Modélisation et optimisation mécanique des restaurations dentaires : Développements numériques et expérimentaux - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Modeling and mechanical optimization of dental restorations : Experimental and numerical developments

Modélisation et optimisation mécanique des restaurations dentaires : Développements numériques et expérimentaux

Yannick Yasothan
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1375761
  • IdRef : 277141486

Résumé

Indirect Dental Restoration (IDR) is a treatment proposed in conservative dentistry that consists of removing the damaged part of the tooth, then filling the vacant space by bonding a prosthesis. In recent years, Computer Aided Design and Manufacturing (CAD/CAM) has become a real boom for the production of prostheses. However, in the software available on the market, the optimization of the prosthesis is only based on geometrical considerations. No analysis based on mechanical criteria is integrated into the CAD/CAM chain, even though mechanical stresses are one of the leading causes of clinical failures.Previous work has shown interest in filling this gap through finite element simulations of the mechanical behavior of the patient-specific prosthetic assembly. In particular, it revealed the need to improve the mechanical modeling of the adhesive layer of the dental assembly. This layer can be damaged and cause prosthesis debonding. The research carried out during this thesis aims to enrich the knowledge on this critical layer and propose a model that could be integrated into a new mechanical optimization component of the CAD/CAM chain.First, the internal structure of adhesive layers of model assemblies was visualized in 3D using X-ray microtomography. Using a segmentation method adapted to analyze these 3D images, the defects present in the adhesive layer were detected and quantified. They were classified into two categories: encapsulated defects in the adhesive mass and defects at the interfaces. Their size, shape, and location in the adhesive layer were analyzed.Secondly, Miniature Mixed Mode Bending (MMMB) tests were performed on millimeter-sized pre-cracked specimens loaded in mixed mode I/II to characterize the behavior of the adhesive layer. The adhesion of the weak interface of an adhesive layer is estimated by the area method, which requires the measurement of the crack length increase. A digital image correlation technique performs this measurement. The dispersion observed in the estimate of adhesion masks the influence of the mixed mode ratio I/II. Because of these results, a mode I analysis of the behavior of the adhesive layers seems sufficient as a first approximation to describe their mechanical behavior. Moreover, the observed dispersion is related to the sensitivity of the adhesion to the bonding protocols and to the "parasitic" dissipated energies, which are not dissociated from the fracture energy when estimating adhesion.Thirdly, a cohesive zone model (bilinear traction-separation law defined by three parameters) of the adhesive layer was identified through an MMMB test using the integrated-digital image correlation technique. The reliability of this method is superior because it allows ignoring part of the "parasitic" energy, which leads to an overestimation of the adhesion. Implementing this law in the numerical models evaluating the stress states of the IDRs will allow for predicting the crack propagation of the studied adhesive layer.Finally, thanks to these studies, a better understanding of dental adhesive layers has been obtained, ultimately allowing for the optimization of manufacturing protocols and increasing the durability of IDRs.
La Restauration Dentaire Indirecte (RDI) est un traitement proposé en odontologie conservatrice qui consiste à éliminer la partie abîmée de la dent, puis à combler l'espace vacant en collant une prothèse. Ces dernières années, la Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur (CFAO) dentaire a connu un véritable essor pour la réalisation des prothèses. Cependant, dans les logiciels disponibles sur le marché, l'optimisation de la prothèse ne s'appuie que sur des considérations géométriques. Aucune analyse basée sur des critères mécaniques n'est intégrée dans la chaîne CFAO alors que les sollicitations mécaniques constituent l'une des principales causes d'échecs cliniques.Des travaux antérieurs ont montré l'intérêt de combler ce manque via des simulations du comportement mécanique de l'assemblage prothétique patient spécifique par éléments finis. Ils ont révélé en particulier la nécessité d'améliorer la modélisation mécanique de la couche d'adhésif de l'assemblage dentaire. Cette couche peut s'endommager et causer des décollements de prothèses. Les travaux de recherche menés durant cette thèse ont pour but d'enrichir les connaissances sur cette couche critique et de proposer un modèle qui pourrait être intégré dans un nouveau maillon d'optimisation mécanique de la chaîne CFAO.Dans un premier temps, la structure interne de couches d'adhésif d'assemblages modèles a été visualisée en 3D grâce à la microtomographie aux rayons X. A l'aide d'une méthode de segmentation adaptée pour analyser ces images 3D, les défauts présents dans la couche d'adhésif ont été détectés et quantifiés. Ils ont été classifiés en deux catégories : les défauts encapsulés présents dans la masse de la colle et les défauts aux interfaces. Leur taille, leur forme et leur localisation dans la couche d'adhésif ont été analysées.Dans un deuxième temps, des essais Miniature Mixed Mode Bending (MMMB) ont été réalisés sur des éprouvettes pré-fissurées de taille millimétrique sollicitées en mode-mixte I/II pour caractériser le comportement de la couche d'adhésif. L'adhérence de l'interface faible d'une couche d'adhésif est estimée par la méthode des aires qui requiert la mesure de l'accroissement de longueur de fissure. Cette mesure est effectuée par une technique de corrélation d'images numériques. La dispersion observée dans l'estimation de l'adhérence masque l'influence du ratio de mixité I/II. Au vu de ces résultats, une analyse en mode I du comportement des couches d'adhésif semble suffisante en première approximation pour décrire leur comportement mécanique. De plus, la dispersion observée est liée à la sensibilité de l'adhérence aux protocoles de collage et aux énergies dissipées « parasites » qui ne sont pas dissociées de l'énergie de rupture lors de l'estimation de l'adhérence.Dans un troisième temps, un modèle de zone cohésive (loi de traction-séparation bilinéaire définie par trois paramètres) de la couche d'adhésif a été identifié grâce à un essai MMMB en utilisant la technique de corrélation d'images numériques intégrée. La fiabilité de cette méthode est supérieure car elle permet de ne pas prendre en compte une partie de l'énergie « parasite » qui conduit à une surestimation de l'adhérence. L'implémentation de cette loi dans les modélisations numériques évaluant les états de contraintes des RDIs permettra de prédire la propagation de fissure de la couche d'adhésif étudiée.Finalement, grâce à ces études, une meilleure compréhension des couches d'adhésif dentaire a été obtenue, ce qui permettra à terme d'optimiser les protocoles de fabrication et d'augmenter la durabilité des RDIs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04549614 , version 1 (17-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04549614 , version 1

Citer

Yannick Yasothan. Modélisation et optimisation mécanique des restaurations dentaires : Développements numériques et expérimentaux. Mécanique des solides [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPAST081⟩. ⟨tel-04549614⟩
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