wurzelstift klinisch im distalen Bereich der Pulpa, d. h. zur Pulpaspitze hin, verankert. Am proximalen, zylindrischen, nicht konischen Ende des Wurzelstiftes, d. h. auf der entgegengesetzten Seite wird mit einem Aufbaumaterial ein künstlicher Zahnstumpf befestigt, der dann seinerseits zur Befestigung einer künstlichen Zahnkrone dient.

Es ist bekannt, daß wie bei allen Bauteilen aus keramischen Werkstoffen auch bei keramischen Dentalwurzelstiften aufgrund der statistischen Fehlstellenpopulation die Festigkeitswerte streuen. Das bedeutet, daß es für keramische Wurzelstifte keinen einzelnen Festigkeitswert gibt, sondern, daß nur eine Ausfallwahrscheinlichkeit für eine charakteristische Festigkeit angegeben werden kann. Gerade im medizinischen Bereich ist jedoch eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 0% unter den auftretenden Einsatzspannungen gewünscht, um Reparationen zu vermeiden.

Es ist weiterhin bekannt, daß eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 0% bei einer definierten Einsatzspannung durch den im technischen Bereich etablierten Prooftest sichergestellt werden kann. Dabei handelt es sich um einen Auslesetest. Dies bedeutet, daß die Bauteile, die den Beanspruchungen im späteren Einsatz nicht standhalten, ausgelesen werden. Das Auslesen erfolgt durch das Kriterium Bruch. Die induzierte Prüfspannung wird dabei als Überlastspannung gewählt, um einen Sicherheitsabstand zur Einsatzbeanspruchung zu realisieren. Diese Überlastspannung wird auf Grundlage des sogenannten V_eff/S_eff-Modells (z. B. Munz, D. Fett, T.: Mechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe, Springer, Berlin, 1989) kalkuliert. Dieses Rechenmodell ist so ausgelegt, daß die Ausfallwahrscheinlichkeit der Bauteile, die den Prooftest bestehen (kein Bruch), im späteren Einsatz in Bezug auf die zuvor definierte Einsatzbeanspruchung 0% ist.

Für einen langgestreckten Prüfling beschreibt die DE-GM 19 73 178 beispielsweise eine Prüfmaschine für die Einzeldrahtprüfung, in der ein metallischer Draht an seinen beiden Enden von zwei Spannfuttern festgehalten wird und zur Prüfung eine Zugkraft auf den Draht ausgeübt wird oder der Draht mit Hilfe weiterer Biege- und Verwindungsvorrichtungen geprüft wird. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere für Prüflinge aus duktilen Werkstoffen und erfordert das Einspannen der Prüflinge.

Für Prüflinge aus sprödem Material, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff, sind mehrere hierfür zugeschnittene Prooftests bekannt. Ein Beispiel hierfür ist ein Prooftest für Röhren aus gesinterter Keramik, die mittels eines aufgebrachten Innendrucks getestet werden, vgl. hierzu GB 1531557 "Proof-testing of the strength of tubes of sintered ceramic material". Die Verwendung von Thermospannungen für Prooftests ist beispielsweise aus der DE 44 19 750 C1 bekannt.

Ebenso beschreibt die DE 197 05 412 A1 ein "Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines aus sprödem Material bestehenden Bauteils". Diese Schrift beschreibt eine Vorrichtung mit dazugehörigem Verfahren für die Prüfung von langgestreckten Prüflingen, bei dem Thermospannungen und rein mechanische Spannungen durch die Einwirkung rein mechanischer Kräfte simuliert werden, in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für Ein- und Auslassventile bei Ottomotoren. Eine einfache Rotation des Prüflings, sodaß bei unveränderter Geometrie der Vorrichtung die Richtung der Krafteinwirkung für den Prüfling verändert ist, ist nicht offenbart.

Weiterhin sind "Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Festigkeit von Fasern, insbesondere von Keramikfasern" aus der DE 197 33 323 A1 bekannt, in der die Prüfung bzw. Erfassung von Messwerten zur Festigkeitsbestimmung von einzelnen Fasern mit Hilfe eines Drei- oder Vierpunkt Biegeversuchs beschrieben ist. Hierbei werden die Prüflinge ausschließlich in einer einzigen Richtung belastet.

Es ist weiterhin bekannt, daß im medizinischen Bereich der Prooftest seit vielen Jahren als Auslesetest für Hüftgelenkendoprothesen (Werkstoff: Aluminiumoxid Al₂O₃ und Zirkonoxid ZrO₂) angewandt wird, wie beschrieben in der DE 197 18 615 A1 "Verfahren zum Prüfen von keramischen Pfannen für Hüftgelenkendoprothesen". Dabei werden die zu testenden keramischen Pfannen abgestimmt auf die physiologische Belastungssituation im Hüftgelenksbereich mit einer Überlast zyklisch beansprucht.

Für keramische Komponenten, die im zahnmedizinischen oder zahntechnischen Bereich in Form von Prothesen oder Implantaten zum Einsatz kommen, sind bisher keine Testapparaturen entwickelt worden, mit denen die Bauteile einem Prooftest unterzogen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Apparatur zu schaffen, mit der keramischen Dentalwurzelstifte kurz vor ihrem klinischen Einsatz auf mögliche Fehlstellen im Material hin geprüft werden können. Dabei sollen die Wurzelstifte durch eine auf den theoretischen Grundlagen des Prooftests (S_eff/V_eff-Modell) definierte Überlast mechanisch beansprucht werden. Die durch diese Überlast beim Test im Bauteil erzeugten (Zug-)Spannungen sollen sich dabei an den später im Mund erwarteten maximalen (Zug-)Einsatzspannungen orientieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine sogenannte Prooftestapparatur gelöst, bei der kommerziell erhältliche Dental-Wurzelstifte aus keramischen Werkstoffen (z. B. aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid) einem Auslesetest unterzogen werden. Die Stifte werden dabei einer Biegebelastung ausgesetzt. Die durch die Höhe der Biegebelastung erzeugte Zugbeanspruchung orientiert sich an den in vivo auftretenden Spannungen.

Ein notwendiges Konstruktionsmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Last als Vier-Punkt-Biegebelastung aufgebracht wird. Dadurch wird der Wurzelstift über einen weiten Bereich einem maximalen Biegemoment unterzogen. Die Last wird über ein Gestänge, abgefedert durch ein Dämpfersystem mit einstellbarem Vorschub, aufgebracht.

Ein weiteres notwendiges Konstruktionsmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Biegebelastung in definierten Winkelschritten mehrfach hintereinander aufgebracht werden kann. Der Wurzelstift wird dazu entlastet, um einen definierten Winkelschritt um seine Achse gedreht und anschließend wieder belastet. Dieser Vorgang wiederholt sich über dem gesamten Umfang des Wurzelstiftes. Dadurch wird ein maximal mögliches Teilvolumen bzw. eine maximal mögliche Teiloberfläche des dentalkeramischen Wurzelstiftes mit (für Keramik versagensrelevanten) Zugspannungen beansprucht und damit auf Fehlstellen hin geprüft.

Weiterhin ist vorgesehen, die Rotationsbewegung des Wurzelstiftes vorzugsweise mit Hilfe eines Schrittmotors auszuführen.

Ferner ist vorgesehen, daß die Rotationsbewegung alternativ mittels eines gerasterten Drehknopfes von Hand ausgeführt werden kann.

Ferner ist vorgesehen, daß die Ankopplung zwischen Rotationseinheit und Wurzelstift über eine lösbare Kupplung erfolgt. Die Kupplungseinheit besteht auf der Seite der Rotationseinheit aus einem Elektromagneten und auf der Seite des dentalen Wurzelstiftes aus einer ferromagnetischen Hülse, die mittels Konusklemmsitz auf den konischen Abschnitt des Wurzelstifts aufgesteckt ist.

Ferner ist vorgesehen, daß die Rotationseinheit in Richtung der Wurzelstiftachse verschiebbar gelagert ist, so daß sie an den Wurzelstift mit aufgesteckter ferromagnetischer Hülse herangefahren und wieder zurückgefahren werden kann.

Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise auch dadurch weitergebildet sein, daß kurz vor der jeweiligen Belastung des keramischen Dentalwurzelstiftes durch Abschalten des Elektromagneten die Verbindung zwischen Wurzelstift (mit aufgeklemmter ferromagnetischer Hülse) und Rotationseinheit getrennt und die Rotationseinheit zurückgefahren werden kann.

Ferner kann die Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, daß nach dem jeweiligen Belastungsvorgang des dentalkeramischen Wurzelstiftes zum Drehen des Stiftes in einem definierten Winkelschritt nach Heranfahren der Rotationseinheit an den Wurzelstift durch Anschalten des Elektromagneten die Verbindung zwischen Wurzelstift (mit aufgeklemmter ferromagnetischer Hülse) und Rotationseinheit drehmomentübertragend geschlossen werden kann.

Auf der beiliegenden Skizze mit angefügter Bezugszeichenliste ist ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung dargestellt.

Bezugszeichenliste

1

keramischer Dentalwurzelstift

2

unteres Auflager mit Rollen

3

oberes Auflager mit Rollen

4

Last

5

Gestänge

6

Dämpfersystem

7

Rotationseinheit, in Richtung der Wurzelstiftachse verfahrbar

8

Elektromagnet

9

ferromagnetische Hülse mit angepaßtem Innenkonus

Anmerkung:
Zur Vier-Punkt-Biegeeinheit gehören die Komponenten 2 und 3,
zur Belastungseinheit gehören die Komponenten 3-6,
zur Rotationseinheit gehören die Komponenten 7 und 8 und
zur Kupplungseinheit gehören die Komponenten 8 und 9.

Claims

1. Prooftestapparatur für langgestreckte Prüflinge im Dentalbereich mit einem den Prüfling an seinem einen Ende erfassenden in definierten Winkelschritten um seine Achse drehbaren Rotationselement (7, 8),
mit einer Vier-Punkt-Lastaufnahme (2, 3), die auf gegenüberliegenden Seiten des Prüf lings je zwei Lastaufnahmeelemente aufweist, wobei die auf der einen Seite angeordneten Elemente zwischen den auf der anderen Seite angeordneten. Elementen zu liegen kom men,
mit einem die auf der einen Seite des Prüflings liegenden Elemente tragenden Druckge stänge (5) und
mit einem dem Druckgestänge (5) zugeordneten Dämpfungssystem (6).

2. Prooftestapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotations einheit (7, 8) in Achsrichtung des Prüflings verfahrbar ist.

3. Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Prüfling über eine strommagnetische Hülse (9) mit der Rotationseinheit (7, 8) verbindbar ist.

4. Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass als Last (4) aufzulegende Gewichte einzusetzen sind.

5. Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Rotationseinheit (7, 8) aus einer Welle besteht, an deren Ende sich ein Elektromagnet (8) befindet.

6. Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Rotation der Rotationseinheit (7, 8) ein Schrittmotor oder ein gerasterter Handrehknopf vorgesehen ist.

7. Verfahren zur Belastung von langgestreckten Prüflingen mit einsatzrelevanten Zugspannungen mit einer Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Prüfling mehrfach hintereinander in definierten Winkelschritten unbelastet um seine Achse gedreht und nach Abschluss der jeweiligen Drehung einer Vier-Punkt-Biegebelastung ausgesetzt wird und die Last (4) über ein Gestänge (5), abgefedert durch ein Dämpfersystem (6) mit ein stellbarem Vorschub, aufgebracht wird.

8. Anwendung der Prooftestapparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prooftestapparatur für Dentalwurzelstifte (1) eingesetzt wird.