Laborbericht

3D-Druck

07.04.22

Wo liegen die Unterschiede?

Dentale 3D-Druckharze und deren anwendungsspezifische Premium-Qualität

Dr. Philipp Silber, Ztm. Elmar Beckmann

Das Materialportfolio für den dentalen 3D-Druck wird immer größer. Werkstoffwissenschaftler sowie Produktentwickler stimmen die Materialien zunehmend auf die Anforderungen in Dentallabor und Zahnarztpraxis ab. Doch welche Materialien erfüllen tatsächlich die für den dentalen 3D-Druck notwendigen Anforderungen? Worauf gilt es zu achten? Zahnarzt Philipp Silber und Zahntechnikermeister Elmar Beckmann gehen auf einige grundlegende Aspekte ein und stellen das optiprint-Portfolio mit den verschiedenen dentalen Premium-Harzen für den 3D-Druck vor.

Der 3D-Druck dringt immer weiter in den Praxis- und Laboralltag vor. Zu den führenden Drucktechnologien in Zahnmedizin und Zahntechnik gehören die photopolymerisationsbasierte Stereolithographie (SLA) und das Digital Light Processing (DLP). Bei beiden Verfahren wird mit flüssigem Photopolymer (3D-Druckharz) ­gearbeitet, welches unter einer Lichtquelle zu einem Festkörper polymerisiert. Während die ­SLA-Technologie eine gebündelte Lichtquelle für die punktuelle Aushärtung nutzt, dient beim DLP-Druck ein Projektor zum Aushärten einer gesamten Schicht. Eine alternative Drucktechnologie für einige ­dentale Anwendungen ist das extrusionsbasierte Fused Deposition Modeling (FDM). Dabei wird thermoplastischer Kunststoff über einen Extruder formbar erhitzt und schichtweise auf das Druckbett aufgetragen. Basierend auf den beiden Verfahrenstechniken können die verwendeten Druckermaterialien eingeteilt werden in 3D-Druckharz, welches unter einer Lichtquelle polymerisiert (LCD, SLA, DLP), sowie thermoplastischen Kunststoff, der formbar erhitzt wird (FDM). Bei diesem Artikel liegt der Fokus auf 3D-Druckerharze für die SLA- und DLP-Technologie. Wir arbeiten seit Jahren mit dem 3D-Druck und haben sowohl geräte- als auch materialseitig die rasant schnelle Entwicklung miterlebt. Geht es um die Entscheidung für den „richtigen“ 3D-Drucker, ist unserer Erfahrung nach zunächst der Anwendungsbereich zu betrachten. Sollen beispielsweise viele KFO-Modelle gedruckt werden, ist eine große Bauplattform sinnvoll. Da ist beispielsweise für Dentallabore der Asiga Pro 4K (Asiga) als relativ großer Drucker gut geeignet. Für Praxislabore könnten erfahrungsgemäß auch kleinere Modelle praktikabel sein, wie sie von verschiedenen Herstellern angeboten werden, beispielsweise Asiga MAX von Asiga oder SOL und DentiQ von Ackuretta. Handelt es sich bei dem Drucker um ein offenes System, können die jeweils bevorzugten 3D-Druckharze verwendet werden. Der Hersteller der Harze informiert über Druckparameter, sodass das Gerät entsprechend kalibriert werden kann.

3D-Druckharze in der Zahnmedizin
Aktuell verändert sich der Markt dentaler Druckmaterialien stark: Viele Hersteller entwickeln Werkstoffe für spezifische Indikationen weiter. Das ist deshalb vielversprechend, weil die Dentalunternehmen bereits Erfahrungen gesammelt haben und nun darauf aufbauen können. Werkstoffwissenschaftler und Produktentwickler orientieren sich an den Bedürfnissen der Anwender. Ein Beispiel ist unsere gute Zusammenarbeit mit dem Entwicklungsteam der optiprint-Materialien. Die Premiumharze der optiprint-Familie ermöglichen ein breites Anwendungsspektrum. Die Harze sind für gängige Druckermarken auf Basis aktueller Technologien (DLP, SLA, LCD) sehr gut geeignet. Die optiprint-Materialien (Abb. 1) sind Teil des aufeinander abgestimmten Produktportfolios des Dortmunder Unternehmens dentona. Es besteht aus eigenproduzierten Premiumharzen, professionellen 3D-Druckern, Reinigungs- und Lichthärtegeräten und bietet einen sicheren Prozessablauf, wodurch es einem validierten Workflow gerecht wird.

Beispiele optiprint-Portfolio:

  • optiprint align für Modelle (zum Beispiel Alignermodelle)
  • optiprint lumina für transluzente Provisorien
  • optiprint clara für Aufbissschienen
  • optiprint laviva für Prothesenbasen
  • optiprint zero für die Gusstechnologie
  • optiprint prevente zum Reinigen und Desinfizieren gedruckter Objekte

Dentales Premium-Harz
Die große Auswahl an 3D-Druckmaterialien erschwert die Entscheidung für ein bestimmtes Materialangebot. Und wie so oft bei steigender Nachfrage etablieren sich auch Angebote von Händlern, die nicht ­primär dem Dentalbereich zuzuordnen sind und dementsprechend die Anforderungen oft nicht kennen. So finden sich auf diversen Online-Plattformen sehr preisgünstige Produkte. Sind 3D-Druckharze jedoch nicht durch dentale Forschungs- und Entwicklungsabteilungen validiert, besteht das Risiko von Qualitätseinbußen im Endprodukt. Wir folgen einem konsequenten Weg und greifen ausschließlich auf dentale Premium-Harze zurück. Diese Materialien sind speziell für den Dentalbereich entwickelt worden, was sich letztlich im Arbeitsalltag bewährt. Chemisch betrachtet sind lichthärtende Harze keine Neuerung. Entscheidend sind die exakten Eigenschaften des Druckergebnisses; eine Art Qualitätssiegel, das mit Zuverlässigkeit einhergeht (Abb. 2 und 3). Nur so können wir im digitalen Workflow arbeiten, ohne dass die Präzision aus der über Jahrzehnte gewachsenen analogen Welt verloren geht. Qualitätsabstriche in der digitalen Herstellung sind nicht akzeptabel für das Herstellen eines hochwertigen Zahnersatzes.

Wirtschaftlicher und sicherer
Ein Premium-Harz hat in der Regel keine Chargenschwankungen. Die Druckparameter stimmen; der Drucker muss nicht bei jeder Flasche neu kalibriert werden. Zudem ist ein Premium-Harz unter ISO-Bedingungen hergestellt. Es kann Chargenkonsistenz erwartet werden. Weiterer wichtiger Aspekt ist der Gesundheits- und Umweltschutz. Viele preiswerte Harze (nicht dental) sind nicht für orale Anwendungen entwickelt. Dies birgt die Gefahr ungewollter Reaktionen. Dentale Premium-­Harze werden auf Zytotoxizität, Reizung et cetera getestet, um ein größtmögliches Maß an Sicherheit für Patienten und Anwender zu erlangen. Die Materialien sind von hoher Qualität und unterliegen den Qualitätskontrollen und Zulassungsprozessen, die durch den Gesetzgeber gefordert werden. Bei 3D-Druckharzen ist es wie bei Motoröl für das Auto: Auch hier gibt es Angebote in allen Preisklassen. An der Flasche erkennt man die Qualität des Inhalts nicht. Letztlich greifen wir auf das Öl eines bekannten Anbieters zurück oder fragen zumindest nach einer Garantie und der Kompatibilität. So handhaben wir es auch bei der Materialwahl in der Praxis beziehungsweise im Labor, denn wir erstellen hochpräzise Sonderanfertigungen.

Wo liegen die Unterschiede?
Für dentale Anwendungen ist eine hohe Genauigkeit erforderlich. Während des Druckens verändert sich der Zustand des Harzes von flüssig in fest. Dieser Vorgang kann zu Materialschrumpfungen, Genauigkeitsverlusten sowie einer Veränderung der mechanischen und optischen Eigenschaften führen. Premium-Harze gewährleisten im Idealfall, dass die Schrumpfung im Bereich von wenigen Mikrometern liegt. Doch Ungenauigkeiten, zum Beispiel durch Polymerisationsschrumpf, resultieren nicht nur aus dem Druckprozess selbst, sondern entstehen oft danach. Die Endeigenschaften der gedruckten Objekte werden von der Harzqualität beeinflusst. Sehr preisgünstige Harze enthalten in der Regel – schon rein aus kalkulatorischen Gründen – minderwertige und intensiv riechende Rohstoffe, beispielsweise die Initiatoren für die Lichthärtung. Daraus kann ein hoher Restmonomergehalt resultieren, was zu einem anhaltenden Volumenschrumpf führt. Premium-Harze sind kurz nach der korrekten UV-Nachhärtung ausgehärtet und verfügen über eine gute Dimensionstreue. Bei billigen Harzen besteht das Risiko, dass die gedruckten Objekte aufgrund von Ungenauigkeiten nach kurzer Zeit unbrauchbar und die Endeigenschaften mangelhaft sind. Zudem ist, wie bereits erwähnt, der Restmonomergehalt häufig hoch. Wir arbeiten mit dentalen Premium-Harzen, weil wir von deren Zuverlässigkeit überzeugt sind. Die Dentalindustrie hat Erfahrung mit dem Dentaldruck und stimmt Materialien, Drucker sowie Post-Processing (Reinigung und Nachpolymerisation) ab. Die Anbieter stellen uns die Druckparameter, zum Beispiel Lichtintensität, Schichtlayer, Aushärtezeit, für den jeweiligen Drucker zur Verfügung. So haben wir im Arbeitsalltag keinen Stress und gelangen zu einem beständig guten Ergebnis. Wir erhalten Support und bei etwaigen Schwierigkeiten fachkompetente Unterstützung.

Beispiele aus Labor und Praxis
In unserem Praxis- und Laboralltag arbeiten wir schon lange mit den optiprint-­Materialien, die sorgfältig entwickelt worden sind. Grundsätzlich kommen nur Materialien auf den Markt, wenn sie einen hohen Sicherheitsaspekt erfüllen. Beispiel ist ­optiprint lumina für das Drucken von Kronen und Brücken (Abb. 4). Das Material ist in seinen Werkstoffeigenschaften perspektivisch für das Drucken definitiver Restaurationen entwickelt worden, wird jedoch zunächst für Langzeitprovisorien empfohlen. Diese vorsichtige Herangehensweise erachten wir als sinnvoll und sicher. Ein großer Vorteil der optiprint-Materialien ist auch, dass eine Sedimentation des Materials in der Flasche oder Materialwanne ausgeschlossen ist. Enthalten Harze schwere Füllstoffe, bleiben diese nicht im Material suspendiert. In dem Fall muss das Harz vor jedem Druckauftrag verrührt werden, um eine homogene Mischung zu erhalten. Und selbst wenn der Druck erfolgreich ist, sind aufgrund der Sedimentationsschichten Qualitätsabweichungen in ein und demselben Druckobjekt wahrscheinlich. Bei optiprint ist eine Sedimentation in der Flasche oder in der Druckerwanne ausgeschlossen und dies zeigt sich in der einheitlich hohen Druckqualität.

3D-Druck von Schienen
Das Herstellen von Aufbissschienen unterliegt wirtschaftlichen Anforderungen ebenso wie hohen Qualitätsansprüchen. Hier kann der 3D-Druck ein rationelles, ökonomisches Verfahren darstellen. Je nach Plattformgröße des Druckers lassen sich unterschiedlich viele Schienen in einem Arbeitsgang fertigen. Die Kosten pro Schiene sind gering. Allerdings hängt das Druckergebnis beziehungsweise die Qualität der Schiene maßgeblich vom Druckmaterial ab. optiprint clara ist ein 3D-Druckharz speziell für klar flexible Schienen. Bei der Entwicklung des Spezialmaterials wurde ein neuer Weg beschritten. Resultierend daraus überzeugt optiprint ­clara mit indikationsgerechter Festigkeit und hoher Bruchsicherheit. Durch die temperaturabhängigen Eigenschaften der Schiene ist zugleich eine sehr gut eingestellte Flexibilität im Patientenmund gegeben, sodass der Patient das Tragen der Schiene als angenehm empfindet. Gegenüber der konventionellen Herstellung resultiert der 3D-Druck mit optiprint clara in einer hohen Präzision und gleichbleibender Materialgüte (Abb. 5 bis 8). Gerade für die Serienproduktion von Schienen ist der 3D-Druck eine ausgezeichnete Alternative.

3D-Druck von Kronen und Brücken
Seit einigen Monaten drucken wir Langzeitprovisorien (Abb. 9 bis 11). Der 3D-Druck bietet uns eine Möglichkeit, provisorische Kronen und Brücken effizient herzustellen. Es bedarf entsprechender Materialien, die hohen Anforderungen standhalten müssen. In erster Linie dürfen die Materialien weder eine allergisierende noch eine toxische Wirkung auf den Zahn und das umliegende Gewebe haben. Zusätzlich zur Biokompatibilität und Ästhetik sind die Passung – Größe des marginalen Randspalts – sowie die Oberflächenqualität wichtig. Auch ausreichende mechanische Festigkeit stellt eine wichtige Anforderung an provisorischen Zahnersatz dar. Als hochgefülltes 3D-Druckharz vereint optiprint lumina eine ausgezeichnete Randanpassung mit Festigkeit und Ästhetik. Dank der verfügbaren Zahnfarben (Vita Zahnfarbskala) werden ohne zusätzliche Nacharbeit ästhetische Ansprüche erfüllt. Zudem lassen sich die Versorgungen bei Bedarf mit Komposit individualisieren. Drucken, Post-Processing, Politur – fertig. Theoretisch könnte modellfrei gearbeitet werden. Praktisch drucken wir derzeit noch zusätzlich zum Provisorium Kontrollmodelle, zum Beispiel um approximale Kontakte zu prüfen. Haben wir basierend auf unseren Erfahrungen die optimalen Parameter validiert, werden wir in vielen Fällen wahrscheinlich auf das Drucken eines Modells verzichten können.

Fazit
Der nächste Schritt im Bereich des dentalen 3D-Drucks wird der definitive Zahnersatz sein. Hierfür werden bereits 3D-Druckharze angeboten. Wir drucken derzeit nur langzeitprovisorische Restaurationen und greifen für definitiven Zahnersatz auf bewährte Materialien, zum Beispiel Vollkeramik, zurück. Perspektivisch scheint für uns das Drucken einer definitiven Krone aus einem Druckharz denkbar (Abb. 12 bis 14). Dies wäre eine mögliche Alternative für den preissensiblen Patienten. Momentan fehlt es an Langzeiterfahrung und an einer validierten klinische Studienlage. Grundsätzlich arbeiten wir in Praxis und Labor nur mit dentalen Premium-Druckharzen, denn ob Kronen, Brücken, Modelle oder Schienen – wir benötigen zuverlässige Materialien, die für dentale Anwendungen konzipiert worden sind, damit wir den 3D-Druck mit der im medizinischen Bereich gebotenen Sicherheit anwenden können.

Fortbildung

Curriculum Funktionsdiagnostik

Stabile, reproduzierbare Okklusion und gelungene Ästhetik – Modul A am 14./15.10.2022


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