7 Technik der Zukunft?

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1 Generative Fertigungsverfahren im Dentalbereich 7 Rapid Prototyping Ein Beitrag von Zt. Josef Schweiger, Dipl. Ing. Dr. Kurt-Jürgen Erdelt, Dr. med. dent. Florian Beuer, Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der Universität München Im vorliegenden Beitrag stellen die Autoren die verschiedenen Möglichkeiten der generativen Fertigungsverfahren vor. Hierbei wird, im Gegensatz zur CAD/CAM-, Material aufgebaut nicht abgetragen. Die Funktionsweisen der unterschiedlichen Methoden werden aufgezeigt und die Anwendbarkeit in Zahnmedizin und Zahntechnik geprüft. Indizes: Gerüstherstellung Fertigungsverfahren Rapid Prototyping Stereolithographie Lasersinterverfahren Lasergenerieren Extrusionsverfahren 3D-Drucken Einleitung War der dentale Guss die über Jahrzehnte praktizierte zur Herstellung von Gerüsten in der festsitzenden Prothetik, sieht man von der schichtweisen Sinterung der Jacketkrone einmal ab, werden heute sowohl in der Metall- als auch in der Keramiktechnik Gerüste mittels CAD/ CAM-Frästechnik gefertigt. Dabei werden die Werkstücke aus industriell hergestellten Rohlingen herausgearbeitet. Die Hauptnachteile liegen in den zum Teil sehr langen Fräszeiten und der Materialverschwendung, da ein Großteil des Rohlingmaterials als Frässtaub verworfen wird. Daher haben auch generative Fertigungsverfahren (Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing) im Dentalbereich Anwendung gefunden. Das prominenteste Beispiel hierfür ist das Lasersinterverfahren der Firma BEGO-Medical. Die Vorstellung dieses Systems sorgte im November 2002 für großes Aufsehen [5] und die einhellige Meinung der Fachleute bescheinigte dieser Verfahrenstechnik enormes Potenzial [3, 7]. Dieser Artikel gibt eine Übersicht über die derzeit gängigen generativen Fertigungsverfahren. Die Funktionsweisen werden im Grundprinzip [9] erläutert, anhand praktischer Beispiele wird die Anwendbarkeit in Zahntechnik und Zahnmedizin aufgezeigt und diskutiert. Aufgrund des stark wachsenden Marktes und ständig neuer Entwicklungen von verschiedenen Rapid Prototyping- Maschinen werden nur die nach Meinung der Autoren wichtigsten Vertreter besprochen. Die Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Zt. Josef Schweiger Jahrgang 1963 Leiter des zahntechnischen Labors an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der Ludwig-Maximilians-Universität München 1983 Abitur 1984 bis 1988 Ausbildung zum Zahntechniker, Dentallabor Singer, Traunstein 1989 bis 1999 Tätigkeit in verschiedenen Dentallabors im Chiemgau, Schwerpunkt Edelmetall, Keramik und Kombitechnik seit 1999 Laborleiter an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik in München Arbeitsschwerpunkte: Vollkeramik, CAD/CAM-Technologie Universität München Dipl. Ing. Dr. Kurt-Jürgen Erdelt Jahrgang: Berufsausbildung als KFZ-Schlosser Berufsaufbauschule Berufsoberschule in Scheyern PZ-Schlosser bei der Bundeswehr Studium der Luft und Raumfahrttechnik an der TU München EDV-Systemtechniker seit 1995 Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München, Arbeitsschwerpunkte: CAD/CAM, Finite Elemente Methode (FEM), Rapid Prototyping, Material- und Werkstoffprüfung 2003 Promotion: rer. biol. hum. Thema: Entwicklung einer integrierten, datenbankgestützten Entwicklungsumgebung (CAD/FEM) zur Berechnung und Design von vollkeramischen Brücken Dr. Florian Beuer Jahrgang Studium der Zahnheilkunde an der LMU München Assistent in freier Praxis seit Mitarbeiter an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München (Direktor: Prof. Dr. Dr. h.c. W. Gernet) 2002 Promotion, Themenbereich: vollkeramische Versorgungen seit 2004 Oberarzt Das Prinzip Allen generativen Fertigungstechniken liegt die Tatsache zugrunde, dass Material additiv aufgebaut wird, im Gegensatz zu den am Markt befindlichen CAD/CAM-Frässystemen, welche subtraktiv arbeiten, das heißt, welche Substanz abtragen. dental-labor, LII, Heft 7/

2 Verfahrenstechnik 7 Rapid Prototyping Es werden dabei mehrere Anwendungsbereiche unterschieden, wobei neben dem Rapid Prototyping dem Rapid Tooling ( generativer Werkzeugbau ) beziehungsweise dem Rapid Manufacturing ( generative Serienfertigung ) Informationen für den Bau stammen aus 3D-Volumenmodellen, welche durch 3D- Scanner [10] oder CAD-Programme (z. B. Solid Works) erzeugt werden. Das Dateiformat ist üblicherweise das STL-Format (Stereolithogra- Fehler aufweisen, hat die Firma Materialise (Leuven, Belgien) ein Reparaturprogramm (Magics) für STL-Files entwickelt. Damit können nahezu alle Arten von Fehlern in 3D-Datensätzen behoben werden (Abb. 3). Abb. 1 Darstellung eines Brückengerüstes durch kleine Dreiecke (STL-Format) zukünftig die größte Bedeutung zukommen wird [1, 13]. Beinahe alle industriell relevanten RP-Verfahren arbeiten schichtweise, das heißt, das dreidimensionale Bauteil entsteht durch Aufeinanderlegen einzelner zweidimensionaler Schichten (X-Y-Ebene). Je nach Dicke der einzelnen Schichten entsteht in Baurichtung (Z-Richtung) ein mehr oder minder stark gestuftes Bauteil. Je dünner die Schichten sind, desto geringer ist diese Treppenbildung. Die Abb. 2 Sekantenfehler bei Darstellung eines Kreises durch 4 (f/4), 8 (f/8) oder 16 Geradenabschnitte (f/16) phieformat, ursprünglich Standard Transformation Language) [1]. Dabei wird die Oberfläche durch kleine Dreiecke beschrieben (Abb. 1). Die Annäherung der exakten Kontur durch Dreiecke führt immer zu Ungenauigkeiten, die umso geringer sind, je größer die Anzahl der Dreiecke ist, das heißt, je kleiner die Dreiecke gewählt werden (Abb. 2). Neben dem STL-Format gibt es zum Beispiel noch SLC-, DXF- und HPGL-Files sowie andere Dateiformate, welche dreidimensionale Volumendaten erstellen [11]. Da Datensätze, die mit 3D-Scannern gewonnen werden, meistens Die so korrigierten Oberflächendaten werden mathematisch in gleiche Schichten zerlegt, man nennt diesen Vorgang Slicen. Es entstehen dadurch Schnittlinien, die am anschaulichsten mit der Wasserlinie eines Schiffsrumpfes zu vergleichen sind (Abb. 4). Anschließend werden diese Schnittebenen durch generative Verfahren schichtweise aufeinandergebaut. Die beschriebene Herstellung der Volumenmodelle kann durch unterschiedliche physikalische Verfahren erreicht werden: Polymerisation flüssiger Substanzen (z. B. Stereolithographie) Generierung aus der festen Phase (z.b. Lasersintern von pulverförmigen Stoffen) Abscheiden aus der Gasphase. Industriell bedeutsame RP-Verfahren 1. Stereolithographie 2. Lasersinterverfahren 3. Lasergenerieren 4. Extrusions-Verfahren (FLM, FDM) 5. 3D-Drucken (Three Dimensional Printing, 3DP) 6. Schicht-Laminat-Verfahren (Layer Laminate Manufacturing, LLM) Abb. 4 Schnitt durch ein dreigliedriges Brückengerüst (entspricht einer Bauebene aus dem geslicten STL-Datensatz) Abb. 3 Reparatur von so genannten bad edges, eines 3D-Datensatzes mit dem Programm Magics von der Firma Materialise 1110 dental-labor, LII, Heft 7/2004

3 Abb. 5 Funktionsprinzip der Stereolithographie (Quelle: Prof. Dr. Ing. Franz Josef Villmer, FH Lippe und Höxter) Rapid Prototyping 7 Die Verfahren 1. bis 5. werden im Folgenden besprochen. Das LLM ist nach dem jetzigen Stand der auf Zahnmedizin und Zahntechnik nicht anwendbar und wird hier deshalb nicht erläutert. Stereolithographie Die Stereolithographie (SL), (Abb. 5) war das erste der industriell angewendeten RP- Verfahren. Das Prinzip beruht auf der punktweisen Verfestigung eines Harzbades mit Hilfe eines Laser-Scanner-Beleuchters. Als Materialien werden Epoxidharze und Acrylate verwendet, wobei die Polymerisationsschrumpfung von Epoxy 0,06 Prozent beträgt, hingegen Acrylate eine Schrumpfung von 0,6 Prozent aufweisen [1]. Mit Hilfe des Laserstrahls werden dabei die geslicten Daten auf die Harzoberfläche projiziert, daraufhin verfestigt sich das Harz. Im nächsten Schritt wird das Bauteil um eine Schichtstärke im Bad abgesenkt und eine neue glatte Harzschicht über dem Bauteil aufgetragen. So entsteht schichtweise von unten nach oben das dreidimensionale Modell, welches vorher mit Hilfe eines CAD-Programms entworfen wurde. Als Beispiel für ein Stereolithographiegerät ist der sogenannte Stereolithographie Apparatus (SLA 5000 und SLA 7000) der Firma 3D Systems (Valencia, CA) zu nennen. Es sind dabei Mindestschichtdicken ab 0,0254 mm (=25 µm) möglich. Mit Stereolithographie erstellt man heute Prototypen, Urmodelle für den Feinguss sowie Konzept- und Präsentationsmodelle. Als Strahlquelle dient ein Nd:- YV04-Festkörperlaser. In der Zahnmedizin findet die Stereolithographie derzeit in mehreren Bereichen Anwendung. In der Kiefer- und Gesichtschirurgie werden Skelettmodelle des Schädels für eine verbesserte Operationsplanung angewendet [12]. In der Implantologie können Implantatbohrschablonen (SurgiGuide-Bohrlehren) (Abb. 6) hergestellt werden, welche ebenfalls mittels Stereolithographie generiert werden (Simplant von Materialise). Beide Anwendungen basieren auf der Grundlage von CT-Daten. Die Firma DeltaMed GmbH (Friedberg) arbeitet derzeit an einer Stereolithographieanlage (Perfactory), welche dentale Restaurationen aus lichtempfindlichem Kunststoff für den Feinguss aufbaut [12]. Lasersinterverfahren Beim Lasersintern (Abb. 7) werden keine flüssigen Werkstoffe verfestigt, sondern diese Fertigungstechnik arbeitet mit Pulvern. Die einzelnen Pulverkörnchen werden mit Hilfe des Laserstrahles anoder aufgeschmolzen. Auch dieses Verfahren beruht im schichtweisen Aufbau des Bauobjektes in Z-Richtung. Das Pulver wird aus einem Vorratsbehälter mittels Glättungswalze oder Wischersystem schichtweise über die Bauplattform gezogen und dort mit dem Laserstrahl verschmolzen. Nach diesem Schritt senkt sich die Bauplattform in Z-Richtung ab, das Wischersystem beginnt erneut mit der Pulverbeschickung. Als Materialien sind derzeit im Lasersinterverfahren folgende Stoffe verwendbar: Abb. 6 Die SurgiGuide- Implantatbohrschablone wird mittels Stereolithographie hergestellt Abb. 7 Funktionsprinzip des Lasersinterns (Quelle: Prof. Dr. Ing. Franz-Josef Villmer, FH Lippe und Höxter) dental-labor, LII, Heft 7/

4 Verfahrenstechnik 7 Rapid Prototyping Kunststoff: Zum Beispiel Polyamid für Funktionsprototypen (Abb. 8), Polystyrol für Modelle zum Feinguss. Metalle: Metallpulver mit Binderzusätzen (z. B. DirectSteel von der Firma EOS, Krailling) sowie die einkomponentigen Metallpulver von Titan, CoCr- Mo, Edelmetallen (BEGO Medical, Bremen) sowie Edelstahl, Werkzeugstahl und auch Aluminium (MCP HEK, Lübeck, und Trumpf, Ditzingen) (Abb. 9 bis 11). Abb. 9 Dreidimensionale CAD- Konstruktion eines Zahnstumpfes für Bruchversuchsmodelle Abb. 8 Aus Polyamid gebauter Funktionsprototyp (man beachte die Treppenbildung in Z-Richtung) Abb. 10 Bau des Zahnstumpfes in Metall mittels Direktem Metall-Lasersintern (DMLS, Fa. EOS, Krailling) Abb. 11 Derselbe Zahnstumpf gebaut durch Selektives Laser Melting = SLM (Fa. MCP-HEK Tooling, Kaarst) Formsand für Gussformen: Zum Beispiel für den Guss mit Magnesium, Aluminium, hochlegiertem Stahl und Grauguss. Als Laserstrahlquelle kommen je nach Anwendung CO 2 -Laser mit einer Leistung von 50 Watt beim Kunststoffsintern und bis zu 250 Watt beim Sintern von reinen Metallpulvern (z. B. Aluminium) zum Einsatz. Die Anwendung der hier dargestellten Fertigungstechnik ist im zahnmedizinischen Bereich durch die Firma BEGO Medical [3, 5, 7] bereits realisiert worden (Abb. 12 bis 14). Abb. 12 Dreigliedriges VMK-Brückengerüst aus CoCrMo, welches durch das Lasersinterverfahren der Firma BEGO Medical hergestellt wurde Lasergenerieren Das Lasergenerieren entstammt dem Laser-Beschichten (auf Pulver basierend) und dem Laserauftragschweißen (auf Draht basierend). Das Baumaterial wird ebenfalls schichtweise aufgetragen, wobei dieses in Pulverform über entweder außeraxial oder koaxial angeordnete Düsen in den Fokusbereich des Laserstrahles gefördert und dort aufgeschmolzen wird. Das Fördergas hat dabei sowohl die Transportfunktion als auch die Funktion eines Schutzgases zu erfüllen. Für den Schmelzvorgang wird beim LENS-Verfahren (Fa. Neotech Services MTP, Nürnberg) ein Nd:YAG-Laser verwendet dental-labor, LII, Heft 7/2004

5 Rapid Prototyping 7 Abb. 13 Ansicht desselben Gerüstes von basal In der medizinischen Anwendung werden derzeit folgende Materialien verwendet: Reintitan, Titanlegierungen (Ti-6Al 4V) CoCr-Legierungen Stainless Steel Derzeit beträgt die Mindestwandstärke von Bauteilen, die mit dem LENS-Verfahren hergestellt wurden, zirka 1,0 mm. Da die Wandstärken für keramisch verblendete Kronen- und Brückengerüste zwischen 0,3 und 0,5 mm liegen sollten, ist das Verfahren momentan noch nicht für zahntechnische Anwendungen geeignet. Laut Herstellerangaben soll es aber zukünftig möglich sein, mit Hilfe eines feiner fokussierten Laserstrahles grazilere Wandstrukturen bauen zu können. Extrusionsverfahren Fused Layer Modeling (FLM) beziehungsweise Fused Deposition Modeling (FDM), von der Firma Stratasys (Minneapolis, Minnesota) geschützte Verfahrenstechnik (Abb. 15) Dieses Verfahren modelliert die Form durch Schmelzauftrag. Dabei werden drahtförmige, thermoplastische Kunststoffe in einer beheizten Düse geschmolzen und durch entsprechende Ansteuerung in X-Y-Richtung gezielt auf das Bauteil aufgeschmolzen (Abb. 16 und 17). Nach dem Beschichten einer Bauebene wird die Grundplatte um eine Schichtdicke abgesenkt (Z- Richtung) und der Auftragprozess beginnt mit der nächsten Schicht. Durch dieses Verfahren können Teile für den Feinguss hergestellt werden (Abb. 18). Die Maschinen können in Büroumgebung aufgestellt werden, sie arbeiten ohne Laser. Derzeit können folgende Materialien verwendet werden: ABS (P 400) = Acrylnitril- Butadien-Styrol für technische Funktionsmuster und Modelle für den Feinguss ABSi (P 500) = Methylmetacrylat-Acrylnitril-Butadien-Styrol für medizinische Zwecke, da gammasterilisierbar Polycarbonat (PC) für Funktionsteile im direkten Einsatz, da das Material hohe Zug- und Biegefestigkeiten aufweist Polyphenylensulfon (PPSU), dieser Hochleistungskunststoff ist temperaturbeständig bis 189 C, chemisch resistent unter anderem gegen Säuren und sterilisierbar, so dass sich das Material für Prototypen in der medizinischen Anwendung eignet. Das Supportmaterial (für gegebenenfalls notwendige Stützstruktur) geht mit dem Bauteil keine Verbindung ein, so dass dieses leicht und ohne Beschädigung des Modells entfernt werden kann. Die Schichtdicke reicht von 0,18 mm (= 180 µm) beim Prodigy bis zu 0,12 mm (= 120 µm) beim FDM Maxum. Die Bauteilgenauigkeit liegt im Bereich von +/- 0,1 mm (= +/- 100 µm), so dass dieses Verfahren derzeit für eine zahnmedizinische Anwendung noch zu ungenau ist, da üblicherweise Randspaltgenauigkeiten von < 50 µm gefordert werden. 3D-Drucken Das dreidimensionale Drucken (Three Dimensional Printing) (Abb. 19) wird von mehreren Herstellern angeboten. Da sich die einzelnen Verfahren in ihrer Funktions- Abb. 14 Man beachte die sehr gute Randpassung auf dem Arbeitsmodell Abb. 15 Funktionsprinzip des Extrusionsverfahrens (Quelle: Prof. Dr. Ing. Franz-Josef Villmer, FH Lippe und Höxter) dental-labor, LII, Heft 7/

6 Verfahrenstechnik Abb. 16 Versuchsweise gebaute Teleskoptertiärstruktur mittels Extrusionsverfahren Abb. 17 Das gleiche Brückengerüst nach der gusstechnischen Umsetzung in eine NEM- Legierung. Deutlich zu erkennen ist die schichtweise Strukturierung des Gerüstes. Abb. 18 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kroneninnenseite. Auch hier erkennt man deutlich die einzelnen Schichten aus dem thermoplastischen Drahtmaterial. weise stark unterscheiden, werden diese jeweils einzeln dargestellt. a) Modelmaker 2 Sanders Prototype Inc. Bei diesem Verfahren (Abb. 20) wird schmelzflüssiges Material durch einen Druckkopf tröpfchenweise aufgetragen. Nach jedem Schichtauftrag wird mittels einer Fräsvorrichtung die vertikale Dimension auf gleiches Niveau plangeschliffen. Die eigentliche Konstruktion erfolgt mit Hartwachs (grün), die Stützkonstruktion wird mit niedrigschmelzendem Wachs (rot) erstellt (Abb. 21). Das Supportmaterial wird nach dem Bau mittels Lösungsmittel entfernt. Das System zeigt sehr hohe Genauigkeiten. Die Schichtdicke beträgt 0,013 mm (= 13 µm), die Genauigkeit in X-Y- Z-Richtung beträgt +/- 0,03 mm (= +/- 30 µm). Die Mindestwandstärke beträgt 0,20 mm (= 200 µm). Die erstellten Wachsmodelle sind für die Weiterverarbeitung im Feingussverfahren problemlos geeignet (Abb. 22 und 23). Da die Bauzeiten für die Wachsgerüste derzeit sehr lange sind (mehrere Stunden pro Brückengerüst), ist der wirtschaftliche Einsatz derzeit noch nicht gegeben. In 24 Stunden können laut Herstellerangabe je nach Größe 12 bis 24 Einzelkronen gebaut werden. b) Solidscape T 66, T 612 Solidscape Inc. (Merrimack, New Hampshire) Das Grundprinzip entspricht dem des Modelmaker 2. Die Solidscape T66- (Abb. 24) und T612-Systeme bestehen aus einem präzisions-servo-angetriebenen Plotter mit doppeltem Versorgungssystem, einem in der Z-Achse verstellbaren Tisch, auf dem das Modell gebaut wird, einem temperaturgesteuerten Materialdepot sowie einem vorgeheizten Zuliefersystem. Abb. 19 Funktionsprinzip des 3D-Druckens (Quelle: Prof. Dr. Ing. Franz-Josef Villmer, FH Lippe und Höxter) 1114 dental-labor, LII, Heft 7/2004

7 Die Schichtdicke reicht beim Solidscape T 66 von ca. 0,076 mm (= 76 µm) bis ca. 0,025 mm (= 25 µm), so dass auch auf schrägen Flächen eine ausgezeichnete Oberflächenqualität erreicht werden kann (Abb. 25 bis 28). Die Mindestwandstärke beträgt 0,254 mm (= 254 µm). Rapid Prototyping Abb. 20 Der Bauraum des Modelmaker 2 7 Abb. 21 Die Ausgangswachse beim Modelmaker 2: grün = Konstruktionswachs, rot = Stützwachs c) Incjettechnologie Polyjet Bei diesem Verfahren der Firma Objet (Rehovot, Israel) werden die dreidimensionalen Modelle aus Photopolymerharz aufgebaut, wobei zwei verschiedene Harztypen für das Modell und die Stützstruktur verwendet werden. Das Supportmaterial kann nach dem Bau unter dem Wasserstrahl entfernt werden (Abb. 29). Eine spezielle Wasser- Hochdruckreinigungsanlage erleichtert diesen Vorgang erheblich. Die Incjeteinheit spritzt Schicht für Schicht des Photopolymerharzes auf, jede einzelne Schicht wird nach dem Abb. 22 Mit dem Modelmaker 2 gebautes Brückengerüst in Wachs Abb. 23 Gusstechnische Umsetzung der Brücke in Edelmetall (Degunorm, Fa. DeguDent) Auftrag durch UV-Licht vollständig gehärtet. Das Ergebnis zeigt auch in Z-Richtung nur eine geringe Treppenbildung (Abb. 30). Die Schichtdicke beträgt 0,016 mm (= 16 µm), die Genauigkeit ist in X-Y-Richtung +/- 0,021 mm (= 21 µm). Abb. 24 Blick in den Bauraum des Solidscape T66 Der Bau einer dreigliedrigen Brücke erfolgte in zwei Abschnitten, wobei der erste Teil 26 Minuten dauerte und der zweite Teil 43 Minuten, sodass sich eine Gesamtbauzeit von 69 Minuten ergab. dental-labor, LII, Heft 7/

8 Verfahrenstechnik 7 Rapid Prototyping Abb. 26 Im Vergleich dazu die gleiche Brücke in der CAD-Darstellung Abb. 25 Bau der Versuchsbrücke mittels Solidscape T66 in Feingusswachs Das derzeit verwendete Photopolymerharz für das Modell (Full Cure M) zeigt beim Feinguss aufgrund seines Restaschegehaltes noch unbefriedigende Gussergebnisse. Laut Herstellerangaben gibt es jedoch ein Ausbrennverfahren (Fa. Juma, Ellwangen), mit dem dieses Photopolymerharz ebenfalls rückstandsfrei ausgebrannt werden kann. Größe in Büroumgebung zu betreiben. Die Firma Cynovad [4, 8, 11] verwendet den Thermojet- 3D-Drucker im Rahmen ihres Pro 50 CAD/CAM -Systems für die Zahntechnik. Laut Firma Cynovad (Montreal, Canada) können 150 Einheiten in acht Stunden hergestellt werden, die gleichbleibende Wachsdicke garantiert eine konstante Wandstärke der gegossenen Kronen- und Brückengerüste. Die Bauzeit für ein drei-gliedriges Seitenzahnbrückengerüst für die VMK- (Abb. 32) beträgt zirka 35 Minuten. II. Invision SI2 3D-Drucker Bei diesem Verfahren (Abb. 33) erfolgt der Materialauftrag ebenfalls in MJM-Technologie, das verwendete Baumaterial ist jedoch ein Acryl-Photopolymer. Dieses wird nach dem schichtweisen Auftragen Abb. 27 Die sehr glatte Oberfläche ist auch nach dem Guss gut erkennbar Abb. 28 Gute Passgenauigkeit der Brückenanker auf dem Gipsmodell Abb. 29 Auswaschen des Supportmaterials mittels Wasserstrahl beim Polyjetverfahren der Firma Objet d) Multi-Jet-Modelling (MJM) Patentiertes Verfahren der Firma 3D-Systems (Valencia, CA). I. Thermojet Solid Object Printer Dieser Prototyper (Abb. 31) ist ebenfalls ein 3D-Drucker. Er besitzt in einer Linie angeordnete Mehrfachdruckköpfe, die nach dem piezo-elektrischen Prinzip arbeiten. Das verwendete Material ist ein hartwachsähnliches Thermopolymer (Thermoplast 88 für Gussmodelle). Die Maschine ist aufgrund ihrer geringen durch UV-Licht zwischengehärtet. Es entstehen hochbelastbare Modelle, die aufgrund eines sehr geringen Restaschegehaltes hervorragend für den Feinguss geeignet sind. Die Maschine ist in Büroumgebung zu betreiben. Die Bauzeit für ein dreigliedriges Seitenzahnbrückengerüst für die VMK- (Abb. 34) beträgt zirka 45 Minuten. Die Bauteilgenauigkeit beträgt laut Herstellerangabe in allen drei Achsen zirka +/- 0,100 mm (= +/- 100 µm). Es zeigt sich jedoch bei der Randspaltuntersuchung unter 1116 dental-labor, LII, Heft 7/2004

9 Rapid Prototyping 7 Abb. 30 Unsere Versuchsbrücke aus Photopolymerharz der Firma Objet zeigt eine sehr homogene Oberfläche dem Rasterelektronenmikroskop, dass die erzielbare Genauigkeit im Randbereich deutlich unter diesen Werten liegt (Abb. 35). e) 3D-Printer ZTM 310 Drucker der Firma 4D Concepts GmbH (Groß Gerau) beziehumgsweise Z Corporation (Burlington, MA). Mit diesem System werden Konzeptmodelle und Gussformen nach dem 3D-Printingverfahren hergestellt. Dabei wird im Unterschied zu a bis d jedoch Flüssigkeit in ein Pulverbett eingespritzt, welches an diesen Stellen aushärtet. Der ZTM 310 (Abb. 36) kann die Modelle nebeneinander und übereinander generieren, es wird dabei keine Stützgeometrie benötigt. Die Schichtstärken können zwischen 0,075 mm und 0,25 mm (= 75 µm bis 250 µm) betragen. Unabhängig vom verwendeten Pulverbett wird immer derselbe Binder eingesetzt, so dass kein Wechsel des HP-Druckkopfes notwendig ist. Derzeit sind folgende Materialien als Pulverbett im Einsatz: Stärke-Zellulose-Compound für einfache Modelle Mineralstoff-Polymer-Compound für detailreiche Muster Als neueste Entwicklung wird ein Gips-Keramik- Pulver zur Herstellung von Formen für den Metallguss angeboten. Das so genannte ZTM Cast-Material ist geeignet für NE-und Aluminiumgüsse (Abb. 37). Aufgrund des geringen Detaillierungsgrades ist das Verfahren für zahnärztliche/ zahntechnische Anwendungen derzeit noch nicht geeignet. Schlussbetrachtung Um einen ersten Eindruck von den vorgestellten Verfahrensweisen zu bekommen, haben wir uns von den Herstellern jeweils Bauteile an- Abb. 33 Der Invision 3D- Drucker der Firma 3D-Systems Abb. 31 Der Thermojet- Wachsdrucker (3D-Systems) fertigen lassen. Es ist dabei ganz klar festzustellen, dass bei einem Großteil der Verfahren und beim derzeitigen Entwicklungsstand die Herstellung von Kronen- und Brückengerüsten noch nicht in allen Punkten den Genauigkeitsanforderungen genügt, welche von Seiten der Kliniker zum Beispiel bei der Randspaltgenauigkeit, der Oberflächenqualität und der Dimensionstreue gefordert werden. So sind bei einigen Lasersintersystemen noch Verbesse- Abb. 32 Mit dem Thermojet gebautes Brückengerüst in Wachs Abb. 34 VMK-Testbrückengerüst aus Acryl-Photopolymer, gebaut mit dem Invision 3D-Drucker dental-labor, LII, Heft 7/

10 Verfahrenstechnik Abb. 35 Untersuchung der Passgenauigkeit eines gedruckten Invisiongerüstes unter dem Rasterelektronenmikroskop punkto Bauteilgenauigkeit derzeit nicht die gestellten Anforderungen. Sicherlich wird die Weiterentwicklung dieser Technologien die genannten Mängel größtenteils beheben können. Die hohe Produktivität [7] der generativen Fertigungsverfahren und somit die enorm kostengünstige Herstellung von Bauteilen wird zukünftig die Anwendung solcher Technologien auch im Dentalbereich verstärken [2]. Die Ver- arbeitung moderner Hochleistungswerkstoffe sollte dabei keine unbedeutende Rolle spielen. Korrespondenzadresse: Klinikum der Universität München Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik Zahntechnisches Labor Josef Schweiger Goethestr München Abb. 36 3D-Printer ZTM 310 von der Firma 4D Concepts GmbH, Groß Gerau Abb. 37 Aluminiumguss und die dazugehörige Gussform, welche mit dem 3D-Drucker ZTM 310 der Firma 4D Concepts gedruckt wurde rungen im Bereich der Oberflächen- und Gefügequalität möglich (Abb. 38). Manche der vorgestellten Printsysteme zeigen teilweise Probleme mit der Dimensionstreue. Das im Bericht angesprochene Extrusionsverfahren erfüllt in Abb. 38 Die stereomikroskopische Vergrößerung einer lasergesinterten Kroneninnenseite zeigt deutliche Oberflächenrauhigkeiten. Literaturverzeichnis: 1. Gebhardt, A: Rapid Prototyping, Hanser Verlag, München Luthhardt. R, Rudolph H., Brick E., Quaas S.: CAD/CAM- Technologie 2003: Werkstoffe und deren Bearbeitungen im Fokus der Entwicklung, Zahnarzt und Praxis 7, 1, (2004) 3. Nagel, M., Striezel, R.: Ein neues CAD/CAM-Verfahren: Bego Medifacturing, Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Dentale Technologie e. V., Sindelfingen (2003) 4. New application of Thermojet in digital dentistry. In URL: 5. Redaktionsmitteilung: Im Laser-Schmelz-Verfahren werden Gerüste Schicht für Schicht gebaut, Die Zahnarztwoche, 46/02 6. Redaktionsmitteilung: Künstlicher Knochenersatz maßgeschneidert, Die Zahnarztwoche, 37/03 7. Redaktionsmitteilung: Zahnersatz als Serienprodukt, Die Zahnarztwoche, 46/03 8. Saint Pierre, R (Stand 2002): Getting a competitive edge out of CAD/CAM. In URL: 9. Villmer, F.-J.: Rapid Prototyping Technologien und Innovationen in der Konstruktion, Bielefeld (Juni 2003). 10. Weber, G., Abels, A.: In allen Richtungen offen. Scanner es1 mit universeller Schnittstelle. Pressemitteilung Dental Labor 50, 1231 (2002) 11. Wittkowski, S: Das Pro 50 CAD/CAM System mit Produktionszentren für Fräs-, Schleifund Gusstechnik, Quintessenz Zahntechnik 28, 9, (2002) 12. Wittkowski, S: Stereolithographie und Wachsplotter in der Zahntechnik, Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Dentale Technologie e. V., Sindelfingen (2003) 13. Wohler, T: Wohlers Report 2001, Rapid Prototyping and Tooling state of the art of the industry. Wohlers Associates, Inc. Fort Collins, US dental-labor, LII, Heft 7/2004