Festsitzende Implantatprothetik


CAD/CAM-Technologie: In fünf Schritten zum passgenauen Steg


Das Anfertigen von spannungsfreien und passgenauen Stegen war in der Zahntechnik bisher eine große Herausforderung und meist mit hohem Aufwand verbunden. Mit moderner CAD/CAM-Technologie ist es inzwischen möglich, hier präzise Ergebnisse zu erzielen – vorausgesetzt, beim Workflow werden fünf Schritte eingehalten.

Die Versorgung des unbezahnten Unterkiefers stellt sicherlich eine der großen Herausforderungen für Zahnarzt und Zahntechniker dar. Der Einsatz von Implantaten zur stabilen Verankerung der Unterkieferprothese bietet hier gute Möglichkeiten. Verschiedenste Ansätze werden mittlerweile genutzt, wobei deren Einsatz einerseits von den anatomischen Gegebenheiten, andererseits auch von den finanziellen Möglichkeiten des Patienten abhängt. Die kostengünstigste implantatgetragene Lösung bietet hier die Verwendung von zwei Implantaten im Bereich der 3er, die mit zwei Locatoren oder zwei Kugelknopfankern versehen werden. Stegretinierte Versorgungen erfordern einen höheren Herstellungsaufwand, da diese im Unterkiefer idealerweise auf vier intraforaminär gesetzten Implantaten gefertigt werden. In der Vergangenheit wurden derartige Stege entweder aus konfektionierten Einzelteilen zusammengeschweißt bzw. -gelötet oder als Steggeschiebe im Einstückguss hergestellt. Die Spannungsfreiheit war dabei meist nur mit einem erheblichen Aufwand zu erreichen und stellte für den Zahntechniker immer eine große Herausforderung dar. Oftmals musste der Steg wieder auseinandergeschnitten werden, um diesen dann erneut zu lasern oder zu löten. Aufgrund dieser Tatsachen wurden Versorgungen mit Kugelknopf oder Locatoren den stegretinierten Unterkieferversorgungen in der Vergangenheit vorgezogen.

Der Einsatz der CAD/CAM-Technologie bietet inzwischen die Möglichkeit, passgenaue und spannungsfreie Primärstege auf Implantaten herzustellen. Um diese Präzision erreichen zu können, muss sowohl in der zahnärztlichen Praxis als auch im zahntechnischen Labor und im CAD/CAM-Fertigungszentrum eine Reihe von grundsätzlichen Vorgaben beachtet werden. Wichtig sind dabei folgende fünf Schritte im Workflow:

  1. die Abformung der Implantatpfosten in der zahnärztlichen Praxis
  2. die Kieferrelationsbestimmung
  3. der Scankörper (= Scanbody, Scanpfosten) und das 3D-Matching
  4. die optische dreidimensionale Vermessung
  5. die 5-Achs-HSC-Bearbeitung

Um die Folgen der stets vorhandenen Fehleraddition zu minimieren, ist es also wichtig, die Einzelfehler dieser fünf Schritte so klein wie möglich zu halten. Die Wahrscheinlichkeit, dass nachfolgende Fehler einen vorausgegangenen Fehler kompensieren, ist sehr gering, insbesondere wenn mehr Bearbeitungsschritte aufeinanderfolgen.

1. Die Abformung – geschlossen und offen kombiniert

Die Basis des präzisen implantatgetragenen Steges bildet eine zweischrittige Abformung der Mundsituation (Abb. 1). In der ersten Abformsitzung wird dabei mit einem Konfektionsabformlöffel geschlossen abgeformt („gesnapte“ Abformung) (Abb. 2–4), während bei der zweiten Sitzung ein individueller Löffel zusammen mit verschraubten Abformpfosten eingesetzt wird. Nach der ersten Abformung erfolgt im zahntechnischen Labor die Herstellung des Implantat- Primärmodells, auf dem die Abformpfosten für die Sekundärabformung mittels Modellierkunststoff verblockt werden (Abb. 5–7).

  • Abb. 1: Die Ausgangsituation: Unterkiefer mit vier intraforaminär gesetzten Implantaten.
  • Abb. 2–4: Vorbereitung für die geschlossene („gesnapte“) Primärabformung, welche mit einem Konfektionsabformlöffel erfolgt.
  • Abb. 1: Die Ausgangsituation: Unterkiefer mit vier intraforaminär gesetzten Implantaten.
  • Abb. 2–4: Vorbereitung für die geschlossene („gesnapte“) Primärabformung, welche mit einem Konfektionsabformlöffel erfolgt.

  • Abb. 5–7: Die Verblockung der Abformpfosten mittels Modellierkunststoff für die verschraubte Sekundärabformung erfolgt auf dem Primärmodell. Die Einzelsegmente werden mittels einer dünnen Trennscheibe separiert.
  • Abb. 5–7: Die Verblockung der Abformpfosten mittels Modellierkunststoff für die verschraubte Sekundärabformung erfolgt auf dem Primärmodell. Die Einzelsegmente werden mittels einer dünnen Trennscheibe separiert.

  • Abb. 8–11: Intraorale Verblockung mit Modellierkunststoff und Abformung mit individuellem Abformlöffel.

  • Abb. 8–11: Intraorale Verblockung mit Modellierkunststoff und Abformung mit individuellem Abformlöffel.
Diese Verblockung wird nach dem Aushärten mit einer feinen Trennscheibe separiert, sodass vor der Sekundärabformung jeder Abformpfosten (mit Verblockungsanteil) separat auf die Implantate im Mund aufgeschraubt werden kann. Danach erfolgt die intraorale Verblockung aller verschraubten Abformpfosten mithilfe von Modellierkunststoff (Abb. 8–10). Da die Spalten zwischen den einzelnen Segmenten auf den verschraubten Abformpfosten sehr gering sind, wirkt sich eine eventuelle Polymerisationsschrumpfung nicht auf die Genauigkeit der Verblockung aus. Die Sekundärabformung über die Verblockung erfolgt mithilfe eines offenen individuellen Abformlöffels (Abb. 11). Bei derartigem Vorgehen ist erfahrungsgemäß selbst bei stark divergierenden Pfeilern eine exakte Positionsgenauigkeit der Implantatpfosten gegeben. Das Ausgießen der Abdrücke sollte unbedingt erst nach der Rückstellphase des Abdruckmaterials erfolgen. Hierbei sind die Angaben der Hersteller zu beachten.

2. Die Kieferrelationsbestimung

Es hat sich als äußerst hilfreich erwiesen, für die Bissnahme, aber auch für die spätere Wachsaufstellung Kunststoffbasen herzustellen, welche mit den Implantaten im Modell verschraubt werden können (Abb. 12–16). Falls die einzelnen Implantate stark divergieren, können auch wenige Implantate, welche die gleiche Einschubrichtung aufweisen, für die Verschraubung verwendet werden. Als Gegenlager in den Kunststoffbasen können eingekürzte Abformpfosten benutzt werden. Durch dieses Vorgehen ist der perfekte Sitz der Bissschablone und der Wachsaufstellung gewährleistet (Abb. 17 u. 18), sodass damit die Grundlage für eine exakte Dimensionierung des CAD/CAM-Implantatsteges gegeben ist.

  • Abb. 12–16: Es hat sich bewährt, Kunststoffbasen herzustellen, welche mit den Implantaten im Modell verschraubt werden können.
  • Abb. 17 u. 18: Passgenauer Sitz der Wachsaufstellung auf dem Meistermodell.
  • Abb. 12–16: Es hat sich bewährt, Kunststoffbasen herzustellen, welche mit den Implantaten im Modell verschraubt werden können.
  • Abb. 17 u. 18: Passgenauer Sitz der Wachsaufstellung auf dem Meistermodell.

  • Abb. 19 u. 20: Scankörper der Firma CADstar mit patentierter Geometrie sowie patentierter Oberflächenbeschichtung.
  • Abb. 19 u. 20: Scankörper der Firma CADstar mit patentierter Geometrie sowie patentierter Oberflächenbeschichtung.

3. Der Scankörper und das 3D-Matching

Die Gestaltung der Scankörper sowie das für die Scankörper verwendete Material bilden wesentliche Schlüsselstellen zum passgenauen CAD/CAM-Implantatsteg. Von der Firma CADstar wurde ein spezieller Scankörper entwickelt, der sowohl eine patentierte Geometrie als auch eine patentierte Oberflächenbeschichtung aufweist (Abb. 19 u. 20).

Ein Scanabutment sollte folgende Anforderungen erfüllen:

  • Formstabilität des Materials
  • diffuse Oberflächenstruktur
  • keine scharfen Kanten
  • Rotationsschutz für Einzelzahnrestaurationen
  • hohe Diversität an Oberflächennormalen

  • Abb. 21: Beim Einsatz kegelförmiger Scanabutments ist das Datensatzmatching zwischen dem Scandatensatz des Scanabutments und dem in der Software hinterlegten Datensatz des Scanabutments in Z-Richtung sehr schwierig.

  • Abb. 21: Beim Einsatz kegelförmiger Scanabutments ist das Datensatzmatching zwischen dem Scandatensatz des Scanabutments und dem in der Software hinterlegten Datensatz des Scanabutments in Z-Richtung sehr schwierig.
Auf eine hohe Diversität an Oberflächennormalen zur Unterstützung von Fit-Algorithmen wurde bisher wenig Rücksicht genommen. Gewöhnlich kommen kegelförmige Scanabutments zum Einsatz. Diese haben die Form eines Stumpfes mit einem Kegelwinkel von 87 Grad. Weil die Geometrie der Scanabutments in okklusaler Richtung keine Struktur aufweist, ist die genaue Lokalisierung der okklusalen Position des Scanabutments in Z-Richtung schwierig (Abb. 21).

Der neu entwickelte Scankörper bietet durch seine spezielle Außengeometrie eine verbesserte Grundlage für die nachfolgenden mathematischen Matching- Algorithmen. Die Geometrie des Scanabutments wurde unter Berücksichtigung der Iterated-Closest-Point Algorithmus-Theorie entwickelt und garantiert damit ein wesentlich exakteres Matching-Ergebnis.

Die Scanabutments sind in Z-Richtung strukturiert. Messpunkte in den oberen Bereichen der Kugeln (als Detailansicht A in Abb. 22 gekennzeichnet) erlauben es den Kugeln beim Matching nicht, nach okklusal auszuweichen, ohne dass das Fehlermaß im Fit-Algorithmus reagiert. Messungen des Herstellers zeigen eine gemittelte Positionsgenauigkeit von 16 ?m und eine Rotationsgenauigkeit von 0,13 Grad (Abb. 23).

  • Abb. 22: Die Scanabutments sind in Z-Richtung strukturiert, sodass ein exaktes Datensatzmatching in allen drei Raumrichtungen möglich ist.
  • Abb. 23: Messungen des Herstellers zeigen eine gemittelte Positionsgenauigkeit von 16 ?m und eine Rotationsgenauigkeit von 0,13 Grad.
  • Abb. 22: Die Scanabutments sind in Z-Richtung strukturiert, sodass ein exaktes Datensatzmatching in allen drei Raumrichtungen möglich ist.
  • Abb. 23: Messungen des Herstellers zeigen eine gemittelte Positionsgenauigkeit von 16 ?m und eine Rotationsgenauigkeit von 0,13 Grad.

4. Die dreidimensionale optische Vermessung

  • Abb. 24 u. 25: Streifenweißlichtscanner, wie beispielsweise der CS1-Scanner von CADstar, arbeiten mit großen Messfeldern (vier Scanfelder für einen Gesamtkiefer), sodass nur eine geringe serielle Addition von Matchingfehlern auftritt.

  • Abb. 24 u. 25: Streifenweißlichtscanner, wie beispielsweise der CS1-Scanner von CADstar, arbeiten mit großen Messfeldern (vier Scanfelder für einen Gesamtkiefer), sodass nur eine geringe serielle Addition von Matchingfehlern auftritt.
Die Genauigkeit der dreidimensionalen Erfassung der Scanabutments sowie der gesamten Spannweite des Kiefermodells spielt eine wesentliche Rolle in der Präzisionsanalyse dieses Workflows. Streifenweißlichtscanner (Abb. 24) bieten hier gegenüber Scannern mit Laserlichtschnittverfahren den Vorteil, dass große Messfelder möglich sind (Abb. 25). Auf diese Weise tritt nur eine geringe serielle Addition von Matchingfehlern auf. Allerdings dauert beim Streifenweißlichtverfahren der Scanvorgang etwas länger, zudem ist die eingesetzte Technologie aufwendiger.

5. Die 5-Achs-HSC-Bearbeitung

Einen wesentlichen Punkt bei der Herstellung von CAD/CAM-gefertigten Stegen bildet die CNC-Fräsmaschine. Aus den mittels CAD erzeugten Stegkonstruktionen (Abb. 26–28) werden mithilfe der CAMSoftware die Fräsbahnen berechnet. Da in der Regel die Einschubachse des Steges von den Achsen der Implantate abweicht, ist die Verwendung von 5-Achs-Fräsmaschinen notwendig (Abb. 29). Dabei sollten ausreichende Maschinenverfahrwege in den Linearachsen sowie genügend große Schwenkbereiche in den Rotationsachsen vorhanden sein. Nur so können auch schwierige Achslagen der Implantate in die Stegkonstruktion umgesetzt werden. Die Steifigkeit einer Maschine entsteht nicht nur durch die hohe Masse, sondern vor allem durch die richtige Verteilung: Ideal ist eine schwere, hochsteife Auslegung aller starren Massen und eine Optimierung von Masse und Steifigkeit der bewegten Bauteile. Zudem sollten die Führungen ausreichend dimensioniert sein: Rollenführungen sind beispielsweise deutlich steifer als Kugelführungen. Ein Linearmotor verbindet im Idealfall Steifigkeit und Dynamik bei geringen Betriebskosten. Hohe Zerspankräfte sowie starke Brems- und Beschleunigungswege belasten die Maschine. Je stärker die Belastung, desto höher muss die Steifigkeit der Maschine sein. Fehlt diese Steifigkeit, dann kann sich die Maschine verbiegen und verliert an Genauigkeit. Zudem entstehen Schwingungen, die die Lebensdauer und Zerspanleistung der Werkzeuge dramatisch reduzieren können (Abb. 30).

  • Abb. 26–28: Die CAD-Konstruktion des implantatgetragenen Steges.
  • Abb. 29: Aufgrund des Unterschiedes zwischen der Stegeinschubachse und den Implantatachsen ist die Bearbeitung mit einer 5-Achs-Maschine notwendig.
  • Abb. 26–28: Die CAD-Konstruktion des implantatgetragenen Steges.
  • Abb. 29: Aufgrund des Unterschiedes zwischen der Stegeinschubachse und den Implantatachsen ist die Bearbeitung mit einer 5-Achs-Maschine notwendig.

  • Abb. 30: Verschleiß an der Schneide eines Kugelradiusfräsers: Die unterschiedlichen Abnutzungen der Schneidgeometrien der Fräser sollten durch ein intelligentes Vermessungssystem während des Fräsprozesses kontinuierlich erfasst werden.
  • Abb. 30: Verschleiß an der Schneide eines Kugelradiusfräsers: Die unterschiedlichen Abnutzungen der Schneidgeometrien der Fräser sollten durch ein intelligentes Vermessungssystem während des Fräsprozesses kontinuierlich erfasst werden.

Die HSC-Bearbeitung (= High Speed Cutting, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung) bietet den wesentlichen Vorteil, dass die beim Fräsvorgang entstehende Wärme mit dem Frässpan abgeführt wird, sodass weder das Werkstück noch der Fräser überhitzt wird. Aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten des Fräsers ist die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr über den wegfliegenden Span größer als die Wärmeleitgeschwindigkeit. Industrielle HSC-Bearbeitungszentren zeigen sehr hohe Genauigkeiten in den Linear- und Rotationsachsen. Hochpräzise Werkzeugaufnahmen, wie beispielsweise das TRIBOS-System, ermöglichen ein Einspannen der Werkzeuge mit höchster Rundlaufgenauigkeit. Folgende Werte können für 5-Achs-HSC-Bearbeitungsmaschinen als Richtgröße angegeben werden:

  • ± 2 ?m Toleranz in der CAM-Software
  • ± 1 ?m Positionsgenauigkeit der Achsen
  • ± 6 ?m Gesamtmaschinengenauigkeit
  • ± 3 ?m Werkzeugtoleranz

Aus den angegebenen Werten resultiert eine Gesamtgenauigkeit von ± 12 ?m für die CNC-Bearbeitung.

Schlussfolgerungen

Die Herstellung von passgenauen, passiv sitzenden Stegkonstruktionen auf Implantaten (Abb. 31–37) mittels CAD/CAM-Verfahren funktioniert nur dann präzise und zuverlässig, wenn alle beschriebenen Schritte des Workflows exakt eingehalten werden.

  • Abb. 31 u. 32: Der fertig polierte CAD/CAM-gefertigte Implantatsteg sitzt absolut spannungsfrei auf dem Meistermodell.
  • Abb. 33: Der Sekundärsteg auf dem Meistermodell.
  • Abb. 31 u. 32: Der fertig polierte CAD/CAM-gefertigte Implantatsteg sitzt absolut spannungsfrei auf dem Meistermodell.
  • Abb. 33: Der Sekundärsteg auf dem Meistermodell.

  • Abb. 34: Um die Haltekraft der Stegkonstruktion steuern zu können, wurden je zwei vertikale und zwei horizontale Friktionselemente eingebaut.
  • Abb. 35: Die Einprobe des Steges im Mund zeigt einen absolut spanungsfreien Sitz sowohl der Primär- als auch Sekundärkonstruktion.
  • Abb. 34: Um die Haltekraft der Stegkonstruktion steuern zu können, wurden je zwei vertikale und zwei horizontale Friktionselemente eingebaut.
  • Abb. 35: Die Einprobe des Steges im Mund zeigt einen absolut spanungsfreien Sitz sowohl der Primär- als auch Sekundärkonstruktion.

  • Abb. 36 u. 37: Die fertig gestellte Arbeit.
  • Abb. 36 u. 37: Die fertig gestellte Arbeit.

Kompromisse in nur einem Schritt können zu einem Ausfall des Gesamtergebnisses führen. Die Wahrscheinlichkeit des seriellen Aufaddierens von Fehlern aus den Einzelschritten ist um ein Vielfaches höher als die Wahrscheinlichkeit des zufälligen, gegenseitigen Aufhebens von Fehlern. Sowohl der Zahnarzt als auch der Zahntechniker und insbesondere das Fertigungszentrum müssen aufeinander eingespielt sein und die jeweiligen Schritte im Workflow in Perfektion ausführen. Dann aber ist es möglich, exakt passende, implantatgetragene Stege mit einem überschaubaren Aufwand anzufertigen.

Bilder soweit nicht anders deklariert: ZT Josef Schweiger, M. Sc. , Dr. Florian Beuer , Martin Huber , Dr. Michael Stimmelmayr


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