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Abb. 1: Für rund 600 Euro kann man sich einen 3D-Drucker nebst Konstruktionssoftware ins eigene Arbeitszimmer stellen und Geschenke zu Hause drucken – oder man lässt sein Objekt in einem Elektronikmarkt oder Baumarkt fertigen. Hier entsteht der Turm für e

Abb. 2: Für gedruckte Objekte, die nach der verbreiteten Methode des Digital Light Processing (DLP) entstehen, sind Stützstrukturen typisch: Hier ein Modellgussobjekt aus lichthärtendem Kunstharz als verlorene Form für den definitiven Guss aus einer Legierung.

 

© Gisela Peters (3)

Abb. 3: Eine Auswahl aus dem Indikationsspektrum für den dentalen 3D-Druck, hier gesehen auf der Freiburger 3D-Druck-Veranstaltung

 
Zahnheilkunde 4. Februar 2016

3D-Druck schlägt hohe Wellen

Gerade für Zahntechniker eröffnet die additive Fertigung ganz neue Optionen: über Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der neuen Technologie.

Im Rahmen von CAD/CAM hat sich in der Zahnheilkunde eine neue Revolution in Gang gesetzt, die die Arbeitsabläufe aufwirbelt: Es ist die additive Fertigung, die zusehends um sich greift – in der Dentalindustrie, in Fräszentren und in gewerblichen Laboren. Für etliche Prozesse ist sie schon heute auch im niedergelassenen Labor sinnvoll und rechnet sich.

Wir sind von 3D-gedruckten Elementen umgeben, nur wissen wir es vielleicht nicht immer. Das beginnt bei Bauteilen aus Hochleistungskunststoffen für Passagierflugzeuge, geht weiter über Fahrradhelme und Schuhe – und hört noch längst nicht bei Gipsersatz aus dem Drucker für den gebrochenen Arm auf. Es gibt Elektronikmärkte und andere Quellen, die den 3D-Druck für den Privatgebrauch anbieten (Abb. 1), neben dem 2D-Fotodruck, der sich ja schon lange großer Beliebtheit erfreut. Fotografen ihrerseits haben ebenfalls die dritte Dimension für sich entdeckt.

In die Zahnheilkunde, resp. Zahntechnik, hält der 3D-Druck, im weiteren Sinn auch additive, generative oder aufbauende Fertigung beziehungsweise Additive Manufacturing (AM) genannt, nach und nach gleichfalls Einzug, unaufhaltsam. Spätestens, seit drei ausgewiesene Dentalfirmen eigens 3D-Drucker für Dentallabor und Zahnarztpraxis sowie jeweils darauf zugeschnittene Materialpaletten eingeführt haben – das war auf der IDS 2015 –, sind Infoveranstaltungen gut besucht. Typische Frage der Besucher: „Was kann ich damit?“ oder provokativ: „Was soll ich damit?“ Die Industrie arbeitet schon länger mit additiver Fertigung und liefert an Zahnärzte und Zahntechniker regelmäßig beispielsweise Bohrschablonen, „Gips“-Modelle oder, lasergesintert, Metallstrukturen. Auch Fräszentren haben sich auf den Bedarf eingestellt.

Möglichkeiten für den 3D-Druck in der Zahnheilkunde

Mittels additiver Fertigung lassen sich auch am Laborarbeitsplatz schon viele Indikationen bedienen (Abb. 2). Manchmal stellt sich der 3D-Druck sogar in Konkurrenz zur Frästechnik (subtraktive Fertigung). Das aufbauende Verfahren spart im Unterschied zum Fräsen Material und liegt dann im Vorteil, wenn auch Unterschnitte realisiert werden sollen. Zum Beispiel (Abb. 3) können Dentalmodelle gedruckt werden, nun nicht mehr aus Gips, sondern aus lichthärtendem Kunststoff (Kunstharz), außerdem individuelle Löffel, Bohrschablonen, Therapieschienen, Knirscherschienen und Aligner sowie Modellguss- und Press-Objekte aus ausbrennbarem Kunststoff als Alternative zur händischen Wachsmodellation.

Temporäre Kronen und Brücken können ebenso aus additiver Fertigung stammen wie die rosafarbenen Basen für Totalprothesen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis die gesamte Totalprothese einschließlich Zähnen, dann aus (mindestens) zwei Materialien bestehend, aus dem Drucker kommt. Weiterhin gehören zur additiven Fertigung, aber nicht mehr als 3D-Druck im engeren Sinn bezeichnet, das Laserschmelzen und Lasersintern aus Metallpulver.

Druckbare Materialien

Mit den dentalen Indikationen sind Anforderungen an das Material verbunden. Die einen Materialien müssen eine (lange) Mundzulassung besitzen, andere sich durch bestimmte Farben und Transluzenzen auszeichnen, weitere durch Festigkeit/Elastizität überzeugen und auch mehrere dieser Kriterien auf sich vereinen. Zusätzliche Werkstoffeigenschaften wurden von den Anbietern realisiert, die auch gleichzeitig die Gerätelieferanten/-entwickler sind. Das jeweilige Materialspektrum lässt sich meist (noch) nicht von Gerät zu Gerät transferieren: Die additive Fertigung ist insofern nicht offen, wie sich mittlerweile der Fräsprozess weitgehend darstellt. Konstruktionsdaten unterschiedlicher Software-Herkunft werden aber über offene Schnittstellen (STL-Format) aufgenommen und verarbeitet.

Was leisten die Geräte?

Bei den 3D-Druckern geht jede Firma ihren eigenen Weg, was die Genauigkeit und Passung betrifft: Um die Druckergebnisse zu beschreiben, werden unterschiedliche „Messlatten“ herangezogen. Es wird die dreidimensionale Auflösung oder Mindeststärke pro Schicht in Baurichtung (z-Achse) angegeben oder die in Versuchen festgestellte Genauigkeit. Dabei fordern eine höhere Genauigkeit/Auflösung und geringere Mindestschichtstärke eine längere Bauzeit der Objekte und höhere Geräteanschaffungskosten.

Wer in seinem Labor ein großes Aufkommen an individuellen Löffeln, Modellgussplatten oder Knirscherschienen hat, die er drucken will, kann sich mit „gröberen“ Ergebnissen, sprich gleichzeitig kürzeren Bauzeiten und geringeren Investitionskosten, zufrieden geben. Temporäre Kronen und Brücken oder gedruckte Meistermodelle fordern mehr. Häufig liefert der 3D-Druck heute Schichtstärken zwischen 35 und 100 Mikrometern. Hier gliedern sich auch die drei speziellen Dentaldrucker ein.

Wie bei der Beurteilung von Intraoralscannern lässt sich die Genauigkeit mit zwei Begriffen fassen. Die „Richtigkeit“ gibt an, wie nah das Ergebnis an der Oberfläche der Ausgangssituation liegt; „Präzision“ meint, wie genau reproduzierbar das Ergebnis ist. Ist die höchstmögliche (Pass-)Genauigkeit das kompromisslose Muss, schlägt das maschinelle Fräsen heute meist die additiven Verfahren (siehe Infokasten). Für Dentalmodelle wurde dieser Logik entsprechend ein eigener Fräsprozess mit Gerät entwickelt, sodass Anwender nun wählen können.

Welche Kosten muss man einkalkulieren?

Wer sich dem 3D-Druck zuwenden möchte, ist aufgerufen, Verfahren, Ergebnisse und Materialangebote zu vergleichen – und auch mit spitzem Bleistift zu rechnen.

Betrachtet man die Herstellkosten, beispielsweise für Schienen, findet man mit Shera und Dentona die Angabe, dass im digitalen Prozess rund eine halbe Stunde Arbeitszeit und Materialkosten von 2 bis 4 Euro anfallen. Mit der analogen Methode sind die Materialkosten geringer, die Arbeitszeit schlägt aber mit rund zwei Stunden zu Buche, was unter dem Strich teurer als die additive Fertigung ist. Will man in den 3D-Druck einsteigen, müssen weiterhin insbesondere berücksichtigt werden: die Kosten für Anschaffung und Zinsen, für die Reinigung und Pflege der Maschine, für Unterhalt und Wartung – und vor allem der voraussichtliche Auslastungsgrad.

Wann wird der 3D-Druck Alltag sein?

Am 3D-Druck wird dann kaum noch ein Weg vorbei führen, wenn die Zahnärzte auf breiter Front in die optische Abformung mittels Intraoralscanner eingestiegen sind. Denn dann kommen regelmäßig digitale Ausgangsdaten auf den Labortisch, nicht mehr der gefüllte Abformlöffel. Konsequent und effizienter als alles andere ist in dem Fall das Weiterarbeiten am PC.

Gleichzeitig wird die Entwicklung von Labor- und Praxissoftware fortgetrieben, einerseits Richtung durchgehende Arbeitsabläufe ohne zu viel IT-Kenntnisse, andererseits Richtung Einbindung weiterer Komponenten, angefangen von der 3D-Registrierung der Kaubewegungen bis hin zur Konstruktion immer versierterer Gerüste und Verblendungen. Es wird von Industrie- und Wissenschaftsseite auch daran gearbeitet, per Software das additive und subtraktive Verfahren zu verknüpfen, sodass die jeweilige Entscheidung für das eine oder andere nicht gleich zu Beginn des Prozesses gefällt werden muss.

Verfahren der additiven Fertigung in der Zahnheilkunde

Das additive Herstellverfahren ist in Form von Rapid Prototyping („schneller Modellentwurf“) in der Industrie, z.B. dem Automobilbau, und in der Architektur groß geworden, um kostengünstig Prototypen zu erstellen. Schließlich kam die Idee auf, die Technologie auch in der Medizin und Zahnheilkunde einzusetzen, da hier nur „Prototypen“ vorliegen. Die folgenden vier Verfahren haben sich für die dentale Fertigung durchgesetzt.

Selektives Lasersintern und Laserschmelzen: Winzige (Metall-)Pulverpartikel werden von einem heißen Laserstrahl genau an den gewünschten Stellen verschmolzen und verfestigt. Beim Lasersintern werden nur Teile der Legierung lokal zum Schmelzen gebracht, im anderen Fall wird das Metall lokal vollständig aufgeschmolzen. Stützstrukturen wie bei den folgend genannten Verfahren sind nicht nötig. Das selektive Lasersintern (SLS) ist weitaus beliebter als das Schmelzen (SLM – Selective Laser Melting).

Stereolithographie: Ein feiner Laserstrahl „zuckt“ mit geringer Eindringtiefe durch ein lichthärtendes Kunststoffbad (Kunstharz). Es wird eine detailreiche und dichte Oberfläche des Bauobjekts sowie die höchste Genauigkeit im Vergleich zum Lasersintern, dem DLP und FDM erreicht. Wie bei den beiden letzteren ist eine abschließende UV-Härtung nötig, um den Polymerisationsgrad weiter zu erhöhen und damit eine dichtere Vernetzung zu erreichen.

Digital Light Processing (DLP, deutsch: digitale Lichtprojektionstechnik): Auch hier liegt das Material als flüssiges Bad vor. Jedoch wird mittels UV-Licht (Beamer als Lichtquelle) ein ganzes Bild auf die Badoberfläche projiziert, in Form einer Maske. An den „löchrigen“ Stellen der Maske dringt das Licht flächig hindurch und härtet dort das Material. Die jeweils verfestigten Teile einer Schicht werden herausgehoben. Damit ist die neue Oberfläche bereit für die nächste Maskenprojektion und Belichtung. Dieses Verfahren ist von allen genannten das kostengünstigste und wird in speziellen LaborDruckern eingesetzt.

FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling, deutsch: Schmelzschichtung): Das Material wird punkgenau aufgespritzt und sofort lichtgehärtet. Da das Material aus der Düse kommt (sie ist beheizt), erinnert der Vorgang am ehesten an das entsprechende Drucken auf Papier. Das FDM-Verfahren erlaubt das gleichzeitige Extrudieren verschiedener Materialien (Polyjet) und könnte einmal für das Drucken von Totalprothesen herangezogen werden.

Gisela Peters, Zahnarzt 1/2/2016

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