Modellguss


Das 3D-Druck-Verfahren in der Modellgusstechnik

Mitgedruckte Stützpfeiler.
Mitgedruckte Stützpfeiler.

Unter Zuhilfenahme des 3D-Druck-Verfahrens lassen sich durch die „Print & Cast“-Methode passende Modellgussprothesen herstellen. Man muss nur wissen wie. In diesem Beitrag beschreibt ZTM Nikolas Bär sein Herantasten an den Druck von ausbrennbaren Kunststoff-Modellgussprothesen und erläutert, was man bis zum Erreichen des perfekten Ergebnisses berücksichtigen muss.

Ich befand mich im zweiten Lehrjahr, als wir Anfang 2015 unseren ersten 3D-Drucker bekamen, einen Rapid Shape D30. Gleich begeistert von der neuen Technik, begann ich, mich mit dem 3D-Druck auseinanderzusetzen.

Ich fing an, Aufbissschienen zu drucken, weil darin für uns das größte Wertschöpfungspotenzial lag. Leider mussten wir feststellen, dass diese binnen weniger Wochen im Mund versprödeten und wie Sicherheitsglas in viele Einzelteile zerbrachen.

Einleitung

Festzustellen war, dass die Technik funktionierte, aber die Materialien zu diesem Zeitpunkt auf dem recht jungen Markt noch nicht sehr weit entwickelt waren. Dieser Zustand sorgte dafür, dass wir nach anderen Möglichkeiten suchten, um den Drucker auszulasten. Neben der Tatsache, dass sich Modelle sehr gut drucken ließen, war auch der Gedanke attraktiv, Modellgussprothesen digital zu designen, in ausbrennbarem Kunststoff zu drucken, diese Gerüste konventionell einzubetten und dann zu vergießen.

Die ersten Ergebnisse waren ernüchternd. Die Klammern standen ab, die Basis lag nicht an und zu allem Überfluss war das Gussergebnis auch noch porös. Der Grund, wie mir später klar wurde, lag neben fehlender Erfahrung in den noch nicht für die Dentalbranche optimierten Materialien und zu hohen Abzugskräften des Druckers.

Die ersten Druck-Materialien für das „Print & Cast“-Verfahren waren sehr elastisch und verbrannten sehr schlecht. Der Druck-Kunststoff quoll auch in der Muffel auf, was manchmal sogar zum Platzen der Muffel führte. Dies alles hat sich bis heute schon verbessert – auch durch die speziell für den 3D-Druck entwickelten Einbettmassen.

Diese weisen eine höhere Festigkeit auf und sind strapazierfähiger. Doch die Problematik des nicht sauberen, rückstandfreien Ausbrennens besteht nach wie vor. Es bedurfte einiger Versuche durch „Trial and Error“ über mehrere Wochen hinweg, bis ich endlich ein Ergebnis hatte, das sich mit einem konventionellen Modellguss messen lassen konnte.

Schritt für Schritt und immer wieder wurden bei uns im Labor die Ist-Zustände mit dem Soll, d. h. dem konventionell hergestellten Modellguss, verglichen und neue Maßnahmen getroffen. Die nun gesammelte Erfahrung und die daraus entwickelten Konzepte und Tricks, um einen gut passenden Modellguss zu erhalten, werden in diesem Beitrag erläutert.

Zu Beginn sei gesagt, dass die schon erwähnten Abzugskräfte, die beim Lösen der Druckschicht während des Druckes am Boden der Materialwanne entstehen, eine signifikante Rolle spielen. Sind die Abzugskräfte zu hoch, ist es trotz aller Maßnahmen nicht oder nur schwer möglich, einen perfekt passenden Modellguss zu erhalten, da sich Teile des Druckobjektes verziehen.

Diese Erkenntnis kam, als ich die ersten Druckversuche mit dem NextDent 5100 (3D Systems) machte, der mich durch seine geringen Abzugskräfte und Schnelligkeit überzeugte.

Die Wanne dieses Druckers ist eine sogenannte „Flexvat“ – das bedeutet, dass das Druckfenster am Boden der Wanne nur aus einer dünnen Folie besteht. Dies führt dazu, dass sich die Folie während des Ablösevorgangs leicht mit nach oben wölbt.

Es kommt zu einem schonenderen seitlichen Ablösen als dann, wenn der Wannenboden starr ist. Dies ist ganz ähnlich wie beim Abziehen eines Aufklebers mit der Hand, den man ja von der Seite wegzieht und nicht nach oben. Mittlerweile hat sich in der Entwicklung der 3D-Drucker hier am meisten getan und es gibt Drucker, die fast ohne messbare Abzugskräfte das Druckobjekt generieren.

Die Abzugskräfte beim Drucken

Abzugskräfte entstehen bei jeder Druckschicht zwischen der zuletzt gedruckten Schicht und dem Fenster am Boden der Materialwanne. Diese Kräfte sind in erster Linie Adhäsionskräfte. Wie stark diese Kräfte ausfallen, hängt von mehreren Faktoren ab. Die wichtigsten Kriterien für deren Stärke sind die Qualität, der Zustand und das Material des Druckfensters. Das Fenster besteht in der Regel aus einem Fluorpolymer-Film. Eine der Eigenschaften von diesem liegt in der extrem geringen Oberflächenspannung und der damit verbundenen Antihafteigenschaft, vergleichbar mit dem Verhalten einer Teflonpfanne. Weitere Faktoren für die Stärke der Abzugskräfte sind die Fläche der Druckschicht, die Kontakt zum Druckfenster hat, der Abzugsmechanismus, die Viskosität des Materials und die Geschwindigkeit, mit der die Bauplattform nach oben fährt, um die Schicht zu lösen (siehe Grafik).
  • Die im Druckprozess entstehenden Abzugskräfte.
  • Die im Druckprozess entstehenden Abzugskräfte.
    © Bär

Gute Beispiele für solch einen Drucker sind neben dem genannten 3D Systems-Drucker die Carbon 3D-Drucker (Carbon, Kalifornien) oder die Envisiontec cDLM-Druckerreihe. All diese Drucker besitzen ein sauerstoffpermeables Druckfenster, was seinerseits die Abzugskräfte reduziert. Hier kann von unten durch die Wanne Sauerstoff hindurchdringen, was zu einer sogenannten „Deadzone“ führt. Dies ist eine wenige Mikrometer dicke Schicht ungehärtetes Resin, die sich zwischen Druckfenster und Druckobjekt befindet.

Der Sauerstoff tritt durch das Druckfenster in die unterste Schicht des Materials ein und führt zu einer Inhibitionsschicht. Diese Schicht kennt man auch als Schmierschicht bei anderen lichthärtenden Materialien wie Komposit oder Löffelmaterial, die nach dem Lichthärten bedingt durch den Sauerstoffkontakt an der Oberfläche entsteht. Aufgrund der nun fast nicht mehr vorhandenen Abzugskräfte ist es so auch möglich, kontinuierlich zu drucken – sprich: das Druckobjekt ohne durch ein ständiges Auf- und Absenken der Bauplattform entstehen zu lassen, was die Fertigungszeit enorm verkürzt.

Das Design

Im Grunde ist es kein großes Hexenwerk, passende Modellgussprothesen im 3D-Verfahren herzustellen. Es gibt jedoch ein paar wenige Dinge, die bei der Fertigung berücksichtigt werden müssen. Dies beginnt schon vor dem Designen.

  • Abb. 1: Mitgescannte Anzeichnungen.

  • Abb. 1: Mitgescannte Anzeichnungen.
    © Bär
Es ist sehr hilfreich, wenn man die Möglichkeit hat, mit Oberflächendetails zu scannen, und sich den Modellguss schon im Vorfeld auf dem Gipsmodell anzeichnet. So kann man im Design später schnell und sicher die Basis gestalten (Abb. 1).

Die in der 3Shape-Software hinterlegten Klammer- und Bügelprofile haben leider nicht viel mit den klassischen Wachsteilen zu tun, die wir zur konventionellen Modellation von Modellguss benutzen. Dies hat zur Folge, dass ein digitaler Modellguss immer anders aussieht als ein klassisch modellierter Modellguss. Dies wird sehr stark deutlich, wenn man sich die hinterlegten Klammerprofile anschaut, die nicht tropfenförmig, sondern oval sind.

Es ist deshalb notwendig, sich seine eigenen Profile im Programm zu erstellen. Auch sollten die Materialstärken den eigenen Vorlieben und dem Material angepasst werden können. Die Voreinstellungen der Stärke für einen großen Verbinder im Oberkiefer liegen bei über 2 mm – zu empfehlen ist es, einmal die gewohnten klassischen Wachsprofile aus dem Labor zu vermessen und diese Werte in der Software einzuspeichern (Abb. 2).

  • Abb. 2: Beim Designen der Klammer.
  • Abb. 2: Beim Designen der Klammer.
    © Bär

Im Designprozess gibt es zwei notwendige Maßnahmen, um einen passenden Modellguss zu erhalten. Die eine verhindert die Problematik, dass Klammern nach dem Druck auf dem Modell abstehen. Dies kann größtenteils verhindert werden, wenn man während des Designens der Klammern darauf achtet, die Klammerspitzen einer Klammer mit einem Hilfsprofil zu verbinden, sodass ein geschlossener Ring entsteht.

  • Abb. 3: Design einer Klammer mit dem „Jumper-Profil“.

  • Abb. 3: Design einer Klammer mit dem „Jumper-Profil“.
    © Bär
Dafür gibt es das im System hinterlegte sogenannte „Jumper-Profil“. Die besondere Eigenschaft dieses Profils ist, dass es ca. einen Millimeter vom Modell abliegt, dennoch aber die Klammerspitzen miteinander verbindet (Abb. 3).

Eine zweite Maßnahme ist es, den Modellguss zu verstreben. Einige Anwender verstreben den Modellguss im Design und wachsen dann von Hand einen Gusskanal an. Dies kostet nicht nur mehr Zeit, sondern außerdem hält der Wachsgusskanal auch nicht sehr gut auf dem Kunststoff.

Das kann dazu führen, dass sich die Kanäle beim Einbetten vom gedruckten Modellgussgerüst lösen. Wesentlich einfacher ist es, den Gusskanal im letzten Schritt des Designens schon digital zu erstellen. Der Gusskanal dient dann zugleich als Verstrebung, was weitere Verbindungsstreben weitestgehend überflüssig macht (Abb. 4).

  • Abb. 4: Virtuell mitkonstruierte Gusskanäle.
  • Abb. 4: Virtuell mitkonstruierte Gusskanäle.
    © Bär

Eine stabilisierte Klammer und ein verstrebter Modellguss verbessern die spätere Passung und erleichtern das Handling ungemein. So reduzieren sie die Gefahr, dass sich beim Lösen von der Bauplattform oder während des Reinigungsprozesses eine Klammer aufbiegt oder sich die Basis verzieht.

Das Nesting

Auch die Ausrichtung des Druckobjektes spielt eine wesentliche Rolle bei der Passung. So hat es sich meiner Erfahrung nach bewährt, das Prothesengerüst horizontal zu drucken. Wichtig ist es dabei, Unterstützungsstreben („Supports“) zu planen – sie sollen in regelmäßigem Abstand auf den gesamten Rand gesetzt werden (Abb. 5).

  • Abb. 5: Die grünen Punkte markieren die Stellen, an denen die Supports generiert wurden.
  • Abb. 5: Die grünen Punkte markieren die Stellen, an denen die Supports generiert wurden.
    © Bär

Ich bin ein Freund von vielen dünnen Supports: Diese können bei einem Drucker mit geringen Abzugskräften sehr dünn eingestellt werden, sodass sie sich nach dem Druck einfach mit dem Finger wegstreichen lassen (Abb. 6).

  • Abb. 6: Ablösen des gedruckten Objektes von der Bauplattform. Dieses sollte vorsichtig und gleichmäßig erfolgen. Für den NextDent 5100 gibt es einen Stempel, mit dem das Druckobjekt sehr gleichmäßig von unten gelöst werden kann.
  • Abb. 6: Ablösen des gedruckten Objektes von der Bauplattform. Dieses sollte vorsichtig und gleichmäßig erfolgen. Für den NextDent 5100 gibt es einen Stempel, mit dem das Druckobjekt sehr gleichmäßig von unten gelöst werden kann.
    © Bär

Reinigung des Druckobjekts

Ist der Druck erfolgt, muss das Objekt gereinigt werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass das Druckobjekt so kurz wie möglich im Isopropanol-Bad liegt. Bei längerem Verweilen des Druckobjektes kann es – besonders in Verbindung mit einem Ultraschallgerät und Wärme – zu einem Erweichen des Materials kommen.

Dies kann dann beim Ablüften zu Verformungen und Fehlpassungen führen. Aus diesem Grund hat es sich bewährt, möglichst frisches Isopropanol zu benutzen, da dieses eine schnellere Reinigungswirkung ermöglicht und den Reinigungsprozess mit einer weichen Zahnbürste unterstützt.

Kontrolle des Druckobjektes

Vor dem Einbetten sollte eine Überprüfung der Passung auf dem Modell erfolgen. Es kann trotz aller Vorkehrungen vorkommen, dass Bereiche fehlen oder abliegen. Diese Bereiche können noch mit Wachs oder rückstandslos ausbrennbaren lichthärtenden Kunststoffen oder Autopolymerisaten ergänzt werden.

Darauffolgendes Nachbelichten ist nicht zwingend notwendig, erhöht aber die Festigkeit und verhindert größtenteils ein Verziehen bei nicht sofortiger Einbettung. Die Erfahrung hat gezeigt, dass ein zeitnahes Einbetten nach dem Druck deutlich bessere Passungen ergibt als dann, wenn erst Stunden später eingebettet wird (Abb. 7 u. 8).

  • Abb. 7: Gedrucktes Modellgussgerüst vor dem Entfernen der Supports.
  • Abb. 8: Kontrolle der Passung in Kunststoff auf dem Gipsmodell.
  • Abb. 7: Gedrucktes Modellgussgerüst vor dem Entfernen der Supports.
  • Abb. 8: Kontrolle der Passung in Kunststoff auf dem Gipsmodell.

Das Anstiften

Als Einbettmasse verwende ich die Shera RP, eine speziell für den 3D-Druck entwickelte Einbettmasse der Firma Shera, und die dazugehörigen Moosgummi-Muffeln. Die vom Hersteller empfohlene Einbettmasse-Konzentration passte bereits auf Anhieb zu unserer schon seit langer Zeit für Modellgüsse verwendeten Modellguss-Legierung (Remanium GM 800+; Dentaurum).

Die Moosgummi-Muffeln gibt es in den verschiedenen Größen 3, 6, 9; außerdem steht eine größere Modellgussmuffel zur Verfügung. So findet sich je nach Größe des Modellgusses die richtige Muffel. Aufgrund der mitgedruckten Gusskanäle erweist sich das Anstiften als schnell und leicht. Das Druckgerüst kann einfach auf den Sockel gesetzt und angestiftet werden.

Auch wenn die Materialhersteller angeben, dass die Cast-Resins rückstandslos verbrennen, so zeigt sich im Alltag doch ein anderes Bild: Die Materialien verbrennen immer noch nicht komplett, sodass es zu einer deutlich schlechteren Oberfläche und einem poröseren Gussergebnis als bei konventionell gegossenen Modellgüssen kommt. Dieses Problem kann aber gelöst werden, indem man Lüftungskanäle von mehr als 1 mm Durchmesser an den Modellguss anbringt und diese auf dem Sockel verwachst (Abb. 9). Durch diese Lüftungskanäle kann mehr Sauerstoff in die Muffel dringen, was das Ausbrennen unterstützt.

  • Abb. 9: Modellguss angestiftet.
  • Abb. 9: Modellguss angestiftet.
    © Bär

  • Abb. 10: Das Gussergebnis in Nahaufnahme zeigt eine glatte lunkerfreie Oberfläche.

  • Abb. 10: Das Gussergebnis in Nahaufnahme zeigt eine glatte lunkerfreie Oberfläche.
    © Bär
Zudem sollte ca. eine Viertelstunde vor dem Guss die Muffel aus dem Ofen geholt werden und einmal mit Druckluft ausgeblasen werden. Das klingt in erster Linie natürlich ungewohnt, ist aber in der Durchführung kein Problem und führt zu optimalen Gussergebnissen und homogenen Oberflächen (Abb. 10).

Ist der Guss erfolgt, kann der Modellguss klassisch ausgearbeitet, poliert und fertiggestellt werden (Abb. 11 u. 12). In den nächsten Monaten sind zusammen mit Metaux Precieux in unserem Labor praktische Ein-Tages-Kurse geplant, in denen die Modellgusstechnik mit 3Shape und dem NextDent 5100 „Hands on“ durchgeführt wird.

  • Abb. 11: Das umgesetzte Ergebnis.
  • Abb. 12: Das Modellgussgerüst nach der Fertigstellung.
  • Abb. 11: Das umgesetzte Ergebnis.
  • Abb. 12: Das Modellgussgerüst nach der Fertigstellung.

Fazit

Die Dentalbranche wird immer „digitaler“, was bisher kaum glaubliche Möglichkeiten schafft. Zum Beispiel kann man innerhalb kürzester Zeit digital ein virtuelles Wax-up erstellen, das dann durch ein gedrucktes Modell in ein Mock-up umgewandelt werden kann, für das man analog mehrere Stunden benötigen würde. Entscheidend ist aber hier die „Software im Kopf“: Man muss wissen, was es funktionell und ästhetisch zu berücksichtigen gibt.

Mittlerweile stelle ich fest, dass dies in der Ausbildung unter Umständen – vielleicht sogar oft? – auf der Strecke bleibt. Azubis und Jungtechniker werden vor den PC gesetzt und können digital schnell Masse, d. h. immer wieder dieselben Objekte, produzieren.

Aber das Know-how, die Basics, sind elementar. Wir müssen mehr darauf achten, zunächst analog Champions zu werden, denn dann ist der digitale Weg ein Kinderspiel und zielführend. So habe ich den klassischen Modellguss als Benchmark gesetzt und versucht, mein Vorgehen für das in Kunststoff gedruckte Modellgussgerüst analog und digital so anzupassen, dass das Ergebnis mit dem eines manuell modellierten übereinstimmt. Wir müssen für digital gefertigten Zahnersatz dieselbe Messlatte anlegen wie für analog gefertigten und dann Lösungen finden, den „Goldstandard“ zu erreichen.

Ein solches Ziel liegt auch in direkt additiv gefertigtem Modellguss ohne ausbrennbares Kunststoffobjekt. Der sofort aus Metallpulver gedruckte Modellguss muss sich mit konventionell hergestelltem messen lassen und dem Vorbild standhalten.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZTM Nikolas Bär


Nachhaltige Zahnmedizin – so geht's
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Die Verwirklichung der Nachhaltigkeitsziele der UN darf keine Utopie bleiben.
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