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Büttinghaus, Florian (2004): Dreikörperverschleiß und Oberflächenermüdung von Kompositfüllungswerkstoffen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

In einer In-vitro-Untersuchung sollten Erkenntnisse über den Verschleißvorgang kommerzieller und experimenteller Füllungsmaterialien gewonnen werden. Schwerpunkte der Studie waren die Verschleißquantifizierung, der Einfluss elastischer Eigenschaften auf die Verschleißfestigkeit und die zugrunde liegenden mikromorphologischen Verschleißmuster. Zur Erstellung einer Datenbasis wurden kommerzielle Komposite mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften verwendet. Von der Firma Degussa/Dentsply wurden Blindproben experimenteller Komposite mit Füllkörpervariationen des Hydroxylapatit- und Präpolymerisatgehaltes sowie experimentelle Komposite mit differierendem Anteil an porösen Füllkörpern und unterschiedlichem Silanisierungsgrad zur Verfügung gestellt. Die Kompositmatrix war für beide experimentellen Gruppen unterschiedlich. Die Verschleißprüfung der Materialproben wurde in der ACTA-Maschine (Fa. Willytec, München) als Dreikörperverschleiß durchgeführt, die als internationaler Standard gilt [De Gee, 1994]. Die Oberflächenermüdung der Materialien wurde von den Verschleißmechanismen Abrasion und Erosion in der ACTA-Maschine überlagert, daher erfolgte zusätzlich ein Zweikörperverschleiß zur Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester (Fa. Willytec, München). Alle Proben wurden nach der Verschleißprüfung mit einem computergesteuerten Perthometer vermessen. Daneben wurden 60 ausgewählte Proben vergleichend mit einem neu entwickelten Probeneinsatz (Fa. Willytec, München) im Laserscanner dreidimensional erfasst und, gleich den Perthometerdaten, mit dem Programm Match 3D ausgewertet. Von allen Materialien wurde mit Hilfe des Fischerscopes (Fa. Fischer, Sindelfingen) der Elastizitätsmodul ermittelt. Zur Ergänzung der Verschleißdaten wurden Aufnahmen der Probenoberflächen mit dem Rasterelektronenmikroskop erstellt, um einen Einblick in mikromorphologische Verschleißmechanismen zu erhalten. Das Verschleißverhalten der Komposite wurde von den Füllkörpern dominiert, mit vernachlässigbarem Einfluss der Matrix. Bei den kommerziellen Kompositen war aufgrund der hohen E-Modul-Varianz eine Korrelation der rheologischen Eigenschaften und des Verschleißverhaltens gegeben. Die Verschleißdaten der experimentellen Materialien korrelierten nicht mit dem E-Modul der Materialien. Der prozentual geringe Hydroxylapatit- und Präpolymerisatgehalt führte bei den experimentellen Kompositen gegenüber der Kontrollgruppe ohne ihren Zusatz nicht zu einer höheren Verschleißfestigkeit, was auf einen frühzeitigen Verlust des unsilanisierten Hydroxylapatites und den überlagernden Einfluss der Glasfüllkörper zurückzuführen ist. Die porösen Füller der experimentellen Komposite beeinflussten das Verschleißverhalten in beiden Testreihen unterschiedlich. Während in der ACTA-Maschine kein oder ein geringer Anteil an porösen Füllkörpern zu einem signifikant schlechtem Verschleißverhalten führte, ist diese Korrelation nach der Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester nicht gegeben. Kein direkter Einfluss auf den Verschleiß der Komposite konnte der Silankonzentration der porösen Füllkörper zugeschrieben werden. Das Komposit mit 12 Gew.% porösen Füllern und zehnprozentiger Silanisierung schien die optimale Zusammensetzung in Bezug auf die Verschleißresistenz zu sein. Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der experimentellen Materialien zeigten füllkörperdominierte Oberflächendefekte. Neben Füllkörperfehlstellungen, Matrixauswaschung an Korngrenzen oder dem Lösen von Glasfüllkörpern, wurde bei den experimentellen Kompositen der Verlust von Hydroxylapatitpartikeln beobachtet. Bei den experimentellen Kompositen mit porösen Füllkörpern war die Degradation der großen porösen Gläser in verschiedenen Stufen zu erkennen. Angefangen mit Rissen auf der Oberfläche und angelösten Randbereichen, traten Füllkörperfrakturen und der Verlust ganzer Füllkörper auf. In der vorliegenden Arbeit konnten interessante Wege der Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Kompositen gewonnen werden und Verschleißmuster nach Zweikörper- und Dreikörperbelastung belegt werden.