Residual stress measurement in veneering ceramic

• Auteur / Autrice : Amélie Mainjot
• Direction : Véronique Migonney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zircone

Couronnes

Matériaux céramiques dentaires

Contraintes résiduelles

Résumé

L’émaillage des prothèses dentaires génère des contraintes résiduelles dans la céramique d’émaillage et l’infrastructure durant le procédé de refroidissement. La connaissance de leur distribution en fonction de la profondeur peut aider à comprendre les échecs,notamment l’écaillage de la céramique cosmétique, une complication fréquente avec les prothèses à infrastructure zircone. Le premier objectif de ce travail a été d’adapter une méthode industrielle, la méthode du trou incrémental, à l’usage dentaire, et de démontrer sa validité pour mesurer les contraintes résiduelles dans des disques en métal (VM) ou en zircone (VZr) émaillés. La méthode développée, présentée dans les premiers chapitres, permet de mesurer des contraintes de très faible module notamment grâce au développement d’une chaîne électrique de mesure très sensible. Le second objectif était d’étudier l’influence de la vitesse de refroidissement, de l’épaisseur de la céramique d’émaillage et de l’infrastructure, et de comparer les mesures dans les échantillons VM et VZr. Les résultats décrits dans les chapitres suivants révèlent que les échantillons VM ont toujours montré un profil qui commence par des contraintes en compression à la surface, ces contraintes diminuant progressivement avec la profondeur, puis ré-augmentant à nouveau. Les échantillons VZr ont montré des profils de contraintes variables,certains décrivant une courbe plus défavorable,dans laquelle les contraintes en compression à la surface deviennent des contraintes en tension en profondeur. Une théorie en deux étapes est décrite pour expliquer le développement des contraintes dans les échantillons métal, et une théorie en trois étapes, comprenant l’hypothèse de la transformation de phase, est proposée pour les échantillons zircone. Le ratio adéquat entre l’épaisseur d’émaillage et de zircone est difficile à définir, et les procédures de refroidissement lent ne semblent pas bénéfiques pour les échantillons VZr.

The manufacture of dental crowns and bridges generates residual stresses within the veneering ceramic and framework during the cooling process. Knowing the stress distribution within the veneering ceramic as a function of depth can help the optimizing of manufacturing processes and the understanding of failures, particularly chipping, a frequent complication with zirconia-based fixed partial dentures. The first objective of this work was to transfer and to adapt an effective industrial method, the hole-drilling method, for measuring residual stresses to dental use,and to demonstrate the method for measurement of residual stresses in veneer-metal (VM) and veneer-zirconia (VZr) disks. The adapted method, presented in the earliest chapters, enables the very low stresses measurement in comparison with industrial applications, notably due to the development of a high sensitivity electrical measurement chain. The second objective was to study the influence of cooling rate, veneer thickness, and framework thickness on residual stress profile, and to compare measurements in VM and VZr structures. Results described in the following chapters reveal that VM samples always exhibited the same type of favorable stress vs. Depth profile, starting with compressive stresses at the ceramic surface, decreasing with depth, and then becoming compressive again. VZr samples showed varying stress profiles, some describing a worse curve, where the in-surface compressive stresses were found to turn into tensile stresses in the interior. A chronological two-step approach is discussed to explain residual stress development in metal-based samples,and a three-step approach,comprising the hypothesis of the phase transformation, is proposed for zirconia-based samples. The results highlighted the difficulty of defining the adequate ratio between veneer and zirconia framework thickness,and the slow cooling procedures were shown to promote tensile stress development in VZr samples.