Möglichkeiten des SLA- und DLP-Druckes im Praxisalltag

Die Digitalisierung der Zahnmedizin hat viele der traditionell bekannten Arbeitsabläufe grundlegend verändert und revolutioniert. Neben neuen Workflows in Diagnostik und Behandlung konnten auch ganz neue Materialklassen hinzugewonnen werden.

Als Ziel steht hierbei die Automatisierung von Produktionsabläufen an primärer Stelle, um eine höhere Qualität und Reproduzierbarkeit sowie eine signifikante Senkung der Kosten zu erreichen.

Additive Herstellungsverfahren als Alternative zum CAM-Prozess

Bisher war der CAM-Prozess (Computer Aided Manufacturing) in der Zahnmedizin gleichzusetzen mit dem subtraktiven Herstellungsverfahren. Bei diesem wird das zuvor digital konstruierte Objekt aus vorgefertigten Rohlingen geschliffen bzw. gefräst. Es kann dabei auf Rohlinge zurückgegriffen werden, die durch ihre industrielle Produktion frei von Unreinheiten, Lufteinschlüssen und Inhomogenität sind und somit eine äußerst niedrige Anisotropie aufweisen.

Bei der subtraktiven Fertigung werden Schneidwerkzeuge eingesetzt, die das Objekt letztendlich formen. Dabei ist die finale Oberflächengenauigkeit des gefertigten Objekts abhängig von dem Durchmesser des kleinsten verwendeten Werkzeugs sowie dessen Zugang.

Trotz ihrer Vorteile birgt das subtraktive Verfahren einige Limitationen: Verschleiß der verwendeten Werkzeugen, hoher Verlust an ungenutztem Rohmaterial, die Möglichkeit, nur ein einziges Objekt simultan herzustellen [1,8].

Ein alternativer Weg zu Fertigung mittels CAD-Dateien (Computer Aided Design) ist das additive Herstellungsverfahren. Wie der Name bereits impliziert, wird bei der additiven Fertigung Material schichtweise hinzugefügt. Ein klarer Vorteil des additiven Verfahrens besteht in der schnellen, unkomplizierten und kostengünstigen Fertigung komplexer Strukturen in Kleinserien [6].

Häufig wird anstatt des Begriffs „additives Verfahren“ auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet. 3D-Druck wurde ursprünglich mit einer spezifisch additiven Verarbeitungstechnik (Stereolithografie) in Verbindung gebracht. Heute wird der Begriff aber üblicherweise synonym mit „additiver Fertigung“ oder auch „Rapid Prototyping“ und „generativer Fertigung“ verwendet.

3D-Drucktechnik als Wachstumsmarkt

Der weltweite Umsatz, der die Geräte, Materialien und Dienstleistungen für die additive Fertigung im industriellen und privaten Maßstab umfasst, ist in den letzten 3 Jahren um durchschnittlich mehr als 33% pro Jahr gewachsen [16]. Ein wesentlicher Treiber für dieses Wachstum ist die Tatsache, dass die frühen Patente im Zusammenhang mit den Geräten und Prozessen der additiven Fertigung abgelaufen sind.

Dies hat vielen Start-up-Unternehmen die Tür geöffnet, neue innovative 3D-Drucker zu entwickeln (z.B. Formlabs), die Kosten zu senken und den breiten Markt sowie den Dentalmarkt zu erobern.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über den Bereich der additiven Fertigung in der Zahnmedizin, wobei vor allem auf die derzeit meistverbreiteten Verfahren der Stereolithografie (SLA) sowie auf deren klinische Anwendung ein Schwerpunkt gelegt werden soll.

Charakteristikum des additiven Fertigungsverfahrens

Abb. 1: Punktewolke links und verbundene Punkte zu einem Dreicksnetz (= Triangulation) rechts.

Grundlage eines zu druckenden Objekts ist stets eine Oberflächendatei, die im CAD-Programm entworfen oder per Scanner mittels Punktewolke generiert werden kann (Abb. 1). Die Standardschnittstelle ist hierbei das Dateiformat „STL“ (Standard Triangulation Language, Standard Tesselation Language).

Das STL-Format bildet mit einer großen Anzahl von Dreiecken die dreidimensionale Form eines Modells nach. Jede Dreiecksfacette wird durch seine 3 Eckpunkte sowie die zugehörige Flächennormale des Dreiecks charakterisiert. Gekrümmte Flächen werden in ihrer eigentlichen Form in Abhängigkeit von der Anzahl an Dreiecken angenähert.

Das Dateiformat transportiert nur die Basisinformation der Form, d.h., es werden beispielsweise keine Texturen übernommen. Die Oberfläche des Objekts muss hierbei in sich geschlossen und frei von Fehlstellen sein, was auch als wasserdicht („watertight“) bezeichnet wird.

Die vorliegende Druckdatei kann dann im Folgeschritt in der entsprechenden CAM-Software „genested“, sprich auf der Druckplatte ausgerichtet werden. Dabei wird die Druckrichtung des Objekts bestimmt und dann die sogenannten Stützstrukturen festgelegt.

Solche Strukturen, welche mit Brückenpfeilern vergleichbar sind, stellen das Objekt auf der Druckplatte auf und halten ausladende Elemente auf der Bauplattform. Bei fehlerhaft verwendeten Stützstrukturen kann es folglich zum Absinken des Objekts kommen, bedingt durch eine Dichteänderung oder ein Verschieben von Teilelementen während des Druckprozesses.

Abb. 2: Inzisalkanten eines DLP-gedruckten Modells in einer Schichtdicke von 100 µm und 25 µm.

Ein genestetes Objekt wird anschließend von der Software in eine Vielzahl von Druckschichten geschnitten (Slicing). Eine kleine Schichtdicke geht einher mit einer hohen Oberflächenauflösung, korreliert aber auch mit einer langen Druckzeit (Abb. 2). In der Zahnmedizin werden derzeit Druckschichten von 25 bis 100 µm, je nach Verfahren und Anwendung, realisiert [15].

Die CAM-Software gibt im letzten Arbeitsschritt einen Maschinencode (G-Code) für den Drucker aus. Die Schichtinformationen werden schließlich in einem Drucksystem sukzessive umgesetzt, sodass das digital konstruierte Objekt zu einem Volumen aufgebaut wird.

Die Zuweisung von fertigungstechnisch relevanten Informationen, wie z.B. Prozesstemperaturen, Laserleistungen, Sinter- bzw. Polymerisationszeiten, erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Drucksysteme erst auf dem 3D-Drucker selbst.

Charakteristisch für die additive Fertigung ist ebenfalls die notwendige Nachbearbeitung, welche die Reinigung des Werkstücks und das Abtrennen der Stützstrukturen beinhaltet. Je nach Druckverfahren bzw. Material kann sich auch zusätzlich ein Nachbelichtungs- oder Sinterprozess anschließen.

Die meistgenutzten Verfahren im Vergleich

Die in der Zahnmedizin derzeit meistgenutzten Verfahren sind die Stereolithografie (SLA) und das artverwandte Verfahren der Maskenbelichtung (DLP: Digital Light Processing), auf die im Folgenden näher eingegangen wird. Erläutert werden zunächst die technische Realisierung und anschließend die klinischen Anwendungsmöglichkeiten sowie deren wissenschaftliche Datenlage.

Stereolithografie

Als Erfinder der Stereolithografie ging Chuck Hull mit dem Patent „US4575330A Apperature for production of three-dimensional objects by stereolithography“ in die Geschichte ein und legte den Grundstein für das noch heute existierende Unternehmen 3D Systems [3].

Das Prinzip der Stereolithografie beruht darauf, dass ein Werkstück auf einer in vertikaler Richtung absenkbaren Bauplatte in einem Behälter mit flüssigem Photopolymer durch Polymerisation schichtweise aufgebaut wird. Zwischen Bauplatte (bzw. der letzten fertiggestellten Schicht) und Wannenboden wird nach der Erstellung jeder Schicht durch Anheben der Bauplatte jeweils Platz freigelassen, in der das flüssige Polymer fließen kann und der zuvor eingestellten Schichtdicke entspricht (Abb. 3a).

Abb. 3a: Schematischer Aufbau eines SLA-Druckers.

Ein Laser, der über bewegliche Spiegel gelenkt wird, polymerisiert und verfestigt das photosensitive Material an den gewünschten Stellen. Durch die Bewegungseinschränkung der freien Monomere kommt die Polymerisation lokalisiert zum Erliegen und der Prozess ist örtlich begrenzt.

Ist eine Schicht fertig, wird diese vom Wannenboden abgelöst und der Prozess beginnt von vorne. Diese Beschichtungs- und Belichtungsschritte werden bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt.

Die Polymerisation jeder neuen Schicht ist eng mit der vorherigen Schicht verbunden – dies führt zu einer guten Festigkeit und einer geringen Anisotropie der gedruckten Objekte [11].

Nach Abschluss des Bauprozesses schließt sich das Post-Processing an. Die Werkstücke müssen mittels Isopropanol von Restmonomer gereinigt, die Stützstrukturen entfernt und anschließend nachbelichtet werden. Erst durch diese obligaten Schritte erreichen die Bauteile ihre endgültigen Eigenschaften.

Maskenbelichtungsverfahren

Der grundsätzliche Aufbau eines Druckers im Maskenbelichtungsverfahren entspricht dem eines SLA-Druckers. Jedoch besteht der Unterschied in der verwendeten Lichtquelle (Abb. 3b).

Abb. 3b: Schematischer Aufbau eines DLP-Druckers.

Im Gegensatz zu der punktuellen Aushärtung des Photopolymers mittels Lasers wie bei der Stereolithografie findet beim Maskenbelichtungsverfahren eine Projektionstechnik Anwendung. Bei dieser wird das Bild einer Schicht in kleine Pixel zerlegt und auf einen Lichtstrahl aufmodelliert.

Durch eine solche flächenhafte Polymerisation ist es möglich, die Belichtungszeit innerhalb eines Druckzyklus konstant zu halten; die Druckzeit ist nur noch abhängig von der Anzahl der Druckschichten.

Die Auflösung des Maskenbelichtungsverfahren ist durch die pixelbasierte Belichtung systembezogen höher, jedoch kann keiner der beiden Techniken eine grundsätzliche Überlegenheit zugeschrieben werden.

Die verwendeten Monomere für die Stereolithografie und das Maskenbelichtungsverfahren sollten eine niedrige bis moderate Viskosität aufweisen. Die meistgenutzten Monomere sind Acrylate, Epoxid- und funktionalisierte Vinyletherharze.

Um eine hohe Polymerisationseffizienz sowie eine geringe Aushärtungstiefe zu erzielen, müssen aufgrund der kurzen Polymerisation während des Druckvorgangs die Initiatoren auf die Lichtquelle optimal abgestimmt sein und ein hohes molares Absorptionsvermögen besitzen.

Hierfür werden Photoinitiatoren, zumeist TPO oder BAPO mit einem Gewichtsanteil des Harzgemisches von 3 bis 5%, zugegeben [10]. Bei den lichtsensitiven Monomeren wird zwischen denen mit einer Wellenlänge von 385 nm und denen mit 405 nm unterschieden, wodurch nicht jedes Material in allen handelsüblichen SLA- oder DLP-Druckern verwendet werden kann.

Die mechanischen Eigenschaften sind verfahrenstechnisch durch die begrenzte Steigerung der Viskosität der Monomere begrenzt, da es sonst zu einem fehlenden Nachfließen des Harzes zwischen Druckplatte und Wanne kommt.

Klinische Anwendung mittels Stereolithografie oder Maskenbelichtungsverfahren

Inzwischen können alle Indikationen, die durch das subtraktive Verfahren machbar sind, auch von der additiven Fertigung abgedeckt werden. Damit konnten sogar neue Indikationen realisiert werden. Jedoch sind die Materialvielfalt und besonders die Materialeigenschaften dem subtraktiven Verfahren noch unterlegen.

Die Herstellung von Modellen ist heute schneller und kostengünstiger über das additive Verfahren möglich als durch die subtraktive Fertigung. Dabei können sowohl hoch genaue Arbeitsmodelle realisiert werden als auch schnell zu fertigende Modelle für die kieferorthopädische Tiefziehtechnik [2].

Durch Erstere kann der Zahntechniker beispielsweise Verblendungen an Restaurationen, die mittels Intraoralscanner erfasst wurden, erstellen. Sogar Gingivamasken, die auf solche Modelle aufgesetzt werden können, sind mittels 3D-Druck möglich.

Abb. 4: Vertikal gedruckte Aufbissschienen mit Stützstrukturen auf der Bauplatte.

Bei der Herstellung von Aufbissschienen kann die additive Fertigung all ihre Vorteile voll ausspielen. Durch die synchrone Herstellung mehrerer Schienen in einem einzigen Druckvorgang ist die Produktion viel schneller als im subtraktiven Verfahren (Abb. 4).

Außerdem ist viel weniger Material zu verwerfen, wie es beim Fräsen aus einem Rohling übrigbleiben würde. Gleichzeitig ist die additive Fertigung von Schienen in Bezug auf die Genauigkeit des Herstellungsprozesses vergleichbar mit dem subtraktiven Verfahren [13].

Jedoch scheint die Materialgüte von 3D-gedruckten Schienen der von gefrästen oder konventionell hergestellten noch unterlegen zu sein [9]. Häufig wurde in der ersten Generation der Materialien eine Versprödung der Schienen über die Zeit beobachtet, die anschließend teilweise zu deren Bruch führte.

Auch bei der Produktion von Prothesenbasen bietet die additive Fertigung Vorteile gegenüber dem subtraktiven Verfahren in Bezug auf Zeiteffizienz und Materialverlust bei gleichzeitig hoher Genauigkeit [17]. Dabei werden die Prothesenbasis und die Zähne separat gedruckt und anschließend miteinander verklebt.

Abb. 5: Langzeitprovisorium: gedruckt aus Kompositen.

Im Rahmen der totalprothetischen sowie festsitzenden Versorgung kann auch ein digital designtes Wax-up zur Austestung schnell und unkompliziert in ein additiv gefertigtes Mock-up mittels sogenannter Try-in-Kunststoffe umgewandelt werden. Hierdurch bekommen der Patient und der Zahnarzt im Vorhinein einen ersten Eindruck über die zu realisierende Arbeit. Sogar für die Herstellung von Restaurationen bieten Hersteller inzwischen 3D-Druckmaterialien an (Abb. 5).

Diese Komposite sind sowohl für die Nutzung als Langzeitprovisorien als auch für den definitiven Zahnersatz zugelassen, und die ersten In-vitro-Daten sind vielversprechend. Bei der Fertigung von Restaurationen ist auf die Anisotropie des Herstellungsverfahrens zu achten.

Die mechanischen Eigenschaften können durch die Ausrichtung der Restauration beeinflusst werden [5]. Daneben besitzt auch die Nachbelichtung einen hohen Einfluss auf die Eigenschaften des fertigen Objekts [12].

Der Nachteil der druckbaren Komposite besteht derzeit noch in der Limitation an Füllkörpern, die dem Monomer zugemischt werden können. Diese liegt bei ca. 30 Vol.-% und ist somit unter der von direkten Kompositen und subtraktiven Materialien [7].

Abb. 6: Krone: gedruckt aus Castable Resin (links), gepresst (Mitte) und mit Glanzbrand (rechts).

Bis heute konnte leider kein 3D-Druckmaterial präsentiert werden, das von den optischen und mechanischen Eigenschaften an dentale Keramiken herankommt. Neben der direkten Herstellung von Restaurationen mittels 3D-Druck können auch ausbrennbare Objekte gedruckt werden, die im Folgenden mit der konventionellen Lost-Wax-Technik wie gewohnt zu nutzen sind (Abb. 6).

Durch die Zusammenführung von DVT-Daten mit einem Oberflächendatensatz können heute sowohl die Implantatposition als auch endodontische Zugangskavitäten digital geplant werden.

Die Umsetzung einer solchen Planung erfolgt mit Hilfe einer Schablone, die eine Führung bereithält, an der sich der Behandler richtet. Solche Schablonen können additiv gefertigt werden und zeigen eine vergleichbare Genauigkeit in ihrer Anwendung wie subtraktiv gefertigte [4].

Durch die navigierte Implantologie ist es mittlerweile möglich, die Implantatposition vorhersagbar zu gestalten und ein vollständiges „Backward-Planning“ durchzuführen mit dem Ziel der achsengerechten Belastung des Implantats durch die prothetische Versorgung (Abb. 7a und b).

Auch klinische Hilfsmittel, wie individuelle Abformlöffel oder kieferorthopädische Indirect Bonding Trays (IBT), können additiv gefertigt werden. Die digitale Planung beinhaltet dabei die dreidimensionale Positionierung der Brackets.

Nach Herstellung der Trägerschienen werden diese mit den Brackets bestückt und können innerhalb eines Behandlungsschrittes in vivo verklebt werden. Das Schienenmaterial ist hierbei besonders flexibel gestaltet, um ein gute Entfernbarkeit zu gewährleisten.

Aufgrund der komplizierten Geometrie der Brackets und der notwendigen Flexibilität des Materials sind solche Schienen ausschließlich durch den 3D-Druck digital herzustellen (Abb. 8a bis c). Durch einen digitalen Workflow können solche Hilfsmittel schnell und relativ unkompliziert additiv hergestellt werden.

Abb. 8a–c: Gedruckte Indirect Bonding Trays (a) zur Positionierung der zuvor digital geplanten
Bracketposition in situ (b und c).

Aber auch Modelle, basierend auf dreidimensionalen DICOM-Daten, können mit Hilfe von 3D-Druckern realisiert werden. Von solchen Modellen können sowohl Operateure vor Eingriffen im MKG-Bereich profitieren als auch Lehrende zur Anwendung im universitären Curriculum, um neue Lehrmethoden zu etablieren [14].

Abb. 9: Orientierungsschablone zum Anlegen des lateralen Fensters für den externen Sinuslift auf 3D-gedruckten Modell.

Die additive Fertigung profitiert dabei davon, dass sie im Gegensatz zum subtraktiven Verfahren fast alle Geometrien wiedergeben kann. So können Orientierungsschablonen zur Anlegung des Fensters für den externen Sinuslift gefertigt werden. Diese können so gestaltet werden (Abb. 9), dass z.B. durch den Zugang verlaufende Gefäße geschont werden, indem das laterale Fenster in einen kranialen und kaudalen Anteil unterteilt wird.

Ein weiteres Einsatzgebiet in der zahnärztlichen Chirurgie besteht in der Fertigung von Orientierungsschablonen zum Auffinden der Wurzelspitze bei der Wurzelspitzenresektion (Abb. 10a und b).

Abb. 10a und b: Orientierungsschablone zum Auffinden der Wurzel bei der Wurzelspitzenresektion.

Durch eine präoperative Planung und Überführung mittels Schablonen kann der Eingriff minimalinvasiver und vorhersagbarer gestaltet und die Operationszeit reduziert werden.

Die additive Fertigung mittels SLA- und DLP-Technik kann heute schon viele dentale Indikationen abdecken. Sie zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit sowie eine zeit- und kosteneffiziente Arbeitsweise aus.

In bestimmten Bereichen scheint sie dem subtraktiven Verfahren überlegen zu sein (z.B. bei der Herstellung von Modellen sowie chirurgischen/endodontischen Führungsschablonen). In anderen Bereichen ist sie hingegen den etablierten Verfahren und Materialien noch stark unterlegen (z.B. definitive Restaurationen). Jedoch steckt in der der additiven Fertigung ein hohes Entwicklungspotenzial für die Zahnmedizin.

Näheres zu den Autoren des Fachbeitrages: Dr. Andreas Keßler, PD Dr. med. dent. Marcel Reymus

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