Industrie-Report


Mehr Qualität, mehr Produktivität: Professioneller 3D-Druck im Dentallabor

Abb. 1: 3D-Drucker der Reihen D20 II (z.B. als Einstiegslösung) und D30 II von Rapid Shape.
Abb. 1: 3D-Drucker der Reihen D20 II (z.B. als Einstiegslösung) und D30 II von Rapid Shape.

Der 3D-Druck ist der aktuelle Megatrend in der Dentaltechnik. Doch bei aller Euphorie gilt es bei gedruckten Dentalprodukten die hohen Anforderungen in Bezug auf Präzision, Reproduzierbarkeit und den regulatorischen Rahmen im Blick zu behalten – und letztlich lohnt sich die Investition in einen 3D-Drucker nur dann, wenn damit ein echter Produktivitätszuwachs verbunden ist. Im folgenden Beitrag zeigt Andreas Schultheiss, Gründer und Geschäftsführer von Rapid Shape, wie sein Unternehmen den 3D-Druckprozess mit eigens entwickelten Technologien auf die Bedürfnisse im zahntechnischen Labor optimiert. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Druckgeschwindigkeit, der Sicherheit und Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses sowie der Passgenauigkeit des Endproduktes.

„Stürmisch“ – so kann man das Wachstum im Markt bezeichnen: Für die kommenden fünf Jahre wird eine jährliche Zunahme der 3D-Drucker-Installationen in Dentallaboren von 27% prognostiziert [1]. Parallel dazu kommen in immer mehr Zahnarztpraxen Intraoralscanner zum Einsatz, die im Zusammenspiel mit innovativen 3D-Druckern bei der Produktivität ganz neue Maßstäbe setzen. Grund genug also für Zahntechniker, sich mit der vergleichsweise noch recht neuen Technologie intensiv zu befassen und zu prüfen, ob und wie im eigenen Labor der Einsatz von 3D-Druck die Effizienz verbessern kann. Die Einstiegshürde ist inzwischen recht niedrig geworden, da einfache Drucker mittlerweile zu relativ günstigen Preisen erhältlich sind. Allerdings sind mit dem Einsatz in der Dentaltechnik besondere Anforderungen verbunden, die Hersteller kennen und erfüllen müssen.

Force-Feedback als Produktionsbeschleuniger

Ein Lösungsanbieter für die Dentalbranche ist z.B. die im baden-württembergischen Heimsheim ansässige Rapid Shape GmbH. Das Unternehmen wurde 2011 aus der Schultheiss GmbH heraus gegründet, die als Hersteller von High-Tech-Anlagen für die Produktion von Schmuck und industriellen Prototypen langjährige Erfahrung im anspruchsvollen Maschinenbau und in der Automatisierungstechnik einbringen konnte. Dazu kam die Innovationsfreude im neu gegründeten Unternehmen, das sich schon früh auf 3D-Drucker für die Schmuck- und Hörakustikbranche konzentrierte und seit 2015 speziell entwickelte Drucker für die professionelle Anwendung in der Dentalbranche anbietet. Als Technologie kommt dabei Digital Light Processing (DLP) zum Einsatz, bei dem die Werkstoffe über einen vollflächigen Belichtungsvorgang Schicht für Schicht gehärtet werden.

Mittlerweile gibt es die zweite Druckergeneration auf dem Markt (Abb. 1). Die einzelnen Gerätelinien wurden abgestimmt auf den Einsatz in kleinen und größeren Dentallaboren, Zahnkliniken sowie zum industriellen Einsatz. Im Fokus der Geräteentwicklung stehen bei Rapid Shape drei Kernbedürfnisse des Dentallabors: ein messbarer Mehrwert in der Produktivität, validierte Prozesse für gesicherte Qualität und eine hohe Indikationsvielfalt bei der Anwendung.

Bei der Produktivität schlägt zunächst einmal die schnelle Druckgeschwindigkeit positiv zu Buche, denn Kernstück der 3D-Drucker von Rapid Shape ist die patentierte Force-Feedback-Technologie (Abb. 2). Hierbei überwacht ein Messgerät die Trennkräfte und liefert Echtzeit-Daten für die Bewegungs s teuerung. Besonderer Vorteil der Technik ist, dass der Trennvorgang kontrolliert und sanft erfolgt, während die sonstigen Bewegungen zum Mischen und Nachfluss von frischem Material für die nächste Bauschicht beschleunigt werden. Rapid Shape 3D-Drucker sind dadurch wesentlich schneller als andere DLP-Drucksysteme (Abb. 3 u. 4).

  • Abb. 2: Belichtungsvorgang ohne (links) und mit Force-Feedback.
  • Abb. 3 u. 4: Vergleich durchschnittliche Druckzeit der Methoden DLP, Force-Feedback und CLIP (= „Continuous Liquid Interface Production“, ein spezielles Verfahren des Unternehmens Carbon3D mit Sitz in Kalifornien) sowie einzelner Indikationen mit Force-Feedback-Technologie (Rapid Shape) oder durch Stereolithografie (SLA).
  • Abb. 2: Belichtungsvorgang ohne (links) und mit Force-Feedback.
  • Abb. 3 u. 4: Vergleich durchschnittliche Druckzeit der Methoden DLP, Force-Feedback und CLIP (= „Continuous Liquid Interface Production“, ein spezielles Verfahren des Unternehmens Carbon3D mit Sitz in Kalifornien) sowie einzelner Indikationen mit Force-Feedback-Technologie (Rapid Shape) oder durch Stereolithografie (SLA).

  • Abb. 5: Der Warpage-Effekt.
  • Abb. 5: Der Warpage-Effekt.

Konkret bedeutet das, dass die meisten Druckjobs innerhalb von 20 bis 45 Minuten abgeschlossen sind – das verbessert die Effizienz des Arbeitsablaufs und verkürzt die Lieferzeit des Labors ganz erheblich. Wenn sich das Labor in den Räumen der Praxis oder in unmittelbarer Nachbarschaft befindet, kann der Patient sogar auf die Versorgung warten.

Indikationen

Ein weiteres wichtiges Kriterium für den produktiven Einsatz ist die Flexibilität des Systems. Auf den 3D-Druckern von Rapid Shape können neben Stumpf- und Implantatmodellen auch Bohrschablonen, Schienen, Modellgüsse, Kronen und Brücken im Guss, Löffel und Tiefziehmodelle gefertigt werden. Je mehr Indikationen der Zahntechniker im 3D-Druckverfahren realisieren kann, umso höher sind die Auslastung und damit auch die Profitabilität des Gerätes.

Wie Rapid Shape mit validierten Prozessen die Voraussetzung für die sichere Herstellung von anspruchsvollen Dentalprodukten schafft, zeigt beispielhaft die Produktion einer Bohrschablone im 3D-Druck. Es gilt, die Schablone so präzise zu fertigen, dass Fehler beim Setzen der Bohrung und des Implantats ausgeschlossen werden können.

Validierte Bohrschablonen: „Warpage“-Problem erfolgreich gelöst

Eine Herausforderung ist hierbei das sogenannte Warpage- Phänomen. Dieser entsteht dadurch, dass die Materialschicht beim Härten von einer Seite mit Licht bestrahlt wird und die Lichtenergie mit zunehmender Eindringungstiefe abnimmt. Daher ist die einzelne ausgehärtete Schicht auf der dem Licht zugewandten Seite stärker ausgehärtet als auf der abgewandten Seite. Dies führt zu internen Spannungen und infolge zu einer teils gravierenden Wölbung bei dünnen Bauteilen (= Warping, Abb. 5).

Zur Lösung dieses Problems hat das Heimsheimer Unternehmen ein patentiertes System entwickelt, das die Bohrschablone während und nach dem Druck- und Waschvorgang bis zum endgültigen Aushärten in der Lichtbox auf einem stabilen Trägerelement fixiert und damit die Verformung verhindert. Beim Aushärten in der Lichtbox lösen sich die internen Spannungen auf, sodass nach der finalen Aushärtung ein völlig verzugsfreies Bauteil gesichert von der Bauplattform genommen werden kann (Abb. 6).

  • Abb. 6: C-Träger mit verzerrungsfreier Bohrschablone.
  • Abb. 7: Fertig gedruckte Bohrschablone mit bereits entfernter Trägerstruktur.
  • Abb. 6: C-Träger mit verzerrungsfreier Bohrschablone.
  • Abb. 7: Fertig gedruckte Bohrschablone mit bereits entfernter Trägerstruktur.

Gemeistert werden konnte auch die Herausforderung, nach dem Aushärten die Trägerstruktur sicher zu entfernen, ohne dabei die Bohrschablone zu beschädigen (Abb. 7). Hierzu hat Rapid Shape speziell optimierte Supportverbindungen mit eingebauter Sollbruchstelle entwickelt. Diese Supports können ohne Werkzeug durch sanften Druck mit den Fingern gelöst werden und hinterlassen nur filigranste Erhebungen, die sich mit gängigem Laborwerkzeug in wenigen Sekunden entfernen lassen.

Hohe Präzision bei Stumpf- und Implantatmodellen

Ein herausragendes Qualitätsmerkmal in der dentalen Laborarbeit ist die Passgenauigkeit der Produkte. Um bei Stumpf- und Implantatmodellen die optimale Passung zu sichern, wurde zusätzliche Entwicklungsarbeit investiert. Erste Vorgabe: Bei der Herstellung ist auf eine Genauigkeit im Bereich +/- 50 μm in zumindest 80% der Oberfläche zu achten, um eine gute Verarbeitung mit dem Arbeitsmodell zu bieten. Hier ergibt sich ein erheblicher Unterschied in der Präzision und Wiederholgenauigkeit zwischen den verschiedenen Technologien. Die in Rapid Shape Druckern eingesetzte DLP-Technologie ist auf der Grundlage von Studien mit einer reproduzierbaren Genauigkeit von +/- 50 μm dreimal präziser als laserbasierte SLA-Technologien von Wettbewerbern [2]. Die Genauigkeit eines jeden einzelnen Druckers wird durch eine spezielle Kalibrierung und Kontrolle vor Auslieferung und bei Aufstellung der Systeme gewährleistet.

Perfekte Passung als anspruchsvolle Aufgabe

Allerdings kommen zu dieser Anforderung noch die Oberflächengüte und die Toleranz bei der Passung hinzu – und hier stößt die 3D-Drucktechnologie an ihre Grenzen. Der Hintergrund dazu ist recht einfach: Die Auflösung der 3D-Drucker reicht nicht für eine ideale Passung aus. Als Beispiel definiert die Norm im regulären Maschinenbau eine Passung (H7) mit einer Toleranz von +/- 5 bis 7 μm. Die für die zahntechnische Industrie relevante 3D-Drucktechnik arbeitet jedoch mit einer Auflösung zwischen 30 und 80 μm.

Um dieses Problem zu lösen, wurde gemeinsam mit dem zur Straumann Group zählenden Technologiepartner Etkon eine neue Stumpfgeometrie entwickelt und patentiert, die zu einer gesicherten Passung führt. Kernidee sind dabei elastische Führungsflügel, die eine Toleranz von rund 30 μm zum Zahnmittel ausgleichen. Weiteres Element ist eine für den 3D-Druck optimierte Auflage für die Z-Achse mit einer Abweichung von maximalen +/- 25 μm.

Drei Flügelelemente mit stets gleicher Federwirkung justieren auch bei unterschiedlicher Stumpfgeometrie das Modell automatisch zum Zahnmittelpunkt. Sobald der Stumpf in das Modell eingesetzt wird, federn die Elemente minimal ein. Ein perfektes Einschieben des Stumpfes ist stets möglich. Das Erreichen der richtigen Höhe ist durch ein sattes Aufsitzen am Ende sowie ein Kontrollfenster deutlich zu vernehmen (Abb. 8–10).

  • Abb. 8 u. 9: Querschnitt und Seitenansicht des Stumpfes.
  • Abb. 10: Fertig gedrucktes Stumpfmodell.
  • Abb. 8 u. 9: Querschnitt und Seitenansicht des Stumpfes.
  • Abb. 10: Fertig gedrucktes Stumpfmodell.

Offenes System und zertifizierte Materialpartner

Beim Verarbeitungsmaterial kooperiert das Unternehmen mit zertifizierten Herstellern und gewährleistet damit ein Maximum an Prozesssicherheit. Damit werden die Vorgaben des Medizinproduktegesetzes erfüllt, das die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten – in diesem Fall dem Hersteller der 3D-Drucker, dem Polymerlieferanten und dem Hersteller der Belichtungsgeräte – verlangt. Darüber hinaus positioniert sich Rapid Shape als Ausrüster, dessen Geräte für die Materialauswahl des Zahntechniklabors offen sind. Das Dentallabor kann somit das eingesetzte Material je nach Anforderung bei Qualität, Ästhetik und Preis optimieren. Möglich sind damit teils erhebliche Materialkosteneinsparungen.

Dies ist ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor, da auf Sicht von drei Jahren davon auszugehen ist, dass die Materialkosten den Anschaffungspreis des Gerätes um den Faktor 3 bis 8 übersteigen. Neben der Qualität selbst liegt hierin der wohl größte Hebel in Bezug auf die Profitabilität.

Übrigens: Wer für ein beliebiges, nicht zertifiziertes Material die optimalen Einstellungen herausgefunden hat, kann die Ergebnisse über das „Knowledge Center“ (www.rapidshape.de/kc) unverbindlich mit anderen Nutzern teilen. Da die 3D-Drucker des Unternehmens über offene Schnittstellen verfügen, ist der Import und Export von individuellen Einstellungen problemlos möglich.

3D-Druck made in Germany

Mit der Adaption des innovativen 3D-Druckverfahrens auf die hohen Qualitätsanforderungen der Dentaltechnik und der ebenso flexiblen wie anwenderfreundlichen Konzeption der Geräte konnte sich Rapid Shape innerhalb weniger Jahre als wichtiger Hersteller der Branche positionieren. Schon heute arbeiten rund 1.000 Laborkunden täglich mit einem 3D-Drucker des Unternehmens.

Stetige Investitionen in weitere Innovationen am Standort Heimsheim – aktuell arbeitet mehr als ein Drittel der rund 100 Mitarbeiter in den Bereichen Entwicklung und Service – sollen den weiteren Ausbau der Marktposition voranbringen. Dabei haben die Verantwortlichen von Rapid Shape immer auch den regulatorischen Rahmen im Blick. Gemeinsam mit zertifizierten Materialpartnern sowie mit weiteren Zertifizierungspartnern wie Etkon, Straumann, coDiagnostiX und Shera hat das Unternehmen den Anspruch, die heutigen Anforderungen voll zu erfüllen. Auch Regularien, mit denen in naher Zukunft zu rechnen ist, werden frühzeitig berücksichtigt.

Als bedeutenden Erfolgsfaktor sieht Rapid Shape auch die Zusammenarbeit mit kompetenten Vertriebspartnern, deren Präsenz am Markt mit für den rasant wachsenden Absatz der 3D-Drucker verantwortlich ist.

Der Vertrieb in Deutschland erfolgt über Shera, die Straumann Group und Henry Schein.

Kontaktdaten:

Rapid Shape GmbH
Römerstraße 21
71296 Heimsheim
andreas.schultheiss(at)rapidshape.de

weiterlesen

Quellenverzeichnis:

[1] Fraunhofer Institut Modellvergleich Studie Rapid Shape, 2017.
[2] SmarTech Markets Publishing LLC: Additive Manufacturing: Review of Opportunities in Key Industries 2017.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: MBA/Dipl.-Ing. (FH) Andreas Schultheiss


Das könnte Sie auch interessieren:

Die neue Ausgabe des Zahntechnik Magazins ist erschienen!

Die aktuelle Ausgabe:

Besuchen Sie uns doch mal auf unserer Facebookseite! Wir freuen uns über jeden Like und sind gespannt auf Anregungen, Kommentare, Kritik und Ideen für neue Themen!

Hier geht's direkt zur Seite