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Die Grundlagen: Eine kleine Einführung in den 3D-Druck

17.09.2018

Als professionelles CAD/CAM-Fertigungszentrum beschäftigt sich das Solinger Unternehmen ZAHNWERK schon länger intensiv mit der additiven Fertigung. Geschäftsführer und Zahntechniker Darko Savic und seine Mitarbeiter haben verschiedene Systeme sowie Materialien getestet und beispielsweise gedruckte Modelle aus eigener Produktion schon vor über zwei Jahren fest in das Portfolio aufgenommen. In Kundengesprächen zeigte sich jedoch angesichts der vielen unterschiedlichen Verfahren, die umgangssprachlich unter dem Begriff „3D-Druck“ zusammengefasst werden, eine gewisse Verwirrung bei so manchem Kollegen. Mit dem folgenden Beitrag möchte ZT Darko Savic für ein wenig Entwirrung sorgen.

Zunächst unterscheidet man grundsätzlich zwischen additiven und subtraktiven Herstellungsverfahren. Subtraktiv sind Verfahren wie Fräsen, Drehen und Bohren, bei denen also Material „abgetragen“ wird, um zum fertigen Produkt zu gelangen. Bei additiven Fertigungsverfahren werden dreidimensionale Objekte durch ein schichtweises „Auftragen“ von Werkstoffen hergestellt. Letztere werden unter der Bezeichnung „3D-Druck“ subsumiert (Abb. 1 u. 2a u. b).

  • Abb. 1: Seit 2016 produziert ZAHNWERK inhouse Modelle mittels 3D-Druck.
  • Abb. 2a: Beispielhafte Konstruktion eines individuellen Abutments auf Camlog-Implantat.
  • Abb. 1: Seit 2016 produziert ZAHNWERK inhouse Modelle mittels 3D-Druck.
  • Abb. 2a: Beispielhafte Konstruktion eines individuellen Abutments auf Camlog-Implantat.

  • Abb. 2b: Aus dem Vollen gefrästes Abutment auf gedrucktem Modell.
  • Abb. 2b: Aus dem Vollen gefrästes Abutment auf gedrucktem Modell.

Die Prozessschritte der additiven Fertigung

Die diversen unterschiedlichen Verfahren der additiven Fertigung unterscheiden sich hinsichtlich ihrer technischen Funktionsweise und der jeweils einsetzbaren Materialien. Es können aber acht Grundschritte in der Prozesskette identifiziert werden, die im Prinzip bei allen relevanten Verfahren durchlaufen werden:

  1. Konstruktion eines virtuellen 3D-Modells vom zu fertigenden Objekt mithilfe eines CAD-Systems; alternativ Realisierung mittels 3D-Scan
  2. Umwandlung der CAD-Daten in ein STL-Format, die meistgenutzte Schnittstelle für am Markt erhältliche 3D-Drucker
  3. Transfer der STL-Daten an die Fertigungseinheit
  4. Einrichten des 3D-Druckers und Festlegung der Druckparameter (Druckposition im Drucker, Schichtdicke, Material etc.)
  5. Automatisierte Herstellung
  6. Entnahme des Objekts aus dem 3D-Drucker
  7. Nachbearbeitung (z.B. Entfernung überschüssigen Druckmaterials und Stützstrukturen, Härtung der Modelle)
  8. Nutzung des Objekts bzw. zahntechnische Finalisierung

Die Verfahren

  • Abb. 3: ZAHNWERK setzt bei sich in der Produktion flüssigkeitsbasierte Druckverfahren (Stereolithografie und Digital Light Processing) ein.

  • Abb. 3: ZAHNWERK setzt bei sich in der Produktion flüssigkeitsbasierte Druckverfahren (Stereolithografie und Digital Light Processing) ein.
    © ZAHNWERK
Insbesondere zwei Verfahrensgruppen haben bereits einen hohen technologischen Reifegrad mit breiten Anwendungsmöglichkeiten erreicht und werden entsprechend auch in der Dentalbranche eingesetzt:

  1. Pulverbasierte Verfahren: Es wird eine dünne Schicht Materialpulver auf eine Arbeitsfläche aufgetragen und mittels Laser eine definierte Kontur geschmolzen, die sich dann verfestigt. Daraufhin wird eine neue Schicht Pulver aufgetragen und der Prozess wiederholt sich. Hierzu gehören das Selektive Lasersintern (SLS) und das Selektive Laserschmelzen (SLM).
  2. Flüssigkeitsbasierte Verfahren: Flüssige Fotopolymere werden durch UV-Strahlung punkt- oder schichtweise auf einer Bauplattform vernetzt, sodass sich das Material verfestigt – dieses Verfahren wird bei ZAHNWERK eingesetzt (Abb. 3). Hierzu gehören Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP):
    SLA: Die Konstruktion wird Schicht für Schicht in eine Reihe von Punkten und Linien aufgeteilt. Anhand der entsprechenden Koordinaten steuern zwei Motoren einen Laserstrahl über den Druckbereich, der das Material härtet. Jeder Druck kann bei beliebiger Größe und Auflösung sowie an einem beliebigen Ort innerhalb des Druckbereichs ausgeführt werden.
    DLP: Die einzelnen Bilder der Schichten werden jeweils auf einmal auf die Plattform projiziert. Jedes Bild setzt sich aus quadratischen Pixeln zusammen. Werden kleine Pixel, also eine hohe Auflösung, gewünscht, wird das gesamte Bild geschrumpft und nur ein Teil des Druckbereichs genutzt.

Plug’n’play gibt es (noch) nicht

Um hochwertige 3D-Druckerzeugnisse zu erzielen, sind viele Faktoren von Bedeutung. Es ist ein Zusammenspiel von Technologie, Gerät, softwaregesteuerter Belichtung, verwendetem Material u. v. m. Die Anlagentechnik hat in den vergangenen Jahren einen großen Sprung nach vorne gemacht. Der Fertigungsprozess ist jedoch nach wie vor vergleichsweise fehleranfällig. Die relativ geringe Verbreitung der erforderlichen Fachkenntnisse stellt ein Hemmnis für die Marktdurchdringung dar. Die potenziellen Effizienzsteigerungen in den Produktionszyklen bei gleichzeitig adäquater Qualität können zum jetzigen Zeitpunkt nur vereinzelt, z.B. bei professionellen CAD/CAM-Fertigungszentren wie ZAHNWERK, realisiert werden.

Aussichten

  • Abb. 4: Im Bereich additiver Fertigungsverfahren gilt die Dentalbranche als besonderer Innovationstreiber.

  • Abb. 4: Im Bereich additiver Fertigungsverfahren gilt die Dentalbranche als besonderer Innovationstreiber.
    © ZAHNWERK
Deutschland gehört bei additiven Fertigungsverfahren im Hinblick auf Forschung, Anlagenbau und Fertigung zu den führenden Industrienationen. Speziell der Dentalbereich gilt als Innovationstreiber (Abb. 4). Laut einer Technologie- und Marktanalyse des Marktforschungsinstitutes IDTechEx ist bis 2025 ein Wachstum der Branche um das Fünffache zu erwarten. Für wünschenswert halten wir bei ZAHNWERK bedienerfreundlichere Systeme, herstellerseits besser aufeinander abgestimmte Prozessketten bzw. Geräte und Materialien, die Optimierung bestehender Materialien und die Einführung neuer Materialien speziell für definitive Versorgungen.

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZT Darko Savic


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