Werkstoffe

Was haben wir heute zu erwarten und wo liegen die Schatten im Licht der neuen Welt des Druckens?

Zukunftsthema 3D-Druck

Der 3D-Metall-Druck: wegen der Geometrievielfalt vielversprechend, aber zurzeit wohl die investitionsintensivste 3D-Drucktechnologie.
Der 3D-Metall-Druck: wegen der Geometrievielfalt vielversprechend, aber zurzeit wohl die investitionsintensivste 3D-Drucktechnologie.

Wer in seinem Labor mit dem Neuesten vom Neuen Schritt halten möchte, kommt am 3D-Druck kaum vorbei. Aber nicht wenige, die vor diversen Geräten stehen, haben einen gewissen Frust, weil vieles, was einfach schien, doch komplexer ist. Dass Tücken und die vermeintliche Wahrheit nah beisammen liegen, weiß unser Autor Stephan Winterlik, der auf eine reichhaltige Erfahrung zurückgreifen kann und hier Klippen und Knackpunkte beim Namen nennt.

Die additive Produktion ist seit einigen Jahren immer mehr in den Fokus der modernen und innovativen Zahntechnik gerückt – ob es sich nun um Modelle jeglicher Art und Weise handelt oder um Aufbissschienen, Bohrschablonen, Mock-ups bis neuerdings sogar hin zu fertigem herausnehmbaren Zahnersatz oder Kronen. Letztere haben bereits die Zulassung der Klasse 2a und weisen laut Herstellerangaben (z.B. NextDent, Soesterberg/Niederlande) gute mittelfristige Stabilitäten auf (NextDent C&B Micro-Filled Hybrid). Wer heute in seinem Labor mit dem Neuesten vom Neuen Schritt halten möchte, kommt am 3D-Druck kaum mehr vorbei. Der eine überlegt noch, welche Vorteile sein Labor aus dieser Technologie ziehen kann, der andere hat bereits die überschaubare „Massenfertigung“ der Aligner- Modelle für seine Kunden integriert. Manche streiten sich über den generellen Sinn und Zweck, andere über den Unterschied zwischen detaillierter Auflösung und hoher Präzision. Die zu nehmenden Hürden sind zahlreich (siehe auch Winterlik: Materialien für den 3D-Druck. Passt wirklich alles zusammen, was zusammenzupassen scheint? Unter www.ztm-aktuell.de/winterlik).

Alle, die weiter mit neuen Erkenntnissen und der berühmten neuen Zeit gehen möchten, fragen sich, was nach dem Kunststoff-3D-Druck denn noch alles kommen kann? Keramik- Druck, mehr Metall-Druck-Arten, …? Wenn wir ehrlich sind, wissen wir alle nicht, welche detaillierten nächsten Schritte auf unseren Berufsstand zukommen.

Eins ist jedoch sicher, es wird digitaler, produktiver, variabler und bezahlbarer. Wie nämlich beispielhaft Maschinen- und Materialhersteller, etwa NextDent (jetzt mit 3D Systems verschmolzen), zeigen, kann ein Provisorium innerhalb von einer Stunde realisiert werden. Dazu wird in einer beliebigen CAD-Software die Datei gestaltet und direkt das Endprodukt im 3D-Drucker realisiert. Es sind keine Zwischenschritte nötig. Das bedeutet in Zahlen, dass wir eine Brücke, Krone, provisorische Prothese oder ein Mock-up (je nach Bauhöhe) innerhalb von 20 bis 40 Minuten drucken. Mit einer Reinigung, Nachhärtung und Nachbearbeitung von ca. 20 bis 30 Minuten sollte jedem bewusst werden, dass dies eine offensichtliche Zeit- und Ressourcen-Einsparung ist.

Um in einigen Feldern etwas mehr Licht ins Dunkel zu bringen, setzen wir unsere Lupenbrille auf und bemühen uns im Folgenden, die Themen 3D-Metall-Druck oder Kieferorthopädie näher zu beleuchten und den Sinn der verschiedensten Indikationen zu erschließen.

„Ein schlauer Mensch löst sein Problem.
Ein weiser Mensch vermeidet es.“
Albert Einstein 14. März 1879 – 18. April 1955

Dieser Satz von Albert Einstein sollte auch uns Zahntechniker immer wieder wachrütteln und uns dazu führen, nicht alles zu glauben, was wir sehen, sondern stets auch unseren gesunden Menschenverstand und unser handwerkliches Können zu nutzen. Dies kann uns viel unnötige Zeit und einiges an Lehrgeld ersparen. Ein Beispiel: Wenn ich ein Produkt aus dem Kunststoff-3D-Drucker nach 30 Minuten Druckzeit aus einem einfachen Flüssigkeitsbad heraus plus 15 Minuten in einem Lichtofen in den Händen halte, dann darf ich nicht ernsthaft glauben, dass ich die gleiche Qualität vor mir habe wie bei einem Produkt, das aus einem mit vielen Tonnen Druck gepressten, homogenen Blank gefräst wurde. So weit sind wir noch nicht, aber es ist sicher, dass die Evolution der Materialien schnell große Fortschritte leisten wird.

Der 3D-Metall-Druck

Schauen wir zuerst auf die zurzeit wohl investitionsintensivste 3D-Drucktechnologie, den 3D-Metall-Druck. Es kommen zunehmend Fragen im Markt auf, ob sich ein Metalldrucker bereits lohnt und ob das Verfahren in den nächsten Jahren sogar die klassische Frästechnik ersetzen kann. Um diese Fragen zu beantworten, müssen wir etwas genauer hinsehen – und dann kommen wir recht eindeutig zur richtigen Antwort.

Auf dem Markt befinden sich insgesamt bereits mehrere Verfahren zum 3D-Metall-Druck.

Generelle
Möglichkeiten des
3D-Metall-Drucks
Verfahren im EinzelnenHersteller in Auswahl
Pulverbettbasierte
Verfahren
SLS (Selektives Lasersintern)
SLM (Selektives
Laserschmelzen)
DMP (Direct Metal Printing
EOS, Concept Laser,
SLM, Renishaw,
3D Systems, Trumpf
Extrusionsbasierte
Verfahren
ADAM (Atomic Diffusion
Additive Manufacturing)
Markforged,
Desktop Metal
AuftragsverfahrenLMD (Laserauftrag-
Schweißen)
MPA (Metallpulverauftrag)
LMD, Trumpf, Hermle

Für die Zahntechnik hingegen ist wohl derzeit das SLM (Selektives Laserschmelzen) oder DMP (Direkter Metalldruck) das bestgeeignete Verfahren. Oftmals wird in diesem Zusammenhang auch das SLS (Selektives Lasersintern) angesprochen.

Selektives Lasersintern

Für das Selektive Lasersintern von Metall liegt die Legierung auf der Bauplattform in Pulverform vor. Der Kern des Verfahrens: Beim Sintern werden nicht die gesamten Pulverpartikel aufgeschmolzen, sondern die Temperatur bleibt unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten (Liquidus). So wird nur ein Teil der Partikel in der Legierung aufgeschmolzen, andere schmelzen an der Oberfläche. Durch diesen Prozess, punktuell per Laser durchgeführt, wird das zuvor lose Pulvermaterial zum festen Objekt verbunden. Es wird verbacken, die Porenräume werden aufgefüllt und das Material verdichtet sich auch.

Meist ist im 3D-Druck-Sprachgebrauch jedoch mit dem
Selektiven Lasersintern ein Verfahren gemeint, das im
Kunststoff-Pulver-Druck verwendet wird. Hierbei wird in
der Druckkammer ein Kunststoffpulver bis kurz vor dem
Schmelzpunkt vorgeheizt und danach mithilfe eines Lasers
punktuell verschmolzen. Dabei wird der lokale Verzug des
Bauteils minimiert oder sogar verhindert. Dies hängt ganz
von den Wandstärken und den Materialien ab. Beim Metalldruck
wird diese Technologie eher selten verwendet.
Als wichtige Nutzungsbeispiele außerhalb des Dentalbereichs
sind Formteile aus Kunststoff zu nennen, die teilweise
auch Hitzebeständigkeit aufweisen müssen (Flugzeuginnenverkleidungen,
Verkleidungen in Kleinserien).
Es gibt auch bereits positive Versuche beim Erstellen von
Orthesen/Prothesen für menschliche Gliedmaßen. Der
Nachteil: Die Oberfläche fühlt sich sandig an und lässt
sich mit den Fingern abtragen. Dadurch ist auch die Tiefziehtechnik
durch Einlagerung in die Folie gänzlich ungeeignet.
Dieses Verfahren hat allerdings mit dem Metalldruck
nichts gemein und ist auch in der Zahntechnik eher
ungeeignet.

Selektives Laserschmelzen

  • Abb. 1: Ablaufbeispiel für eine SLM-Produktion beim standardisierten 3D-Metall-Druck.

  • Abb. 1: Ablaufbeispiel für eine SLM-Produktion beim standardisierten 3D-Metall-Druck.
    Bildquelle: www.materialise.com/de/manufacturing/3d-druck-technologien/3d-metalldruck
Dieses wird als Verfahren beim 3D-Metall-Druck häufig genutzt. Hier wird ein Metallpulver unter Schutzgaseinfluss mittels Laser punktuell vollkommen aufgeschmolzen, so verschmelzen die Partikel miteinander. Im Nachgang wird das Objekt mithilfe eines Ofens „entstresst“ (Stress Relieve) und so zum fertigen Bauteil (Abb. 1).

Nutzungsbeispiele: Man kann mittlerweile über ein Dutzend Metalle drucken. Auch Bauteile von gut einem halben Meter sind möglich. Die Automobil- und die Flugzeugindustrie sind hier als Anwender führend. Der Nachteil für die Zahntechnik: Ein Drucker mit einer Kapazität der Bauplattform von ca. 90 CrCo-Käppchen wird mit niedrigen, sechsstelligen Summen zu Buche schlagen. Somit müsste man auf 150 oder mehr Gerüstelemente pro Tag kommen, damit sich eine solche Investition rechnet.

Tipps und Hinweise für das Laserschmelzen

Schritt 1 – im CAD

Wir benötigen eine nach allen Regeln der Kunst erstellte und kompatible 3D-druckfähige Datei und eine dazugehörige CAD-Software, die uns, am besten automatisiert, vor dem Nesten des Bauteils (virtuelles Positionieren auf der Bauplattform) die richtigen Supports (Stützstrukturen wie im Kunststoffdruck) generiert. Allerdings ist dies beim Metalldruck um ein Vielfaches komplexer als im Falle von Kunststoff. Der Grund hierfür liegt nicht nur im Metall als Material an sich, sondern auch im Pulver. Nicht jedes Pulver ist mit jedem Drucker kombinierbar. Auch ein Materialwechsel ist fast ausgeschlossen, weil die Vermeidung einer Kontamination bei so feinem Pulver, wie es benötigt wird (10 bis 30 μm, siehe Schritt 3), nie sichergestellt werden kann.

Hinzu kommen die hohe Temperatur des Fertigungsprozesses und die damit verbundenen starken Verzugsproblematiken. Nicht zu vergessen ist die hohe Oberflächengüte, die in der Zahntechnik an neuralgischen Stellen, worunter vor allem die Ränder und Interdentalbereiche zu zählen sind, – und nicht nur dort – obligatorisch ist. Dies bedeutet, dass wir unterschiedliche Supportstrukturen, unter Anpassung der Anzahl und Supportstärken, generieren müssen, um auch eine perfekte Fertigung sicherzustellen.

Schritt 2 – die Supports

  • Abb. 2: Zahnersatz – Fertigungsschritte der additiven Fertigung, von vorne links nach hinten rechts auf dem Modell gezeigt: mit Supportstrukturen, Oberfläche bereit zur Verblendung, nach keramischer Verblendung.

  • Abb. 2: Zahnersatz – Fertigungsschritte der additiven Fertigung, von vorne links nach hinten rechts auf dem Modell gezeigt: mit Supportstrukturen, Oberfläche bereit zur Verblendung, nach keramischer Verblendung.
    Bildquelle: www.eos.info
In Bezug auf die genannten neuralgischen Stellen soll hier eine wichtige Erläuterung Aufschluss geben. Das Objekt, das produziert werden soll, muss in der richtigen Ausrichtung im Drucker positioniert werden. Wenn wir zum Beispiel eine dreigliedrige Brücke produzieren wollen, dann stellen also die Ränder sowie die Interdentalbereiche mitunter die wichtigsten Stellen dar. Diese sollten in einwandfreiem Zustand und guter Qualität aus der Produktion kommen. Dabei müssen wir Supports aus Metall einplanen und die etwas rauere Oberfläche an der Laser-abgewandten Objektseite bedenken. Somit können wir eine solche Brücke nur kopfüber (Kronenrand nach oben) positionieren, um ein gutes Ergebnis zu erzielen (Abb. 2).

Schritt 3 – die Produktion

Wenn wir uns um die richtigen Supports sowie die Positionierung gekümmert haben und die Datei im für unsere Gerätekonfiguration passenden bzw. weiterverarbeitbaren STL-Format vorliegt, stehen wir vor der Frage des Materials und der richtigen Maschine. Es gibt auf dem Markt unzählige Materialien und Maschinen, die teilweise aufeinander abgestimmt sind und teilweise nicht. Was heißt das?

Wir sprechen nicht von einer Fräsmaschine, in die ich einen ausgehärteten Blank einsetze, diesen danach in Form fräse und eventuell verblende. Im Unterschied dazu haben wir beim 3D-Druck ein komplexes Zusammenspiel von Software, Material und Maschine zu bewältigen. Am Ende müssen wir als Labor nicht nur sicherstellen, dass das Pulver eine medizinische Zulassung hat, sondern auch gewährleisten, dass das Objekt vor dem Einsetzen im Patientenmund nach allen Regeln korrekt produziert wurde.

Es gibt im Materialmarkt fast unzählige Anbieter. Der Unterschied liegt meist in den Korngrößen und den Zertifikaten.

Hersteller für 3D-Drucker und Pulveranbieter
mit Zertifikaten (Dental):

• 3D Systems
• Concept Laser
• Renishaw
• EOS
• Trumpf/Sisma

Hinweis: Diese Aufstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

  • Abb. 3: Beispielhafte mikroskopische Aufsicht auf die Zusammensetzung von Korngrößen im Metallpulver für den 3D-Druck. Teilweise mit Satelliten, die die Druckqualität beeinfl ussen können.

  • Abb. 3: Beispielhafte mikroskopische Aufsicht auf die Zusammensetzung von Korngrößen im Metallpulver für den 3D-Druck. Teilweise mit Satelliten, die die Druckqualität beeinfl ussen können.
    Bildquelle: www.bohler-edelstahl.com/media/Datasheet_AMPO_M789.pdf
In der Metallpulverproduktion kommt die Gaußsche Kurve zur Übersichtsanwendung. Demnach haben wir nur einen sehr kleinen Prozentsatz an Korngrößen von 10 bis 14 μm (Medizin-Grad) vor uns. Im Mittel liegen wir bei ca. 30 μm (Industrie-Grad). Alle darüberliegenden Korngrößen sind für unsere Zwecke nicht nutzbar, weil sie zu grob für unsere additive Produktion sind. Aufgrund des geringen Ertrages an feinstem Pulver sind hier auch die Einkaufspreise am höchsten. Darüber hinaus können einige Hersteller von 3D-Druckern diese Qualität gar nicht verarbeiten. Grund hierfür sind Verwirbelungen im Produktionsprozess, die solch feine Partikel bewegen und zu Ungenauigkeiten führen. Auch wenn die Korngröße signifikante Einflüsse auf die Endqualität hat, lassen beide Korngrößen zusammen (10 bis 14 μm und 30 μm) ein vertretbares Endergebnis zu (Abb. 3).

Schritt 4 – Maßnahmen für die Sicherheit treffen

Einige Effekte, die manch ein Laie bei den 3D-Metall- Druckern nicht auf seiner Frage-Liste hat, sind die „Lungengängigkeit“ des feinen Metallpulvers sowie die leichte Entflammbarkeit.

Dies bedeutet, dass man in der Produktion eher einen separaten Raum für die Maschine bereitstellen sollte sowie die Dekontamination von in der Nähe zu verarbeitenden Kunststoffen oder Keramiken bedenken muss. Zum separaten Raum gehört zwingend ein Augen- und Atemschutz für den Techniker. Fast alle Hersteller haben Lösungen der Maschinenbefüllung und -entnahme des Metallpulvers oder der gedruckten Bauteile vorgelegt. Auch ist zwingend auf eine schlüssige Recyclinglösung für das Metallpulver zu achten. Es ist zwar richtig, dass das nicht genutzte Pulver wiederverwendet werden kann, allerdings muss in einem Filterprozess dafür Sorge getragen werden, dass die Korngrößen gut gemischt sind und sich nicht entmischt haben. Es sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass die erhöhte Entflammbarkeit und Explosionsgefahr ernst zu nehmende Risiken darstellen. Unabhängig vom spezifischen Herstellungsprozess können reaktive 3D-Metallpulver explodieren oder sich entzünden. Behälter, die nicht geerdet sind, können infolge elektrostatischer Entladung in Brand geraten. In bestimmten Produktionsprozessen in der additiven Fertigung wird mit Gasen wie Argon oder Stickstoff gearbeitet: Diese können der Umgebungsluft aber so viel Sauerstoff entziehen, dass die Mitarbeiter von Sauerstoffmangel bedroht sind.

Diese Themen werden nur selten beim Namen genannt – nur für eine spezifische Produktionsstätte und einen involvierten Ingenieur stellt der Umgang damit ein tägliches Geschäft dar. Für uns Zahntechniker ist diese Art der Produkte allerdings teilweise ziemliches Neuland. Wir sollten die Problematiken mit der nötigen Aufmerksamkeit und Sorgfalt angehen.

Bis hierhin haben wir uns dem gesamten Ablauf von der Maschinenanschaffung über die Pulverauswahl bis hin zur Sicherheit und Produktion gewidmet. Jetzt schauen wir auf zwei weitere Schritte, die maßgeblich für den Erfolg unseres Endproduktes verantwortlich sind.

Schritt 5 – das Entfernen der Supports

  • Abb. 4: Bestückte Bauplattform nach Produktion und Sandstrahlung.

  • Abb. 4: Bestückte Bauplattform nach Produktion und Sandstrahlung.
    Bildquelle: www.yndetech.com
Wenn wir uns das Bild der Bauplattform genauer anschauen (Abb. 4), dann bemerken wir viele kleine Supports, die, je nach Software-Generierung, wenige Millimeter lang zwischen Bauteil und Bauplattform angestiftet sind. Wir sind uns einig, dass nicht nur die Bauteile von der Bauplattform genommen werden müssen, sondern mit ihnen auch die Supports von unserer Bauplattform verschwinden müssen. Hierzu kann man entweder die Trennscheibe oder Fräse nutzen. Bei manchen Firmen ist die Supportgestaltung so gelungen, dass der gute alte Ausbetthammer wieder zum Einsatz kommt und viel Schleifarbeit eliminiert (beispielhaft: Sisma und 3D Systems). Ein probates Mittel kann auch einfach ein Seitenschneider und die gute alte Handarbeit sein.

Die Bauplattform muss man zum Schluss allerdings entweder zum Hersteller einschicken, um sie abtragen und glätten zu lassen, oder man kann dies in seiner eigenen Fräsmaschine realisieren. Trotz Vorsicht ist eine Bauplattform meist nur für 10 bis 20 Druckaufträge zu nutzen.

Schritt 6 – das „Entstressen“ der Bauteile

Das „Entstressen“ stellt wohl einen der am besten versteckten Zeitfresser dar: Die meisten Unternehmer vergessen oder unterschätzen diesen Schritt. Dieser Nachbearbeitungsprozess sorgt dafür, dass unsere Bauteile überhaupt stabil genug für die Zahntechnik werden. In aller Regel wird ein zahntechnischer Ofen verwendet, der zusätzlich eine Schutzgaszuleitung integriert hat. Das verhindert die Oxidschicht und einen weiteren Handgriff in der Produktion. Das „Entstressen“ unserer Bauteile ist je nach Hersteller vollkommen unterschiedlich. Der kürzeste mir bekannte Prozess kommt auf 20 Minuten bei 800°C. Einer der längsten liegt bei etwa 5 Stunden mit verschiedenen Temperaturplateaus. Somit kann dieser Arbeitsschritt über die Möglichkeit oder das Aus einer 48-Stunden-Lieferung entscheiden.

Schritt 7 – die Schnelligkeit eines 3D-Metall-Druckers und die Investition

Die Antworten auf die Frage der Schnelligkeit sind wohl so variabel wie die Ausführungen der Drucker selbst. Es gibt Anbieter, die auf hohe Laser-Watt-Zahlen setzen, andere nutzen zwei Laser, um parallel auf beiden Seiten der Bauplattform zu arbeiten. Realistisch kann man heute ca. 70–90 Einzelkäppchen innerhalb von 4 bis 5 Stunden produzieren. Eine Schichtstärke von etwa 10 bis 15 μm ist bereits heute erzielbar.

Natürlich sind auch deutlich größere Drucker verfügbar, allerdings vom Investitionsvolumen her eher eine Nummer zu groß für ein deutsches Labor.

Für alle Laborinhaber, die jetzt gerne etwas genauer kalkulieren wollen: Sie sollten dem Hersteller Musterdateien zusenden und die Ergebnisse nicht nur in Aussehen, Bauzeit und Stabilität beurteilen, sondern womöglich eine Verblendung aufbrennen und durch einen Probescan die Genauigkeiten prüfen.

Wenn diese Tests alle gut verlaufen sind, wird man dann sicherlich auf eine gute Kalkulation kommen, wenn man mindestens 150 Einzelkäppchen oder Brückenglieder pro Tag absetzen kann. Dies bedeutet rund 33.000 Elemente in 220 Arbeitstagen. Bei einem deutlich kleineren Volumen wird dies wohl eher eine schlechte Bilanz für die Investition bedeuten.

Eine weitere Anwendung liegt in Modellgussgerüsten, die sicherlich im 3D-Druck gut gelingen. Eine brennende Frage, die jedoch regelmäßig gestellt wird, betrifft die Elastizität der Klammern. In den meisten Fällen bringt es ein additiv gefertigter Modellguss auf eine höhere Steifigkeit und damit geringere Elastizität als das gegossene Ergebnis. Das Ergebnis hängt stark vom Pulver und der Lasereinstellung ab. Dies kann somit bei Materialchargen und nach Inspektionsintervallen gewissen Schwankungen unterliegen.

Allgemein erhöht sich die Druckzeit signifikant, wobei die Bauplattform mehr als fünf Arbeiten fassen können sollte. Wenn das gelingen soll, werden wohl die Investitionskosten der Maschine um ca. 40% höher liegen müssen.

Erst drucken, dann gießen?

Der Umweg über das Drucken der „verlorenen Form“ stellt bei detaillierter Betrachtung aus meiner Erfahrung heraus keinen wirklichen Vorteil dar. Eine Empfehlung ist hier nur für kleinere Labore auszusprechen, weil diese in aller Regel nicht bereit sind, eine größere Investition für einen 3D-Metall-Drucker zu stemmen (vgl. den Beitrag von ZTM Robert Seidel im Zahntechnik Magazin, online unter www.ztm-aktuell.de/seidel). Des Weiteren sollte mit der Druck-Guss-Option ein hohes Maß an digitaler Kompetenz und Datenlieferung seitens der Zahnärzte einhergehen, um im Labor auch eine digitale Krone drucken zu können. Wenn wir ehrlich sind, ist der Vorteil zum herkömmlichen Aufwachsen in Deutschland eher nicht zu sehen. Manche Drittländer nutzen den 3D-Wachs-Druck als Alternative zum manuellen Aufwachsen, weil weniger Know-how benötigt wird. Ein Beispiel kann der indische Markt darstellen, wo oftmals angelernte Personen die Arbeit eines Technikers übernehmen. Wenn eine Krone nur digital konstruiert werden muss und das Endergebnis dann aus einem Wachsdrucker kommt, dann benötige ich dafür natürlich deutlich weniger handwerkliches Geschick. Diese Vorgehensweise ist in der Schmuckproduktion bereits gang und gäbe – und in der Zahntechnik eher im Ausland zu finden.

Der 3D-Metall-Druck – ein Fazit

Festzuhalten bleibt, dass nur eine ausgelastete Produktion im 3D-Metall-Druck die Produktionskosten für CoCr-Gerüste, Käppchen und Modellgüsse effektiver und günstiger gestaltet. Dies ist leider nur über das richtige, gleichbleibende Volumen und eine mutige Investition möglich. Wenn der Entscheider im Labor dies nicht als realistisch ansieht, dann kann er vielleicht mit einem erfahrenen Dienstleister für 3D-Metall-Druck in eine Kooperation einsteigen. Oftmals ergibt sich eine Win-win-Situation, die besonders für aufwendige und komplexe Arbeiten erstrebenswerter erscheint als die Fertigung im eigenen Labor.

Hybridfertigung

Die in diesem Kapitel besprochene kombinierte Produktion in Form von Druck- und anschließender Frästechnik ist von einigen großen Dentalunternehmen und Dienstleistern seit vielen Jahren im Markt etabliert. Hier spielt nicht nur der Maschinenpark, sondern auch das Volumen sowie die Erfahrung eine große Rolle. Es bedarf nicht nur hoher Präzision, sondern auch des Ingenieur-Know-hows, um diese Art der Produktion zur heutigen Zeit kostendeckend umzusetzen. Wir sind aktuell noch nicht an dem Punkt, über ein einfaches Plug-and-Play eine Hybridfertigung perfekt im kleinen Labor umzusetzen. Bei Kombigeräten, die einen 3D-Drucker und eine Fräsmaschine integriert haben, bin ich skeptisch gegenüber der Präzision und Nachhaltigkeit des Ergebnisses.

Mein Appell: Überlassen Sie diese Produktionsform den großen Herstellern und fokussieren Sie sich lieber auf „berechenbarere“ Lösungen für Ihre Laborgröße. Somit erzielen Sie mehr zeitlichen Freiraum und weniger Regress.

Kieferorthopädie

Die Produktion von „Aligner-Modellen“ ist in der Kieferorthopädie und modernen Zahnmedizin bereits ein alter Hut. Es ist mittlerweile kein Hexenwerk mehr, mit einem Intraoralscan und der richtigen Software die Modelle für die einzelnen Behandlungsschritte (Steps) auszudrucken und dann Tiefziehschienen darüber zu erstellen. Hierbei sollte man ein paar Kernpunkte beachten, die aber gerne vergessen werden.

  1. Eine Schichtstärke von rund 100 bis 125 μm, mit einem SLA-(Stereolithografie-) oder speziell DLP-(Maskenbelichtungs-) Drucker produziert, reicht in aller Regel aus, um keine/kaum Linien in der späteren Tiefziehschiene erkennen zu lassen.
  2. Eine Tiefziehschiene wird in aller Regel für einige Sekunden etwa 140°C heiß – und diese Temperatur sollte auch das gedruckte Modell unbeschadet überstehen. Oftmals treten starke Verrundungen an Zahnschneiden auf, die zu einer schlechten Übertragung bei den Zahnbewegungen führen können.
  3. Einen Aligner direkt zu drucken, macht nur auf den ersten Blick Sinn. Große Aligner-Hersteller hatten diese Idee bereits vor über einem Jahrzehnt auf dem Schirm. Allerdings hat man bis heute kein adäquates Material entwickelt. Wenn wir ein solches Material hätten, dann müssen wir bedenken, dass wir beim 3D-Drucken Supports benötigen. Diese würden auf der Kauebene der Schiene angebracht werden. Nun ist aber das Entfernen dieser Supports aufwendiger und kostenintensiver als gleich eine Tiefziehschiene über ein Modell zu ziehen.

Weitere lohnenswerte Anwendungsgebiete in der Kieferorthopädie:

  • Eine weitere interessante Anwendung sind 3D-gedruckte herausnehmbare Apparaturen. Lediglich die richtige Lösung der Klammer-Integration sollte gefunden werden.
  • Die Erstellung von indirekten Bracket-Klebetrays kann jedoch einfach und effektiv umgesetzt werden.
  • Auch die Positionierungshilfen für KFO-Mini-Implantate sind als einfacher Standard bereits gut zu integrieren. Diese sind den Bohrschablonen aus der Implantologie ähnlich.

Letztendlich limitieren sich die bestehenden kieferorthopädischen Praxen und Labore meist über die Fachkraft, die nicht nur die Software, sondern auch den 3D-Drucker nutzen soll. Ein weiterer Punkt ist der Scanner, der hier die Abläufe und Lagerhaltung vereinfachen und reduzieren wird.

Bohrschablonen

Das Drucken von Bohrschablonen (Surgical Guides) stellt die wohl effizienteste und meistgenutzte Anwendung nach der Modellproduktion dar. Es gibt die verschiedensten Gestaltungsmöglichkeiten, die sicherlich alle zum Ziel führen. Lediglich der Planungsaufwand, die Druckzeit und der Materialeinsatz sind hier als Hauptunterschiede zu nennen.

In aller Regel sind die Materialien für Bohrschablonen in die Klasse 1 der Medizinprodukte eingeteilt. Damit ist nicht nur die Nutzbarkeit von 24 Stunden innerhalb der Mundhöhle garantiert, sondern auch die Sterilisierbarkeit unter normalen Praxisbedingungen. Dies ist ein Must-have! Manche Hersteller versuchen, dem Käufer zu erläutern, dass auch ein Niedertemperatur-Sterilisationsprozess ausreichend ist. Dies mag sein, allerdings haben nur die wenigsten Zahnarztpraxen solche Geräte im Einsatz, worüber der Zahntechniker bei der Anschaffung Bescheid wissen sollte.

Manche Materialien haben sogar einen Farbumschlag (Abb. 5), der den genauen Zustand der Bohrschablone abbildet: nach dem Produktionsprozess, dem Aushärten oder Ende der Sterilisation. Dies macht eventuell das Handling während des Aufbereitungsprozesses leichter.

  • Abb. 5: Farbumschlag einer Chirurgie-Schiene aus dem 3D-Drucker. Vor, nach und während der Herstellung.
  • Abb. 6a–c: Versionen von 3D-gedruckten Bohrschablonen. Die Hülsen werden meist vor dem Lichthärten eingebracht. Das jeweilige Material muss auch bei dünnen Wandstärken verzugsfrei sterilisierbar sein.
  • Abb. 5: Farbumschlag einer Chirurgie-Schiene aus dem 3D-Drucker. Vor, nach und während der Herstellung.
  • Abb. 6a–c: Versionen von 3D-gedruckten Bohrschablonen. Die Hülsen werden meist vor dem Lichthärten eingebracht. Das jeweilige Material muss auch bei dünnen Wandstärken verzugsfrei sterilisierbar sein.

Für den Anwender ist zu beachten, dass eventuell ein Mindestmaß an Wandstärken eingehalten werden muss, damit ein verzugsfreier Einsatz gewährleistet werden kann (Abb. 6a–c).

Aufbissschienen

Das Fertigen von Aufbissschienen ist wohl in Deutschland die am dritthäufigsten nachgefragte Anwendung nach der Modell- und Bohrschablonenproduktion. Wer hier noch nicht eingestiegen ist, zweifelt unter Umständen an der Machbarkeit. Eine erste Antwort vorneweg: Ja, grundsätzlich kann man Aufbissschienen im 3D-Drucker herstellen. Leider ist auf Basis der derzeit verfügbaren Materialien eine gewisse Sprödigkeit und Verfärbungsanfälligkeit ein ernst zu nehmendes Problem. Deshalb sollte man ein Fragezeichen an die Langzeithaltbarkeit und Stabilität dieser Produkte aus dem 3D-Drucker setzen. Eine gefräste Aufbissschiene (Abb. 7a u. b) wird sicherlich bis auf Weiteres langzeitstabiler sein als ein Produkt aus dem 3D-Drucker. Immerhin lässt sich sagen: Eventuell stellen die Schienen aus dem 3D-Drucker eine zweite Qualitätsstufe für preissensible Patienten und Überweiser dar.

  • Abb. 7a: Langlebige, gefräste Schiene aus einer Amann Girrbach Fräsmaschine.
  • Abb. 7b: Gedruckte Schiene.
  • Abb. 7a: Langlebige, gefräste Schiene aus einer Amann Girrbach Fräsmaschine.
  • Abb. 7b: Gedruckte Schiene.

„Das wahre Zeichen von Intelligenz ist nicht das Wissen,
sondern die Vorstellungskraft.“
Albert Einstein 14. März 1879 – 18. April 1955

Mit diesem Zitat, ebenfalls von Einstein, möchte ich ein weiteres Mal an uns Zahntechniker appellieren. Es ist recht offensichtlich, dass ein PMMA-Blank, der industriell unter einem definierten Druck produziert und ausgehärtet wurde, deutlich andere Stabilitäten des hieraus gefrästen Objektes zulässt, als ein Fotopolymer in einem 3D-Drucker zulässt. Ob dies in den nächsten Jahren zunehmend anders wird, muss sich erst noch zeigen und beweisen.

Temporärer Zahnersatz

Zukünftig stärker wachsende Nachfragen in der 3D-Druck-Anwendung werden temporären Zahnersatz betreffen (Abb. 8a u. b). Warum dies so ist, ist recht einfach zu erklären: Man kann bereits ein Provisorium digital erstellen, bevor der Patient beschliffen wurde. Oder es ist möglich, gar innerhalb von einer Stunde eine Versorgung im (Praxis-)Labor zu erstellen, deren Mundverweildauer für einige Monate garantiert werden kann. Die Stabilitäten sowie Klasse-2a-Zulassungen sind bereits heute bemerkenswert. Manche Hersteller haben auch Farbspektren (NextDent: 7 Farben) vorzuweisen, die in internen Eigentests auch nach mehr als zwei Jahren noch immer stabil und funktionell daherkommen. Der ehemalige Geschäftsführer von NextDent, Rik Jacobs, hat ein Video dazu ins Netz gestellt und zeigt bis heute seine Krone im Bereich des 6ers (www.youtube.com/watch?v=GJfq_L33pQo&t=164s).

  • Abb. 8a: Mit den neuen mikrogefüllten Materialien können Hybridprothesen genauso wie komplette Lösungen aus dem 3D-Drucker kommen. Hier eine Prothesenbasis.
  • Abb. 8b: Das Material für die Prothesenzähne kann auch für Kronen und Brücken verwendet werden (nach Klasse 2a zertifi ziert). Als einziges Manko zeigt sich derzeit noch, dass nur einfarbig in dieser Zulassungsklasse gedruckt werden kann.
  • Abb. 8a: Mit den neuen mikrogefüllten Materialien können Hybridprothesen genauso wie komplette Lösungen aus dem 3D-Drucker kommen. Hier eine Prothesenbasis.
  • Abb. 8b: Das Material für die Prothesenzähne kann auch für Kronen und Brücken verwendet werden (nach Klasse 2a zertifi ziert). Als einziges Manko zeigt sich derzeit noch, dass nur einfarbig in dieser Zulassungsklasse gedruckt werden kann.

Aufbruch in die Zukunft ... oder: Die Zukunft hat begonnen

Der aktuelle Überblick über diverse Anwendungen und heutige Möglichkeiten, den Sie gerade vor sich haben, wird sicherlich für jeden, einschließlich des erfahrenen 3D-Druck-Experten, einiges an Neuem aufweisen. Die breite Masse der Zahntechniker, die vielleicht auch ein bisschen Mysterium in dieser Technologie sieht, wird sich in manchen Darstellungen bestätigt oder hier und da gar ermutigt fühlen. Wir können sicher sein, dass der Weg in den nächsten Jahren weiter und weiter in den digitalen Bereich hineingehen wird. Dabei wird der Anteil an additiver Fertigung unaufhörlich wachsen, da das Potenzial riesig ist. Mit dem nötigen Realismus und etwas Kalkül werden auch Sie den richtigen additiven Weg für sich finden. Es wird verstärkt für Labore und Zahnärzte darum gehen, auf der Höhe der Zeit mitzuschwimmen.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZT Stephan Winterlik


Was gibt es für wichtige und interessante Kongresse und Veranstaltungen im kommenden Jahr 2020? Werfen Sie einen Blick in unsere Übersicht!

Hier geht's zur Übersicht

Unsere ZTM-Print-Ausgaben

+++++ Die Novemberausgabe ist erschienen! +++++

Besuchen Sie uns doch mal auf unserer Facebookseite! Wir freuen uns über jeden Like und sind gespannt auf Anregungen, Kommentare, Kritik und Ideen für neue Themen!

Hier geht's direkt zur Seite