Digitale Systeme


Vom Materialhersteller zum Systemanbieter – die zentrale Rolle des 3D-Druckers

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In der Dentalindustrie sind die Anforderungen an die patientenindividuelle Fertigung hoch. Um Akzeptanz für digitale Herstellungsmethoden zu schaffen, bedarf es ausgereifter Produkte und Produktionssysteme. 3D-Drucker auf Basis der LCD-Technologie bilden hier eine wirtschaftliche Möglichkeit.

Die patientenindividuelle Produktion ist in kleinen inhabergeführten Dentallaboren, aber auch in großen Fertigungszentren, etabliert und bildet das Rückgrat der zahntechnischen Versorgung. Für bestimmte Applikationen wurden in der Vergangenheit schrittweise digitale Verfahren eingeführt. Seitdem können Dentalmodelle nicht mehr nur aus Gips, sondern auch aus Kunststoff mittels 3D-Druck oder CNC-Frästechnik effizient hergestellt werden.

Insbesondere die ersten Schritte dieser digitalen Fertigung waren mit hohen Investitionskosten und Aufwand, zeitgleich aber auch mit hohem Misserfolg verbunden. Während die Frästechnologie mittlerweile etabliert ist und das digitale Standbein in der zahntechnischen Produktion darstellt, ist der Erfolg des 3D-Drucks auf wenige Applikationen beschränkt. Gängig ist heutzutage die industrielle Fertigung von Tiefziehmodellen, KFO-Modellen sowie weniger Medizinprodukte, wie z.B. Bondingtrays und Bohrschablonen.

Das globale Marktvolumen in der generativen Dentalfertigung wird aktuell bis Ende 2025 auf 930 Millionen Dollar prognostiziert – vor 4 Jahren ging man noch von lediglich 260 Millionen Dollar aus. [1] Die aktuelle weltpolitische Lage, Engpässe in den Lieferketten und nicht zuletzt die damit einhergehende hohe Inflationsrate, üben einen hohen Kostendruck auf die Anwender/-innen aus.

Steigende Lohnkosten bei gleichzeitig anwachsendem Fachkräftemangel verstärken diesen Effekt. Teil- oder vollautomatisierte Prozesse in der Fertigung können diesen Herausforderungen Rechnung tragen und zu Kosteneinsparungen in der Herstellung dentaler Produkte beitragen. Die Anschaffungskosten für ein modernes, effizientes Produktionssystem sollten dabei möglichst gering ausfallen.

Gleichzeitig muss das System höchsten Ansprüchen bezüglich Qualität, Nutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit genügen, um nicht zuletzt den gestiegenen rechtlichen Vorgaben zu entsprechen. Als Teil des Produktionssystems spielt dabei der 3D-Drucker eine wesentliche, zentrale Rolle.

Der Vergleich: Etablierte und neue Technologien Die Anforderungen der Dentalindustrie an die patientenindividuelle Fertigung sind und bleiben sehr herausfordernd. Um Akzeptanz bei erfahrenen, traditionell geprägten Anwenderinnen und Anwendern in Labor und Praxis für erwiesenermaßen effizientere moderne Produktionsmethoden zu schaffen, sind ein hoher Überzeugungsaufwand und ein ausgereiftes Produkt unabdingbar. 3D-Drucker auf Basis der Liquid-Crystal-Display-Technologie (kurz: LCD) sind ein Schlüsselelement, diesen Zielkonflikt wirtschaftlich zu lösen.

Die meisten der am Markt erhältlichen Desktop-3D-Drucker arbeiten nach demselben Funktionsprinzip mit einer Belichtungseinheit, die schichtweise Bilder in eine mit lichthärtendem Harz gefüllte Wanne projizieren. Die Bauteile werden von der beweglichen Achse in der Schichtdicke entsprechenden Abständen aus dem Harz herausgezogen und so sukzessive aufgebaut. Diese Stereolithografie-Drucker (kurz: SLA) haben prinzipbedingt den Nachteil vieler beweglicher Teile, die präzise eingestellt und im Zweifelsfall teuer ersetzt werden müssen.

  • Abb. 1: Prinzipschaubild der verschiedenen Drucktechnologien (von links nach rechts: SLA, DLP, LCD).

  • Abb. 1: Prinzipschaubild der verschiedenen Drucktechnologien (von links nach rechts: SLA, DLP, LCD).
    © Neumeister, Lenzen
Digital-Light-Processing-Drucker (kurz: DLP) sind auf eine aufwendige integrierte Projektortechnik angewiesen, die einen Großteil der Gesamtkosten des Druckers ausmachen. LCD-Drucker hingegen weisen eine Belichtungsquelle in Form von LEDs auf, die UV-Licht auf das direkt unter der Wanne befindliche LC-Display werfen (Abb. 1). Dieses Display lässt das Licht nur in den für die jeweilige Schicht benötigten Bereichen passieren und agiert so als Maske.

Da für diese Belichtungsform weder bewegliche Teile noch aufwendige, optische Komponenten benötigt werden, kann hier kosteneffizient konstruiert und gefertigt werden. Tabelle 1 stellt die wesentlichen technischen Merkmale der verschiedenen, in der Zahntechnik verwendeten 3D-Druck-Technologien im Preissegment ab 15.000 Euro gegenüber.

  • Tabelle 1: Technologievergleich SLA, DLP, LCD im Preissegment < 15.000 Euro pro
Desktopgerät
  • Tabelle 1: Technologievergleich SLA, DLP, LCD im Preissegment < 15.000 Euro pro Desktopgerät
    © Neumeister, Lenzen

Die LCD-Technologie bietet das beste Verhältnis zwischen Kapazität und Kosten, ohne dabei Abstriche bei den entscheidenden technischen Merkmalen wie Baufeldgröße und Durchsatz in Kauf nehmen zu müssen. Die erreichbare Oberflächengüte LCD-gedruckter Bauteile ist mit Bauteilen der anderen beiden im Dentalbereich etablierten Verfahren vergleichbar (Abb. 2 und 3): Leichte Unterschiede lassen sich am Glanz und der Glätte der Oberflächen feststellen. Die oft beim DLP-Druck sichtbare, teils harte Treppenstruktur der einzeln aufeinander aufgesetzten Schichten fällt beim LCD-Druck weniger auf.

  • Abb. 2: Detailaufnahme der Unterseite eines hohlgelegten Dentalmodells
aus FotoDent® (oben: DLP, unten: LCD).
  • Abb. 3: Detailaufnahme der Unterseite eines hohlgelegten Dentalmodells
aus FotoDent® (oben: DLP, unten: LCD).
  • Abb. 2: Detailaufnahme der Unterseite eines hohlgelegten Dentalmodells aus FotoDent® (oben: DLP, unten: LCD).
    © Neumeister, Lenzen
  • Abb. 3: Detailaufnahme der Unterseite eines hohlgelegten Dentalmodells aus FotoDent® (oben: DLP, unten: LCD).
    © Neumeister, Lenzen

Neben den visuellen Gesichtspunkten sind insbesondere die Genauigkeit und Präzision entscheidend für ein dentales Produktionssystem. Die Herausforderung ist die exakte Umsetzung der digitalen Daten in ein physisches Objekt.

Anwender/-innen erwarten dauerhaft stabile und langfristig vergleichbare Produktionsergebnisse, was technische Merkmale (wie eine kalibrierte Optik), entsprechend genaue mechanische Komponenten im Drucksystem und abgestimmte Druckparameter, erfordert. Für die Entwicklung der Fertigungsparameter der unterschiedlichen Produkte gilt es eine genaue Überprüfung der Anforderungen vorzunehmen (Tab. 2 und 3).

Anforderungen an ein marktgerechtes 3D-Drucksystem 
+ Hohe Genauigkeit und Präzision
+ Robuste Prozesse/hohe Prozessfähigkeit
+ Applikationsgerechte Profile
+ Werkskalibrierung
+ Bedienungskomfort
+ Höchste Wirtschaftlichkeit
+ Zuverlässigkeit
+ Kompatibilität mit FotoDent®

Tabelle 2: Anforderungen an ein marktgerechtes 3D-Drucksystem für die Dentalbranche nach Dreve.

Beispiele zu Produktanforderungen

BohrschabloneBiokompatibilitätMaßhaltigkeit (Passung zum Zahn, Passung der Hülse)Festigkeit gegen DruckFarbe
TiefziehmodellHohe DruckgeschwindigkeitFestigkeit gegen DruckTemperaturbeständigkeitSzenariengerechte Druckprofile
Stumpfmodell/SituationsmodellFestigkeit gegen AbriebHohe Genauigkeit (Friktion, Passung Stumpf zur Basis)Möglichst designunabhängige FunktionalitätSzenariengerechte Druckprofile
AbformlöffelBiokompatibilitätFestigkeit gegen Scherung und DruckHohe DruckgeschwindigkeitEffiziente CAM-Vorbereitung

Tabelle 3: Übersicht Produktanforderungen für ausgewählte Produktbeispiele nach Dreve.

Kennzahlen Produktionsoutput

MaterialBauteile/PlattformBaugeschwindigkeit (in mm/h)
FotoDent® biobased mode> 20> 20
FotoDent® model2> 20> 25
FotoDent® tray> 15> 50
FotoDent® IBT> 10> 15

Tabelle 4: Phrozen Sonic XL 4K: Kennzahlen zum Produktionsoutput.

Während die flüssigen Kunststoffe – bedingt durch ihre chemische Formulierung – bestimmte Potenziale bereits liefern, ist die Verarbeitung während des Prozesses von ebenso hoher Priorität, um die Herstellung des Produktes und seine spätere Anwendbarkeit ganzheitlich zu gewährleisten. Die Erbringung dieses Nachweises nennt sich Validierung, eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung von Medizinprodukten.

Unterschieden werden grundsätzlich Labor- und Medizinprodukte verschiedener Klassen. Bei den Medizinprodukten gibt es sowohl Hilfsmittel (Bohrschablone, Abformlöffel) als auch im Körper über längere Zeit verbleibende Produkte (Zahnersatz, prothetische Produkte).

Klassiker unter den Hilfsmitteln sind bereits der patientenspezifisch konstruierte Abformlöffel sowie die implantologisch verwendete Bohrschablone. Letztgenannte erfordert unter anderem ein hohes Maß an Genauigkeit, welches durch die Nutzung von 3D-Druck nachgewiesenermaßen erreichbar ist. [2] Eine ausreichend hohe Festigkeit ist unverzichtbar, damit die Schablone während des implantologischen Eingriffs nicht zerbricht.

Dasselbe gilt auch für den Abformlöffel, der in der Anwendung besonders hohen Biege- und Scherbeanspruchungen ausgesetzt ist. Hersteller von Löffeln wünschen sich zudem eine schnelle, verzögerungsfreie Aufbaurate, da sie bauartbedingt am zuverlässigsten und effizientesten in vertikaler Bauweise gedruckt werden können. Der Anteil an Stützstrukturen und der damit verbundenen Nacharbeit wird so minimal und das Auftreten von Verzögerungen im vertretbaren Rahmen gehalten.

Perfekte Symbiose zwischen kalibriertem Gerät und innovativem Material 

Basierend auf diesem Wissen wurde ein neues, maßgeschneiderte Produkt entwickelt, in das die 3D-Druck-Expertise gleich zweier Unternehmen einging – jene von Dreve und Phrozen. Während Phrozen im Gerätebau, vor allem durch den Einsatz der LCD-Technologie, neue Märkte erschließt, setzt Dreve durch kontinuierliche Innovationen in der Dentalmaterial- und Profilentwicklung seit langer Zeit Maßstäbe. Durch diese Kooperation ergeben sich Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Zuverlässigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit des hergestellten Produkts.

In der untenstehenden Tabelle 4 sind typische Kennzahlen zum Produktionsoutput des aus der Kooperation hervorgegangenen Druckers, dem Phrozen Sonic XL 4K, dargestellt. Durch die große Plattform lassen sich zwei- bis dreimal so viele Bauteile je Druckvorgang im Vergleich zu etablierten DLP-Geräten herstellen. Durch die geringeren Anschaffungs- und Instandhaltungskosten des LCD-Druckers im Vergleich zur DLP-Technologie lässt sich eine signifikante Kostenreduktion bei gleichbleibender Produktspezifikation und -qualität erreichen.

Typische Produkteigenschaften wie mechanische Belastbarkeit, Biokompatibilität, Oberflächengüte, Ästhetik und Genauigkeit sind vergleichbar mit DLP-gefertigten Produkten. Den Phrozen Sonic XL 4K, qualified by Dreve, zeichnen darüber hinaus abgestimmte Profile und weitere Detailoptimierungen aus. Das Gerät bildet so die perfekte validierte Symbiose zwischen kalibriertem Gerät und innovativem Material: eine funktionierende, „ready-to-use“-Systemlösung mit abgestimmtem Prozess für die Produktion patientenindividueller, hochqualitativer Produkte.

Fazit

Die Dreve Dentamid GmbH bietet mit dem Phrozen Sonic XL 4K 3D-Drucksystem als erster etablierter dentaler Systemanbieter eine professionelle Low-Cost-Lösung in der digitalen Prozesskette an. Gemeinsam mit dem 3D-Druckharzportfolio der FotoDent®-Serie, zugehörigen eigenen Wasch- und Nachhärteeinheiten, lassen sich unserer Meinung nach die höchsten Standards hinsichtlich Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit erzielen.


Literatur:

[1] Vgl. QY Research: Global Dental 3D Printing Market Analysis, 2014 – 2025

[2] Neumeister A, Schulz L, Glodecki C. Investigations on the accuracy of 3D-printed drill guides for dental implantology. Int J Comput Dent. 2017;20(1):35-51.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr.-Ing. André Neumeister - Gregory Lenzen, M.Sc


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