Zähne aus dem 3D-Drucker – Digitalisierung in der Zahntechnik

3D-Drucker sind mittlerweile sogar für private Anwender bezahlbar geworden. Kein Wunder, dass auch die Zahntechnik von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der Präzision dieser Geräte profitiert. Mit dem dentalen 3D-Druck können viele Anforderungen bei der Herstellung von Zahnersatz und Zahnschienen schneller, einfacher und weitgehend schadstofffrei realisiert werden. 

Was ist 3D-Druck eigentlich (auch Additive Fertigung/Generative Fertigung)?

Der Begriff 3D-Druck bezeichnet alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und dabei dreidimensionale, teils sehr komplexe Gegenstände entstehen. Der geschichtete Aufbau erfolgt ohne Werkzeuge aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen. Diese additive Fertigung wird von einem Computer gesteuert, auf dem das Modell zunächst in einer CAD-Software entworfen wurde. Kunststoffe, Kunstharze und speziell aufbereitete Metalle sind typische Werkstoffe im 3D-Druck. Die Technik wird in der Industrie, der Forschung und im Modellbau eingesetzt, aber auch im Bereich der Kunst und der Medizin, sowie neuerdings auch in der Dentalbranche. Die Einsatzmöglichkeiten steigen mit den neuen Materialien, die für den 3D-Drucker benutzt werden können. So helfen zum Beispiel seit 2001 Modelle aus dem 3D-Drucker den Architekten der spanischen Kathedrale "Sagrada Familia" bei der Vollendung von Gaudís Meisterwerk, und Saudi-Arabien plant bis 2030 1,5 Millionen Wohnhäuser aus dem 3D-Drucker – mit einer Größe bis zu 300 Quadratmetern. 

Welche Aufgaben hat ein 3D-Drucker in der Zahntechnik?

Kurz gesagt: Er spart Zeit, Material, Platz und Geld. Bei der Herstellung von Zahnersatz wird im Dentallabor zunächst der angelieferte Zahnabdruck des Patienten mit einer Gipsmasse ausgegossen. Dadurch entsteht ein Abbild des Ober- und Unterkiefers des Patienten, auf dem der Zahnersatz modelliert werden kann. Das Gipsmodell muss dabei durch den Zahntechniker oder durch eine CAM Fräsmaschine (Computer Aided Manufacturing) aus dem Gipsblock ausgefräst werden. Durch diese subtraktive Technik fallen bis zu 80 Prozent des Materials als Ausschuss an. Der 3D-Drucker schichtet präzise und filigran nur so viel Material auf, wie notwendig ist um die gewünschte Form zu erzeugen, und der Ausschuss kann wiederverwendet werden.

Die 3D-Druck Technologie ermöglicht viel feinere Strukturen als der konventionelle Guss. Ist der gesamte Workflow digitalisiert – gibt es also in der Praxis einen Intraoralscanner, der digitale Zahnabdrücke erstellt –, liegt die digitale Abformung der Zähne in kürzester Zeit im Dentallabor vor. Im 3D-Druck kann in rund einer halben Stunde ein virtuelles dreidimensionales Modell der Zähne erstellt werden. Dafür ist kein herkömmlicher Abdruck mit Löffel und Abformmasse mehr nötig. Die Aufzeichnung der Zahnstellung ist immer wieder abrufbar und unterliegt keinen äußerlichen Fehlerquellen (zum Beispiel Unregelmäßigkeiten in der Abdruckmasse oder Schäden durch den Transport ins Zahnlabor). Anhand eines solchen Modells kann der Zahnarzt mit dem Zahntechniker Zahnersatz planen, Veneerbehandlungen simulieren oder Aufbissschienen jederzeit kurzfristig herstellen.

Planung am Computer, Umwandlung in eine Druckdatei und schließlich der Ausdruck: Im dentalen 3D-Druck können inzwischen problemlos Kronen, Brücken und Gerüste für Modellgussprothesen aus Nicht-Edelmetall hergestellt werden. Eine anschließende manuelle Verblendung durch den Zahntechniker ist aber immer noch notwendig. Auch Zahnschienen aus Kunststoff, Provisorien und individuelle Abformlöffel kommen aus der additiven Fertigung. Der normalerweise hohe Zeitaufwand für die Herstellung und Nachbearbeitung von Zahnersatz fällt deutlich kleiner aus. Es wird jedoch noch etwas dauern, bis ein definitiver Zahnersatz aus Keramik komplett in der 3D-Fertigung entsteht. Der Werkstoff Keramik lässt sich nicht wie Metall oder Kunststoff unter Hitze verformen und vernetzen.

Für Patienten, Zahnarzt und Zahntechniker ermöglicht die digitale Zahnmedizin mit dem 3D-Druck eine schnellere und komfortablere Behandlungsplanung mit hoher Präzision. Die richtige Position von Zahnimplantaten wird auf der Basis von DVT-Röntgenaufnahmen exakt und sicher geplant, aus den gleichen Röntgendaten können problemlos dreidimensionale Kiefermodelle hergestellt werden. Das sogenannte "Backward planning" in der Implantologie (die Therapie wird rückwärts ausgehend vom Therapieziel geplant) kann aufgrund von Modellen aus dem 3D-Drucker optimal virtuell ausgearbeitet werden, und auch die Bohrschablonen für das Setzen der Implantate werden mit dem 3D-Drucker angefertigt. Im Bereich der Kieferorthopädie dienen diese Modelle ebenfalls zur genauen Darstellung der geplanten Behandlung.

 

Mit welchen Technologien arbeitet ein 3D-Drucker im dentalen Bereich?

Für den 3D-Druck in der Zahnmedizin sind derzeit drei verschiedene Verfahren üblich:  

Bei der Stereolithografie (SLA) wird flüssiges Kunstharz einem Laserstrahl ausgesetzt, der flüssiges, lichtempfindliches Polymer punktförmig an ganz bestimmten Stellen aushärtet. Das SLA Verfahren ermöglicht große Druckvolumen und eine Vielfalt an Materialien für verschiedenste Anwendungen. Ein Materialaustausch erfolgt einfach durch den Wechsel des Kunstharzbehälters und der Patrone. Die Vorteile dieser Technologie liegen in den niedrigen Anschaffungskosten, der hohen Auflösung und der Flexibilität bei den Druckmaterialien. SLA erzeugt glattere Oberflächen als DLP, eine Nachbearbeitung der Drucke ist dennoch erforderlich. 

Das Digital Light Processing (DLP) arbeitet mit dem gleichen chemischen Prozess wie die Stereolithografie. Zur Aushärtung des Materials wird beim Digital Light Processing anstelle eines Lasers aber ein digitaler Videoprojektor verwendet. Ein DLP Chip, der aus vielen einzelnen Mikrospiegeln besteht, zerlegt das projizierte Bild des Lichtstrahls in einzelne Pixel, die auf das lichtempfindliche Material treffen und das 3D-Objekt Schicht für Schicht aushärten. Drucker mit diesem System haben vergleichbare Vorteile die Stereolithografie, haben aber geringere Baugrößen und sind teurer in der Anschaffung. Eine Nachbearbeitung der Oberfläche ist auch bei diesem Verfahren notwendig.

Multi Jet Modelling oder Material-Jetting Drucker (MjM) arbeiten mit der Tröpfchendruck-Methode. Flüssiges Kunstharz wird durch feine Düsen auf die Baukontur gesprüht und sofort mit Licht ausgehärtet. Bis vor einigen Jahren waren diese Drucker noch die am meisten verbreitete 3D-Technologie in der Zahnmedizin. Da MjM Drucker sehr groß sind und hohe Kosten erzeugen, haben sich andere Verfahren inzwischen etabliert. Material-Jetting ist das einzige dentale 3D-Verfahren, in dem gleichzeitig verschiedene Materialien und sehr viele Objekte innerhalb eines Druckvorgangs verarbeitet werden können. Die Druckerzeugnisse weisen eine extrem hohe Genauigkeit auf, brauchen aber auch für den Druckvorgang je nach Material entsprechend mehr Zeit. Der Anschaffungspreis ist sehr hoch, in der Nachbearbeitung muss separates Supportmaterial teilweise durch zusätzliche Geräte entfernt werden.

Fazit:

Das Handwerk Zahntechnik arbeitet zunehmend mit digitaler Unterstützung. Beginnend mit einem digitalen Scan in der Zahnarztpraxis über CAD/CAM Systeme bis hin zum Zahnersatz, der im 3D-Druck gefertigt wird, bedeutet das über die gesamte dentale Produktionskette eine erhebliche Zeit- und Materialeinsparung. Die digitalen Fertigungsmethoden gehören in Zukunft fest zum Berufsbild des Zahntechnikhandwerks.