Rapid Prototyping Neue Fertigungswege in Zahntechnik und Zahnmedizin

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1 Autor Anwender Status Innovativ Kategorie Verfahrensbeschreibung Rapid Prototyping Neue Fertigungswege in Zahntechnik und Zahnmedizin ZT Josef Schweiger Die automatisierte Herstellung von Zahnersatz [1] hatte Ihre Anfänge bereits in den frühen 1970er Jahren mit den Entwicklungen des Franzosen Dr. Francois Duret, dem Vater der dentalen CAD/CAM Technologie [2]. Einen spürbaren Einfluss dieser Technologie auf die Herstellung von Zahnersatz erlebte die Zahnmedizin und Zahntechnik allerdings erst fast zwei Jahrzehnte später mit der Einführung des CEREC-Systems (Sirona Dental Systems, D-Bensheim) und der damit verbundenen Möglichkeit, keramische Füllungen erstmals chairside herstellen zu können. Aufgrund der Entwicklung moderner oxidischer Hochleistungskeramiken (Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid) setzte sich die CAD/CAM-Technologie Ende der 1990er Jahre endgültig am dentalen Markt durch. Da durch den Substanzabtrag beim Fräs- beziehungsweise Schleifvorgang der größte Teil des wertvollen Materials verloren geht, wird der Fokus zukünftiger Entwicklungen auch auf additive Verfahren gelegt [3]. Diese haben neben einer extrem hohen Produktivität den Vorteil, dass nahezu kein Material verloren geht. Die Technologie CAD/CAM-Verfahren einerseits und RP-Verfahren andererseits durchgesetzt. Das Prinzip des Rapid Prototyping beruht auf dem schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils. Dabei werden zweidimensionale Schichten (X-Y-Ebene) aufeinandergelegt. Je nach Dicke der Schichten entsteht in Baurichtung (Z-Richtung) eine mehr oder minder starke Abstufung des Bauteils. Je dünner die Schichten sind, desto geringer ist diese Treppenbildung [4]. Als Grundlage für den additiven Aufbau von Material dienen dem derzeitigen Industriestandard entsprechende STL-Dateien. Die Abkürzung STL steht für Standard Tesselation Format (Standard Transfomation Language, Stereolithographie Language) [4]. Beim STL-Format werden Oberflächen von Körpern mithilfe von Dreiecksfacetten beschrieben. Dabei ist die Genauigkeit der Darstellung umso größer, je höher der Teilungsgrad der Facetten ist, also je kleiner effektiv die Dreiecke sind (Abb. 1 und 2). Um STL-Daten in RP-Verfahren weiterverarbeiten zu können, müssen diese allerdings mathematisch in Schichten zerlegt werden. Dieser Vorgang wird Slicen genannt (Abb. 3). Es entstehen dadurch Schnittlinien, die am besten mit der Wasserlinie eines Schiffrumpfes zu vergleichen sind. Anhand der geslicten Daten können nun im RP-System die einzelnen Schichten additiv aufeinander gelegt werden. Während bei Verwendung des Begriffs CAD/CAM von den meisten Autoren substanzabtragende Fräsund Schleifsysteme benannt werden, gehören letztendlich auch die additiven Systeme im begrifflichen Sinne zu den CAD/CAM-Systemen. Als Synonym für jene aufbauenden Möglichkeiten werden oftmals die Begriffe Rapid-Prototyping (RP) oder Generative Fertigungsverfahren verwendet. Allerdings hat sich mittlerweile die Differenzierung zwischen Abb. 1: Beschreibung der Oberfläche eines Brückengerüstes mithilfe von Dreiecksfacetten (STL-Format). 36

2 Stereolithographie Abb. 2: Sekantenfehler bei der Darstellung eines Kreises durch vier (f/4), acht (f/8) oder 16 Geradenabschnitte (f/16). Je kleiner die Dreiecke sind, desto exakter entspricht der CAD-Datensatz der wirklichen Form. Das Prinzip der Stereolithograhie beruht auf der punktweisen Verfestigung eines Harzbades mithilfe eines Laserstrahls. An Materialien werden hierbei Epoxidharze und Acrylate verarbeitet. Bei der Stereolithograhie werden mithilfe des Laserstrahls die geslicten Daten auf die Harzoberfläche projiziert, worauf sich das Harz an den belichteten Stellen verfestigt. Im nächsten Schritt wird das Bauteil um eine Schichtstärke im Bad abgesenkt und eine neue glatte Harzschicht über dem Bauteil aufgezogen. Durch dieses Prozedere entsteht schichtweise von unten nach oben ein dreidimensionales Bauteil, welches am Ende des Fertigungsprozesses automatisch aus dem Harzbad herausgehoben wird. Anwendung findet dieses Verfahren beispielsweise bei den Systemen Viper SLA und Viper SLA Pro (3D Systems, D-Darmstadt). Bei diesen Anlagen sind derzeit Mindestschichtstärken von 0,020 mm möglich und es können Teile ab einer Größe von 0,18 mm gefertigt werden. Als Laserstrahlquelle dient ein Nd:YVO 4 - Festkörperlaser. Abb. 3: Das Zerlegen eines Datensatzes in einzelne Schichten wird Slicen genannt. RP-Verfahren in der dentalen Anwendung Folgende RP-Verfahren werden derzeit in Zahnmedizin und Zahntechnik angewendet: Stereolithographie (SL) Lasersinterverfahren (LS, SLS, SLM, DMLS, LaserCUSING) 3D-Drucken (3 DP). Neben den drei genanten Fertigungsvarianten gibt es noch zwei weitere Möglichkeiten, welche allerdings derzeit keinen Ansatz für eine dentale Anwendung bieten. Sie sollten jedoch aus Gründen der Vollständigkeit erwähnt werden: Extrusionsverfahren (FDM) Schicht-Laminat-Verfahren (LOM, LLM). Im Dentalbereich werden Stereolithographie- Verfahren in folgenden Bereichen eingesetzt: Herstellung der Implantatbohrschablone SurgiGuide des SimPlant-Systems (Materialise, BE-Leuven) (Abb. 4). Herstellung von kieferorthopädischen Schienen mit der Invisalign -Methode (Align Technology, US-Santa Clara) (Abb. 5). Herstellung von Kiefermodellen basierend auf 3D-Datensätzen. Abb. 4: Die Herstellung einer SurgiGuide Implantatbohrschablone erfolgt mittels Stereolithographie. 37

3 reiten. Erste Pilotprojekte zeigen hierbei das Potential der Lasersintertechnologie auf (Abb. 7 und 8). Abb. 5: Kieferorthopädische Schienen nach der Invisalign-Methode werden auf stereolithographisch erstellten Modellen tiefgezogen (zu beachten ist die Abstufung in Z-Richtung). Abb. 6: Lasergesintertes Brückengerüst von Zahn 13 auf 23. Lasersinterverfahren Lasersinterverfahren arbeiten nicht mit flüssigen Werkstoffen, sondern mit pulverförmigen Ausgangsmaterialien. Die einzelnen Pulverkörner werden mithilfe des Laserstrahls an- und aufgeschmolzen. Das Herstellungsprinzip entspricht dem anfangs beschriebenen Vorgang, allerdings werden die neuen Pulverschichten jeweils mit Glättungswalze oder einem Wischersystem schichtweise über die Bauplattform aufgezogen. Derzeit werden für das Lasersintern Kunststoffe (z. B. Polyamid), Metalle (z. B. CoCr) und Formsande verwendet. Eine Anwendung für keramische Werkstoffe gibt es derzeit noch nicht. Abb. 7: CAD-Konstruktion eines UK-Modellgussgerüstes. Folgende Formen des Lasersinterns beruhen auf demselben Fertigungsprinzip, unterscheiden sich allerdings im Detail in der Verfahrensweise: Selektives Laser Melting (SLM) Laser CUSING Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Selektives Laser Sintern (SLS). Im Dentalbereich bieten mehrere Fertigungszentren die Herstellung von Kronen und Brücken aus Metall im Lasersinterverfahren an (Abb. 6). Hier wären beispielsweise die Fertigungszentren Compartis (DeguDent, D-Hanau) und infinident (Sirona Dental Systems), das Bego Medifacturing (Bego, D-Bremen) und das rapidpro-system von Hint-ELs (D-Griesheim) zu nennen. Grundsätzlich sollte auch die Herstellung von Modellgussgerüsten bei Entwicklung einer geeigneten Software keine größeren Schwierigkeiten be- Abb. 8: Basale Ansicht eines im Lasersinterverfahren hergestellten UK-Modellgussgerüstes. 3D-Drucken Das dreidimensionale Drucken wird im Dentalbereich bereits von mehreren Herstellern angeboten. Grundsätzlich können drei Varianten unterschieden werden: Wachsdrucken Kunststoffdrucken Pulverbettdrucken. 38

4 Dreidimensionales Wachsdrucken Hierbei wird schmelzflüssiges Material durch einen Druckkopf tröpfchenweise aufgespritzt und nach jedem Schichtauftrag mittels einer Fräsvorrichtung in der vertikalen Dimension auf gleiches Niveau plangeschliffen. Um Verzüge des Bauteils zu vermeiden, wird neben der eigentlichen Bauteilgeometrie zusätzlich Stützmaterial aufgetragen. Am Ende des Herstellungsprozesses ist dieses einfach zu entfernen. Die mittels Wachsdrucker gebauten Formen (Abb. 9 und 10) können ohne weitere Behandlung direkt dem Lost-Wax-Verfahren zugeführt und so über die herkömmliche Gusstechnik in Metall umgesetzt werden. Abb. 9: CAD-Konstruktion eines dreigliedrigen Seitenzahnbrückengerüstes. in Z-Achse verstellbaren Tisch, auf dem das Modell gebaut wird, einem temperaturgesteuerten Materialdepot sowie einem vorgeheizten Zuliefersystem. Die Mindestschichtstärke bei T66 Benchtop beträgt derzeit circa 0,013 mm (entspricht 13 µm), die Mindestwandstärke 0,254 mm (entspricht 254 µm). Im Dentalbereich kommen Wachsdrucker derzeit bei dem Unternehmen TOP Service für Lingualtechnik (D-Bad Essen) und beim Drucker WaxPro von Cynovad (F-Ahuy) zum Einsatz. 3D-Drucken mit Kunststoff Beim dreidimensionalen Drucken von Kunststoff wird das Material nicht mittels Temperatur ausgehärtet, sondern durch UV-Licht. Anwendungsbeispiele sind: PolyJet -Verfahren von Objet Geometries (Rehovot, Israel) 3D-Drucker ProJet DP 3000 (3D Systems) DLP-Verfahren Perfactory (envisiontec, D-Gladbeck) Cynovad Neo (Cynovad). Das PolyJet -Verfahren beruht auf dem Aufbau der dreidimensionalen Modelle mittels Photopolymerharz (Abb. 11). Dabei spritzt die Inkjet-Einheit schichtweise das Polymer auf, wobei jeweils in einem dazwischengeschalteten Schritt eine Aushärtung mittels UV-Belichtung erfolgt. Die Schichtstärke bei dem Verfahren von Objet Geometries beträgt 0,016 mm (16 µm), sodass nur eine geringe Treppenbildung in der Z-Achse zu beobachten ist. Die Genauigkeit in der XY-Ebene beträgt +/- 0,021 mm (21 µm). Abb. 10: Umsetzung des Datensatzes mittels 3D-Printtechnologie in Wachs. Um 3D-Wachsprinter handelt es sich beispielsweise bei der Anlage T66 Benchtop (Solidscape Inc., US-Merrimack). Diese besteht aus einem präzisions-servo-angetriebenen Plotter mit doppeltem Versorgungssystem (Bau- und Stützmaterial), einem Das Druckverfahren bei ProJet DP 3000 (3D Systems) beruht auf der sogenannten Multi- Jet-Modelling Technologie (MJM), einem von 3D Systems patentierten Verfahren zur Herstellung von 3D-Modellen. Bei diesem Verfahren erfolgt jeweils nach dem schichtweisen thermischen Auftrag eines Acrylphotopolymers die Zwischenhärtung mit UV-Licht. Es entstehen so hochbelastbare Modelle, die aufgrund des geringen Restaschegehalts hervorragend für den Feinguss geeignet sind. Die optionale Stapelung und Verschachtelung der erstellten Modelle ermöglicht die gleichzeitige Fertigung mehrerer Datensätze (Abb. 12). 39

5 Abb. 13: Das DLP-Verfahren von envisiontec ermöglicht die Fertigung von Zahnersatz in mehreren Etagen. Abb. 11: Zahnbeweglichkeitsmodell, hergestellt mithilfe des PolyJet -Verfahrens von Objet Geometries. Eine Besonderheit bei der 3D-Herstellung von Kunststoffmodellen stellt das DLP-Verfahren Perfactory (envisiontec) dar. Die Aushärtung des Acrylphotopolymers erfolgt hierbei durch Belichtung über eine sogenannte Maskenprojektion mittels DLP-Technologie (Digital Light Processing). Die so entstandenen Modelle aus dem dunkelgelb gefärbten Acrylat lassen sich rückstandslos verbrennen und sind somit ideal für die Weiterverarbeitung im Feinguss geeignet. Die Produktivität des Perfactory Mini-Systems beinhaltet bis zu 55 Einheiten in drei Stunden und liegt damit in einem äußerst effizienten Bereich. Zusätzlich lassen sich die Objekte in vier Etagen übereinander stapeln (Abb. 13). Abb. 12: Die Multi-Jet-Modelling Technologie von 3D Systems ermöglicht die schichtweise Fertigung hochbelastbarer Modelle. Eine Besonderheit bei den 3D-Printern stellt der SD300 von Solido (Yehud, Israel) dar, bei dem eine PVC-Folie schichtweise aufgezogen und mit einem Spezialkunststoff verklebt wird. Nach dem Auftragen einer Schicht schneidet ein integrierter Plotter mit einem feinen Messer die Konturen des Modells aus. Der Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass keine weiteren Stützstrukturen erforderlich sind. Da das Gerät sehr klein und leicht ist (Gewicht rund 35 kg), kann dieser Drucker auch in kleinen Räumen aufgestellt werden. Allerdings ist dieses System derzeit noch nicht im dentalen Bereich anwendbar. Weiterhin existieren Pulverbettdrucker wie beispielsweise der ZPrinter 450 (Z Corporation, US-Burlington). Da diese jedoch im Dentalbereich derzeit nicht zum Einsatz kommen, werden sie hier nicht näher beschrieben. Schlussbetrachtung Viele der hier vorgestellten Verfahren haben mittlerweile einen festen Platz in der dentalen An- 40

6 dental wendung. Die kosteneffiziente Herstellung von NEM-Gerüsten ist mit RP-Verfahren zwar bereits möglich, wenngleich bei der Oberflächenqualität weiterhin Optimierungspotential vorhanden ist. Vor allem im Bereich des herausnehmbaren Zahnersatzes könnten Generative Fertigungsverfahren ihr volles Potential ausspielen. Erste Ansätze zeigen hier einen möglichen Weg. Literatur [1] Beuer, F.; Schweiger, J.; Edelhoff, D.: Automatisierte Herstellung von Zahnersatz. In: wissen kompakt 1 (2007), S [2] Luthardt, R. G.; Quaas, S.; Rudolph, H.: Maschinelle Herstellung von Zahnersatz, Oxidkeramiken und CAD/CAM- Technologien. Köln: Deutscher Zahnärzte Verlag, 2007, S [3] Schweiger, J.; Erdelt, K.-J.; Beuer, F.: Rapid Prototyping Technik der Zukunft In: Das Dentallabor 52 (2004), S [4] Gebhardt, A.: Rapid Prototyping. München: Hanser Verlag, Kontakt Arbeitsgruppe Vollkeramik München Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik Ludwig-Maximilians-Universität München Goethestraße 70 D München zahn.labor@med.uni-muenchen.de ZT Josef Schweiger München, Deutschland Ausbildung zum Zahntechniker in Traunstein seit 1999 Leiter des zahn technischen Labors an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, LMU München seit 2006 Ausbildungsbefähigung im Range eines Zahntechnikermeisters Zahntechnische Leitung mehrerer Studien zu vollkeramischen Systemen im Bereich Glas- und oxidische Hochleistungskeramiken Arbeitsschwerpunkte: Vollkeramik, CAD/CAM-Technologie, Generative Fertigungsverfahren Veröffentlichung zahlreicher Fachbeiträge Weiß. Weiß? Weiß ist Weiß. Das weiß man. Doch ist Weiß wirklich Weiß? Der Volksmund kennt Nuancen und umschreibt die Farbe Weiß mit Zusätzen, um zu präzisieren. So wird ein besonders reines, strahlen des Weiß oft als «Schnee weiß» bezeichnet. Als Zahntechniker wissen Sie selbstverständlich um die Nuancen von «Weiß». Und weil gerade im Dentalbereich Weiß nicht einfach gleich Weiß ist, erhalten Sie Zirkonoxidblöcke von Metoxit ab sofort nicht nur in der gewohnten hellen Qualität, sondern auch voll durchgefärbt in ausgewählten Grundfarbtönen: Für mehr Ästhetik. Denn eingefärbtes Zirkon oxid hebt den Helligkeitswert nicht an was besonders im cervikalen und occlusalen Bereich wichtig ist. Für rationelleres Arbeiten. Denn das aufwändige manuelle Einfärben und Trocknen entfällt. Für vielseitigen Einsatz. Denn unser eingefärbtes Zirkon oxid kann von allen CAD/CAM-Systemherstellern verwendet werden. Für weitere Informationen fragen Sie Ihren CAD/CAM-Systemhersteller nach den neuen, eingefärbten Zirkonoxidrohlingen der Metoxit AG. Metoxit AG Emdwiesenstr. 6 CH-8240 Thayngen Tel Fax metoxit.com 41