Additive Fertigung in der digitalen Zahnheilkunde

Die Summe der Technologien, die als lithografiebasiert bezeichnet werden, umfasst Laser- und DLP-Systeme (Digital Light Processing). Diese können wiederum entweder eine „top-down“ oder eine „bottom-up“ Ausführung aufweisen. Der grundlegende Mechanismus der Formgebung bei dieser Prozessklasse ist die Photopolymerisation. Durch gezielte Belichtung wird ein fotosensitives Harz oder eine Suspension schichtweise ausgehärtet.

Erste laserbasierte Systeme waren bereits in den 1980er-Jahren kommerziell verfügbar. Diese wiesen eine top-down-Ausführung auf. In diesem Fall wird ein fokussierter Laserstrahl über zwei bewegliche Spiegel von oben auf eine mit Harz gefüllte Wanne gerichtet. Nach dem Belichtungsprozess sinkt die Bauplattform um eine Schichthöhe und flüssiges Material wird über eine Rakelklinge nachgeführt. Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer solchen Stereolithografie-Anlage. Mit Systemen dieser Art sind sehr gute Auflösungen (typischerweise 25–50 µm) erreichbar. Diese ist abhängig vom Durchmesser des Laserfokus. Nachteilig bei top-down-Ausführungen ist die Notwendigkeit der Befüllung der gesamten Wanne mit Harz. Dementsprechend groß ist der Materialbedarf. Aufgrund der geringen Distanz von Rakelklinge zu Bauteil kann es u. U. zu Beschädigungen kommen [3].

Diese Überlegungen führten zur Entwicklung der bottom-up-Ausführung, bei der das Bauteil verkehrt herum an der Bauplattform hängt und Schicht für Schicht in eine Wanne mit photosensitivem Harz taucht. Die Füllhöhe der Wanne kann hierdurch deutlich reduziert werden. Der Reinigungsaufwand – in der Stereolithografie müssen Teile nach dem Bau von nicht-polymerisiertem Harz befreit werden – wird folglich ebenso verringert. Die Belichtung geschieht in diesem Fall durch eine transparente Wanne hindurch. Da die polymerisierte Fläche in Kontakt mit der Wanne steht, sind vor dem Ablösen des Bauteils Abzugskräfte zu überwinden, die im schlimmsten Fall zum Abriss des Bauteils führen können. Als Gegenmaßnahme wird in vielen Fällen ein Kippen der Wanne angewandt.

Als Alternative zur Laserlichtquelle haben sich DLP-Systeme etabliert. Dabei handelt es sich um eine Technik, die einem Projektor sehr ähnlich ist. Hochleistungsleuchtdioden bestrahlen einen Mikrospiegelaktuator, auch DMD-Chip (Digital Micromirror Device) genannt. Derzeit verfügbare Chips besitzen in etwa eine Anzahl von 2 Mio. Mikrospiegeln. Jeder dieser Mikrospiegel kann selektiv angesteuert werden, um seine Ausrichtung – der Lichtquelle zugewandt oder abgewandt – festzulegen. Auf diese Weise kann die belichtete Fläche mit großer Genauigkeit, in Abhängigkeit von der Spiegelgröße und der zugehörigen Optik (typische Pixelgrößen liegen zwischen 20 und 60 µm) eingestellt werden. DLP-basierte Systeme haben den Vorteil, dass jeder Pixel der Belichtungsfläche gleichzeitig belichtet werden kann. Dies steigert die Baugeschwindigkeit, besonders bei großen Bauteilen, im Vergleich zum Laser, da dieser die gesamte Fläche abrastern muss [4].

Von Nachteil ist, dass gewölbte Konturen durch quadratische Pixel approximiert werden müssen. Die Problematik soll an der schematischen Darstellung in Abb. 2 verdeutlicht werden. Dies kann in bestimmten Fällen zu einem sichtbaren Stufeneffekt an den Bauteilen führen [5].

Während Photopolymere in der Zahnmedizin hauptsächlich zur Erzeugung von Zahnmodellen oder Gussformen genutzt werden, ist besonders im Vergleich zum Fräsen, die Herstellung von Keramik und Metall von Interesse. Dies ist über lithografiebasierte Technologien ebenfalls möglich, wenn statt des Harzes eine photosensitive Suspension eingesetzt wird. Der so erzeugte „Grünkörper“, eine Art Komposit aus Photopolymer und keramischem oder metallischem Füllstoff, wird dann einer thermischen Nachbehandlung (Entbindern/Sintern) unterzogen. Während des Entbinderns werden die organischen Bestandteile ausgebrannt. Im Sinterprozess fügen sich die Partikel dann zu einem dichten Werkstoff zusammen.

Der prinzipielle Aufbau einer Anlage zum Pulverbettschmelzen ist der einer laserbasierten Stereolithografie-Anlage sehr ähnlich. Abb. 3 zeigt den schematischen Aufbau. Anstelle von flüssigem photosensitivem Harz kommt hier ein rieselfähiges Pulverbett zum Einsatz. Der Härtungsmechanismus ist hierbei nicht photopolymerisation, sondern ein lokaler Schmelzvorgang. Um den hohen Energieeintrag zu erreichen, der für diesen Vorgang notwendig ist, werden dementsprechend leistungsstarke Laser (typischerweise 50–250 W) oder eine Elektronenstrahlquelle benötigt. Ist der Härtungsmechanismus einer Schicht abgeschlossen, geschieht der Materialauftrag meist ebenso über eine Rakel. Grundsätzlich sind über dieses Verfahren thermoplastische Kunststoffe, Metalle und auch Keramik verarbeitbar. Die Hauptanwendung hat die Technologie aber deutlich im Metallbereich, wie bspw. für Kobalt-Chrom-Legierungen. Um die Korrosion der Metalle während des Prozesses zu verhindern, ist eine Schutzgasatmosphäre oder ein Hochvakuum notwendig. Aufgrund der aufwendigen Anlagentechnik liegen PBS-Systeme im höheren Preissegment von 150.000–500.000 € [6].

Stützstrukturen, wie bei der Stereolithografie, werden bei diesen Verfahren nicht zwingend benötigt, da das Pulverbett eine ausreichende Stützwirkung für Überhänge erzeugt. Eine wesentliche Herausforderung ist jedoch die Abfuhr thermischer Energie, die eine ausreichende Verbindung des Bauteils zur Grundplatte notwendig macht. Wenn das Material aus dem flüssigen Zustand in die feste Phase wechselt und bei der weiteren Abkühlung, kommt es zur Volumenkontraktion und damit verbunden zu thermischen Spannungen im Bauteil. Diese können zu Verzug oder Rissen führen. Geeignete Legierungen, Pulverfraktionen und insbesondere die Belichtungsstrategie sind daher entscheidende Kriterien für den Erfolg des Druckvorgangs. Zusätzlich dazu kann eine thermische Nachbehandlung zum Auflösen der Spannungen führen.

Der Aufbau einer Materialdruck-Anlage unterscheidet sich wesentlich von den zuvor beschriebenen Verfahren. Ein schematischer Aufbau ist in Abb. 4 gezeigt und weist gewisse Ähnlichkeiten zu einem Tintenstrahldrucker auf, wie er aus dem Büroalltag bekannt ist. Tintenstrahldruckköpfe beschichten die Bauplattform selektiv und schichtweise mit dem gewünschten Material. Üblicherweise handelt es sich dabei um niedrigviskose photoreaktive Monomerformulierungen, die in einer direkten Nachbelichtung ausgehärtet werden. Um Überhänge und dergleichen zu ermöglichen, sind vergleichsweise voluminöse Stützstrukturen notwendig, was in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens einen Nachteil darstellt. Die Verwendung mehrerer Tintenstrahldruckköpfe (in Analogie zum Farbtintenstrahldruck) erlaubt es jedoch, auf relativ einfache Weise die Anzahl der Druckmaterialien in einem Bauprozess zu erhöhen. In vielen Fällen wird diese Eigenschaft ausgenutzt, um die Supportstrukturen aus einer anderen, wasserlöslichen Formulierung zu gestalten, was ein einfaches Abwaschen des Supports ermöglicht.

Prinzipiell ist das Verfahren nicht auf Photopolymere beschränkt. Metall- und Keramiksuspensionen sind ebenso möglich, wobei darauf hingewiesen werden muss, dass das Prozessfenster in Bezug auf Oberflächenspannung und Viskosität sehr eng ist, was – im Vergleich mit der Stereolithografie – zu einem geringeren Füllgrad der Tinten führt.

Aligner sind Kunststoff-Aufbissschienen für die Kieferorthopädie. Zur Behandlung des Patienten wird die Gebisssituation erfasst und modelliert, in welcher Weise die Korrekturen erfolgen müssen, um zum gewünschten Ergebnis zu gelangen. Anschließend wird ein entsprechender Satz an Negativformen per Stereolithografie hergestellt. Zum eigentlichen Aligner gelangt man nun, indem eine spezielle thermoplastische Kunststofffolie über die Negativformen, welche per Stereolithografie gefertigt werden, gelegt und tiefgezogen wird.

Nach dem Abschluss eines Behandlungsschrittes erhält der Patient den nächsten Aligner mit leicht veränderter Form, um weiteren Fortschritt zu erzielen. Typischerweise dauert eine Korrektur insgesamt 9–18 Monate. Besonders beliebt ist diese Methode der Gebisskorrektur, weil die Aligner transparent und im Gebiss des Patienten kaum sichtbar sind. Täglich werden mehrere hunderttausend solcher Aligner gedruckt, und bisher wurden auf diese Weise über 3 Mio. Patienten behandelt. Damit zählt diese zu den erfolgreichsten Anwendungen in der Additiven Fertigung (Abb. 5).

Titanlegierungen sind beliebte Werkstoffe in der Implantologie. Zur Verarbeitung dieses metallischen Werkstoffs eignet sich das Pulverbettschmelzen. Da es sich hierbei um eine formlose Fertigungsmethode handelt, können auch hochkomplexe Geometrien hergestellt werden, die sonst nicht oder nur unter sehr großem Aufwand anzufertigen wären. Besonders in Bezug auf individuelle Patientenversorgung ist dies vorteilhaft. Die Tatsache, dass Material nur an benötigten Flächen verbraucht wird, führt zum einen zu Materialeinsparung im Vergleich zu subtraktiven Verfahren und ermöglicht es zum anderen, Prinzipien der Leichtbauweise zu verwirklichen.

Die moderne Computertomographie erlaubt es, die optimierte Platzierung von Implantatschrauben im Voraus zu planen. Um es dem Chirurgen in der Praxis möglichst einfach zu machen, diese Idealposition zu erreichen, haben sich Bohrschablonen etabliert. Solche Schablonen sind im Grunde Kunststoffzahnschienen, die per Stereolithografie gefertigt werden. Die vorgesehenen Bohrlöcher werden mit metallischen Einsätzen verstärkt. Während der Operation wird die Schablone in das Gebiss des Patienten eingesetzt und erlaubt es, die Bohrungen in idealer Richtung und Tiefe zu setzen.

Welche Technologie für die Herstellung von Restaurationen (Kronen, Brücken, Inlays und mehr) zum Einsatz kommt, hängt davon ab, welches Material gewünscht wird. Im Falle von metallischen Legierungen sind bevorzugt Pulverbettschmelz-Anlagen im Einsatz. Handelt es sich um lichthärtende Komposite für Langzeit-Provisorien, sind lithographische Methoden bevorzugt.

Im Vergleich zum CNC-Fräsen führt das additive Prinzip zu Materialeinsparung. Darüber hinaus sind gewisse Konstruktionen wie Hinterschneidungen oder scharfe Kanten einfacher zu realisieren. (Diese sind beim Fräsen von der Werkzeuggröße abhängig.) AFT-Systeme sind oft kostengünstiger als vergleichbare Fräsmaschinen, aufgrund des weniger komplexen Aufbaus.

Derzeit wird intensiv daran geforscht, vollkeramische Restaurationen aus bspw. Zirkoniumdioxid oder Lithiumdisilikat über additive Fertigungsverfahren herzustellen. Eine Möglichkeit stellt dabei die beschriebene Kombination aus einem lithografiebasierten System mit einer thermischen Nachbehandlung dar. In der Vergangenheit konnte bereits gezeigt werden, dass auf diese Weise eine hohe Materialqualität mit Biaxialbiegefestigkeiten von 1000 MPa für ZrO₂ und über 300 MPa für Li₂Si₂O₅ erreicht werden kann [7]. In Abb. 6 ist eine Frontzahnkrone gezeigt, die auf diese Weise hergestellt wurde. Die Vermeidung von Mikroporosität ist ein wesentlicher Faktor, wenn es gilt, reproduzierbar gute mechanische und – im Falle von Li₂Si₂O₅ – auch ansprechende ästhetische Eigenschaften (hohe Transluzenz) zu erzielen. Um das Verfahren wirtschaftlich zu gestalten, sind kurze Entbinderungszeiten und ein schneller Bauprozess entscheidende Kriterien.