Erarbeitung einer Reverse Engineering CAM Prozesskette für den Bereich der Konstruktion und Fertigung zahnärztlich-prothetischen Restaurationen 1

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1 Erarbeitung einer Reverse Engineering CAM Prozesskette für den Bereich der Konstruktion und Fertigung zahnärztlich-prothetischen Restaurationen 1 Schöne, Ch. 2 ; Rudolph, H. 3 ; Luthardt, R. 3 Vortrag zur Projektvorstellung anlässlich der RAPROMED 2001 am 24. Oktober 2001 in Lichtenstein von Dr.-Ing. Ch. Schöne und H. Rudolph 1. Problemstellung und Forschungsziel Die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigem, biokompatiblen und kostengünstigen Zahnersatz mit CAD/CAM-Verfahren ist ein Hauptziel zahnmedizinischer Forschung. Derzeit expandiert der zahnmedizinisch/zahntechnischen CAD/CAM-Markt sehr schnell. Mehr als zehn verschiedene System sind bereits eingeführt oder stehen kurz vor der Markteinführung. Zahlreiche weitere sind international in Entwicklung. (Cerec, DCS-Precident, Dental CAD/CAM GN-I, Decim/Cad.esthetics, Digident, Pro 50, Celay (Kopierschleifverfahren), Cicero, Everest, Lava, Procera, Cercon smart ceramics, WOL-Ceram). Während in der Anfangszeit die Bearbeitung von Titan im Vordergrund stand (DCS-Precident, Procera), fokussieren aktuelle Entwicklungen auf die Herstellung keramischen Zahnersatzes. Vor allem die Einführung der in anderen medizinischen Bereichen bewährten Zirkonoxid-Keramik eröffnet die Möglichkeit den Indikationsbereich für vollkeramischen Zahnersatz auf Seitenzahnbrücken und Brücken mit mehreren Brückengliedern zu erweitern Da Grundlagenuntersuchungen bislang fehlen, zielt das vorgestellte Projekt auf die Entwicklung einer universell einsetzbaren, Reverse-Engineering-CAM-Prozesskette Digitalisierung - CAD - CAM für den Bereich der Konstruktion und Fertigung zahnärztlich-prothetischer Restaurationen unter besonderer Beachtung zahnärztlicher Aspekte. Die Einzelschritte dieser Prozesskette, Datenerfassung - Datenbearbeitung - CAD - CAM, umgesetzt in eine konkrete Anwendung werden im Vortrag von Herrn Hoßfeld noch vorgestellt. 1 gefördert durch das BMWi 2 TU Dresden, Institut für Produktionstechnik 3 Universitätsklinikum Carl Gustav Carus an der TU Dresden, Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik 1

2 2. Werkstoffkundliche Aspekte aus zahnmedizinischer Sicht Industriell präfabrizierte Rohmaterialien, die unter konstanten, optimalen und reproduzierbaren Bedingungen hergestellt wurden, erfüllen höchste Ansprüche an Reinheit, Homogenität und Qualität des Materials. Es kann somit das gesamte Potenzial eines Werkstoffes bezüglich seiner Materialeigenschaften ausgeschöpft werden. Glaskeramiken weisen eine ästhetische vorteilhafte Transluzenz und Farbanpassung sowie eine einfache Bearbeitbarkeit auf, sind aber hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften limitiert. Infiltrationskeramik (Vita Inceram Alumina bzw. Zirconia) lässt sich günstig bearbeiten, muss aber zur Erlangung einer ausreichenden Bruchfestigkeit im Anschluss an die Bearbeitung glasinfiltriert werden. Dichtgesinterte Aluminiumoxid- oder Zirkonoxidkeramik erfordern lange Bearbeitungszeiten und bedingen einen hohen Werkzeugverschleiß. Um diese Problematik zu umgehen, wird von mehreren neueren Systemen ebenfalls vorgefertigtes, jedoch teilgesintertes, etwa kreidehartes Material verwendet, wodurch Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß reduziert werden. Vergleichende Untersuchungen, die diese Materialien mit dichtgesinterten Materialien bezüglich der Homogenität und Bruchfestigkeit sowie der Auswirkungen der Sinterschrumpfung auf die Passgenauigkeit untersuchen liegen derzeit noch nicht vor. 3. Datenerfassung/Digitalisierung Grundlage der CAD/CAM-Bearbeitung ist die Datenerfassung, deren Umfang je nach Art der Restauration differiert. Für einzelne Kronengerüste oder Inlays müssen mindestens die Oberflächendaten des präparierten Zahns digitalisiert werden. Über Kronengerüste hinausgehende Versorgungen erfordern restaurationsabhängig Daten der Nachbarzähne, der Relation mehrerer Stümpfe zueinander oder der antagonistischen Zahnreihe. 2

3 Abbildung 1: Gesamtpunktewolke von OK und UK, Meßfehler +/- 200 µm In der zahnmedizinisch/zahntechnischen CAD/CAM-Technologie kommen taktile und berührungsfrei-optischen Digitalisierverfahren zur Anwendung. Taktile Verfahren verwenden einen Taster, der die Form des Objekts zeilenweise oder umrissgeführt erfasst (Procera). Berührungsfreioptische Digitalisierverfahren, die in der zahnmedizinischen CAD/CAM-Technologie Anwendung finden, basieren auf einer Projektor- und einer Detektoreinheit, die in einen bekannten Winkel zueinander angeordnet sind. Projiziert werden Laserpunkte oder -linien bzw. strukturiertes (Weiß-) Licht. Als Detektor dienen CCD-Kameras. Die Bestimmung der Punktkoordinaten erfolgt nach dem Triangulationsprinzip. 3

4 Abbildung 2: Oberkiefer-Gesamtpunktewolke, Stümpfe 14 und 16 mit hoher Datendichte aufgenommen mit dem digident-system (Girrbach Dental GmbH, Pforzheim) Die Methodik der Datenerfassung bestimmt entscheidend den Anwendungsbereich des CAD/CAM- Systems. Die intraorale Digitalisierung ermöglicht den Verzicht auf die konventionelle Abformung, ist aber auf Einzelzahnversorgungen beschränkt, die eine intraorale Datenerfassung (Lage der Präparationsgrenze, Trockenlegung) ermöglichen (Cerec 3). Alle anderen CAD/CAM-Systeme beschreiten der Weg der Fertigung von Zahnersatz nach konventioneller Abformung und Modellerstellung mit extraoralen Digitalisierverfahren (Cerec inlab, DCS-Precident, GN-I, DECIM, Digident, Pro 50, Cicero, Everest, Lava, Procera, Cercon smart ceramics, WOL-Ceram). 4

5 Abbildung 3: Einzelzähne mit hoher Datendichte im gemeinsamen Koordinatensystem, Messung mit ODKM (Optisches Dreikoordinaten Meßsystem, Fraunhoferinstitut Jena) Technisch können die Digitalisiersysteme nach der Anzahl der Richtungen aus denen gemessen wird und nach dem Messprinzip unterschieden werden. Um steile Flanken präparierter Zähne erfassen zu können, sind drei lineare und zwei Rotationsachsen notwendig. 5

6 Systeme zur computergestützten Herstellung von Digitalisierung Meßfehler keramischen Restaurationen mechanisch optisch/extraoral optisch/intraoral CELAY MIKRONA TECHNOLOGIE AG (Spreitenbach, CH) Abtastung keine, Kopierschleifverfahren - Cercon smart ceramics Degussa Dental GmbH & Co. KG (Hanau, D) Laser? CEREC 3 (CEramic REConstruction) Streifenprojektion? Sirona Dental Systems GmbH (Bensheim, D) Cerec inlab Laser? CICERO (Computer Integrated Ceramic Reconstruction) Cicero Dental Systems B.V. (Hoorn, NL) Laser? DCS-Precident DCS Dental AG (Allschwil, CH) Laser +/- 11 µm DECIM DECIM AB (Skellefteå, S), Ivoclar Vivadent AG (Schaan, LI) Laser +/- 30 µm DENTAL CAD/CAM GN-1 GC Corporation (Tokyo, J) Laser +/- 20 µm digident Girrbach Dental GmbH (Pforzheim, D) Weißlichtprojektion +/- 10 µm Everest KaVo Elektrotechnisches Werk GmbH (Leutkirch, D) Weißlichtprojektion +/- 20 µm Lava 3M ESPE Dental AG (Seefeld, D) Weißlichtprojektion +/- 20 µm PRO 50 CYNOVAD SM (Bron, F/Kanada) "optischer 3D Scanner"? Procera Saphir- Nobel Biocare Deutschland GmbH (Köln, D/USA) +/- 10 µm Meßsonde WOL-CERAM WDT-Wolz-Dental-Technik GmbH (Ludwigshafen, D) Punkt-Laser ca. +/- 50 µm Tabelle 1: Übersicht über Form der Datenerfassung aktuelle CAD/CAM-Systeme 4. CAD - Konstruktion des Zahnersatzes entsprechend zahnmedizinischen Anforderungen Für die Bearbeitung mit einer CNC-Fräsmaschine muss eine NC-gerechte Aufbereitung der Punktewolke erfolgen (Ordnung der Punktewolke, Triangulation, Generierung von Flächenmodellen). Eine entsprechende Software ermöglicht das computergestützte Design der Restauration. In der zahnmedizinisch/zahntechnischen Anwendung wird echtes Computer-Aided-Design der mathematisch schwer fassbaren Formen von Restaurationen zur Wiederherstellung der Kauflächen daher weitgehend durch - das Zurückgreifen auf Bibliothekszähne, 6

7 - die Digitalisierung der klinischen Situation vor der Präparation, der provisorischen Rekonstruktion bzw. eines Situationsmodells, - das Scannen der konventionell in Wachs angefertigten Restauration umgangen. Bei der Erstellung von Kronen- und Brückengerüsten entfällt die Berücksichtigung der okklusalen und approximalen Relation, da die Rekonstruktion nicht am Computer, sondern konventionell mittels der Keramikverblendung des Zahntechnikers entsteht. Im Falle von Brückenkonstruktionen muss die Grundform eines oder mehrerer Brückenglieder und Lage, Form und Größe der Verbinderquerschnitte festgelegt werden. Sofern eine computergestützte Konstruktion der Restauration erfolgt, basieren aktuelle CAD/CAM-Systeme in der Regel auf interaktiver Software. 5. Untersuchungen und Ergebnisse im Rahmen des Projekt Zur Verfügung stehen ein Optisches Dreikoordinaten Meßsystem (ODKM), entwickelt vom Fraunhoferinstitut in Jena und die Software Argus zur Filterung und weiteren Bearbeitung der Datensätze. Die Analyse der Daten erfolgt mit der Software Surfacer der Firma SDRC-Imageware. Das Digitalisiersystem ist ein Prototyp mit Grey-Code-Streifenprojektor und CCD-Kamera mit einem Meßfehler von +/- 10 µm. Mit einem größeren Meßfeld ist die Weiterentwicklung dieses Systems in das digident-system der Firma Girrbach eingegangen. Eine ausreichende Größe des Meßfeldes bei gleichzeitig kleinem Meßfehler ist von großer Bedeutung für die Präzision eines CAD/CAM-Systems, da der beim Zusammensetzen einzelner Punktwolken entstehende Fehler sich im Mittel nicht unter 100µm senken läßt und somit unannehmbar groß ist. (Angestrebter maximaler Fehler in einer zahnmedizinischen Restauration µm, realer klinischer Fehler 100 bis 200µm). Analysiert werden und wurden die Parameter zur Fehlerminimierung bei der Zuordnung verschiedener Punktewolken in ein gemeinsames Koordinatensystem (z.b. für Ober- und Unterkiefer in Okklusion, Zentrisches Registrat) und die optimale Datendichte (Anzahl der notwendigen Punkte einer Punktewolke/ eines Datensatzes). Eine Möglichkeit zur Überprüfung der 3D-Paßgenauigkeit von Zahnmedizinischen Restaurationen wurde entwickelt. Diese Analysemöglichkeit in Kombination mit der Replika-Technik wird zur Zeit 7

8 im Rahmen einer zahnmedizinischen Dissartation mit elektronenmikroskopischen Randspaltmessungen verglichen. Abbildung 4: CAD-Modell Ober- und Unterkiefer in okklusaler Zuordnung (Ansicht von der Unter- und Oberseite des Modells) Mit dem bisher vorhandenen Prüfmodell eines oberen Eckzahns sind nur Einzelkronenprüfungen möglich. Das neu entwickelte Prüfmodell welches von Frau Dr. Schöne vorgestellt wird, ermöglicht die Überprüfung von Werkstoffeigenschaften, Molarenkronen und dreigliedrigen Brücken unter Berücksichtigung der Okklusion. 8

9 Abbildung 5: CAD-Modell Ober- und Unterkiefer in okklusaler Zuordnung (Isometrische Ansicht)Ende Vortrag Fr. Rudolph 9

10 6. Modellierungsmöglichkeiten von Einzelzähnen anhand von Digitalisierdaten Triangulation von Digitalisierdaten (Vernetzung) Algorithmen und Softwarelösungen zur Triangulation von Digitalisierdaten werden von zahlreichen Softwarehäusern angeboten. Dieses Modellierungsverfahren bietet die Möglichkeit weitgehend automatisiert eine computergerechte Oberflächenbeschreibung zu erhalten. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass auch hinterschnittbehaftete Oberflächen vollständig beschrieben werden können. Als wesentliche Voraussetzung für die Anwendbarkeit der Methode ist aber eine ausreichend dichte Beschreibung der Oberfläche durch Punkte zu nennen; Löcher in der Punktewolke führen bei der Triangulation zu unerwünschten Löchern in der Oberflächenbeschreibung. Durch eine geeignete Wahl der Steuerparameter bei der Triangulation kann dieser Erscheinung begegnet werden. Abb 6.: Digitalisierter und triangulierter Molar, im Bereich der Fissuren sind Löcher in der Punktewolke erkennbar Modellierung mit Splineflächen Eine weitere Modellierungsmöglichkeit stellt die Splineinterpolation dar. Hierbei wird die Zahnoberfläche auf der Basis der Digitalisierpunkte zunächst als unberandete Splinefläche interpoliert (Abb. 7). Das nachfolgende trimmen der unberandeten Splinefläche erfolgt gegenwärtig anhand von interaktiv generierten Randkurven des Zahnes. Dieses Vorgehen setzt eine weitgehend hinterschnittsfreie Punktewolke voraus (Abb.4 und Abb. 5). Liegen hinterschnittbehaftete Punktewolken vor, so ist eine Segmentierung der Punktewolke und folglich auch der Splineflächen zu vollständigen Beschreibung der Zahnoberfläche erforderlich Eine sinnvolle Segmentierung der Oberfläche zu erreichen und Berandungskurven automatisch zu generieren, ist Gegenstand laufender Untersuchungen. 10

11 Abb 7: Unberandete interpolierte Splinefläche auf der Basis der Digitalisierpunkte 7. Überführung eines CAD-Modells des Ober- und Unterkiefers in eine fertigungsgerechte Konstruktion für das Fräsen eines Prüfmodells Ausgangspunkt Ausgangspunkt bilden die Splineflächen der Einzelzähne des Ober- und Unterkiefers, die in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen (Abb. 5). Dieses CAD-Modell der Einzelzähne in einem gemeinsamen Koordinatensystem wird durch Interpolation von Splineflächen auf der Basis von Punktewolken gewonnen. Eine Punktewolke beschreibt einen Einzelzahn nur teilweise, d.h. der Bereich der Zahnzwischenräume wird nur unvollständig beschrieben (Abb. 2 und Abb. 3). Dadurch beschreiben die interpolierten Flächen die einzelnen Zähne auch nur in der Umgebung der Kauflächen exakt. Konstruktive Anforderungen an das Prüfmodell Es existieren im allgemeinen Kontaktpunkte zwischen den einzelnen Zähnen. Sind keine Kontaktpunkte vorhanden, so ist der Abstand zwischen benachbarten Zähnen oft < 1 mm. Eine Fräsbearbeitung des Ober- und Unterkiefers aus einem Block entfällt aufgrund des nutzbaren Durchmessers des Fräswerkzeuges. Für das Prüfmodell wird auf eine partielle Fertigung durch Fräsen einzelner Zähne des Ober- und Unterkiefers orientiert. Die Einzelzähne werden dann auf einer gemeinsamen Grundplatte fixiert. Zu diesem Zweck gilt es eine fertigungsgerechte Konstruktion durchzuführen. Das nach diesem Vorgehen gewonnene CAD-Modell soll gleichzeitig für die Herstellung mittels Rapid Prototyping 11

12 geeignet sein. Die Herstellung mittels Rapid Prototyping ist aufgrund der Komplexität der geometrischen Gestalt für Anschauungszwecke recht sinnvoll. Ein wasserdicht beschriebenes CAD-Modell ist danach erforderlich. Vorgehen Anhand des Zahnbogens wird eine Grundplatte im XY-Koordinatensystem konstruiert mit einer Dicke von ca. 5 mm. Diese Platte wird mit definierten Bohrungen versehen. Diese Bohrungen müssen betrachtet in der XY-Ebene, genau im Bereich eines Zahnes liegen. Zusätzlich werden Federn konstruiert auf die dann die Einzelzähne durch eine eingebrachte Nut geschoben werden Durch die Bohrung und die Nut-Feder-Konstruktion ist die Lage jedes Zahnens auf der Grundplatte eindeutig festgelegt. In Abbildung 8 ist die Grundplatte für den Unterkiefer mit den Bohrungen für die Zähne 47 und 46 dargestellt. Abb. 8: Grundplatte mit Federn und Bohrungsmittelpunkten für Befestigung der Zähne 46 und 47 Hilfsflächen an jeden Zahn anbringen Die als CAD-Modell beschriebenen Einzelzähne haben keinen Kontakt zur Grundplatte (Abb. 9) Dieser Kontakt wird durch die Konstruktion von Hilfsflächen hergestellt. Dafür wird die Berandungskurve jedes einzelnen Zahnes auf die Grundplatte projiziert. Die Hilfsfläche wird nun als LoftSurface aus 2 Berandungskurven oder durch eine Verlängerung der Berandungskurve zur Grundplatte generiert. 12

13 Abb. 9: Grundplatte mit Einzelzähnen in einem gemeinsamen Koordinatensystem Abb. 10: Konstruktion der Hilfsflächen als LoftSurface Konstruktion der Federn mit Löchern für die Befestigung auf der Grundplatte Eine Befestigungsschiene (Feder) wird zu jedem Zahn konstruiert (Abb. 11). Diese Schiene steht im Zusammenhang mit der Grundplatte und wird auch gemeinsam mit dieser aus einem Stück gefräst. In jeder Befestigungsschiene wird ein Loch konstruiert. Im gleichen Koordinatensystem erfolgt die Konstruktion der Löcher und der Nuten in den Einzelzähnen. 13

14 Abb. 11: Einzelzähne des Oberkiefers mit Feder und Bohrung zur Befestigung 8. Fräsbahngenerierung und Fräsen des Prüfmodelles Analyse des CAD-Modells Für die Fertigung des Prüfmodells durch Fräsen ist eine Analyse der generierten Splineflächen erforderlich. Die Analyse betrifft zwei Aspekte Hinterschnitte in den Splineflächen Kleinster Innendurchmesser auf der Splinefläche. Die Ermittlung der Hinterschnitte dient der Entscheidung zur notwendigen Fräseranstellung beim Fräsen. Hinterschnittbehaftete Oberflächenbereiche können durch 3-Achsfräsen nicht hergestellt werden. Aus diesem Grunde wird bei hinterschnittbehafteten Oberflächen mit einer angestellten Werkzeugachse gearbeitet. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Hinterschnittbetrachtung für das Prüfmodell enthalten. 14

15 Zahn-Nr Oberkiefer Hinterschnitte Zahn-Nr Oberkiefer Hinterschnitte 17 N 27 N 16 N 26 N N 14 J 24 N 13 J 23 J 12 J 22 J 11 J 21 J Zahn-Nr. Unjterkiefer Zahn-Nr. Unterkiefer 37 N 47 N 36 N 46 N 35 N 45 N 34 J 44 J 33 J 43 J 32 J 42 J 31 J 41 J Tabelle 2: Ergebnisse der Hinterschnittsermittlung Abb 12: Hinterschnitte am 21 (rote Bereiche) Die Untersuchungen zur Ermittlung der kleinsten Innenradien der Oberfläche dienen der Festlegung des möglichen Fräserdurchmessers. In Abbildung 13 werden für den Zahn 12 die kritischen Oberflächenbereiche mit dem Hinweis auf den nutzbaren Fräserradius verdeutlicht. 15

16 Abb 13: Ergebnisse zur Fräserdurchmesserermittlung, maximal zulässiger Werkzeugradius =0.329 Fräsbahngenerierung Die Fräsbahngenerierung erfolgt anhand der CAD-Daten im IGES-Format mittels der CAM- Software GIBcam. Zunächst erfolgt die Generierung der Schruppbahnen und danach der Schlichtbahnen. Aufgrund von Erfahrungen, die anhand von bisherigen Fräsversuchen an einem Einzelstumpf gewonnen wurden, können folgende Parameter angewendet: Schruppen: Ebenenschruppen d=4 mm Ebenenabstand 1 mm Aufmaß 0.5 mm Schlichten: Höhenlinienfräsen d= 1 mm Ebenenabstand 0.25 mm Aufmaß 0 mm 16

17 Fertigung der Einzelzähne des Prüfmodells Die Festlegung des Programmnullpunktes für jeden Einzelzahn erfolgt anhand der konstruierten Nut-Feder in Verbindung mit der Bohrung. Die Fertigung in Modellwerkstoff erfolgt auf einer Modellfräsmaschine. Das Prüfmodell wird in einen hochfesten Werkstoff auf einer MAHO800C gefräst. Als Werkstoff ist hochfestes Aluminium vorgesehen. Für die präparierten Zahnstümpfe wird Edelstahl verwendet. 9. Zusammenfassung und Ausblick Die Herstellung von zahnmedizinisch-prothetischen Restaurationen mit funktioneller Kaufläche ist Gegenstand intensiver Forschung. Bei der Arbeit mit Computern ist die Verwendung von elektronischen Kiefergelenksregistrierungsdaten zwar naheliegend, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit jedoch nicht universell einsetzbar. Hier gilt es, praktikable und wirtschaftliche Alternativen sowohl für die statische als auch die dynamische Okklusion zu finden. Eine weitere Herausforderung ist es, die anhand idealer Geometrien gewonnenen Erkenntnisse auf reale Geometrien wie sie in der täglichen zahnärztlichen Praxis entstehen zu übertragen. Im Rahmen des Projekts soll weiterhin die Entwicklung schädigungsarmer Technologien für die Bearbeitung keramischer und metallischer Werkstoffe erfolgen. 17