Entwurf. Resultate digitaler Fertigungsprozesse im Vergleich. Subtraktive und additive Fertigungsverfahren

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1 Autor Anwender Status Fundamental Kategorie Erfahrungsbericht Resultate digitaler Fertigungsprozesse im Vergleich ZT Dieter Spitzer Seit 2005 widmet sich der CAD/CAM- Dienstleister UNICIM (CH-Berschis) der Integration des Computers in die Produktionsabläufe der Zahntechnik. Was zu Beginn fast unglaublich schien, ist heute machbar. Kronen, Brücken, Teleskope, Implantataufbauten, Inlays, Onlays, Veneers etc. werden aus unterschiedlichsten Werkstoffvarianten computergestützt gefertigt durch Lasercusing oder mittels einer Fräsmaschine mit drei bis fünf Achsen. Erzielbar ist dabei eine enorm hohe Präzision von bis zu 20 µm. Ob die so zu erreichende Passgenauigkeit als ausreichend bewertet wird, hängt von der Indikation sowie von den individuellen Umständen und dem subjektiven Geschmack desjenigen ab, der die Arbeit einsetzt. Subtraktive und additive Fertigungsverfahren Michelangelo sagte einst: Die Figur war schon in dem rohen Stein enthalten. Ich musste nur noch alles Überflüssige wegschlagen. Nach diesem Prinzip verfahren auch die subtraktiven Fertigungstechniken in der Zahntechnik. Allerdings geht auf diese Weise beim Fräsen beziehungsweise Schleifen einer Kronenkappe in der Regel mindestens das doppelte des Materialvolumens der tatsächlichen Restauration als Abfall verloren. Dem entspricht zudem der vergleichsweise hohe Werkzeug-, Zeit- und Energieaufwand. Eine Alternative stellen additive Verfahren nach dem Motto Auftragen statt Wegnehmen dar. Das reduziert den Materialverlust und ermöglicht Formen und Strukturen, die mit der Frästechnologie nur schwer und zum Teil gar nicht umzusetzen sind. Auf diese Weise werden in der Medizintechnik beispielsweise Individualimplantate zur Verwendung als Knochenersatz hergestellt. Im Bereich der Zahntechnik können bereits Kronenkappen und Metallgerüstprothesen additiv in sehr hoher Qualität gefertigt werden. Im CAD sind die Möglichkeiten, dentale Produkte zu konstruieren, mit einer offenen Software wie beispielsweise Sensable Dental (SensAble Technologies, US-Woburn) zwar nahezu grenzenlos aber nicht alles, was konstruierbar ist, kann auch in adäquater Qualität gefertigt werden. Tabelle 1 zeigt die neben dem subtraktiven Fräsen / Schleifen derzeit für die Zahntechnik relevanten additiven Fertigungsverfahren auf. Fertigungsprinzip Verfahren Kurzform Methode subtraktiv CNC-Fräsen CNC Die Form wird entsprechend der im CAD konstruierten Vorgabe aus dem Vollen gefräst. additiv Stereolithografie STL / SLA Lichtempfindliches Kunstharz wird von einem Laserstrahl gemäß Slice- Daten der Konstruktion schichtweise ausgehärtet. additiv Selektives Laser- Melting SLM / Lasercusing Materialpulver, zumeist Metalllegierungen, werden von einem Laserstrahl gemäß Slice-Daten der Konstruktion schichtweise aufgeschmolzen und verbinden sich in flüssiger Phase. additiv 3D-Printing 3DP Ähnlich dem Prinzip eines Tintenstrahldruckers werden Photopolymer- Materialien nach Slice- Daten der Konstruktion schichtweise aufgetragen. Tab. 1: Computergestützte Fertigungsverfahren von Relevanz für die Zahntechnik. 54

2 SLM und CNC im Vergleich Es folgt der Vergleich von Lasercusing und CNC anhand eines praktischen Beispiels. Einander gegenübergestellt werden dabei nicht die Verfahren an sich, da diese auf vollkommen unterschiedlichen Fertigungsprinzipien beruhen, sondern das, was letztlich für den Zahntechniker zählt das Endergebnis. Um die mit diesen Verfahren erzielbare Qualität beurteilen zu können, wurden zwei externen Anbietern jeweils dieselben Konstruktionsdatensätze zur Verfügung gestellt. In Auftrag gegeben wurden eine implantatgetragene Einzelkronenkappe mit einem Konstruktionselement sowie zwei verblockte Kronen auf Stümpfen mit demselben Geschiebe. Ergänzend dazu wurde die Metallkonstruktion für den abnehmbaren Teil ebenfalls im additiven Verfahren gefertigt (Abb. 1). Abb. 1: Additiv gefertigt Gerüstprothese und Matrizen- Überkonstruktion zur Verblendung. Oberfläche Auf den ersten Blick sind bei den implantatgetragenen Kronenkappen keine Unterschiede zu erkennen (Abb. 2). Zwar glänzt die eine und die andere ist matt, aber die Oberflächenqualität scheint zunächst in beiden Fällen gut. Bei näherer Betrachtung fällt auf, dass sich bei dem CNC-Werkstück Fräserbahnen, bei dem SLM-Werkstück Schichten abzeichnen. Beide Objekte müssen in dieser Hinsicht nachgearbeitet werden. Passgenauigkeit Im Hinblick auf die Passgenauigkeit ist festzustellen, dass sich beide Arbeiten ohne Anpassungsarbeiten satt und spielfrei auf das Implantat-Interface schieben lassen. Genauso verhält es sich beim Aufpassen der verblockten Kronen auf die Modellstümpfe. Das Geschiebe ist jedoch die eigentliche Herausforderung, denn an dieser Stelle ist es zwingend, dass die Teile passen. Abb. 2: Labialansicht der Implantatkronen: links subtraktiv, rechts additiv gefertigt. Beim Lasercusing-Objekt kann die Matrize des Geschiebes perfekt aufgedrückt werden und bietet sogar die gewünschte Friktion (Abb. 3). In Anbetracht der Tatsache, dass die Oberfläche noch leicht nachbearbeitet beziehungsweise poliert werden muss, um die Abrasion im Kunststoffteil der Matrize zu reduzieren, ist die Bemessung des Werkstücks allerdings schon zu genau und somit im Hinblick auf die notwendige leichte Nachbearbeitung zu knapp. Dies kann jedoch durch eine Größenanpassung im CAD leicht korrigiert werden. Abb. 3: Lasercusing-Objekt, Basalansicht der Geschiebepassung. Fräser-Problematik Versuche, die Matrize auf dem gefrästen Objekt zu platzieren, schlagen fehl. Was ist die Ursache 55

3 hierfür? Beim subtraktiven Verfahren ist die Passgenauigkeit stark abhängig davon, dass überflüssiges Material restlos entfernt werden kann. Ob dies möglich ist, ist wiederum abhängig vom Anstellwinkel und dem Radius des Fräswerkzeuges. Die Winkel in der Geometrie eines Geschiebes können mit rotierenden Werkzeugen nicht bis ins letzte Detail ausgefräst werden. Auf Abbildung 4 ist deutlich zu erkennen, dass in der Winkelspitze Restmaterial verbleibt, wenn ein rechter Winkel mit einem 1 mm-werkzeug (Radius 0,5 mm) gefräst wird. Da bei der Originalmatrize die Winkelspitze vorhanden ist, wird ein korrektes Platzieren beider Teile unmöglich. Abb. 4: Geschiebeprofil: Deutlich zu erkennen ist das präzisere Profil der additiv gefertigten Patrize (l.) im Vergleich zur gefrästen Patrize. Präparationen von Zähnen weisen grundsätzlich Winkel auf, die kleiner als der Standardfräser einer Maschine sind. Um dem oben beschriebenen Effekt entgegenzuwirken, erfolgt im CAD eine sogenannte Fräserkorrektur, d. h. betroffene Stellen werden bei der Konstruktion virtuell ausgeblockt, sodass die Fertigungsdaten schließlich keinen Winkel umfassen, der kleiner als der Radius des kleinsten Fräsers ist. Unnötig wäre dies, wenn solche Grundsätze schon beim Präparieren beachtet würden. Werden auch Bereiche bei einem Geschiebe virtuell ausgeblockt, wird Material entfernt, das für den korrekten Sitz der Matrize nötig ist. Dies ist demnach genauso kontraproduktiv, wie es das manuelle Anpassen des Winkels in der Matrize mittels eines abrasiven Werkzeuges wäre. Damit wird die Konstruktion in ihrer Funktionsfähigkeit verändert und somit die Herstellergarantie hinfällig. Ein weiterer Punkt, der dem additiven Verfahren Vorteile verschafft, ist die Tatsache, dass Formen geschaffen werden können, die mit keinem anderen Verfahren zu verwirklichen sind. Deutlich wird dies u. a. an dem Beispiel des Geschiebes Mini-SG PLUS (Cendres & Métaux, CH-Bienne), dessen Patrize auch für ein Riegelsystem verwendet werden kann. Ermöglicht wird diese Funktion durch eine entsprechende Rille, die bei dem gefrästen Werkstück jedoch komplett fehlt (Abb. 5). Dies ist nicht auf die Fähigkeiten des herstellenden CNC-Spezialisten, sondern auf die Art der in der Zahntechnik verwendeten Rohlinge zurückzuführen. Üblicherweise wird, abgesehen von kleinen Tischmaschinen, eine Material scheibe genutzt, die je nach Halter von oben oder / und unten bearbeitbar ist. Bei der Fertigung einer Krone wird also die Okklusalfläche von der einen Seite und die Kavität von der anderen Seite der Scheibe gefräst. Die Rille allerdings ist auf horizontaler Ebene der Scheibe zu fertigen. Dies vermag der Fräser, bedingt durch das verbliebene Restmaterial der Scheibe und die begrenzten Anstellwinkel der Fräsmaschine, nicht zu leisten. Abb. 5: Sicht auf die für den Riegel benötigte Rille. Ganz anders verhält es sich beim Selektiven Laser-Melting. Denn das zu erschaffende Objekt wird hierbei in Schichten aufgebaut vergleichbar mit einem mehrstöckigen Gebäude, das abhängig vom Grundriss der einzelnen Stockwerke in der Gesamtansicht eine bestimmte Form erhält (Abb. 6). Diese Schichtbauweise kann genutzt werden, um die inneren Strukturen und äußeren Formen eines Körpers beliebig zu gestalten. Das bedeutet, dass Rillen oder Hinterschnitte nicht nachträglich eingebracht werden müssen, sondern direkt mit aufgebaut werden. 56

4 Abb. 6: Der Grundriss eines jeden Stockwerkes bestimmt die Form und das Innenleben des Hochhauses. Resümee Die Erfahrung hat gezeigt, dass sowohl mit CNC-Fräsen als auch mit Lasercusing eine hohe Qualität erreicht werden kann. Eine manuelle Nachbearbeitung durch den Zahntechniker ist jedoch bei beiden Verfahren notwendig. Die Genauigkeit des gefrästen Objektes ist stark von den gewählten Fräsern und der Frässtrategie abhängig. Bei der additiven Technologie ist die Konturtreue höher, sodass die gewünschte Qualität einfacher zu erreichen ist. Ziel eines digitalen Fertigungsprozesses muss es sein, ein Endprodukt zu schaffen, das ohne aufwendige Nachbearbeitung verwendet werden kann. Dies kann nur von einem Spezialisten mit dentalem Hintergrund erreicht werden, der sich mit beiden Verfahren auskennt und fähig ist, diese fachgerecht zu kombinieren. In Zukunft sind daher spezialisierte Zahntechniker und nicht ausschließlich industrielle Massenfertiger gefragt. Auch online unter: 57

5 ZT Dieter Spitzer, eidg. Dipl.-Betriebswirtschafter Berschis, Schweiz seit 1992 selbstständiger Zahntechniker seit 2005 Anwender einer KaVo Everest-Anlage seit 2009 Anwender offener Systeme (z. B. Sensable Dental und hyperdent von FOLLOW-ME! Technology Systems, D-München) seit 2012 Anwender der Lasercusing-Maschine Mlab von Concept Laser (D-Lichtenfels) Kontakt: 58