3D-Drucktechnologien im fachlichen Vergleich

Noch vor wenigen Jahren war das Drucken von Modellen in der Zahntechnik ein Thema nur mit Blick in die Zukunft. Seit der Einführung von Intraoralscannern wurde es zur konkreten Notwendigkeit, virtuelle Modelle digital zu bearbeiten und letztendlich auch zu drucken. Auf der IDS im Jahr 2017 war das Thema erstmals sehr präsent, beinahe alle namhaften Anbieter präsentierten ihre (neuen) 3D-Drucker und den entsprechenden Workflow. Auf der diesjährigen IDS lag der Fokus auf der immens gewachsenen Materialvielfalt und den damit verbundenen Möglichkeiten.

Knjasev/Seider

Welche Bereiche in der Zahnmedizin und -technik können nun heute erfolgreich abgedeckt werden (Abb. 1)? Prinzipiell kann jedes Objekt im STL-Format abgespeichert und auch gedruckt werden. Allerdings unterscheiden sich die Anforderungen an die Druckmaterialien bezüglich der jeweiligen Indikationen. Nehmen wir z. B. die Dentalmodelle, früher nur als gegossene Gipsmodelle realisiert. Im kieferorthopädischen Bereich müssen die Modelle dem Tiefziehverfahren standhalten und dürfen sich thermisch nicht verformen lassen. Der Farbwunsch geht häufig in Richtung „weiß“. Außerdem werden flexible Materialien benötigt, z. B. um Übertragungsschienen für Brackets herzustellen. In der allgemeinen Zahntechnik ist für Meistermodelle und anderes höchste Präzision gefordert. Zudem sollen die Modelle farblich möglichst den Gipsmodellen nachempfunden sein und sich als formstabil in Bezug auf das „Abdampfen“ erweisen. Individuelle Abformlöffel sowie Positionierungsschlüssel müssen starken Belastungen im Mund standhalten. Für die Kieferchirurgie muss das Material sterilisierbar und mundbeständig sein. Labore, die bevorzugt das digitale Arbeiten mit einer CAD-Software und der Gusstechnik verbinden, bevorzugen ausbrennbares Druckmaterial auf Wachsbasis. Hiermit lassen sich Kronen, Kronenkäppchen, Brücken, Brückengerüste und Modellgüsse – Letztere jetzt passender mit „Basis“ bezeichnet – drucken, die dann durch klassisches Gießen in Metall umgesetzt werden können. Auch sind mittels 3D-Drucker hergestellte Aufbissschienen heutzutage anerkannt: Die passenden Voraussetzungen bieten die mit der Klasse 2A zertifizierten Druckmaterialien, welche für eine lange Tragedauer im Mund des Patienten freigegeben sind. Nicht zuletzt: Rosafarbene Klasse-2A-Resins bieten mittlerweile die Möglichkeit, das digitale Spektrum um den Bereich der Totalprothetik zu erweitern. Darüber hinaus erlauben es zahnfarbene Materialien, Provisorien zu drucken.

Es ist unverkennbar, wie die Entwicklung auf diesem Gebiet vorangeschritten ist. Man darf gespannt sein, welche weiteren Möglichkeiten sich in Zukunft für den dentalen Markt ergeben werden.

Die verschiedenen 3D-Drucktechnologien

Die bekannten 3D-Druckverfahren teilen sich in FFF-, die SLA- und als Unterkategorie die DLP- sowie MjM-Technologie.

FFF – Fused Filament Fabrication, das Schmelzschicht-Verfahren, oft auch Filament-Drucken genannt. Der Drucker verfügt über Heizdüsen zum Schmelzen und Auftragen von festem garn- oder fadenförmigem, meist auf Rollen sitzendem Kunststoffmaterial. Das erhitzte Material wird über mechanische Achsen linear auf die Bauplattform aufgetragen, wobei die Baugeschwindigkeit abhängig von dem zu verarbeitenden Material ist. Der Materialwechsel erfolgt sehr einfach und schnell durch Austausch der Rollen. In der Zahntechnik wird diese Technologie oft zum Bau von Modellen und individuellen Abformlöffeln verwendet. Der Einsatz von separaten Supportmaterialien ist ebenfalls möglich. Es gibt auch die Abkürzung FDM für Fused Deposition Modeling. Dies ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Stratasys für deren Schmelzschicht-Verfahren.

Vorteile: günstiges Material, keine Nachbearbeitung der Druckobjekte (keine Reinigung mit Isopropanol und Endhärtung im Lichtofen).

Nachteile: lange Bauzeiten, niedrige Auflösung und thermoplastische Verformbarkeit, wenige Indikationen abdeckbar.

SLA – Stereo-Lithography Apparatus, Stereolithografie. Hierbei „zeichnet“ ein über Spiegel gelenkter UV-Laser das Druckobjekt punktförmig Schicht für Schicht auf die Bauplattform. Das Baumaterial ist ein flüssiges, lichtempfindliches Fotopolymer und befindet sich in einer Druckwanne. Der Laser härtet es nach und nach an den gewünschten Stellen und baut es so auf. Die SLA-Technologie ermöglicht die Verwendung von Druckmaterialien mit einer Lichtempfindlichkeit bis zu 405 nm Wellenlänge. Durch den „runden“ Lichtstrahl des UV-Lasers können sehr viel glattere Oberflächen beim Druckobjekt erzeugt werden, als dies mit einem – ähnlich arbeitenden – DLP-Drucker möglich wäre. Dies will ein Schaubild verdeutlichen (Abb. 2a u. b). Die Baugeschwindigkeit ist abhängig von dem zu verarbeitenden Material und der Größe des Druckobjektes. Der aktuell bei Anwendern als Desktop-Gerät am weitesten verbreitete SLA-Dentaldrucker ist der Form 2 von Formlabs (in Industriebetrieben kommen viel größere Maschinen zum Einsatz). Die Druckwanne und die Materialkartusche sind mit einem Chip ausgestattet, der den Füllstand der Kartusche und die korrekte Materialauswahl für den aktuellen Job überprüft. Durch austauschbare Wannen und Kartuschen erfolgt der Materialwechsel sehr einfach und schnell. Die Materialmenge in der Druckwanne wird ebenfalls über einen Sensor überwacht und bei Bedarf automatisch nachgefüllt. Weitere Innovationen an diesem Drucker sind der eingebaute Wischer und eine eingebaute Heizung. Der Wischer sorgt dafür, dass während des Druckes im Resin kein Entmischen des Materials zustande kommt. Die Heizung bringt das Resin während des Druckvorganges auf die optimale Temperatur, um so die bestmögliche Fließfähigkeit zu erreichen. Gespannt kann man außerdem auf die kürzlich angekündigten Drucker Form 3 und Form 3 L sein. Formlabs nennt die Technik, auf welcher die neuen Drucker basieren, LFS für Low Force Stereolithography und verspricht mit einer Verbesserung der Technologie höhere Geschwindigkeiten, mehr Präzision und eine Reduzierung von Fehldrucken.

Knjasev/Seider

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Vorteile: niedrige Anschaffungskosten, hohe Auflösung, große Materialvielfalt.

Nachteile: Nachbearbeitung der Druckobjekte erforderlich, längere Bauzeit als im DLP-Verfahren.

DLP – Digital Light Processing, Maskenbelichtung. Der Drucker verfügt über einen Videoprojektor und einen DLP-Chip, bestehend aus vielen einzelnen Mikrospiegeln, welche eine durchschnittliche Größe von 50 ?m aufweisen. Die Spiegel zerlegen das durch den Lichtstrahl projizierte Bild in einzelne beleuchtete Pixel, welche auf das Fotopolymer treffen und so Schicht um Schicht das 3D-Objekt auf der Bauplattform aushärten. Die DLP-Technologie nutzt zum Aushärten des flüssigen Resins UV-Licht mit einer Wellenlänge zwischen 385 und 405 nm. Die Baugeschwindigkeit ist unabhängig von der belichteten Fläche, da mit einem Belichtungsblitz des Videoprojektors eine komplette Schicht des zu druckenden Objektes erfasst wird. Durch die feine Auflösung der DLP-Chips sind allerdings nur geringe Baugrößen möglich. Der Materialwechsel erfolgt sehr einfach und schnell, dank herausnehmbarer Wannen. Diese Technologie wird durch viele Hersteller (z. B. Asiga oder Bego) für deren 3D-Drucker genutzt. Die Firma NextDent geht noch einen Schritt weiter und hat diese Technologie unter dem Namen „Figure 4“ perfektioniert, indem die untere Membran des Resin-Trays für Sauerstoff durchlässig ist. Dadurch steht das Resin nicht im direkten Kontakt mit der Membran und die einzelnen Schichten können pausenlos nacheinander belichtet werden. Somit werden besonders hohe Druckgeschwindigkeiten erreicht.

Vorteile: schnelle Bauzeiten, hohe Auflösung, große Materialvielfalt.

Nachteile: hoher Anschaffungspreis, geringe Baugröße, Nachbearbeitung der Druckobjekte erforderlich.

MjM – Multi Jet Modeling, Tröpfchen-Druck, eine 3D-Drucktechnologie unter gleichzeitigem Einsatz mehrerer Druckdüsen. Bekannteste Beispiele aus der Drucker-Industrie, um auf Papier zu drucken, sind die Xerox-Druckköpfe mit 120 oder 240 Druckdüsen. Auch bei diesem Verfahren wird UV-Licht zum Aushärten des Druckmaterials verwendet. Anders als beim SLA-Verfahren einschließlich DLP wird das flüssige Resin hier durch feine Düsen auf die Baukontur gesprüht und sofort final gehärtet. Jeder Druckkopf wird linear über mechanische Achsen bewegt. Hierdurch können sehr große Bauplattformen abgefahren und somit auch viele Objekte in einem Arbeitsvorgang gedruckt werden. Alleinstellungsmerkmal bei diesem Verfahren ist die mögliche Verwendung von verschiedenen Materialien in einem Druck (Beispiele aus der Industrie: Sonnenbrillen, Motorradhelme, Turnschuhe). Die Baugeschwindigkeit hängt von dem zu verarbeitenden Material ab, der Materialwechsel erfolgt sehr einfach und schnell. Zumeist ist hier nur ein Wechsel der Kartuschen notwendig. Die Zufuhrschläuche des Resins müssen regelmäßig gereinigt werden. Die Firma Stratasys hat einen eigenen Namen für ihren Tröpfchen-Druck schützen lassen: PolyJet.

Vorteile: extrem hohe Genauigkeit, kein Nachpolymerisieren notwendig, große Bauräume.

Nachteile: separates Supportmaterial muss entfernt werden (oft braucht es Zusatzgeräte), sehr lange Bauzeiten, Anschaffungspreis sehr hoch.

Fazit

Die CAD/CAM-Technologie wurde wegen der Verwendung von Zirkoniumdioxid in die Zahntechnik eingeführt. Mittlerweile gibt es keine computerunterstützte Fertigungsindikation, die nicht mit Unterstützung durch einen Scanner und eine CAD-Software möglich wäre. Heutzutage erweitert der 3D-Druck die digitale Produktionskette um ein wichtiges Glied. Eine immer größer werdende Materialvielfalt bietet uns die Möglichkeit, immer mehr Indikationen im additiven Verfahren abzudecken. Je nach Anforderung an das Gerät und die Wünsche an die Indikation/das Druckobjekt kann zwischen den oben genannten 3D-Drucktechnologien gewählt werden. Dabei muss der Einstieg nicht teuer sein. Infolge des ständig weiter wachsenden Interesses und der zahlreicher werdenden Anwendungen von Intraoralscannern ist die fortschrittliche Weiterentwicklung des 3D-Druckes eine logische Konsequenz.

Siehe auch den ausführlichen Bericht zum Thema von Dr. Christin Arnold unter www.ztm-aktuell.de/arnold.

Fragen an die Autoren

Welche Probleme gibt es derzeit? Was ist aus Kundensicht wünschenswert und wartet dringend auf eine Lösung?

Mittlerweile gibt es für jeden dentalen Anwender eine Drucker-Lösung. Es kommt aber auf jeden Fall darauf an, sich vor dem Kauf eines 3D-Druckers seiner Anforderungen im Labor bewusst zu sein. Nur so kann man sich für das richtige, d. h. genau passende Gerät entscheiden. Deshalb ist es uns enorm wichtig, im Vorfeld unsere Kunden zielgerichtet zu beraten. Einige Kunden setzen schnelle Druckgeschwindigkeiten voraus, um gegebenenfalls die Patienten sofort in der Behandlungssitzung mit gedruckten Provisorien zu versorgen. Andere Kunden möchten flexible Materialien drucken, um beispielsweise Zahnfleischmasken oder Bonding-Trays (Bracket-Übertragungsschienen) herzustellen. Hierfür würde sich hervorragend der neue NextDent 5100-Drucker von 3D Systems eignen, der nicht nur die bisher größte Materialvielfalt auf dem Dentalmarkt bietet, sondern auch der derzeit schnellste 3D-Drucker ist.

Für andere Kunden ist die Rauigkeit der Oberflächen ein Problem, welches gerade bei „Cast“-Anwendungen (Wachsobjekte für die Gussumsetzung in Metall) zum Tragen kommt. Daher, rein empirisch gesehen, eignet sich für solche Kunden am besten ein SLA-Drucker, welcher durch den runden Laser sehr glatte Oberflächen erzeugt. Formlabs bietet hierfür ein Resin mit 20 % Wachsanteilen an, welches ein rückstandsfreies Ausbrennen des Materials sicherstellt.

Gestaltet sich der Materialwechsel in einem 3D-Drucker sinnvoll und alltagsgerecht?

Durchaus! Es steht immer eine Investition im Raum und man möchte möglichst viel Nutzen daraus ziehen. Um die Rüstzeiten beim Materialwechsel zu beschleunigen, empfiehlt es sich meistens, für die verschiedenen Druckmaterialien unterschiedliche Wannen zu benutzen, sogenannte Resin-Trays. Dann muss beim Materialwechsel nicht jedes Mal das Tray gereinigt werden. Die verschiedenen Hersteller bieten hierfür fast immer ähnliche Lösungen an.

Was passiert mit den Objekten nach dem Druckvorgang? Welche Fertigstellungsmaßnahmen folgen dem 3D-Druck?

Hier gibt es technologisch bedingt unterschiedliche Nachbearbeitungsaufwände. Bei Filament-Druckern mit Singlematerial müssen nur die Stützstrukturen, die sogenannten Supports, entfernt werden. Bei einem Düsen-Drucker gibt es definitiv den Reinigungsaufwand beim Entfernen des Supportmaterials. Je nach eingesetztem Supportmaterial braucht es sogar zusätzliche Geräte, wie z. B. ein Wasserstrahlgerät: Hier wird unter hohem Druck ein Wasserstrahl zum Entfernen des Supportmaterials eingesetzt. Allerdings sind – wie beim Schmelzschicht- Verfahren – die Objekte aus dem Tröpfchen-Druck fertig polymerisiert und sind nach dem Säubern sofort gebrauchsfertig. Und schließlich die SLA- und DLP-Drucker: Sie arbeiten mit einem flüssigen Polymerbad (Resin). Die gedruckten Objekte müssen mit Isopropanol gereinigt werden, bevor sie in einem Lichthärtegerät endpolymerisiert werden. Die finale Polymerisation dient neben der Endhärtung auch der Minimierung von Restmonomeren in den Objekten.

Gibt es bei den verschiedenen Resins Unterschiede im Druck und der Nachbearbeitung?

Abhängig von der Indikation wird die Druckvorlage (das Template) gewählt. Dentalmodelle, individuelle Abformlöffel oder Schienen werden in der Regel mit einer Genauigkeit zwischen 50 und 100 ?m gedruckt. Wenn es um Provisorien oder Cast-Objekte geht, wird hier die Auflösung in der Z-Achse möglichst fein gehalten: in der Regel < 50 ?m. Die Cast-Objekte werden zumeist ohne eine Nachpolymerisation eingebettet, da die Materialien für die rückstandslose Verbrennung einen Wachsanteil besitzen.

Wie verhalten sich die Kosten von Resins und dem Zubehör?

Die Druckmaterialien sind meist zu 500 g oder 1.000 g abgefüllt. Der entsprechende Preis geht mit der jeweiligen Indikation des Resins einher. Resins für die Modellherstellung kosten ca. zwischen 170 und 200 Euro. Ein Modell mit Sockel wiegt in der Regel 30–40 g. So kann man sich den Materialanteil bei Selbstkosten gut errechnen. Die Materialien der Medizinprodukt- Klasse 2A werden für Langzeitprovisorien, Aufbissschienen oder Totalprothesen verwendet und sind erfahrungsgemäß etwas teurer. Der Materialanteil hingegen sinkt aber.

Wie müssen die druckbaren Kunststoffe gelagert werden?

Hier ist es absolut wichtig, die Angaben des Herstellers zu beachten. In der Regel sollten die Resins kühl und dunkel gelagert werden und haben eine Haltbarkeit zwischen zwei und drei Jahren.

Wie teuer sind die 3D-Drucker? Gibt es Folgekosten seitens der Software?

Die Kosten für 3D-Drucker variieren deutlich. Wir sprechen hier von einer Preisspanne (für Desktop-3D-Drucker) von 3.300 bis 20.000 Euro. Die CAM-Software ist bei vielen Druckern bereits in den Anschaffungskosten enthalten, Folgekosten entfallen somit.

Näheres zu den Autoren des Fachbeitrages: ZT André Seider, ZT Wladimir Knjasev

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