In der Zahnmedizin werden endodontische Instrumente aus metallischen und polymeren Werkstoffen zur Desinfektion infizierter Wurzelkanalsysteme eingesetzt. Durch den Einsatz von Polymeren ergeben sich aufgrund ihrer günstigen Werkstoffeigenschaften die Vorzüge einer minimal invasiven Arbeitsweise und einer geringeren Bruchgefahr. Demgegenüber besitzen die eingesetzten metallischen Instrumente durch hochfrequente Oszillationen eine verbesserte Reinigungswirkung. Zur Auslegung optimierter polymerbasierter Instrumente, die zuverlässig reinigen, wird daher eine simulationsbasierte Entwicklungsmethode erarbeitet. Ausgangspunkt hierfür ist die ingenieurwissenschaftliche Analyse der methodischen und experimentellen Grundlagen des Gesamtsystems. Die Beschreibung des instationären Schwingungsverhaltens der Instrumente erfolgt durch dynamische Finite-Elemente-Analysen unter Verwendung eines viskoelastischen Materialmodells. Das dazu erforderliche Materialverhalten des ausgewählten Polymers Polyetheretherketon wird mithilfe eines neu entwickelten Prüfaufbaus charakterisiert. Das erarbeitete Simulationsmodell ermöglicht erstmalig eine Analyse des kontaktmechanischen Verhaltens polymerer Miniaturstrukturen unter hochfrequenter Schwingungsanregung. Im Ergebnis steht mit diesem Modell eine realitätsnahe Beschreibung des Schwingungsverhaltens und der auftretenden Beanspruchungen zur Verfügung. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur gezielten, werkstoffgerechten und schwingungsoptimierten Auslegung von zukünftigen zahnmedizinischen Instrumenten zur Wurzelkanalreinigung.:1 Einleitung
1.1 Literaturübersicht
1.2 Problemstellung und Zielsetzung
2 Thermoplastische Polymere für die Anwendung in endodontischen Instrumenten
2.1 Mechanische und technische Anforderungen
2.1.1 Bestimmung einer repräsentativen Wurzelkanalgeometrie
2.1.2 Schwingungstechnik und Aufbau von Reinigungsansätzen
2.1.3 Werkstoffauswahl für Reinigungsansätze
2.1.4 Fertigungstechnologien für Miniaturstrukturen aus PEEK
2.2 Biologische und mechanische Wechselwirkungen
2.2.1 Verhalten gegenüber desinfizierenden Spüllösungen
2.2.2 Tribologie der Wurzelkanalreinigung
3 Analyse des zyklischen Verformungsverhaltens von PEEK
3.1 Phänomenologische Beschreibung des Verformungsverhaltens
3.1.1 Klassifizierung des Materialverhaltens
3.1.2 Elastische Verformung thermoplastischer Polymere
3.1.3 Mechanische Dämpfung
3.2 Experimentelle Untersuchungen
3.2.1 Probekörper
3.2.2 Versuchsaufbau und Durchführung
3.2.3 Voruntersuchungen
3.2.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
4 Modellierung des zyklischen Deformationsverhaltens von PEEK
4.1 Einachsige rheologische viskoelastische Materialmodelle
4.1.1 Allgemeine konstitutive Gleichungen
4.1.2 Einachsige rheologische Grundelemente
4.1.3 Einachsige rheologische Modelle
4.1.4 Vergleich der einachsigen rheologischen Modelle
4.2 Charakterisierung des viskoelastischen Materialverhaltens
4.2.1 Analytische Beschreibung der Balkenschwingung
4.2.2 Resonanzkurvenverfahren
4.2.3 Bestimmung der Materialparameter von PEEK
4.3 Numerische Implementierung eines mehrachsigen Materialmodells
4.3.1 Mehrachsiges Materialmodell
4.3.2 Validierung des implementierten Materialmodells
5 Simulation des Schwingungsverhaltens und experimentelle Verifikation
5.1 Numerische Simulationsmodelle
5.1.1 Geometrische Modelle
5.1.2 Rand- und Anfangsbedingungen
5.1.3 Kontaktmodellierung
5.2 Simulationsergebnisse
5.2.1 Schwingungsverhalten ohne Oberflächenkontakt
5.2.2 Schwingungsverhalten mit Oberflächenkontakt
6 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis
A Experimentelle Voruntersuchungen
B Klassische Balkentheorie / In dentistry, endodontic instruments made of metallic and polymer materials are used for the disinfection of infected root canal systems. Due to their beneficial material properties, the use of polymers offers the advantages of a minimally invasive operation and a lower risk of breakage. In contrast, the metallic instruments used have an improved cleaning efficiency due to high-frequency oscillations. A simulation-based development method for the design of optimized polymer-based instruments that clean effectively is therefore being worked out. As starting point, an engineering analysis of the methodological and experimental fundamentals of the overall system has been carried out. The description of the instrument’s transient vibration behavior is performed by dynamic finite element analyses using a viscoelastic material model. The required material behavior of the selected polymer polyetheretherketone is characterized with the aid of a newly developed test setup. The resulting simulation model allows for the first time an analysis of the contact mechanical behavior of polymeric miniaturized structures under high-frequency vibration excitation. As a result, this model provides a realistic description of the vibration behavior and the stresses that occur. The knowledge gained will make a significant contribution to the targeted, material-specific and vibration-optimized design of future dental instruments for root canal irrigation.:1 Einleitung
1.1 Literaturübersicht
1.2 Problemstellung und Zielsetzung
2 Thermoplastische Polymere für die Anwendung in endodontischen Instrumenten
2.1 Mechanische und technische Anforderungen
2.1.1 Bestimmung einer repräsentativen Wurzelkanalgeometrie
2.1.2 Schwingungstechnik und Aufbau von Reinigungsansätzen
2.1.3 Werkstoffauswahl für Reinigungsansätze
2.1.4 Fertigungstechnologien für Miniaturstrukturen aus PEEK
2.2 Biologische und mechanische Wechselwirkungen
2.2.1 Verhalten gegenüber desinfizierenden Spüllösungen
2.2.2 Tribologie der Wurzelkanalreinigung
3 Analyse des zyklischen Verformungsverhaltens von PEEK
3.1 Phänomenologische Beschreibung des Verformungsverhaltens
3.1.1 Klassifizierung des Materialverhaltens
3.1.2 Elastische Verformung thermoplastischer Polymere
3.1.3 Mechanische Dämpfung
3.2 Experimentelle Untersuchungen
3.2.1 Probekörper
3.2.2 Versuchsaufbau und Durchführung
3.2.3 Voruntersuchungen
3.2.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
4 Modellierung des zyklischen Deformationsverhaltens von PEEK
4.1 Einachsige rheologische viskoelastische Materialmodelle
4.1.1 Allgemeine konstitutive Gleichungen
4.1.2 Einachsige rheologische Grundelemente
4.1.3 Einachsige rheologische Modelle
4.1.4 Vergleich der einachsigen rheologischen Modelle
4.2 Charakterisierung des viskoelastischen Materialverhaltens
4.2.1 Analytische Beschreibung der Balkenschwingung
4.2.2 Resonanzkurvenverfahren
4.2.3 Bestimmung der Materialparameter von PEEK
4.3 Numerische Implementierung eines mehrachsigen Materialmodells
4.3.1 Mehrachsiges Materialmodell
4.3.2 Validierung des implementierten Materialmodells
5 Simulation des Schwingungsverhaltens und experimentelle Verifikation
5.1 Numerische Simulationsmodelle
5.1.1 Geometrische Modelle
5.1.2 Rand- und Anfangsbedingungen
5.1.3 Kontaktmodellierung
5.2 Simulationsergebnisse
5.2.1 Schwingungsverhalten ohne Oberflächenkontakt
5.2.2 Schwingungsverhalten mit Oberflächenkontakt
6 Zusammenfassung
Literaturverzeichnis
A Experimentelle Voruntersuchungen
B Klassische Balkentheorie
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:84145 |
| Date | 20 March 2023 |
| Creators | Kucher, Michael |
| Contributors | Modler, Niels, Dannemann, Martin, Kästner, Markus, Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-715610, qucosa:71561, info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Sachbeihilfe/DA 1701/1//Entwicklung von Miniaturstrukturen aus Faserkunststoffverbundwerkstoffen für die ultraschallbasierte Dekontamination von non-shedding surfaces im menschlichen Organismus/Mindendo |
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