Teil 2 – Digital Light Projection – das meistrealisierte 3D-Druckverfahren auf der IDS

Die Stereolithografie, abgekürzt mit STL oder heute meist mit SLA (für „Stereolithography Apparatus“), ist das ursprüngliche Verfahren, hieraus wurde DLP entwickelt. DLP wird oft auch als SLA-Untergeneration gefasst und kam bereits im ersten Teil dieser Serie zur Sprache.* Der Hauptunterschied: Im einen Fall „rastert“ ein Laserstrahl durch die zu härtende Schicht, im anderen Fall lässt eine „Maske“ scherenschnittartig und ebenfalls schichtweise ein Bild entstehen, wobei Licht flächig die zugänglichen Maskenteile härtet. Die Gemeinsamkeiten: Das Fotopolymer ist flüssig und befindet sich in einem durchsichtigen Behälter; Stützstrukturen werden aus demselben Material gleich mitgedruckt; es ist eine Endpolymerisation in einem „Blitzlichtgerät“ erforderlich.

Digital-Light-Projection-Technologie: Variante der Stereolithografie

Das Unternehmen Heraeus Kulzer (ab Juli 2017 nur noch Kulzer) präsentierte auf der IDS seinen eigens für Zahntechniker entwickelten 3D-Drucker cara Print 4.0 (Tab. 1, Abb. 1a u. b). Dieser basiert auf einer HD DLP-Technologie im Bereich von 405 nm (HD = High Definition; hohe Auflösung). Es können Druckgeschwindigkeiten von 15 bis 120 mm pro Stunde erzeugt werden.

Heraeus Kulzer

Heraeus Kulzer

Zugleich stellte Heraeus Kulzer ein für den Endprozess notwendiges Polymerisationsgerät HiLite power 3D (390–540 nm) vor. Die für die Drucker kompatible CAM-Software cara Print CAM ist beim Kauf eines Druckers enthalten und lizenzfrei, auch zwei Materialschalen sind beim Kauf inklusive. Es handelt sich materialspezifisch um ein offenes System. Die Präzision des Druckers erlaubt laut Hersteller eine individuelle Ausrichtung der Objekte in alle Richtungen.

Um den dentalen Erfordernissen gänzlich zu entsprechen, empfiehlt der Produktmanager Dr. Ulrich Koops die hauseigenen dima Print-Materialien. Mit dem dima Print Ortho verfügt Heraeus Kulzer über ein Material der Medizinproduktklasse IIa. In naher Zukunft soll das Materialspektrum für temporäre und Langzeitprovisorien im Bereich Kronen und Brücken sowie für Prothesenbasen erweitert werden. Es werden wiederverwendbare Kunstharzbehälter eingesetzt. Heraeus Kulzer hat sich damit explizit gegen Kartuschen und für ein Nachfüllsystem entschieden und wirbt mit leicht gemachter Füllstandskontrolle.

Nach dem Druckprozess schreibt Heraeus Kulzer den weiteren Fertigungsprozess materialspezifisch vor. Dr. Koops unterstrich dabei die Wichtigkeit der korrekten Weiterverarbeitung der Materialien, insbesondere für jene, die dem Medizinproduktegesetz unterliegen. Er verwies ausdrücklich auf die Gebrauchsanweisungen und die notwendige Nutzung des hausinternen Polymerisationsgerätes mit Extra-Zeitmodus für die 3D-Druck-Werkstoffe (5, 10 und 15 min). Nach einem Gerätekauf gibt Heraeus Kulzer Hilfe bei der Inbetriebnahme und verspricht dauerhaften Support. Für gedruckte Gussformstrukturen bietet das Unternehmen zudem eine spezifizierte Einbettmasse Heravest M print++ für die Überführung in entsprechende Metalllegierungen.

Varseo S (BEGO)

Das neue Modell des Familienunternehmens BEGO ist der Varseo S (Tab. 2, Abb. 2). Er ist eine Weiterentwicklung des Varseo 3D-Druckers und wie dieser eigens für Dentallabore konzipiert.

Bego

BEGO

Das Angebot enthält entsprechende Software-Tools, ein Blitzlichtgerät BEGO Otoflash G 171 (360–700 nm mit Schutzgasvorrichtung: Gasdruck 1,0–1,2 bar, Stickstoff, 10 l/min) und systemspezifische Materialien sowie entsprechenden Service. Dem Anwender wird durch die Netzwerkfähigkeit der Drucker ein schneller Service via Remote Control versprochen.

Das System basiert ebenfalls auf einer DLP-Technologie. Die Grundlage des Varseo S bilden materialspezifische Kartuschen mit dazugehörigen Stempeln. Entsprechende Materialschlüssel (Parameter) sind im Drucker hinterlegt. Bei Wunsch eines Materialwechsels werden die Kartuschen ausgetauscht. Das unverbrauchte Material wird direkt in der Kartusche gelagert. Ein anschließendes Umfüllen der Materialien außerhalb der Kartuschen findet nicht statt. BEGO schlussfolgert einen geringen Materialverbrauch und minimale Materialalterung. Zu den bewährten Varseo- Wax-Materialien wurde zur IDS das neue Material VarseoWax Splint E für den 3D-Druck von Aufbissschienen vorgestellt. Das Materialportfolio soll im Jahresverlauf um VarseoWax Base für Prothesenbasen und um VarseoWax Temp für Langzeitprovisorien erweitert werden. Das System ist bis ins Detail aufeinander abgestimmt, und mit entsprechender Prozessdokumentation sind alle Prozesse validiert. Schlussfolgernd handelt es sich um ein geschlossenes System und es können lediglich BEGO-Materialien verwendet werden. Laut Thomas Kwiedor (BEGO Vertriebsleitung National) kann nur so den voraussichtlich verschärften Anforderungen an die Herstellung von Medizinprodukten – durch die in der Mitte des Jahres in Kraft tretenden Medical Device Regulations (MDR; Medizinprodukteverordnung) – entsprochen werden. Mit MDR ready verspricht BEGO den Anwendern die Sicherheit, den aktuellen und zukünftigen Anforderungen zu genügen.

Der Varseo S kann als Partner- oder Basic-Paket erworben werden. Im Partner-Paket ist lediglich ein spezieller Materialschlüssel mit Nachkaufoption weiterer Schlüssel möglich. Bei dem Basic-Paket sind alle angebotenen Materialschlüssel aktiviert. In beiden Fällen wird ein Hotline-Support gewährleistet. Je nach Vertrag bietet BEGO zudem einen Online-Zugang zur BEGO 3D Academy (Video-Tutorials, Webinare etc.). Es wird seitens BEGO eine regelmäßige Überprüfung des Gerätes durch autorisiertes Servicepersonal empfohlen. Entsprechende Aufforderungen, beispielsweise die Notwendigkeit einer Kalibrierung, werden durch das Gerät generiert.

Die Einbettmasse VarseoVest P ist explizit auf das Expansionsverhalten des rückstandslos ausbrennbaren Kuntharzes VarseoWax CAD/Cast abgestimmt und kann mittels Speedverfahren (Shock-Heat-Verfahren) für die Metallüberführung verwendet werden. Die hohe Grünteilfestigkeit der ausbrennbaren Kunststoffobjekte für den Guss unmittelbar nach dem Druck erfordert bei sofortiger Weiterverarbeitung laut BEGO keine Lichthärtung.

SolFlex 3D-Drucker (VOCO)

VOCO

Die Funktionsweise der SolFlex 3D-Drucker (Abb. 3) von VOCO basiert ebenfalls auf der DLP-Technologie im Wellenlängenbereich von 385 nm. Formatgrundlage ist ein offener stl-Datensatz. Die notwendige Software (Netfabb) ist im Lieferumfang ohne weitere Lizenzkosten enthalten. Je nach Anforderungen kann zwischen drei Druckern gewählt werden (15-20 kg). Der SolFlex 170 ist dabei für die Zahnarztpraxis (chairside) gedacht und die größeren Varianten SolFlex 350 (Druckbereich: 64 × 120 × 130 mm) und 650 (Druckbereich: 128 × 120 × 130 mm) für den Einsatz im Dentallabor. Letztere weisen in Abhängigkeit von der Schichtstärke (25-200 ?m) und dem Material eine durchschnittliche Druckgeschwindigkeit bis zu 56 mm/h auf. Die Drucker variieren durch verschiedene Belichtungsfelder. Der Materialingenieur Markus Nordmann erklärt die Nomenklaturen der Drucker: „Sie setzen sich immer aus der Anzahl der Belichtungsfelder (170, 350 oder 650) des beweglichen DLP-Projektors und der Pixelgröße (170, 350 und 650) in ?m zusammen. Die Auflösung definiert sich immer aus der Hälfte der Pixelgröße, sprich ± 35 (170) und ± 25 (350 und 650) ?m. […]“ Durch die verfahrbare Belichtungseinheit (Pixel Stitch Technology – PST) kann das Bauvolumen bei gleichbleibender Auflösung vergrößert werden. Eine Solid-State-UV-LED-Lichtquelle mit geringem Energieverbrauch und langer Lebensdauer wird beworben.

In diesem Drucker ist die Wanne für das Kunstharz flexibel und wird als Flex-Vat bezeichnet. Sie ist im Drucker leicht gespannt und bildet eine ebene Fläche. Laut VOCO bestehen durch die Flexibilität geringere Abzugskräfte beim Druckprozess, was somit die Möglichkeit ergibt, dünne und feine Bauteile mit wenig Supportmaterial fertigen zu können. Markus Nordmann verglich den Vorgang mit dem „Abziehen von Heftpflaster“. Er fordert eine Mindestschichtstärke von 1,5 mm und wies zudem darauf hin, dass der Boden der Wanne keine Beschichtung und somit keine zusätzliche Grenzfläche aufweist. Die dadurch reduzierte Lichtstreuung erhöht laut Nordmann die Auflösung bzw. garantiert eine gleichbleibende Genauigkeit. Optional können die Drucker (350 und 650) mit einer Sensortechnik (Sensor Monitored Production) ausgestattet werden. Einerseits wird dabei durch einen Lichtleistungsmesssensor die konstante Belichtungsintensität für eine optimale Polymerisationsreaktion gewährleistet und andererseits kann durch ein weiteres Lasersensorsystem in Kombination mit der flexiblen Vorlagewanne die Baugeschwindigkeit optimiert werden. Vereinfacht gesagt heißt das, dass bei großen Abzugskräften die Geschwindigkeit zunächst minimiert und bei kleinen Abzugskräften der Druckprozess beschleunigt werden kann. Die Baugeschwindigkeit – je nach Abzugskraft – wird automatisch angepasst.

VOCO bietet zum System zwei verschiedene Materialien an. Dies sind das auf Methacrylat basierende V-Print model zur Herstellung von Dentalmodellen und V-Print ortho zur Herstellung von KFO-Basisteilen, Schienen und Bohrschablonen. Letzteres Material wird von VOCO als geschmacksneutral und biokompatibel bezeichnet und entspricht der Medizinproduktklasse IIa. Theoretisch ist das System materialtechnisch für alle Anwendungen offen. Markus Nordmann betont jedoch, dass ein optimaler Druckprozess ohne hinterlegte Parameter nicht möglich ist und diese explizit abgestimmt werden müssen. Zudem verweist er auf die wichtigen Nachbearbeitungsprozesse. Ein zum Kaufpreis zusätzlich angebotenes Paket beinhaltet Schulung und Kundensupport.

MetaNova Print Ultra 350/650 (Metaux Precieux)

Auch Metaux Precieux Dental setzt wie das Familienunternehmen VOCO auf die Drucker von der W2P Engineering GmbH. Metaux Precieux bewirbt ein für alle Materialien offenes System und bietet mit den Druckern MetaNova Print Ultra 350/650 zusätzlich zwölf 3D-Druckmaterialien an: Tray (individuelle Abformlöffel), Model (hochpräzise Dentalmodelle), Model Ortho (Dentalmodelle für die Tiefziehtechnik), SG (Bohrschablonen), Ortho Clear (Schienen und Halterung), Ortho Rigid (Schienen), Ortho Indirect Bonding Tray (indirekte Übertragungstrays), C&B (Kronen und Brücken), Base (Prothesenbasen), Cast (Gießformen) und Gingiva Mask (Zahnfleischmasken).

Gerätetechnologie von RapidShape

Viele Dentalfirmen nutzen die Gerätetechnologie der Firma RapidShape (Tab. 3). Auch diese Drucker basieren auf der Digital Light Processing Technology im Wellenlängenbereich von 385 nm (UV-LED). Über eine spezielle Spiegeltechnologie wird das LED-Licht auf die auszuhärtenden Bereiche projiziert. Im Drucker befindet sich eine Materialwanne, deren Boden laut CAD/CAM-Spezialist Max Müller (Henry Schein Dental) mittels Silikonschicht und einer Teflonfolie beschichtet ist.

SHERA

SHERA

Zumeist bieten die Dentalfirmen vier Varianten dieser Drucker an. Es handelt sich materialtechnisch um offene Systeme. Neben einer vergleichsweise einfachen Ausführung (D20 II, SHERAprint 20) für Einsteiger, Praxis bzw. kleine Labore können leistungsstärkere bzw. flexible Druckervarianten (D30 II, SHERAprint 30; D40 II, SHERAprint 40) erworben werden (Abb. 4). Letztere haben beheizbare Materialwannen und besitzen eine Automatiktür, die per Ellenbogentechnik geöffnet werden kann. Der D90 II UV (XL) bzw. SHERAprint 90 wurde für industrielle Fertigungen mit sehr hohen Stückzahlen konzipiert. In den klimatisierten Geräten (90) ist ein automatischer Plattenwechsler integriert und erlaubt eine mannlose Fertigung vieler Objekte.

Beworben werden die Printer optional mit der Force-Feedback- Technologie: Mit dieser wird die maximale Geschwindigkeit bei entsprechender Formstabilität angestrebt. Grundlage ist die Variation der Abzugskräfte in Bezug auf die Druckposition (Höhe) und auf die jeweiligen Druckbereiche (dünn/massiv). Laut SHERA berechnet die Software des Druckers bei jeder zu polymerisierenden Schicht, mit welcher Abzugskraft die Bauplattform angesteuert werden muss. Nach Lösung des Druckobjekts von der Wanne wird automatisch zur nächsten Schicht übergegangen. Die Drucker beinhalten zudem eine Art „Kommunikationschip“. Es liegt eine sogenannte RFID (Radio Frequency Identification) Materialerkennung vor. Sowohl in der Wanne als auch an den jeweiligen Flaschen sind entsprechende Chips integriert. Mithilfe elektromagnetischer Wellen sind die Drucker somit in der Lage, die jeweiligen Materialien automatisch zu identifizieren und die notwendigen Parameter, wie beispielsweise die Temperatur innerhalb des Druckers, automatisch anzupassen. Die Prozesssicherheit im Hinblick auf das Medizinproduktegesetz ist laut SHERA somit gewährleistet. Optional besteht neben der manuellen Kalibrierung auch die Möglichkeit einer automatischen Kalibrierung (ACCS). Anstelle der Bauplattform wird laut Max Müller eine Kalibrierungsapparatur integriert. Systemintern wird die Leistung der LED überprüft und angepasst. Die Drucker werden von den Dentalfirmen in verschiedensten Paketen mit unterschiedlichsten Zubehörmaterialien, Wartungsverträgen und Support bzw. Schulungsvarianten angeboten.

SHERA bietet SHERAprint-Materialien zu diesem System. Das Schienenmaterial SHERAprint-ortho plus ist ein zertifiziertes Medizinprodukt der Klasse IIa. Das Material kann nach Wunsch auch für Bohrschablonen verwendet werden. Zusätzlich stehen Materialien für temporäre Kronen und Brücken (SHERAprint-cb), Bohrschablonen (SHERAprint-sg), Übertragungsschlüssel (SHERAprint-bracket key) und Abformlöffel (SHERAprint-tray) als Medizinprodukte der Klasse I zur Verfügung. Vier Modellmaterialien SHERAprint- model (fast und plus) sowie -gingiva mask und ein Material zum Drucken von Formen für Gussobjekte (SHERAprint-cast) sind ebenfalls im Sortiment enthalten. Zusätzlich bietet SHERA einen Ultraschallreiniger (SHERAultra- p) für die frisch gedruckten Objekte und einen Reiniger für die Materialwannen (SHERAclear-p) an.

Die Firma Henry Schein vertreibt die Drucker ohne konkrete Materialvorgaben. Sie verweist auf renommierte Materialhersteller wie die Firmen Dreve und Detax und gibt laut Max Müller entsprechende Hilfestellung bei der Optimierung der Druckerparameter.

Baugleiche Drucker

Die Drucker SMART MILL 3D print (MC-Dental), Hinri-Print 125 (ERNST HINRICHS Dental) sowie der SilaPrint 125 (SILADENT Dr. Böhme & Schöps) sind baugleiche sowie systemoffene Drucker (Tab. 4, Abb. 5). Sowohl CAD/CAM-Techniker Mark Wiesner der Firma MC-Dental als auch der Anwendungstechniker Andreas Jens Müller (ERNST HINRICHS Dental) wiesen darauf hin, dass entsprechende Supportstrukturen während der virtuellen Konstruktion manuell platziert werden müssen. Sie betonten aber auch, dass das Arbeiten mit der integrierten Software (SLC Programm) einfach und schnell erlernbar sei. Auch hier findet die DLP-Technologie Anwendung (385 nm). Neben der Möglichkeit, dünne Schichtstärken zu drucken (5–200 µm), ist dieser Drucker mit einem Schwenk-Lösungsprinzip ausgestattet. Die integrierte Material-Teflonschale kann nach Kontakt mit der Bauplattform (Picker) und entsprechender Belichtungszeit zunächst gekippt und anschließend leicht abgesenkt werden. Erst danach wird der Picker nach oben gezogen. Dieses Vorgehen führt zu einer Minimierung der Abzugskräfte, und es wird laut dem Anwendungstechniker Andreas Jens Müller die Verzugsgefahr im Druckobjekt gebannt.

ERNST HINRICHS Dental

ERNST HINRICHS Dental

Als HinriPrint-Materialien werden biokompatible lichthärtende Kunststoffe auf Methacrylatbasis für KFOBasisteile, Aufbissschienen, Bohrschablonen, Röntgenschablonen, für Modelle, Kronen- und Brückengerüste, Modellgusskonstruktionen und individuelle Abdrucklöffel angeboten. Bei der Firma MC-Dental wurden Druckparameter für die Detax-Materialien hinterlegt. Das sind Detax Freeprint UV sand, -cast UV rot und -splint UV transparent. Zudem wird bei MC-Dental die Reinigungslösung Isopropanol für die Druckobjekte angeboten. Alle drei Anbieter verwiesen ausdrücklich auf die Gebrauchsanweisungen und Sicherheitsdatenblätter ihrer Materialien.

In der Fortsetzung werden weitere DLP-Drucker beschrieben, die auf der IDS vorgestellt wurden. Diese kommen von den Unternehmen ASIGA, UnionTech Shanghai, XYZprinting Netherlands, DWS sowie Formlabs. Danach setzt sich die Serie mit der Polyjet-Technologie, der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modelling, FDM) mit Kunststoff-„Fäden“ (Filamenten) und schließlich dem 3D-Metalldruck fort.

Weiterführende Links

• Teil 1 – Additive Fertigungstechniken: der 3D-Drucker

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