Modellguss


Herstellung von Modellgussprothesen im Print- & Cast-Verfahren

Modellgussprothesengerüst, in lichthärtendem Kunstharz gedruckt und nach dem Einbetten in Metall umgesetzt.
Modellgussprothesengerüst, in lichthärtendem Kunstharz gedruckt und nach dem Einbetten in Metall umgesetzt.

Der Modellguss gehört bereits seit Jahrzehnten zum Aufgabengebiet der Zahntechnik. In diesem Beitrag beschreibt ZTM Stephan Kreimer die wirtschaftliche Herstellung von Modellgussprothesen im Print- & Cast-Verfahren mithilfe der 3D-Druck-Technik. Diese kommt im Vorfeld des Laborgusses im Zusammenhang mit der Modellation – der virtuellen Modellation – zum Einsatz.

Die Möglichkeiten der digitalen Prozesskette haben sich in den vergangenen Jahren ständig erweitert. Eine Option, die bislang in vielen Dentallaboren nicht unbedingt wirtschaftlich dargestellt werden konnte, ist die Herstellung von Modellgussprothesengerüsten. Dieser Beitrag beschreibt, wie die digitalen Technologien mit der konventionellen Gusstechnik kombiniert werden, um einen zahntechnisch und wirtschaftlich erfolgreichen und reproduzierbaren Arbeitsablauf sicherzustellen.

Einleitung

Durch moderne 3D-Drucker und gesunkene Gerätepreise sind nun auch kleinere Dentallabore in der Lage, die gesamte Produktionskette in die eigene Hand zu nehmen. Der Einstieg in das Print- & Cast-Verfahren, auch CAD & Cast genannt, gestaltet sich durch die intuitive Prozessführung sowohl beim digitalen Design als auch der Fertigung im 3D-Druck-Verfahren unkompliziert. Allerdings sollte ein Basiswissen im Bereich CAD (Computer Aided Design) und 3D-Druck vorhanden sein oder durch eine Schulung aufgebaut werden.

Die Industrie bietet mit der SLM-Fertigung (Selective Laser Melting) zwar eine alternative Produktionsmöglichkeit zur konventionellen Technik, allerdings müssen die Objekte dafür durch einen Zulieferer gefertigt werden, wodurch die Durchlaufzeiten erhöht werden und die Wertschöpfung nicht im eigenen Labor verbleibt.

Digitalisieren der Modelle

  • Abb. 1: Die physischen Modelle werden mit dem 3Shape D1000 Desktopscanner digitalisiert.

  • Abb. 1: Die physischen Modelle werden mit dem 3Shape D1000 Desktopscanner digitalisiert.
    © Kreimer
Alle dentalen CAD-Programme benötigen als Grundlage (Abb. 1) zunächst eine digitale Abformung, die entweder durch den Scan einer Abformung mit einem Desktopscanner oder durch eine optische Abformung mit einem Intraoralscanner erstellt werden kann. Optional kann das Modell vor dem Scanvorgang manuell vermessen und die Konstruktion angezeichnet werden. Dann muss allerdings sichergestellt sein, dass der Scanner die Möglichkeit bietet, Farbe und Textur des Modells zu scannen. Die Anzeichnungen sind dann auf dem digitalen Datensatz sichtbar und können mit in die Konstruktion einbezogen werden.

1. Schritt: Das virtuelle Design

Um herausnehmbare Teilprothesen in der Software konstruieren zu können, muss bei den meisten dentalen CAD-Programmen das entsprechende Modul (z.B. 3Shape Removable Partial Design, Exocad PartialCAD) zusätzlich erworben werden. Ich arbeite gern im 3Shape Dental System. Das digitale Design ist dabei sehr am konventionellen Modellierungsprozess angelehnt und kann von einem Zahntechniker nach einer Schulung oder auch durch selbstständige Erarbeitung problemlos umgesetzt werden. Der Prozess beginnt mit der Festlegung der Einschubrichtung und dem automatischen Ausblockvorgang der Unterschnitte (Abb. 2a u. b). Dafür wird das Modell von der CAD-Software vermessen, die Unterschnitte werden dabei farbig dargestellt. Dadurch kann schnell die ideale Einschubrichtung ermittelt werden und optional mit dem analog vermessenen Modell verglichen werden. In Bereichen, in denen die Klammern später verlaufen, müssen alle ausgeblockten Bereiche manuell entfernt werden.

  • Abb. 2a u. b: Die optimale Einschubrichtung wird digital ermittelt, anschließend wird das Modell automatisch ausgeblockt.
  • Abb. 3: Die Retentionsgitter und der Transversalverbinder werden digital anhand der vorherigen Konstruktionsplanung erstellt.
  • Abb. 2a u. b: Die optimale Einschubrichtung wird digital ermittelt, anschließend wird das Modell automatisch ausgeblockt.
  • Abb. 3: Die Retentionsgitter und der Transversalverbinder werden digital anhand der vorherigen Konstruktionsplanung erstellt.

Sodann wird mit dem eigentlichen Design des Modellgussprothesengerüstes durch die Festlegung der äußeren Bereiche der Retentionen begonnen (Abb. 3). Diese sollten nicht direkt in Kontakt mit dem Approximalbereich des angrenzenden Zahnes erstellt werden, da die automatisch generierte basale Abschlusskante dann ungünstig verlaufen würde. Der Hauptverbinder kann durch das gezielte Platzieren von einzelnen Punkten präzise erstellt werden. Dabei empfehlen sich im Oberkiefer eine Stärke der Unterstruktur von ca. 0,3 mm und eine Wachsdicke von ca. 0,5 mm, um einen grazilen, aber dennoch stabilen Transversalverbinder zu konstruieren. Durch das Zeichnen eines Fensters in den Transversalverbinder sind auch skelettierte Modellgussprothesengerüste problemlos realisierbar. Im Unterkiefer können die in der Bibliothek hinterlegten Sublingualbügel verwendet werden, die mithilfe einer Tastenkombination sowohl in der Breite als auch in der Dicke einfach individualisiert werden können. Obwohl es für die kleinen Verbinder im nächsten Schritt ein eigenes Tool gibt, wird empfohlen, Auflagen und die kleinen Verbinder ebenfalls mit der Funktion des großen Verbinders in entsprechend angepassten Materialstärken zu konstruieren.

Im Folgenden können die Klammerprofile durch in der Bibliothek hinterlegte Geometrien der verschiedenen Klammertypen digital konstruiert werden (Abb. 4a u. b). Dabei sollte beachtet werden, dass sich etwa ein Drittel des Klammerverlaufes im Retentionsfeld befindet. In der nachfolgenden Tabelle 1 können die idealen Klammern, wie bereits bei der vorhergehenden Maßnahme erwähnt, auch durch eine Tastenkombination intuitiv auf die jeweilige Patientensituation angepasst werden. Sehr dünne Klammerspitzen sollten für bestmögliche Druckergebnisse miteinander verbunden werden. Denn dieses Verbinden erhöht die Stabilität der grazilen Bereiche und beugt damit einem Verzug vor. Nach dem Guss können die Verbindungen leicht abgetrennt und verschliffen werden.

  • Abb. 4a u. b: Die Klammern werden modelliert und ca. ein Drittel des Klammerverlaufes liegt im Retentionsfeld. Die Klammern können optional miteinander verbunden werden.
  • Tab. 1: Hinweise zu Modellgussklammern.
  • Abb. 4a u. b: Die Klammern werden modelliert und ca. ein Drittel des Klammerverlaufes liegt im Retentionsfeld. Die Klammern können optional miteinander verbunden werden.
  • Tab. 1: Hinweise zu Modellgussklammern.

Der letzte Modellationsschritt beinhaltet die Festlegung der Abschlussleisten: Dort kommen ebenfalls wieder in der Bibliothek hinterlegte Geometrien zum Einsatz. Dabei sollte auf die sichtbaren basalen Abschlussleisten Rücksicht genommen werden, um keine Sollbruchstelle im Gerüst zu konstruieren. Nachdem der eigentliche, fast automatisch anmutende Modellierungsprozess abgeschlossen ist, kann die gesamte Gerüstkonstruktion noch durch Modellierwerkzeuge, wie beispielsweise das digitale Wachsmesser, optimiert werden.

In der Vor-Fertigung werden noch die basalen Stopps, die Stabilisierungsbalken (2,5 mm Durchmesser) und optional die Gusskanäle (3,5 bis 4 mm Durchmesser) an das herausnehmbare Teilprothesengerüst angefügt (Abb. 5 u. 6). Die Stabilisierungsbalken sind dabei gerade in dem sog. Print- & Cast-Prozess sehr wichtig, um Verformungen entgegenzuwirken und reproduzierbare und präzise Passungen zu ermöglichen. Das Objekt wird anschließend als STL-Datei exportiert, um die Kompatibilität mit der PreForm Slicing-Software sicherzustellen.

  • Abb. 5: Das Modellgussprothesengerüst vor der Vor-Fertigung in der CAD-Software.
  • Abb. 6: Die Stabilisierungsbalken und die Gusskanäle können direkt in der CAD-Software an das Modellgussprothesengerüst angefügt werden.
  • Abb. 5: Das Modellgussprothesengerüst vor der Vor-Fertigung in der CAD-Software.
  • Abb. 6: Die Stabilisierungsbalken und die Gusskanäle können direkt in der CAD-Software an das Modellgussprothesengerüst angefügt werden.

Digitale Druckvorbereitung

Nachdem der Designprozess beendet ist, kann die Formlabs PreForm-Software gestartet werden. In der Druckeinrichtung wird anschließend für das lichthärtende und ausbrennbare Kunstharz (Castable Wax Resin) eine Schichtdicke von 50 Mikrometern ausgewählt. Diese Einstellungen bieten ein optimales Gleichgewicht aus Genauigkeit und Druckdauer. Die Modellgussprothesengerüste können nun als STL-Datei in die PreForm-Software importiert und auf der Bauplattform ausgerichtet werden. Die basale Seite sollte stets von der Bauplattform weg zeigen, da sonst die Gefahr besteht, Unterstützungsstrukturen (Supports) in kritischen Passungsbereichen zu generieren. Gerade bei derart empfindlichen Druckobjekten muss der Vorschlag der Software zum automatischen Erstellen der Supports kritisch geprüft und auch partiell überarbeitet werden. So müssen ggf. einige Ansatzpunkte der Supportstrukturen entfernt und an geeigneterer Position neu erstellt werden. Jeder Klammerarm sollte mit vier bis fünf gleichmäßig verteilten Supports versehen werden, um die Stabilität der grazilen Bereiche zu unterstützen. Wenn alle Objekte auf der Konstruktionsplattform positioniert sowie mit Supportstrukturen versehen sind (Abb. 7a u. b) und die Druckbarkeitsprüfung durch einen blauen Haken einen erfolgreich machbaren Druck anzeigt, kann die Datei mit Klick auf den orangefarbenen Knopf automatisch durch die Ethernet-, WLAN- oder USB-Schnittstelle an den Drucker übertragen werden (Abb. 8).

  • Abb. 7a u. b: Das Modellgussprothesengerüst wird in der intuitiven Formlabs PreForm Slicing-Software für den Druck vorbereitet.
  • Abb. 8: Die Druckdatei wird mit einem Klick über die Ethernet-, WLAN- oder USB-Schnittstelle an den Drucker übertragen.
  • Abb. 7a u. b: Das Modellgussprothesengerüst wird in der intuitiven Formlabs PreForm Slicing-Software für den Druck vorbereitet.
  • Abb. 8: Die Druckdatei wird mit einem Klick über die Ethernet-, WLAN- oder USB-Schnittstelle an den Drucker übertragen.

Druck

Die Druckdatei erscheint automatisch auf dem Display des Druckers und kann nach dem Überprüfen der wichtigsten Parameter mit zwei Klicks gestartet werden.

Wichtig!
Es muss stets sichergestellt sein, dass alle optischen Flächen
des Druckers absolut frei von Staub und Verschmutzungen
sind. Die Unterbrechung des optischen Weges kann zu Ungenauigkeiten
bis hin zu Druckfehlern führen. Nur wenn
die völlige Sauberkeit gegeben ist, können durchgängig
gute Druckergebnisse erzielt werden.

Der Form 2-Drucker arbeitet nach dem Stereolithografie-Prinzip. Er verfügt dazu über eine automatische Kunstharz-Handhabung, außerdem über Sensoren sowie einen Wischer, der das flüssige Kunstharz im Tank automatisch durchmischt. Des Weiteren ist eine Heizung integriert, die die verschiedenen Materialien auf optimaler Betriebstemperatur hält. Nachdem das Ventil der Kartusche geöffnet und die Konstruktionsplattform eingesetzt sowie überprüft wurde, kann der Druck gestartet werden.

Formlabs bietet für den Form 2 insgesamt 17 verschiedene Materialien an, von denen vier speziell für die Dentalbranche entwickelt wurden. Dabei handelt es sich um das Dental Model, Castable Wax, Dental LT Clear und Dental SG Kunstharz. Dieses Spektrum deckt 3D-gedruckte Modelle, Guss- und Pressobjekte, Aufbissschienen und Bohrschablonen ab. Darüber hinaus sind bereits Materialien für die Herstellung von Totalprothesen in den USA verfügbar. Diese werden im Laufe des Jahres auch die Zulassung für Europa erhalten.

Die Druckdauer wird stark von der gewählten Schichtdicke und der Bauhöhe der Druckobjekte beeinflusst und kann mehrere Minuten bis hin zu einigen Stunden betragen. Der Materialverbrauch ist durch die additive Herstellungsweise dabei verglichen mit der subtraktiven Bearbeitung sehr gering. So werden für eine Krone ca. 1 ml, für eine dreigliedrige Brücke ca. 3 ml, für eine Modellgussprothese ca. 6 ml und für ein nicht ausgehöhltes Modell ca. 25 ml Kunstharz benötigt. Dies spiegelt sich auch im direkten Vergleich mit der subtraktiven Bearbeitung entsprechend in den Kosten wider. Die Haltbarkeit der Kunstharze beträgt je nach Variante etwa 12 bis 24 Monate.

Post-Processing

Nach dem Druck (Abb. 9a u. b) werden die Objekte durch die orangefarbene Abdeckung vor Staub und UV-Strahlen geschützt. Die Konstruktionsplattform kann nun entnommen und idealerweise direkt in das Form Wash-Reinigungsgerät eingesetzt werden, welches speziell für diesen Einsatz entwickelt wurde. Die Objekte sollten nun 15 Minuten in 99%igem Isopropylalkohol (IPA) gereinigt und anschließend mit einer Druckluftdüse getrocknet werden. Alternativ kann auch eine Reinigung mithilfe des im Finish Kit enthaltenen Spülbeckens durchgeführt werden. Die Supportstrukturen können nach vollständiger Trocknung vorsichtig entfernt werden. Die besten Ergebnisse werden dabei mit dünnen Trennscheiben erzielt. Abhängig von der Konstruktion des Druckobjektes kann dieser Vorgang einige Minuten in Anspruch nehmen; man muss stets im Blick haben, dass die Trennscheibe keine wichtigen Elemente der Objekte beschädigen kann. Ansonsten kann dieser Bereich aber auch mit konventionellen Modellierwachsen ausgebessert werden.

  • Abb. 9a: Modellgussprothesengerüste unmittelbar nach dem Druck in „Castable Wax-Kunstharz“ auf der Bauplattform.
  • Abb. 9b: Die Modellgussprothesengerüste nach der IPA-Reinigung in Formlabs Form Wash.
  • Abb. 9a: Modellgussprothesengerüste unmittelbar nach dem Druck in „Castable Wax-Kunstharz“ auf der Bauplattform.
  • Abb. 9b: Die Modellgussprothesengerüste nach der IPA-Reinigung in Formlabs Form Wash.

Hinweise:
In Castable Wax gedruckte Objekte müssen nicht nachbelichtet
werden. Eine Nachbelichtung wirkt sich durch die
damit verbundene Schrumpfung eher negativ auf das Passungsergebnis
aus.
Sollten die Objekte nicht direkt benötigt werden, wird die
Lagerung in einer lichtundurchlässigen Box empfohlen.

Passungskontrolle

  • Abb. 10: Das gedruckte Modellgussprothesengerüst auf dem Modell zur Passungskontrolle.

  • Abb. 10: Das gedruckte Modellgussprothesengerüst auf dem Modell zur Passungskontrolle.
    © Kreimer
Die Objekte können nach dem Post-Processing vorsichtig auf das Modell gesetzt werden, um die Passung zu überprüfen (Abb. 10). Falls nun noch kleine Korrekturen vorgenommen werden sollen, kann das Gerüst mit konventionellem Modellierwachs beliebig modifiziert werden.

Einbetten

Sofern keine Gusskanäle in der CAD-Software erstellt und mitgedruckt wurden, sollten diese nun mit einem konventionellen Wachsgusskanal von 3,5 bis 4 mm Durchmesser angefügt werden. Das angestiftete Modellgussprothesengerüst kann an den Gussmuldenformer angewachst und eingebettet werden. Durch den 20%igen Wachsanteil brennt das Material problem- und rückstandslos aus und ermöglicht einen Ausbrennvorgang auch mit konventionellen Einbettmassen. Es werden also keine speziellen 3D-Druck-Einbettmassen benötigt. Die Aufheizrate sollte allerdings nicht zu hoch gewählt werden, um dem Material die Möglichkeit zu geben, langsam auszubrennen.

Guss

Nachdem die Muffel in einem dentalen Vorwärmofen auf Endtemperatur entsprechend der Verarbeitungsanleitung der Einbettmasse und der Gusslegierung vorgeheizt wurde, kann das Modellgussprothesengerüst gegossen werden. Sobald die Muffel abgekühlt ist, kann sie ausgebettet, abgestrahlt, geglänzt und auf dem Arbeitsmodell aufgepasst werden (Abb. 11a u. b).

  • Abb. 11a u. b: Das gegossene Modellgussprothesengerüst in der basalen und okklusalen Ansicht.
  • Abb. 12: Eine weitere Verarbeitungsmöglichkeit von in Castable Wax-Kunstharz gedruckten Objekten: Presskeramikkronen.
  • Abb. 11a u. b: Das gegossene Modellgussprothesengerüst in der basalen und okklusalen Ansicht.
  • Abb. 12: Eine weitere Verarbeitungsmöglichkeit von in Castable Wax-Kunstharz gedruckten Objekten: Presskeramikkronen.

Zusammenfassung

Wir haben dieses Verfahren fest in unseren Arbeitsalltag integriert und profitieren von einem intuitiven und reproduzierbaren Workflow. Darüber hinaus entfallen Arbeitsschritte wie das manuelle Vermessen des Modells, das Ausblocken mit Wachs, das Dublieren und die Herstellung eines Einbettmassemodells. Die Zeitersparnis bis zum Einbettvorgang beträgt, bedingt durch die nicht mehr benötigten Arbeitsschritte und die Digitalisierung der Modellation, etwa 50%. Im Vergleich zu vielen anderen Kunstharzen verfügt das Castable Wax-Material von Formlabs über einen 20%igen Wachsanteil. Dadurch wird sowohl ein optimaler Ausbrennvorgang mit konventionellen Einbettmassen ermöglicht als auch das Verarbeitungsspektrum um Kronen und Brücken für die Presskeramiktechnik ergänzt (Abb. 12).

Auswahl verwendeter Materialien, Geräte und Software

ProduktkategorieNameHersteller
SoftwareDental System 2018
mit Removable Partial
Dentures Modul
3Shape
3D-DruckerForm 2Formlabs
ReinigungsgerätForm WashFormlabs
KunstharzCastable WaxFormlabs
EinbettmasseWiroFineBego
ModellgusslegierungWironium PlusBego
GussschleuderFornax TBego
Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZTM Stephan Kreimer


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