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Mythen und Möglichkeiten der dentalen 3D-Drucktechnik

Gedrucktes Modell.
Gedrucktes Modell.


Die 3D-Drucktechnik ist in den vergangenen Jahren immer stärker in den Fokus der Gesellschaft gerückt. Doch was man über den 3D-Druck in den Publikums- und auch anderen Medien findet, ist zum Teil von Halbwahrheiten, Mythen und auch Unwissenheit geprägt, sagt unser Autor ZT Stephan Winterlik. Im folgenden Beitrag beschreibt er seine persönlichen Erfahrungen aus der Dentalwelt und gibt Tipps, welche Überlegungen einer Anschaffung vorausgehen sollten.

Eines steht auf jeden Fall fest: Die 3D-Drucktechnik in all ihren Variationen hält seit vielen Jahren erfolgreich vor allem im Maschinenbau und bei Ingenieuren Einzug. Nur: Hier steht an den Maschinen ein hoher Prozentsatz an Nutzern, die im Studium oder in der Lehre den standardisierten Umgang mit digitalen 3D-Dateien gelernt haben. Aktuell erwartet die moderne Zahnheilkunde von dieser Technologie einen revolutionären Impuls. Dieser hat es bis jetzt allerdings nur teilweise und nur in kleinen Fragmenten in die Lehre und in Studienabläufe geschafft. Dennoch erhoffen wir uns innerhalb einer äußerst kurzen Zeitspanne breite Einsatzmöglichkeiten und erwarten für die Zahnheilkunde zu Recht, dass dabei alle guten Eigenschaften und Qualitätsparameter zum Tragen kommen, die wir zum Ersatz bewährter Abläufe und Materialien benötigen. Dies wird aber nur möglich, wenn man nicht nur die Grenzen, sondern auch den Aufwand an Zeit und Geld richtig einschätzen kann und positiv zu nutzen weiß.

Drei unterschiedliche Verfahren für den Dentalbereich

Zunächst stellt sich die Frage: Welche 3D-Drucktechnik ist die „richtige“ oder gar die „beste“? Für dentale Zwecke kommen vor allem drei Verfahren infrage: Besonders in den Mittelpunkt des Interesses ist die „Stereolithografie“ (kurz STL oder SLA) gerückt, seitdem sie in den vergangenen Jahren von einigen Startup-Unternehmen aufgegriffen wurde. Gemessen an der Anzahl der verschiedenen Hersteller ist das „Digital Light Processing“ (kurz DLP) eine der meist verbreitesten 3D-Drucktechniken in der Dental-Branche. Und speziell aus der der klassischen Produktion nicht mehr wegzudenken ist die „Polyjet“-Technik. Aber was steckt eigentlich im Detail hinter diesen Druckmethoden und wo liegen die wichtigsten verfahrensbedingten Vor- und Nachteile?

1. Die Stereolithografie

Dieses Verfahren entstammt der Prototypen-Produktion und wurde 1984 patentiert. Durch einen Laser wird in einem mit flüssigem Kunstharz (Resin) gefüllten Becken bzw. Reservoir das Material punktuell zusammengeführt und an der eintauchenden Bauplattform ausgehärtet. Hier werden in aller Regel, je nach Hersteller und Kalibrierung, die homogensten Oberflächen erzielt. Da der Laser alle Bereiche beleuchten muss, in denen ein Objektteil aushärten soll, entstehen längere Druckzeiten. Zudem muss das im Aufbau begriffene Objekt durch mitgedruckte Stützstäbchen (diese sind vorher digital zu erstellen) vor allem an unter sich gehenden Stellen stabilisiert werden, um ein Kollabieren (= Fehldruck) zu vermeiden.

Kommt es zu einem solchen Fehldruck, ist in aller Regel das Resin zu filtern und das Reservoir komplett zu reinigen, bevor ein neuer Druck (Print-Job) gestartet werden kann. Dies ist sehr wichtig, denn wenn sich z. B. ein stecknadelgroßes, Körausgehärtetes Teilchen im Druckharz befindet und beim nächsten Druck der Laser von diesem einzelnen kleinen Teilchen abgelenkt wird, kann dieser seine Aushärtearbeit nicht an der richtigen Stelle verrichten.

Anschließend ist ein konsequentes Nachhärten des gedruckten Objektes genauso unumgänglich wie die finale Reinigung durch Isopropanol oder anderer, leicht entzündlicher Flüssigkeiten, hinzu kommt das manuelle Abtrennen der mitgedruckten Stützen.

Die Stereolithografie wird z. B. in der Schmuckindustrie oft eingesetzt, weil sie die Umsetzung von Schichtstärken unter 10 μm ermöglicht.

2. Das Digital Light Processing

Die DLP-Technik kann mit der Funktionsweise eines klassischen Overhead-Projektors verglichen werden. Beim 3DDruck wird mithilfe einer oder mehrerer Lampen von unten Licht auf das Reservoir mit flüssigem Kunstharz geworfen, dieses härtet bei Kontakt mit Licht oder UV-Strahlung aus, das Druckobjekt entsteht.

Das Verfahren benötigt oftmals eine zeitaufwendige und häufige Lichtkalibrierung auf der Bauplattform, um gleichmäßige Drucke garantieren zu können. Darüber hinaus entsteht oftmals ein stetiger Unterdruck des Druckobjektes auf dem Boden des Kunstharzbeckens, was zu Verzügen führt. Hinzu kommt die sehr umsichtig und schonend zu erfolgende Behandlung des Glases, aus dem der Behälter für das Druckharz besteht. Dieses kann mit Kratzern oder Ausbleichen (Milchigwerden) reagieren, was zu Fehldrucken oder der häufigen Erneuerung dieses Behälters führt.

Außerdem ist wie bei der SLA-Technik die Anschaffung von Lichtöfen und einem geschützten Reinigungsbad samt leicht entzündlichen Flüssigkeiten obligatorisch.

3. Die Polyjet-Methode

  • Abb. 1: Modelle vor (rechts) und nach dem Entfernen des Supportmaterials (Druckdienstleister Sundent, Sonnen) – gedruckt in 16-μm-Schichten im Matt-Mode.

  • Abb. 1: Modelle vor (rechts) und nach dem Entfernen des Supportmaterials (Druckdienstleister Sundent, Sonnen) – gedruckt in 16-μm-Schichten im Matt-Mode.
Diese Methode existiert bereits seit einigen Jahrzehnten in der Industrie und kann als eine dem Tintenstrahl-Druck ähnliche Technik bezeichnet werden. Mittels eines Druckkopfes werden viele kleine Resintröpfchen auf einer Bauplattform aufgebracht und sofort anschließend mit einer UV-Lampe ausgehärtet. Diese Technik bietet als einzige der drei hier vorgestellten Verfahren den Druck ohne Stützstäbchen, die bei den anderen später aufwendig entfernt werden müssen. Anstelle dieser Stützen wird ein sogenannter „Support“ mitverdruckt (Abb. 1), das sich entweder über das gesamte Druckobjekt verteilt oder nur an unter sich gehenden Stellen.

Diese Methode fordert keine Nachhärteprozesse, einzig das Entfernen des Supports mittels eines harten Wasserstrahls (ähnlich dem eines Kärcher-Hochdruckreinigers) in Kombination mit der finalen Entfernung der Dispersionsschicht auf dem Druckobjekt mittels 3-10%iger Natronlauge sind hier nötig.

Allerdings können die verschiedenen Druckoptionen – vom Mischdruck mit Multimaterial oder glänzend oder ausgehöhlt bis hin zu beweglichen Druckobjekten – den ungeübten Anwender ganz schön fordern.

Die Qual der Wahl: Welches Verfahren nehme ich?

Die vorgestellten Verfahren sind so unterschiedlich und jeweils mit spezifischen Vor- und Nachteilen verknüpft, dass man nicht generell sagen kann: Dieses eine ist die beste Lösung. Für eine Entscheidung hängt alles von der eigenen Prioritätensetzung ab: Wenn ich eine sehr hohe Präzision von weniger als 10 μm benötige, dann ist die Stereolithografie sicherlich die beste Wahl. Wenn ich eine Produktionsmaschine mit einem mittleren bis hohen Volumen und großer Zuverlässigkeit wünsche, ist die Polyjet-Methode wohl meine Nummer eins. Alle, die in die 3D-Drucktechnik einmal hineinschnuppern möchten und weder eine hohe Präzision anstreben noch eine zuverlässige Produktionsmaschine brauchen, werden mit den DLP-Verfahren auf das richtige Pferd setzen. Die letztendliche Entscheidung muss auf vielen Parametern beruhen und anhand der Individualität eines jeden Laborablaufes gefällt werden.

Darauf sollten Sie achten

Meiner Erfahrung nach ist das berühmte „Plug-and-Play“ im 3D-Druck zwar ein erklärtes Ziel, aber noch kein vorherrschender Zustand. Allerdings können wir den Automatisierungsgrad recht hoch halten, wenn wir uns für die richtige Technik entscheiden. Eine Mitschuld an der nicht ganz reibungslosen Einführung tragen in aller Regel die vielen Schnittstellen, die ich in meinem Ablauf beherrschen und zu nutzen wissen muss. Los geht es oftmals bei der STL-Ausgangsdatei, wenn nicht jeder Scanner-Hersteller (egal, ob Intraoral- oder Desktop-Scanner) die unverschlüsselte Version bereitstellt oder die Auflösung der Dateien in gewünschter Qualität liefert.

Beachten Sie, dass Sie auf einem 3D-Drucker nicht die Hülle eines Zahnkranzes drucken können, wie er gescannt wurde. Sie benötigen vielmehr ein geschlossenes, „wasserdichtes“ Objekt, ohne verschiedene Fragmente und Shells (ein Körper) was vorgehalten werden muss. Meistens sind diese „Must-haves“ zum Glück inzwischen gegeben und stellen nur noch selten einen echten Hinderungsgrund dar.

Wenn Sie im Anschluss mit einer beliebigen CAD-Software Ihre Modelle bearbeiten oder die unterschiedlichsten Applikationen und Apparaturen kreieren, kann ein weiteres Problem auf Sie zukommen. Wie gut ist die zu exportierende Datei? Ist das Objekt in sich geschlossen oder kommen Defekte vor? Und wie übertrage ich die gespeicherte Datei auf meine Nesting-Software (CAM/Positionierungssoftware zur Planung meines Druckes)? Und: Sind hier Beschriftungsmöglichkeiten genauso gegeben wie eine automatische Erstellung von eventuellen Supports (Stützen)?

Zu guter Letzt bleibt die sogenannte Validierung (Überprüfung der Geometrien von Scan bis Druckobjekt) eines der größten, selten gelösten Rätsel. Das bedeutet: Wenn ich einen Scanner der Firma X, die Software der Firma Y und den Drucker von der Firma Z im Einsatz habe, passt am Ende meine Brücke, die ich mit der Fräsmaschine der Firma A hergestellt habe, in den „analogen“ Patientenmund?

An solchen Abläufen und Vereinfachungen arbeiten die verschiedenen Unternehmen – teilweise auch konkurrierende – miteinander, um gemeinsam den Kunden die beste Lösung bieten zu können. Hier können wir auf die zukünftigen Entwicklungen der Hersteller gespannt sein. Aktuell sollten Sie etwas Geduld mitbringen, um den Workflow von Scanner, Software und Drucker richtig zu kalibrieren und validieren (Abb. 2 u. 3). Ob das Ihr Druckerhersteller in der Einführungsschulung leisten kann, sollten Sie genau erfragen. Wenn wir die richtigen Fragen stellen und uns entsprechend geholfen wird, können wir den Automatisierungsgrad recht hoch halten.

  • Abb. 2: Beispielhafter Arbeitsplatz mit digitalem Workflow (Desktop-Scanner mit PC und CAD-Software, PC mit Nesting-Software und Anschluss zum 3D-Drucker).
  • Abb. 3: Eine größere Druckerlösung, die ca. 60 Modelle in 24 Stunden produzieren könnte (hier aus dem digitalen Labor von Stratasys in Rheinmünster).
  • Abb. 2: Beispielhafter Arbeitsplatz mit digitalem Workflow (Desktop-Scanner mit PC und CAD-Software, PC mit Nesting-Software und Anschluss zum 3D-Drucker).
  • Abb. 3: Eine größere Druckerlösung, die ca. 60 Modelle in 24 Stunden produzieren könnte (hier aus dem digitalen Labor von Stratasys in Rheinmünster).

Sauber kalkulieren

Ein weiteres Mysterium rund um das Thema 3D-Druck scheint immer wieder die persönliche Kalkulation eines jeden Einzelnen zu sein. Die einen schwärmen vom „Low-Cost-Printer“, der ja „so tolle Ergebnisse“ produziert, die anderen schütteln nur den Kopf und kommen an einem Multimaterialdrucker nicht vorbei.

An dieser Stelle sollten wir mit dem Vorurteil aufräumen, dass alle teureren Drucker einfach nur teurer sind und nicht mehr können als billigere. Also: Warum macht teuer oftmals Sinn und warum ist billig manchmal doch teuer?

Wenn ich Inhaber eines Labors mit drei Mitarbeitern bin und wir uns gerade an der Finanzierung einer Fräsanlage fast verhoben hätten und wenn mir am Ende des Tages meine überweisenden Praxen nur sehr widerwillig digitale Daten zusenden, dann macht die Anschaffung eines 3D-Druckers – egal welcher Qualität – eher weniger Sinn.

Auch die Überlegung einiger Labore, einen 3D-Drucker nur für eine fest geplante Apparatur oder Applikation anschaffen zu wollen, wird nur selten ein Erfolgsmodell werden. Wie aber finde ich das am besten zu mir passende Gerät?

Die meisten sprechen mit zehn verschiedenen Kollegen und Freunden und bekommen fünf verschiedene Meinungen zu hören. Warum? Weil kein Labor samt seinen Kunden am Ende wirklich mit dem anderen vergleichbar ist. Aus diesem Grund sollte man sich als Zahntechniker und Unternehmer einfach ein Blatt Papier, einen Taschenrechner und/oder die Excel-Liste herausholen, für sich die eigenen Möglichkeiten und Kapazitäten eruieren und im Anschluss dann die richtige Entscheidung treffen.

Wenn Sie bei Ihrer Suche nach dem richtigen Drucker an einen typischen Vertriebsmitarbeiter geraten und dieser Ihnen die Flyer-Werbung herunterbetet, dann sollten Sie lieber zusehen, dass Sie Land gewinnen. Ein Unternehmen, das einen 3D-Drucker in Ihrem Labor integrieren möchte, sollte immer in gewisser Weise ein Partner sein. Das fängt bei dem Planungs- oder Verkaufsgespräch an, geht von der Erstschulung bis zum Wartungsservice und endet wohlmöglich bei der Entscheidung, dass der angebotene Drucker nicht der richtige für Ihr Vorhaben ist. Wenn Sie bei der Investition in einen 3D-Drucker eher an „Ausprobieren“ denken, dann sehen Sie die letzten Zeilen als unwichtig an.

Es lohnt sich, das eigene zukünftige Druckaufkommen gut abzuschätzen: „Billig“ kann schnell teuer werden, wenn ich mein Druckvolumen nur mit mehreren Geräten und somit auch mit vielen Rüstzeiten bewerkstelligen kann. Aber auch „teuer“ kann noch teurer werden, wenn mein angeschaffter 3D-Drucker nie in die Nähe einer vollen Auslastung kommt.

Wir sollten also – ähnlich wie bei der Kaufentscheidung einer Fräsmaschine – mit einem gewissen Plan an das Projekt „3D-Druck“ herangehen: Was möchte oder kann ich überhaupt in meinem derzeitigen Laborablauf ändern und was lässt sich wirklich mit einem 3D-Drucker in meiner vorausgesetzten Qualität umsetzen?

Faktor Zeit, Machbarkeit und Möglichkeiten

  • Abb. 4 u. 5: Beispiele für die Oberflächengüte (Sudent) – gedruckt in 16-μm-Schichten im Matt-Mode.

  • Abb. 4 u. 5: Beispiele für die Oberflächengüte (Sudent) – gedruckt in 16-μm-Schichten im Matt-Mode.
Wenn wir zum Beispiel über Oberflächengüte sprechen (Abb. 4 u. 5), schauen wir oftmals auf 3D-Modelle und wundern uns, ob das alles ist, was möglich ist. Die Oberflächengüte schlägt sich stets in den Druckzeiten nieder: Je präziser die Oberfläche und je dünner die Schichtstärken, desto länger dauert ein Druck. Wenn wir für einen aufrechten Druck von sieben Modellen (mit etwa 10 cm Höhe) am Ende 17 Stunden einplanen müssten, würde keiner auch nur im Entferntesten über die Anschaffung eines Druckers nachdenken.

Generell können wir über die Bandbreite der verschiedenen Hersteller und Materialien einen Richtwert von 16–50 μm an Schichtstärke ansetzen. Die Unterschiede der Druckergebnisse zeigen sich in der Haptik und der objektiven Betrachtung der Materialien. Wenn ich bei einem Druck die mechanischen Supports manuell abtrennen muss und meine Oberfläche zwar glatt aussieht, aber nach drei Anproben keine Passung mehr zu finden ist, wird mir so spätestens nach den ersten zehn Arbeiten das Leben mehr als schwer gemacht.

Wichtige Fragen, die Sie stellen sollten, sind: Kann ich meine Drucke vor der Produktion individuell steuern? Ist ein Spiel vorhanden und wie groß generiere ich es? Sind meine Stümpfe glänzend (20 % stabilere Oberfläche)? Erziele ich eine kontinuierliche Reproduzierbarkeit? Je nachdem wie die Antworten ausfallen, sind mein Team und ich diejenigen, die mit einem positiven Gefühl arbeiten.

Des Weiteren können Kleinigkeiten ein 3D-Drucker- Projekt fast zum Scheitern bringen: verschlüsselte STL-Daten, die Druckbarkeit der Scandaten, die Anordnung von Supports, die Hitzebeständigkeiten der Materialien oder die Isolierung der Objekte usw. … Für alles sollten Sie und auch Ihr Anbieter eine Lösung parat haben.

Darüber hinaus haben Sie die Qual der Wahl zwischen Hohldruck, ausgehöhltem Druck, mattem und glänzendem Druck (Abb. 6), aufrechtem Druck, flachem Druck, Materialkombinations-Druck und einigen Optionen, die je nach Hersteller angeboten werden. Aus diesem Grund muss man sich selbst und seinem Team stets eine Testphase der Integration zugestehen, um die richtigen Abläufe und Qualitäten umsetzen und fixieren zu können. Bedenken Sie, dass ein 3D-Drucker für Sie ein neues Arbeitsgerät ist und hier die Zuverlässigkeit und Optimierung Ihrer Prozesse sichergestellt werden muss.

  • Abb. 6: Matt- und Glanzdruck im direkten Vergleich.
  • Abb. 7: Implantat-Modell mit steckbaren Elementen und Multimaterialien – hergestellt auf einem 3D-Drucker ohne Materialwechsel (3D Medical Print, A-Lenzingen).
  • Abb. 6: Matt- und Glanzdruck im direkten Vergleich.
  • Abb. 7: Implantat-Modell mit steckbaren Elementen und Multimaterialien – hergestellt auf einem 3D-Drucker ohne Materialwechsel (3D Medical Print, A-Lenzingen).

  • Abb. 8: Implantat-Modell mit CAD/CAM-Laboranalogen (3D Medical Print).
  • Abb. 8: Implantat-Modell mit CAD/CAM-Laboranalogen (3D Medical Print).

Zu guter Letzt: Zukünftig werden wir davon abkommen müssen, immer ein physisches Modell in der Hand haben zu wollen. Wir sind zwar von unserer Veranlagung her haptische Typen, aber die Zahntechnik wandelt sich zunehmend zu einem digitalen Arbeitsplatz. Modelle oder Hilfsmittel wie Bohrschablonen, individuelle Löffel etc. werden nur noch dann produziert werden, wenn sie einen praktischen Vorteil bringen oder zwingend erforderlich sind (Abb. 7 u. 8).

Der Schienendruck

Der Wunsch vieler Zahntechniker: Mit den bekannten Softwarefunktionen eine Schiene mit Eckzahnführung und allem, was dazu gehört, zu konzipieren und via 3D-Drucker innerhalb von 1–2 Stunden ohne Nachbearbeitung fertigen zu lassen. Zahlreiche Hersteller bewerben mittlerweile Materialien der IIa-Zulassung. Ich selbst habe jedoch bisher kein für mich zufriedenstellendes Endergebnis gesehen; all die gedruckten Schienen wiesen noch Mikrorisse, Verfärbungen und Brüche auf.

Beim 3D-Druck sehe ich persönlich bisher nur die Maschinenzeiten und die Materialkosten als überlegungswürdig an. Die vielen mechanischen Supports in der Herstellung erinnern mich fast wieder an die standardisierte Handarbeit oder an die Qualität des Verbundes von hartem zu weichem Kunststoff.

Fazit: Wir stehen erst am Anfang

In der Zukunft, so etwa in fünf bis zehn Jahren, halte ich es für gut möglich, im Multimaterialdruck eine Prothese, Kunststoffkronen oder Schienen in sehr realistischer Anmutung zu drucken. Zum jetzigen Zeitpunkt ist der „Flaschenhals“ das Material. Die Stabilität, Festigkeit, Elastizität, Zulassung und die mechanischen Eigenschaften der heute bereits bewährten Materialien in die 3D-Drucktechnik zu übertragen, steht wohl bei allen Herstellern an wichtigster Stelle.

Als Anschauungsobjekt für Schulungszwecke und Trainings kann ein realistischer Druck der oben erwähnten Apparaturen aber als absolut machbar festgelegt werden.

Um als Zahnmediziner oder Zahntechniker einen objektiven und kritischen Überblick der realistischen Möglichkeiten der 3D-Drucktechnologie zu haben, braucht es noch einige Zeit und viel Verständnis. Sie sollten sich mit Ihrem Hersteller genügend Zeit dafür nehmen, realistisch Ihren Workflow mit Kalkulationen und Handgriffen abzustimmen. Im Anschluss sollten Sie die Möglichkeiten, Alleinstellungsmerkmale, die Qualität sowie verbesserte und schnellere Abläufe im Zusammenspiel mit Ihren Zahnarztkunden beleuchten, um abschließend eine Entscheidung für einen funktionellen, effektiven und kosteneffizienten Drucker zu treffen.

Es gibt viele Möglichkeiten, den 3D-Druck als faszinierendes Hobby oder als Teil der eigenen Entwicklung zu betrachten oder damit die Produktion voranzutreiben. Aber Sie können auch genauso viel Zeit sinnlos mit den verschiedenen Schritten vergeuden.

Die Einführung einer neuen Technologie in der Zahntechnik wird nur dann ein Erfolg, wenn sie im besten Falle eine bewährte Technik schneller, besser und günstiger macht. Wenn sie einfach nur anders ist, werden wir sie niemals erfolgreich in unser Tagesgeschäft integrieren.

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZT Stephan Winterlik


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