Modellguss – Update 2014

In diesem Artikel beschreiben drei der Autoren ihre bevorzugte Fertigungsart von „Modellguss“-Prothesen. Nach den einleitenden Grundlagen zum Thema stellen sie die konventionelle Technik mit Modellieren und Gießen sowie das Vorgehen bei einem virtuell konstruierten, 3D-gedruckten und dann gegossenen Gerüst vor.

Alles ist digital oder digital ist alles?! Von intraoraler Datenerfassung, digitaler Modellherstellung, dreidimensionaler Bildgebung, digitalem Set-up bis hin zur gefrästen Restauration ist inzwischen alles möglich. Doch bei aller Faszination für die virtuellen Möglichkeiten bleibt es für den Zahntechniker wichtig, die prothetischen Grundlagen zu beherrschen. Feinmotorische Handarbeit gepaart mit zahntechnischem Fachwissen sind auch im digitalen Zeitalter unersetzlich. Zum Beispiel sind die statischen Grundlagen und die Konstruktionsprinzipien eines partiellen Zahnersatzes elementare Voraussetzungen – egal ob bei einer konventionellen oder einer CAD/CAM-gestützte Fertigung.

Dentallegierungen in Zeiten von Vollkeramik

Trotz der Entwicklung neuer Werkstoffe scheinen metallische Dentalwerkstoffe auch in Zukunft unentbehrlich. Ihre spezifischen mechanischen Eigenschaften sind die hohe Festigkeit, Steifigkeit und zugleich Elastizität sowie hohe Werte für Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Dehngrenze. Metallische Werkstoffe sind verwindungsstabil und widerstandsfähig gegenüber mechanischer Belastung. Auf Überlastungen reagieren sie mit einer plastischen Verformung sowie einer Festigkeitssteigerung, während andere Materialien (wie Keramik) spröde sind und brechen können. Neben den edelmetallhaltigen finden edelmetallfreie Legierungen in Form von Kobalt-Chrom-Legierungen seit fast achtzig Jahren in der Zahnmedizin Verwendung und haben sich insbesondere als Werkstoff für Modellguss-Prothesen bewährt. Erfolgte die Fertigung bis vor wenigen Jahren ausschließlich über das Gießen einer händischen Wachsmodellation, stehen dem Zahntechniker heute mehrere Fertigungsvarianten zur Verfügung, zum Beispiel das Gießen, Plotten, Laserschmelzen.

In diesem Artikel werden zwei Möglichkeiten für die gusstechnische Fertigung von Klammerprothesen aus Kobalt-Chrom-Legierungen vorgestellt. Gleichzeitig sollen damit auch einige grundlegende Aspekte aufgefrischt werden.

Gedanken zu Konstruktionsprinzipien einer partiellen Prothese auf Modellguss-Basis

Nach wie vor gehört die Teilprothese zu einer der häufigen Therapieformen in der prothetischen Zahnmedizin. Die Optionen der Versorgung eines Lückengebisses sind vielfältig und können individuell auf die Bedürfnisse und die Möglichkeiten der Patienten angepasst werden. Ob als Klammerprothese oder als Kombinationsprothese – wie so oft in der Zahntechnik ist eine detaillierte Planung (fast) alles. Die diversen Konstellationen für die Versorgung eines teilbezahnten Kiefers machen das Planen eines herausnehmbaren Zahnersatzes nicht immer leicht. Marxkors [1] empfiehlt, sich die verschiedenen „Bauelemente“ des partiellen Zahnersatzes sowie deren Funktion zu vergegenwärtigen (Gerüst, Sattel, Verbinder, Verankerung) und die partielle Prothese nach dem Baukastenprinzip zu „komponieren“.

Die Schwierigkeit liegt unter anderem darin, eine Balance zwischen der Abstützung der Sättel (parodontal- gingivale Lagerung) und der Statik zu finden. Natürliche Zähne reagieren auf Druck anders als die Alveolarfortsätze. Der Zahn lässt sich bei vertikaler Belastung nur in einem begrenzten Maße in die Alveole intrudieren (maximal dreißig bis vierzig Mikrometer). Hingegen lagert sich bei gleicher Kraft pro Flächeneinheit der Sattel auf dem Alveolarfortsatz aufgrund der Schleimhautresilienz um das Zehnfache stärker ein. Außerdem muss bedacht werden, dass die Belastung des Sattels nicht ausschließlich zentral erfolgt, sondern exzentrisch wirkt. Bereits diese wenigen Tatsachen machen die Bedeutung einer wohlüberlegten Planung des Zahnersatzes deutlich.

Die klassischen Konstruktionsprinzipien basieren auf statischen Grundlagen [Brunner und Kundert 1988, Graber 1992]. Unter anderem ist nach einer Belastung innerhalb des Abstützungspolygons (parodontales Stützfeld) zu streben – dieses minimiert die Gefahr einer Lageveränderung des Zahnersatzes. In vielen Fällen kann eine Belastung außerhalb des Stützfeldes nicht verhindert werden, zum Beispiel in den prothetischen Kennedy-Klassen I, II und IV. Hier sollte ein möglichst langer Widerstandsarm (Lastarm) geschaffen werden. Bei Belastungen außerhalb des Abstützungspolygons kommt es entlang des Hebelarms zur Rotation um die Rotationsachse, was durch einen entsprechend langen Widerstandsarm verhindert wird. Die statischen Anforderungen sind komplex und lassen sich selbstverständlich nicht nur auf den Sattel oder die Basis reduzieren. Der Kräfteausgleich, der Halt und die stabile Lagerung sind für das langfristige „Funktionieren“ einer Modellguss- Prothese vorausgesetzt. Es ist ein Interagieren aller Komponenten. Der Zahntechniker muss hierfür mit entsprechendem prothetischem Wissen ausgestattet sein. Gleich, ob das Gerüst händisch modelliert oder digital konstruiert wird: Die Grundregeln behalten ihre Gültigkeit – unabhängig vom Herstellungsverfahren (Abb. 1 und 2).

Werkstoffkundliche Einblicke

Der Begriff „Stahlprothese“ ist nach wie vor gebräuchlich. Jedoch hat die in der Zahntechnik scheinbar historisch bedingte Nomenklatur „Stahl“ aus werkstoffkundlichen Aspekten keine Berechtigung. Unter Stahl versteht man eine Eisen-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt von unter zwei Prozent. Heutzutage wird beim Prothesen- Gerüstmaterial überwiegend auf Kobalt-Chrom-(CoCr-) Legierungen zurückgegriffen. Diese haben sich in den vergangenen Jahrzehnten einen festen Bestandteil in zahnärztlichen Prothetikkonzepten erobert.

Die Modellguss-Prothese hat gegenüber allen anderen metallischen Restaurationen die Besonderheit, dass sie eine relativ große Kontaktfläche zur Schleimhaut besitzt. Das bedeutet, dass die Anforderungen an die Legierung bezüglich der Verträglichkeit und Biokompatibilität außerordentlich hoch sind. Zudem sollte die Legierung trotz einer grazilen Gerüstgestaltung den hohen mechanischen Belastungen im Mund Stand halten. CoCr-Legierungen können diese Anforderungen am ehesten erfüllen. Mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 200 Gigapascal (GPa) ist ihr Widerstand gegenüber elastischen Verformungen etwa doppelt so groß wie bei Edelmetall-Legierungen (etwa 100 GPa). Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität beruhen bei modernen CoCr-Legierungen auf einer sogenannten Passivschicht, die durch Chrom- und Molybdänoxide an der Oberfläche aufgebaut wird. Es ist wichtig, dass in jeder Legierungsphase ausreichend Chrom und Molybdän vorhanden ist. Die Mindestanforderung ist laut Deutscher Industrie-Norm ein Chromgehalt von mindestens 2 Prozent und ein Molybdängehalt von mindestens 4 Prozent (DIN EN ISO 22674). Eine „gute“ CoCr-Legierung kann bezüglich der Korrosionsbeständigkeit mit einer Edelmetall-Legierung verglichen werden. Doch letztlich hängt die Biokompatibilität eines Werkstoffs nicht nur von seiner Zusammensetzung, sondern auch von seiner Verarbeitung ab.

Konventionelle Fertigung eines Modellgusses

ZT François Hartmann

Händische Wachsmodellation

Die konventionelle Herstellung einer Modellguss-Prothese ist bekannt und wird hier nur in Kurzform präsentiert. Nach einer klinischen Vorbehandlung werden Abformungen genommen und die Modelle schädelbezüglich einartikuliert. Unter Beachtung der Konstruktionsprinzipien werden nach der Modellanalyse die Pfeilerzähne, die okklusalen Auflagen, die Klammern und die Ausdehnung der Prothesenbasis festgelegt; gegebenenfalls kann vom Zahnmediziner im Mund des Patienten etwas eingeschliffen werden oder es werden Klammerauflagen präpariert. Für das Meistermodell wird eine individuelle Abformung genommen und diese mit Superhartgips ausgegossen.

Nach einer Absprache über die geplante Konstruktion mit dem Zahnmediziner werden die Modelle zum Dublieren vorbereitet (Ausblocken, Radieren, Unterlegwachs für die Sättel). Um das Meistermodell in ein feuerfestes Material umzusetzen, wird eine Negativform über die Küvettentechnik hergestellt (Abb. 3). Hierbei sollte ein schnell-härtendes, weiches Silikon gewählt werden – wie zum Beispiel rema Sil, Dentaurum, Ispringen, Shore-A-Härte 10. Eine hohe Elastizität des Silikons ermöglicht die freie und dreidimensionale Expansion des Duplikatmodells. Ein schnelles Rückstellverhalten erleichtert das Handling und trägt zu einer hohen Passgenauigkeit bei. Nach dem Aushärten und Entspannen des Silikons (Abb. 4) wird das Einbettmassemodell ausgegossen. Da CoCr-Legierungen in der Regel bei etwa 1.300 bis 1.600 Grad Celsius schmelzen und sich herkömmlicher Modellgips schon bei etwa 700 bis 800 Grad Celsius zersetzt, ist eine gipsfreie, phosphatgebundene Einbettmasse zu verwenden – diese könnte rema dynamic S, Dentaurum, sein. Dreißig Minuten später kann das Modell der Form entnommen (Abb. 5) und im Vorwärmofen bei 100 Grad Celsius getrocknet werden – das Modellieren fällt auf einer trockenen Modelloberfläche wesentlich leichter.

Bei der Vermessung des Duplikatmodells ermöglicht eine Führungsrille am Modell ein leichtes Wiederfinden der Einschubrichtung im Parallelometer. An den Klammerzähnen wird der prothetische Äquator markiert und die Klammern werden angezeichnet. Nach der Skizzierung kann das Gerüst mit Wachsprofilen modelliert werden. Ein nichtauftragender Wachskleber, wie Wax-Fix, Dentaurum, verbessert die Klebefähigkeit der Profile. Für die Verstärkung des großen Verbinders wird ein glattes, 0,4 Millimeter starkes Plattenwachs herangezogen. Dies wird etwas kürzer als die gesamte Basis aufgelegt. Lochretentionen bilden die Sättel und ein genarbtes Plattenwachs dient als Basis im Gaumenbereich. Alle „Bauteile“ werden sauber miteinander verschwemmt.

Einbetten und Gießen

Das Anstiften, Einbetten und Gießen sind fehleranfällige Arbeitsschritte, die ein sorgfältiges Vorgehen erfordern. So müssen beispielsweise die Gusskanäle so angebracht werden, dass die Fließrichtung der Schmelze eine ausreichende Versorgung exponierter Bereiche sicherstellt. Die Menge der Gusskanäle hängt von der Modellguss-Geometrie sowie der Schleuderkraft der Gießanlage ab. Wird die auf dem Sockelformer angestiftete Konstruktion vor dem Einbetten mit destilliertem Wasser eingesprüht, können Luftblasen weitestgehend verhindert werden (Abb. 6). Das Verwenden einer speziell abgestimmten und feinkörnigen Einbettmasse, beispielsweise rema dynamic S, Dentaurum, ist auch für die Modellguss-Technik selbstverständlich.

Neben dem präzisen Mischverhältnis von Flüssigkeit und Pulver ist das Gussergebnis von der Vorwärmtemperatur und Vorwärmzeit abhängig. Es ist wichtig, die vorgegebene Standzeit exakt einzuhalten (Abb. 7 und 8). Das Gießen kann sich in der Gussschleuder vollziehen; moderne Geräte sind heutzutage einfach zu bedienen und ermöglichen bei korrekter Vorarbeit präzise und reproduzierbare Gussergebnisse. Nach dem Ausbetten und Abkühlen des Gusses erfolgen das Entfernen der Einbettmasse und das Abtrennen der Gusskegel. Bei einem korrekten Guss (ohne Überhitzung) lässt sich die Einbettmasse gut vom Objekt ablösen. Mit dem Sandstrahler werden Oxidreste entfernt und das Gerüst wird ausgearbeitet (Abb. 9 und 10). Vor dem Aufpassen auf das Modell wird das Gussobjekt in einem leicht vorgewärmten Elektrolytbad (vier Ampère, zweimal vier Minuten) geglättet. Werden alle Arbeitsschritte exakt ausgeführt, beschränkt sich das Aufpassen auf das Modell auf wenige Arbeitsschritte. Nach einer abschließenden Politur ist das Gerüst für die Einprobe im Mund des Patienten bereit (Abb. 11 bis 14).

Fertigung des Modellgusses mit der 3D-Drucktechnik

ZT Bernd Graf und ZT Lars Bartsch

Einen Klammermodellguss auf konventionellem Weg – in händischer Modellation – zu fertigen, ist ein probater Weg. Der im Laboralltag wichtigen Flexibilität kann unter Anwendung einer modernen Modellguss-Einbettmasse in Verbindung mit dem bewährten Gießverfahren Rechnung getragen werden. Aber auch ein digital modelliertes Gerüst kann in der bewährten Gusstechnik umgesetzt werden. In vielen Laboren ist die Digitalisierung fester Bestandteil; hier ist das virtuelle Modellieren zum Alltag geworden. Gerade junge Zahntechniker sind oft mit der Software und der Maus routinierter als mit dem Wachsmesser. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Grundsätze und Basics der Prothetik und der Zahntechnik außer Acht gelassen werden, aber der Weg zum Ergebnis ist für computeraffine Zahntechniker mit einer intuitiven Software effizienter. Wie ein Modellguss-Gerüst mithilfe der digitalen Technik entstehen kann, wird in dem nachfolgenden Beispiel vorgestellt.

Virtuelle Wachsmodellation

Die physischen Modelle des Ober- und Unterkiefers werden lagebezüglich in den Artikulator eingebracht. Das Modell wird im Parallelometer vermessen und die Einschubrichtung bestimmt, die Unterschnitte werden festgelegt. Alternativ ist das Bestimmen der Einschubrichtung direkt am PC möglich. Aus Gründen der besseren Übersicht bevorzugen wir die Voreinstellung der Einschubrichtung im Parallelometer über einen Referenzstift, der am Modell fixiert wird. Im „Dental Manager“ des Modellguss-Moduls, 3Shape, Kopenhagen, Dänemark, legen wir einen Auftrag an und markieren die Klammerzähne sowie Konfektionszähne. Danach digitalisierten wir das Modell mithilfe des D900-Laborscanners, 3Shape (Abb. 15). Jetzt können wir mit dem Design des Modellgusses beginnen.

Um die zuvor am Parallelometer ermittelte Einschubrichtung zu sichern, sollte das digitalisierte Modell am Referenzstift ausgerichtet werden (Abb. 16). Jetzt stehen Referenzstift und digitale Einschubrichtung parallel zueinander. Die Unterschnitte werden anhand der farbigen Markierungen geprüft. Diese entsprechen mit ihren gut unterscheidbaren Farben den Messtellern des Ney-Systems (Abb. 17). Das Modell wird von der Software entsprechend virtuell ausgeblockt. Mittels Abtragfunktion legt der Techniker per Mausklick die Unterschnitte frei.

Das eigentliche Konstruieren des Gerüstes beginnt mit der Platzierung der Gitterretention für den späteren Kunststoff (Abb. 18). Mithilfe eines virtuellen Stiftes werden die Sattelbegrenzungen durch Punkte zu einer Linie verbunden. Die programmierte Hohllegung wird automatisch übertragen. Nun wird mit dem virtuellen Stift die Basis eingezeichnet.

Nach demselben Prinzip erfolgt die Gestaltung der Klammern, Aufl agen und kleinen Verbinder (Abb. 19). Durch ein Verschieben der einzelnen Punkte können nachträgliche Feinkorrekturen hinsichtlich Form, Lage sowie Stärken vorgenommen werden. Mithilfe der Modifizierungsfunktion ist der Techniker in der Lage, Material auf- oder abzutragen sowie die Flächen zu glätten. In diesem Schritt müssen die Klammern noch geschlossen werden, damit sie sich beim thermischen Abwachsen des Supportmaterials nicht verformen.

Im nächsten Schritt (Abb. 20) werden die Abschlusskanten mit dem virtuellen Stift angelegt – hiermit wird der Übergang vom Metall zum Kunststoff klar definiert. Mit der Modifi zierungsfunktion kann das Material nochmals nachgearbeitet werden. Bereits jetzt beginnt die Endfertigung. Die notwendigen Stopps sowie Supportbars zur Stabilisierung der Wachs-Kunststoff-Konstruktion für die Umkehrprozesse werden eingebaut. Auch werden Art und Tiefe der Narbung festgelegt.

Für die Endkontrolle der Konstruktion empfiehlt es sich, zusätzlich das virtuelle Modell auszublenden, um auch die basalen Flächen und Kanten zu sehen (Abb. 21). Das Gerüst ist zum Drucken bereit. In der Software lassen sich gleichsam zum Wachsmesser alle konventionellen Arbeitsschritte vornehmen. In kurzer Zeit ist die geplante Konstruktion auf virtuellem Weg realisiert.

Plotten und Gießen

Um das Gerüst in die gewünschte Legierung umsetzen zu können, muss die virtuelle Modellation – der Datensatz – in eine physische Form gebracht werden, die der Wachsmodellation entspricht. Hierfür wird der Datensatz der Konstruktion an einen 3D-Drucker exportiert und gedruckt. Das 3D-Drucken ist eine Material aufbauende Rapid Prototyping-Technologie. Moderne Drucker bieten eine einfache und kosteneffiziente Möglichkeit, um aus einem CAD-Datensatz ein reales Objekt herzustellen. Das Prinzip ähnelt den klassischen 2D-Druckern (wie Inkjet-Bürodrucker), nur dass die Düsen flüssigen Kunststoff statt Tinte abgeben und das Objekt schichtweise aufgebaut wird. Die guten Druckergebnisse machen wir uns zunutze, in dem wir beispielsweise eine virtuelle Modellation plotten (drucken), wie hier das konstruierte Modellguss-Gerüst.

Der 3D-Datensatz ist in die Software des Druckers importiert und der Modellguss auf der Druckplatte positioniert. Der Druckprozess kann gestartet werden. Nach einer Aufwärmphase beginnt der Druck des Modellguss-Gerüstes aus einem ausbrennfähigen Kunststoff. Die Druckqualität des ProJet DP 3000, 3D Systems, Darmstadt, beträgt im Feindruck 20 Mikrometer, ist also sehr genau. Als Grundlage für den Druck beziehungsweise die unterschiedliche Höhe des Modellgusses wird im ersten Schritt ein weißes Supportwachs und mit Erreichen der eigentlichen Konstruktion das grüne Baumaterial aufgetragen (Abb. 22).

Der Druckprozess dauert je nach Größe vier bis sechs Stunden. Das in Kunststoff gedruckte Modellguss- Gerüst soll nun in einer CoCr-Legierung gegossen werden. Anstiften, Einbetten (zum Beispiel wie zurvor erwähnt mit rema dynamic S), Abgießen und Ausbetten erfolgen nach den bekannten Richtlinien der Modellguss-Technik (Abb. 23). Dass gleiche gilt für die weitere Bearbeitung bis zu Fertigstellung des Gerüstes. Der Guss der Modellguss-Legierung erfolgt in diesem Fall über eine Hochfrequenzschleuder unter Vakuum. Nach dem Ausbetten und Abstrahlen wird das definitive Modellguss-Gerüst elektrolytisch geglänzt (Abb. 24), in einer Spezialmaschine oberflächenverdichtet und im bekannten Prozedere fertiggestellt (Abb. 25 und 26).

Das beschriebene Vorgehen hat sich bewährt. Das effiziente Modellieren in der CAD-Software – mit etwas Übung in 15 Minuten erledigt – und ein schlanker, materialsparender und umweltschonender Fertigungsprozess (kein Dublieren, kein Einbettmasse-Modell), ermöglicht ein gezieltes Arbeiten zu überschaubaren Kosten.

Fazit

Die herausnehmbare Prothese aus einer CoCr-Legierung ist noch lange kein Auslaufmodell, sondern wird als Therapieoption weiterhin ein Mittel der Wahl bleiben. Da sich neben den Materialien auch die Gießtechnologie wesentlich verbessert hat, kann die Präzision der gegossenen Objekte den klinischen Anforderungen absolut gerecht werden – wenn moderne CoCr-Legierungen verwendet werden.

Mit „Stahl“ haben diese nichts mehr gemein. Vielmehr sind sie das Ergebnis langjähriger Entwicklungsarbeit. Die Korrosionsbeständigkeit sowie die biologische Verträglichkeit werden bei hochwertigen Legierungen anhand von Zytotoxizitätstests von unabhängigen Instituten regelmäßig geprüft.

Legierungen wie zum Beispiel Remanium star, Dentaurum, oder Vitallium 2000, SAE Dental, Bremerhaven, werden von Werkstoffwissenschaftlern immer wieder an die Anforderungen der prothetischen Zahnmedizin angepasst, es kommt zu ständigen Aktualisierungen der Produktpalette. Mittlerweile gibt es auch Rohlinge in einer hohen Implantatqualität für die CAD/CAM-gestützte Fertigung.

Welches Fertigungsverfahren gewählt wird, ist letztlich abhängig von der Laborstruktur. Neben den beschriebenen Vorgehensweisen über ein aufgewachstes Modell und einen virtuell modellierten 3D-Druck, beide mit anschließendem Metallguss, bestehen die Möglichkeiten des Laserschmelzens und Lasersinterns (generative Verfahren) sowie des subtraktiven Vorgehens (CAM: Schleifen oder Fräsen). So verschieden die Herstellungswege sind, so sehr einen die seit Jahrzehnten bewährten Konstruktionsprinzipien uns Zahntechniker.

Ob wir ein echtes oder virtuelles Wachsmesser führen: Wir Zahntechniker müssen gestern wie heute zu den prothetischen Grundregeln und den statischen Anforderungen geschult sein.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZT François Hartmann - ZT Lars Bartsch - ZT Bernd Graf - Annett Kieschnick

Bilder soweit nicht anders deklariert: ZT François Hartmann , ZT Lars Bartsch , ZT Bernd Graf , Annett Kieschnick