Werkstoffe für den dentalen 3D-Druck

Abb. 1: 3D-Drucker aus dem Portfolio von Ultimaker.

Für dentale Pioniere und Technikbegeisterte ist der Einsatz von Standardmaterialien im 3D-Druck, sowohl bei den Kunstharzen als auch bei den Filamenten, schon Routine geworden. Die Einstellungen in der Druckersoftware wurden immer weiter optimiert, um für die Oberflächengüte, Stabilität, kurze Druckdauer und insgesamt Benutzerfreundlichkeit zu sorgen. So kann sich die Anwendergemeinde weiter ausweiten. Es wurden außerdem zusätzliche Indikationen für die bessere Auslastung der Drucker gefunden. Aber es fehlte und fehlt an dentalen Spezial- Werkstoffen. Vor allem hier sieht die Dental 3D Agency ihr Aufgabengebiet. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung in Zusammenarbeit mit den Herstellern der 3D-Drucker Formlabs, Ultimaker (Abb. 1) und EnvisionTEC sowie passend zu den eigenen Agency-Druckern. Die große Herausforderung liegt im Dreieck Werkstoff-Gerät-Druckjob. Im Fokus liegt im Folgenden der Filament-Druck:

KFO-Modelle müssen so gedruckt werden, dass die Oberfläche der direkten Modellation einer Apparatur hierauf dienen kann.
Funktionslöffel benötigen eine besonders hohe Stabilität beim Einsatz. Darüber hinaus müssen sie Biokompatibilität aufweisen und fräsbar sein.
Dentalmodelle sollen nach dem Druck eine feine und präzise Oberfläche haben. Filamente eignen sich hier gut – dafür wird ein Material benötigt, das sich in feinen Schichten drucken lässt und zudem eine Farbe besitzt, die die Strukturen gut zeichnet und ablesen lässt.
Gedruckte Objekte für den Guss („print & cast“) müssen zum einen verlässlich, d. h. vollständig, ausgehärtet sein und sie benötigen zum anderen eine stabile Einbettmasse für ein einwandfreies Resultat.

Die Filamente (Polymer-„Fäden“ oder „Drähte“) der Dental 3D Agency wurden gemeinsam mit dem Kunststoffverarbeiter 3DK Berlin entwickelt, um sie besonders alltagstauglich und zeitsparend anwendbar zu machen. Bei diesem Schmelzschicht- Verfahren – „FFF“ gleich „Fused Filament Fabrication“ – passieren die Fäden eine Heizdüse und werden danach im weichgeschmolzenen Zustand spiralig Schicht für Schicht aufeinandergelegt.

Kieferorthopädie

Für Aligner-Modelle steht das Filament ModelFill auf PLA-Basis (ein Polylactid aus synthetischem Polymer) mit speziellen Füllstoffen zur Verfügung. Die daraus gedruckten Objekte müssen nicht nachbearbeitet werden. Bei Aligner- Modellen ermöglicht der Elfenbeinton eine gute Darstellung der Morphologie und verhindert ein Spiegeln auf der Oberfläche. Auf Modellen aus ModelFill lassen sich – obwohl ein thermoplastischer Werkstoff – Aligner-Schienen mit einer Stärke von 0,7–0,9 mm tiefziehen. Der digitale Prozess wurde so programmiert, dass er eine verbesserte Ergebnisqualität verspricht. Der Druck eines Modells erfordert ca. 20 g des Werkstoffs, mit einem Materialeinsatz von ca.1,04 EUR netto.

Abb. 2: Das Filament OrthoFill geht keine chemische Verbindung zu Acrylaten ein, sodass die KFO-Apparatur unverzüglich auf dem Modell hergestellt werden kann.

Für KFO-Modelle, auf denen Apparaturen entstehen sollen (Abb. 2), wurde der Werkstoff OrthoFill konzipiert. Wichtig ist, dass er keine chemische Verbindung zu Acrylaten eingeht. Im Nachhinein müssen nur noch mechanische Retentionen (z. B. Rillen, die im Druckprozess entstehen) und untersichgehende Bereiche ausgeblockt werden. Im Anschluss wird direkt auf dem hergestellten Filament-Modell konstruiert. Mit OrthoFill gedruckte Modelle benötigen für den Ober- und Unterkiefer insgesamt ca. 40 g Material. Das entspricht einem Einsatz von 2,08 EUR netto.

Funktionslöffel

Abb. 3: Löffelgriffe können in der Software individuell gestaltet und ebenso wie die Modelle gedruckt werden.

Mit dem Filament-Material TrayFill werden Funktionslöffel umgesetzt. Ein großer Vorteil der digitalen Konstruktion von Funktionslöffeln in gängigen CAD-Programmen liegt in der Präzision. Die Wandstärken sind gleichmäßig und reproduzierbar. Die Ausgabe im 3D-Druck gelingt mit TrayFill z. B. auf Druckern von Ultimaker sowie ebenfalls auf Agency-Druckern wie etwa AgencyOne. Löffelgriffe können laborspezifisch gestaltet werden (Abb. 3). Das Löffelmaterial lässt sich mit bis zu 5.000 U/min mit einer groben Fräse nacharbeiten. TrayFill besitzt die Medizinprodukte-Zulassung der Klasse I und lässt sich, auch als Thermoplast, im Autoklav sterilisieren. Ein geschätzter Vorteil der FFF-Fertigungsmethode im Gegensatz zur konventionellen Herstellung ergibt sich zum einen aus der Lagerhaltung von nur noch einem Material. Es wird nur TrayFill benötigt, kein Ausblockwachs, keine Isolierung, keine lichthärtenden Platten. Zum anderen wird der Werkstoff in einem wirtschaftlichen Verfahren eingesetzt, das eine effiziente Fertigung erlaubt – nach dem Intraoralscan wird ohne Zwischenschritt digital im Dentallabor weitergearbeitet. Die Materialkosten belaufen sich bei einem durchschnittlichen Einsatz von 32 g pro Löffel auf 1,70 EUR netto. Unter optimaler Auslastung und Bestückung der Geräte wird eine Margensteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung erwirkt.

Situations- und Planungsmodelle

Um den digitalen Workflow im Dentallabor auch im Bereich von Situations- und Planungsmodellen durchgängig zu verwirklichen, kann hierfür das oben genannte ModelFill als 3D-Druckmaterial herangezogen werden. Im Druckergebnis sind hilfreiche feine Strukturen und Zeichnungen sichtbar. Das Filament-Material lässt sich z. B. mit Druckern von Ultimaker sehr fein, bei einer Schichtstärke von 0,1–0,15 mm, drucken.

Druck der Modellation für Kronen, Brücken und Modellguss

Abb. 4: Modell für die Kronen- und Brücken-Technik mit Zähnen aus CastFill-Filament, gedruckt mit dem Ultimaker 3.

Die Indikationen für den dentalen 3D-Druck erschöpfen sich nicht mit dem Bereich Arbeitsvorbereitung (siehe Funktionslöffel und Modelle). Im Bereich der Kronen- und Brücken-Technik (Abb. 4), speziell der Presskeramik, fallen ebenfalls Aufgaben im Dentallabor an. Wendet man den Filament-Druck an, wird ein rückstandslos ausbrennbares Material gebraucht, das dennoch fein genug für den Druck von Kronen und präzise genug für Kronenränder ist. CastFill erfüllt diesen Anspruch. Auch hier werden die digitalen Daten des Kunden übernommen und die Krone digital konstruiert sowie die verlorene Form im Anschluss gedruckt. CastFill ist ein Spezial-Filament, das bei einer Verwendung mit einer Düsengröße von 0,25 mm feine Strukturen darstellen kann. Einzelkronen können in kürzester Zeit mit einem geringen Materialaufwand vom Zahntechniker in seinem Labor hergestellt werden.

Abb. 5: Die Modellguss-Modellation wird erst in ausbrennbarem Material hergestellt, dann eingebettet und schließlich konventionell gegossen.

Um den Prozess „CAD-Print-Cast“ (Abb. 5) zu komplettieren, gibt die Dental 3D Agency Laboren ein vollständiges Werkstoffpaket an die Hand. Die Einbettmassen Print Cast F und Print Cast M wurden genau für den Guss von gedruckten Objekten entwickelt. Print Cast F eignet sich speziell zum Einbetten und Gießen von gedruckten Kronen aus Filament sowie Kronen und Brücken aus lichthärtendem Kunststoff. Print Cast M kann die Belastung des expandierenden Kunststoffs ausgleichen und liefert einwandfreie Güsse. Modellguss-Modellationen, gedruckt aus wachsgebundenen flüssigen Harzen (z. B. Castable Wax aus dem Stereolithografie-Drucker von Formlabs) lassen sich mit Print Cast M ebenfalls perfekt einbetten und gießen. Die spezielle Zusammensetzung ausgesuchter Rohstoffe sorgt für höchste Präzision und bewahrt zusätzlich ein besonderes Maß an Unempfindlichkeit. Mit Print Cast M können alle Modellguss-Legierungen im schnellen Aufheizverfahren verwendet werden (als „Speed“-Einbettmasse). Der digitale Prozess, angefangen beim intraoralen Scan über die Erstellung eines digitalen Modells bis zur Konstruktion eines digitalen Modellgussobjekts, ist über jede gängige CAD-Software möglich. Ebenso kann der digitale Weg erst im Dentallabor durch den Scan eines Modells beginnen, dem sich die virtuelle Konstruktion eines Modellgussobjekts und dann der Print & Cast-Prozess anschließen.

Zubehörprodukte

Flankierend wurden Dentalwachse, Druckbett-Adhäsive und eine UV-Kammer entwickelt, die nun produziert werden und ins Portfolio eingegangen sind. Im Verbund mit der Agens Zahntechnik, Worpswede, wurden die Indikationen Funktions- und individuelle Löffel sowie Dental- und KFO-Modelle als Alltagsproduktion auf den 3D-Druck ebenso umgestellt wie die Modellation im Bereich der Kronen- und Brücken-Technik und Modellguss-Anwendung.

Unter den Zubehörprodukten gehört das Adhäsiv BlueFix zu einer Warengruppe, auf die alle Filament-Drucker für die Zuverlässigkeit des Druckverlaufs angewiesen sind: Das Adhäsiv sichert die Haftung des Objekts auf der Druckplattform und hat somit einen großen Anteil am Erfolg des Druckvorgangs. Das Adhäsiv BlueFix lässt sich leicht und gleichmäßig auftragen, bei der Wartung des Druckers kann man es komplett und problemlos entfernen.

Sehen und Lernen

Die Digitalisierung eröffnet dem Dentallabor neue Geschäftsfelder und ergänzt traditionelle Fertigungstechniken mit neuen Technologien und um neue Werkstoffe. Der Einsatz dessen bringt die Neuausrichtung im Dentallabor mit sich – hier steht die Dental 3D Agency Laboren als Partner zur Seite.

Im Showroom in Worpswede kann sich jeder über die 3D-Drucker von Formlabs, Ultimaker und EnvisionTEC informieren. Zusätzlich zum Verkauf werden Schulungen, Service und Support für alle Produkte angeboten. Durch die Zusammenarbeit mit der Agens Zahntechnik stehen für alle dentalen Fragen Zahntechnikermeister bereit, die täglich mit den Geräten und den Produkten arbeiten.

Im März werden zwei Veranstaltungen in der Stadt Brandenburg an der Havel organisiert. Am 20. März 2020 gibt es einen Workshop für Dentaler, die bereits ein wenig bis mehr 3D-Druckerfahrung haben. Es wird Technikern aus Praxis und Labor das Arbeiten mit den Ultimaker Druckern und den Materialien der Dental 3D Agency demonstriert. Unter anderem geht es um das Zusammenspiel aus Material- und Druckerwahl und die Settings in der Cura-Software zu Positionierung und Skalierung. Gemeinsam wird das Design von laborspezifischen Löffelgriffen erarbeitet. Am 21. März 2020 findet eine allgemeine Informationsveranstaltung innerhalb der Reihe „Einfach nur 3D-Druck“ statt. Dieses Jahr steht der Tag unter dem Motto „Drucktechnik vs. Indikation – Optimierung des digitalen Workflows“. Referent ist ZTM Jens Neubarth, Agens Zahntechnik, der auch ausführlich zu dem Thema „CAD – Print – Cast – Werkstoffe in der Digitalisierung von Modellguss-Modellationen“ spricht. Marcel Rösner, Dental Channel Sales Manager bei Formlabs, erörtert die Frage „Ist Drucken das neue Fräsen? – Die zahntechnische Produktion im digitalen Wandel“.

Tagungsort ist an beiden Tagen die DLGS.24 (Dentallabor Geräteservice), Potsdamer Straße 10, 14776 Brandenburg an der Havel. Anmeldung und weitere Infos unter: event@dental-3d-agency.de. Informationen gibt es auch in der Dental 3D Agency in Worpswede.

Weitere Informationen:

www.dental-3d-agency.de

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