CAD/CAM. aus: Schmidseder, Ästhetische Zahnmedizin (ISBN ) 2009 Georg Thieme Verlag KG

Transkript

1 CAD/CAM Zu den größten Verbesserungen und Neuerungen der letzten Jahre zählen auf dem Dentalmarkt mit Sicherheit die der CAD/CAM-Technologie. Heutzutage können wir Zahnärzte Inlays oder Teilkronen in kurzer Zeit in der Praxis selbst fertigen. Präparation, optischer Abdruck und Eingliederung sind in nur einer Sitzung möglich. Zahnstümpfe für Kronen oder Brücken werden wie üblich abgeformt und der Zahntechniker scannt nur das Modell oder den Stumpf, gestaltet das Käppchen oder Gerüst am Computer und schickt die Daten zum Fräszentrum bzw. fräst im eigenen Labor. Später wird das Werkstück in Abhängigkeit vom Material des Unterbaus überpresst oder konventionell keramisch verblendet. Dazu stehen zahlreiche Verfahren und Materialien zur Verfügung. Auch lassen sich Modelle mit Implantaten und entsprechende Aufbauten scannen und die beiden Scans später zusammenführen. Die Fräsung von Abutments und Suprakonstruktion erfolgt anhand der CAD-Daten. Gemäß dem Patientenwunsch nach weißem, metallfreiem Zahnersatz wird vor allem die Kombination aus Zirkoniumdioxid und CAD/CAM-Technologie die Zukunft bestimmen.

2 228 CAD/CAM Die Anfänge Die ersten Kleinrechner und Personalcomputer kamen Ende der 1960er Jahre auf den Markt. Der Beginn der industriellen CAD- Systeme, CAM-Systeme sowie generell betrachtet der CIM- Systeme verlief parallel zur Entwicklung der Computer. Der Nutzen für die industrielle Fertigung wurde schnell erkannt. Dieser liegt in einer Steigerung der Effizienz. Produkte sollten billiger, fehlerfreier und in größerer Serie gefertigt werden. Sämtliche Arbeitsschritte bei der Produktneuentwicklung wurden verbessert: Produktplanung, Konstruktion, Arbeitsplanung, Produktion und Qualitätssicherung. Dieser computergestützte Automatisierungsprozess veränderte die industrielle Fertigung radikal. In den späten 1970er Jahren hielt diese Neuerung in der zahnmedizinischen/zahntechnischen Forschung Einzug. Verschiedene Forschergruppen, allen voran jene um Duret, Mörmann/Brandestini und Rekow, nahmen sich der Umsetzung von computergefertigtem Zahnersatz an. Dazu mussten 3 Hürden genommen werden: Scan vom Objekt: Erfassen der vorhandenen dreidimensionalen Form (z. B. Zahn, Kiefer, Modell usw.) CAD: Umwandlung der erfassten Punktdaten in eine Netzgrafik und Interpolieren der einzelnen Punkte in gekrümmten oder geraden Flächen (z. B. Festlegung der Präparationsgrenze, Konstruktion von Brückenzwischengliedern, Gestaltung der Kaufläche) CAM: Umsetzung der dreidimensionalen Daten mithilfe von Maschinen (z. B. Fräsen von Zirkoniumdioxid, Lasersintern von Metallen) Erste Prototypen wurden Mitte der 1980er Jahre präsentiert und wenige Jahre später auf dem Markt eingeführt. Alle 3 Teilbereiche wurden zur Umsetzung der angestrebten Ziele in den letzten Jahren intensiv erforscht und seit wenigen Jahren haben nahezu alle großen Dentalhersteller ein CAD/CAM-System im Programm. 348 CAD-Anfänge Vor Jahren waren in der Industrie spezielle Rechner zur Konstruktion von technischen Bauteilen notwendig. 349 CAD/CAM in der Zahnmedizin Links: Die Erfindung des CEREC-Systems von Mörmann und Bradestini war ein wesentlicher Schritt bei der Etablierung der computergestützen Gestaltung und Fertigung von Zahnersatz. Rechts: Anfänglich wurden extraoral häufig mechanische Abtastgeräte verwendet. Die Abbildung zeigt ein Gerät von DCS. Heute hält von den großen Herstellern nur noch die Firma Nobel Biocare an dieser Technik fest.

3 CAD/CAM heute 229 CAD/CAM heute Im Jahr 2008 kann das Team aus Zahnarzt und Zahntechniker auf eine Vielzahl bewährter CAD/CAM-Systeme zurückgreifen. Das Spektrum klinischer Anwendung reicht vom rein kosmetisch motivierten Veneer bis zum zahnlosen Patienten, der mit CAD/ CAM-gefertigten Abutments und Überversorgungen prothetisch rehabilitiert wird. Die Auswahl der Systeme, die sich dem Zahnarzt allein bieten, ist dagegen überschaubar, da für den praxisinternen (Chairside-) Gebrauch der CAD/CAM-Geräte eigentlich nur das CEREC-System von Sirona geeignet ist. Nur mit dieser Einheit kann man Inlays, Onlays, Teilkronen, Veneers, Kronen und provisorische Brücken selbstständig ohne Mitwirken eines Labors herstellen. Eine aktuelle Innovation stellt das Lava C.O.S. System von 3M ESPE dar, welches einen digitalen Abdruck aus bewegten Bildern erlaubt. Zwar kann man mit diesem System keine Restaurationen in nur einer Sitzung fertigen, jedoch wird auf Arbeitsschritte wie Abdrucknahme, Modellvorbereitung, Einartikulieren usw. komplett verzichtet. Die Herstellung größerer und aufwendiger Restaurationen wie Kronen, Brücken, Abutments sowie Teleskope wird nach wie vor im Labor ausgeführt. Dies liegt vor allem an den dafür gebräuchlichen Werkstoffen und den deutlich umfangreicheren Arbeitsschritten. Allerdings bietet die CAD/CAM-Technologie für Labors eine Alternative zu den klassischen Arbeitsabläufen. Die Investition in diese Technologie bietet dem Labor ähnlich wie dem Zahnarzt die Chance, sich auf dem Markt entsprechend zu positionieren. Es stehen dem Labor hier 3 Möglichkeiten offen: Das Labor investiert in ein Komplettsystem, d. h. Erwerb von Scanner, Software (CAD) und Fräsmaschine (CAM). Die Investitionskosten belaufen sich allerdings auf einen höheren 5-stelligen Eurobetrag. Der große Vorteil besteht darin, dass die Wertschöpfung vollständig im Labor bleibt. Investition in Scanner und Software (CAD), d. h. das Labor erfasst die Daten und gestaltet die Restaurationsform am PC. Die maschinelle Fertigung wird an ein Fräszentrum ausgelagert (Outsourcing). Die Werkstoffverblendung oder Politur erfolgt dann wieder im Labor. Großer Vorteil dieser Variante ist, dass dem Labor hohe Investitions- und Folgekosten erspart bleiben. Die günstigste Variante ist, nur die Abformung auszugießen, das Sägemodell zum Fräszentrum zu schicken und lediglich die Werkstoffverblendung/Politur wieder zu übernehmen. 350 CAD heute Heutzutage sind mit geeigneten Programmen auf herkömmlichen Rechnern komplexe Konstruktionen möglich. In der Abbildung wird die Konstruktion eines speziellen Arti kulators zur Anwendung in der Dysgnathiechirurgie gezeigt. 351 CAD-CAM in der Zahnmedizin Links: In großen industriellen Fräszentren (z. B. etkon) können auf Hightech-Maschinen große Stückzahlen an Zahnersatz gefertigt werden. Quelle: etkon Rechts: Bei großen Fräsmaschinen können in entsprechend großen Blanks die Restaurationen platzsparend und somit material- und kostensparend positioniert werden. Quelle: etkon

4 230 CAD/CAM Ziel und Genauigkeit der Systeme Ziel Das Ziel der CAD/CAM-Technologie in der Zahnheilkunde ist es, industrielle Grundsätze anzuwenden. Problem dabei ist, dass auf dem Dentalsektor keine Großserienproduktion möglich ist. Die individuelle Anpassung von Farbe und Form widerspricht der Produktion beliebig vieler gleicher Werkstücke. Dennoch bietet diese Technologie auch in der Zahnmedizin Vorteile: Wegfall der schwankenden Werkstoffqualitäten; Fehlerquellen von Abformmaterial, Modellgips, Wachs und Einbettmasse sowie Schwankungen bzw. Fehlerquellen im Gussvorgang Reduktion des großen manuellen Aufwands gleichbleibende Materialqualität bei Rohlingen gleichbleibende Fertigungsqualität hohe Materialunabhängigkeit und dabei Einsatz ästhetischer, biokompatibler, moderner Materialien, die anders gar nicht verarbeitet werden können Kostensenkung in der Herstellung Genauigkeit Jeder Hersteller und Anwender ist bestrebt, Zahnersatz in möglichst perfekter Passung und Stabilität herzustellen. Auch wenn zwischenzeitlich Scan-Genauigkeiten von 20 μm möglich sind, liegen die Randspaltbreiten darüber. Die marginale Passung liegt immer noch zwischen 40 und 100 μm. Nicht zu vergessen sind Unterschiede in der Genauigkeit bei Abformmaterialien. Ebenso entscheidend sind folgende Aspekte: korrekte Ausführung der Abformung sachgemäßer Transfer ins Labor sachgemäße Modellherstellung 352 Passgenauigkeit Mittels einem dünnfließenden Silikon wird die interne Gerüst- bzw. Kronenanpassung überprüft. 353 Mittlere marginale Passgenauigkeit Die Grafik zeigt die mittlere marginale Passgenauigkeit verschiedener Hersteller, die 30 μm deutlich unterschreiten (nach Shannon, AJT et al. 2007). µm Procera Piccolo Procera MOD40 Procera Forte Everest ZS Wieland Zeno mittlere marginale Passgenauigkeit CEREC In-Ceram ZR Everest TH Control Cast 3M ESPE Lava

5 Die verschiedenen Systeme 231 Die verschiedenen Systeme Scan-Vorgang Gemäß der Prozesskette Scan CAD CAM sollen die verschiedenen Systeme wie folgt unterschieden werden: Intraoral (direkt) Schon zu Beginn der Entwicklung der CAD/CAM-Systeme wurde eine intraorale Datenerfassung angestrebt. Abformfehler sollten damit der Vergangenheit angehören. Solche Scan-Geräte benötigen aber eine Auflösung im Mikrometerbereich und einen sehr kurzen Messvorgang. Verwackeln von Seiten des Behandlers oder Bewegungen des Patienten verursachen digitale Abformfehler. Der Einsatz von mechanischen Abtastsystemen mithilfe eines Kontaktsensors funktioniert intraoral nicht aufgrund der schwierigen Befestigung und der langen Messperiode. Das gängigste Messsystem ist das CEREC-System von Mörmann und Brandestini, zwischenzeitlich in dritter Auflage erhältlich. Vorteile: Aufnahmevorgang dauert 0,2 s, nahezu kein Verwackeln möglich Einsatz von Streifenlicht Nachteile: Entstehung von Lichtreflexen auf der Zahnhartsubstanz; deshalb: Auftragen einer mattierenden Puderschicht zur Kontrastgebung aber: Messfehlerquelle durch Puderschicht von μm kein subgingivaler Scan möglich eigentlich nur ein Pfeiler scanbar Die neueste Entwicklung der intraoralen Scantechnologie ist der 3M ESPE Lava C.O.S. (Chairside Oral Scanner). Diese Technologie funktioniert nicht mehr nach dem üblichen Point-and-Click-Verfahren. Eine Kamera nimmt hier in Echtzeit bis zu 20 3D-Datensätze pro Sekunde auf. Vorteile: Die Kamera muss nicht ruhig gehalten werden, somit werden auch Aufnahmen von lateral oder oral erstellt. Es ist keine Puderschicht notwendig. Der gesamte Kiefer, Gegenkiefer und Bisssplint können gescannt werden. Behandler und Patient sehen live den Aufnahmevorgang. 354 Intraoraler Scan Das Cerec 3-Gerät beinhaltet den intraoralen Scanner, welcher nach dem Point-and-Click-Verfahren arbeitet sowie eine Stand-alone-Einheit, an der die Restauration konstruiert wird. 355 Intraoraler Scan Der Lava C.O.S. (chairside oral scanner) ist eine Kamera, die in der Lage ist, den gesamten Zahnstatus aufzunehmen bzw. zu scannen. In einer Stand-alone-Einheit werden die ermittelten Daten bearbeitet. Quelle: 3M Espe

6 232 CAD/CAM Extraoral (indirekt) Diese dreidimensionalen Daten werden außerhalb des Mundes erfasst. Dazu muss konventionell ein Abdruck genommen und im Labor ein Modell hergestellt werden. Vorteile: Gips streut projiziertes Licht, kein mattierendes Puder nötig, daher ideal für optische Aufnahmetechnik. extraoral keine Gefahr des Verwackelns, mehr Zeit zur Verfügung, daher Lasermethode oder Weißlicht anwendbar mechanische Verfahren ebenfalls gebräuchlich Subgingivale Anteile und Zahnfleisch können zusätzlich gescannt werden. hinsichtlich der Genauigkeit der Datenerfassung besser als intraorale Verfahren Nachteile: Abformung mit eventuellen Fehlerquellen Modellherstellung mit Fehlerquellen Modellherstellung, extraorale Scans sowie sämtliche weitere zahntechnische Arbeitsschritte übernimmt das Labor. Scans für die Modellherstellung Zum Scannen stehen wiederum verschiedene Verfahren zur Auswahl. Die Daten werden extraoral mechanisch oder optisch gewonnen. Mechanische Verfahren bedienen sich zur Datengewinnung einer Messsonde. Diese fährt das Objekt nach einem vorgegebenen Schema systematisch ab. Die Messungen der Winkeländerung des Hebelarms zu seiner Lagerung erzeugen die Messwerte. Bei optischen Verfahren werden die Daten im Gegensatz zu den mechanischen Verfahren berührungslos gewonnen. Die gebräuchlichste Methode verwendet entweder einen Laser (Punktlaser oder Linienschnittverfahren) oder einen Lichtstrahl (sog. Streifenlicht) und eine Art digitale Kamera mit integriertem CCD- Chip. Auf diesen Chip projizierte Präparationen ergeben eine Vielzahl an Bildpunkten unterschiedlicher Helligkeit, die zu einem dreidimensionalen Gerüst umgerechnet werden. Bei den verschiedenen Scan-Verfahren gibt es nahezu keine Limitationen bezüglich der Größe der scanbaren Bereiche. Es ist zum Teil möglich, vom Einzelstumpf über 4-gliedrige Brücken bis zum ganzen Kiefer alle Details zu erfassen. 356 Extraoraler Scan Links: Scan mit Laser. Rechts: Scan mit Streifenlicht. 357 Extraoraler Scan Links: Laserscanner in Anwendung. Rechts: Scan mechanisch.

7 Die verschiedenen Systeme 233 Kauflächengestaltung Zur Gestaltung der Kaufläche gibt es abhängig vom jeweiligen System mehrere Möglichkeiten: selbstständige digitale Gestaltung mit Designsoftware: Eine aus der Bibliothek entnommene Kaufläche wird dem Antagonisten angeglichen. Dazu steht oftmals ein virtuelles Wachsmesser zur Wahl. Zum Teil existieren schon virtuelle Artikulatoren. Manche Systeme sehen eine manuelle Wachsmodellation vor, die gescannt und den Bedürfnissen entsprechend digital angepasst wird (kein echtes CAD). Gerüstgestaltung Einige Hersteller unterstützen die Gestaltung von Gerüsten auf hilfreiche Art und Weise. Die Software warnt den Anwender, wenn er die Gerüstmindestwandstärke oder den Konnektorenmindestdurchmesser unterschreitet. Diese Warnhinweise werden in Abhängigkeit vom Material gegeben. Antagonistendarstellung Bissregistrat oder Quetschbiss wird extraoral gescannt und der Antagonist wird berechnet. Scan des originalen Gegenkiefermodells 3D-Bild über intraoralen Scan 358 CAD Links: Unzählige Punkte, welche untereinander mit Linien verbunden sind, geben die gescannte Präparation als Gittermodell wieder. Rechts: Nach erfolgtem Scan kann die Präparation virtuell in die Hand genommen, von allen Seiten betrachtet und die Präparationsgrenze festgelegt werden. 359 Käppchenkonstruktion Links: Über die gesamte Präparation wird ein Käppchen konstruiert. Dieses kann mit einem virtuellen Wachsmesser verändert werden. Rechts: Das Käppchen ist hinsichtlich Präparationsrand und Ausdehnung fertig konstruiert. Der nächste Schritt stellt die CAM-Fertigung dar. 360 Antagonistendarstellung Mit Hilfe des Scans eines Quetschbisses oder des Antagonistenmodells kann das Programm die Modelle in korrekte räumliche Zuordnung bringen. Dies ist vor allem bei großen Konstruktionen notwendig, da an das Gerüst bezüglich des Konnektorenquerschnitts und Unterstützung der Verblendkeramik besondere Ansprüche gestellt werden.