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Der 3D-Druck in der Zahnheilkunde
Einführung:
Aufgrund des Durchbruchs der digitalen Zahnheilkunde vollzieht sich seit Jahren ein tiefgreifender Wandel in der Dentalbranche.
Insbesondere dank der additiven Fertigung erweiterte sich die Nutzung digitaler Technologien in der Dentalbranche, die angesichts ihres hohen Bedarfs an Maßanfertigungen einen zukunftsträchtigen Markt für die 3D-Druck-Technologie darstellt.
Ein paar Schlüsselzahlen
Im Jahr 2015 verzeichnete der 3D-Druck-Markt der Dentalindustrie einen Umsatz von 780 Millionen Dollar. Nach den Angaben des führenden Marktforschungsinstituts SmarTech Publishing, das sich als auf die additiven Fertigungstechnologien spezialisiert hat, gehören 11,3 % der Nutzer der additiven Fertigungstechnologien dem Medizinsektor einschließlich des Dentalsektors an.
Außerdem berichtet das Institut, dass der 3D-Druck-Markt der Dentalbranche im Jahr 2020 einen Umsatz von über 3,1 Milliarden verbuchen wird. In der Tat erlebt dieser Markt ein sehr starkes jährliches Wachstum, das auf über 35 % geschätzt wird, und dürfte bis zum Jahr 2027 einen Umsatz von 9,5 Milliarden Dollar erreichen.
All diese vielversprechenden Zahlen veranschaulichen, welche Chancen sich der additiven Fertigung in diesem Sektor bieten.
In diesem Artikel über den 3D-Druck in der Dentalbranche erläutern wir die Methoden, Werkstoffe und wichtigsten Anwendungsgebiete der 3D-Druck-Technologien in der Zahnheilkunde. Außerdem gehen wir auf die Vor- und Nachteile des 3D-Drucks in der Dentalbranche ein, und zum Abschluss befassen wir uns mit den Zukunftsperspektiven dieser innovativen Technik.
Die 3D-Druck-Technologien in der Dentalbranche: Verschiedene Verfahren und Werkstoffe
In der Industrie versteht man unter additiver Fertigung ein Verfahren zur Formgebung eines Gegenstands durch Hinzufügung von Werkstoffen, indem aufeinander folgende Schichten aufgetragen werden. 3D-Druck ist nur ein Oberbegriff für die verschiedenen Verfahren der additiven Fertigung.
Bei der additiven Fertigung in der Dentalindustrie kommen mehrere Technologien und Werkstoffe zum Einsatz. Der Formgebungsprozess kann physikalischer Art (Schmelzen und anschließendes Erstarren, Sintern) oder chemischer Art (Photopolymerisation) sein.
Die Auswahl der Methode hängt von der jeweiligen Zweckbestimmung ab.
Nachfolgend werden die wichtigsten in der Zahnheilkunde angewandten Verfahren erläutert.
FDM (Fuse Deposition Modeling oder Schmelzschichtung)
Diese Methode besteht in der Aufschichtung eines thermoplastischen Polymerfilaments, das auf die Temperatur der Formbarkeit des geschmolzenen Polymers erwärmt wurde. In diesem Fall handelt es sich um eine Formgebung physikalischer Art, die thermoplastische Werkstoffe verwendet (ABS oder PLA).
Der Vorteil des FDM besteht in der Herstellung kostengünstiger Gegenstände, die keine Nachbehandlung benötigen. Kritisiert wird jedoch die Langwierigkeit des Verfahrens, sowie die fehlende Präzision und Biokompatibilität. Es eignet sich deshalb lediglich zur Anfertigung zahntechnischer Meistermodelle, die dem Thermoformen von kieferorthopädischen Alignern und Spangen oder Bleichschienen dienen.
Doch dank der Einführung des neuen thermoplastischen Werkstoffes PEEK (Polyetheretherketon) dürfte dieses Verfahren die Herstellung biokompatibler Dentallösungen ermöglichen, und insbesondere die Anfertigung herausnehmbarer Teilprothesen. Dieser von der FDA zugelassene Werkstoff weist eine ausgezeichnete chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit auf, während seine Leichtigkeit zugleich zur Verbesserung des Patientenkomforts beiträgt. Außerdem bietet die metallfreie Prothese den Vorteil der Geschmacksneutralität.
Die Photopolymerisation
Dieses additive Fertigungsverfahren kommt in der Dentalbranche hauptsächlich zum Einsatz. Es handelt sich um ein chemisches Verfahren, das in der SLA (Stereolithographie) und in der DLP-Technik (Digital Light Processing) angewandt wird.
Die SLA besteht in der Formung eines 3D-Modells durch aufeinanderfolgende Schichten mithilfe eines Lasers, der jede Schicht in ein Bad aus lichtempfindlicher Flüssigkeit taucht und polymerisiert. Die verwendeten Werkstoffe sind Elastomere und duroplastische Kunststoffe.
Diese Technologie bietet eine deutlich höhere Auflösung und Präzision als die FDM-Methode, und sie verwendet biokompatible Werkstoffe, in diesem Fall Flüssigharze, die eine CE-Kennzeichnung besitzen bzw. von der FDA zugelassen wurden. Die Endbearbeitung ist viel weniger komplex, was die Herstellungsdauer verkürzt.
Bei diesem Verfahren besteht die Möglichkeit, für eine andere Anwendung den Werkstoff zu wechseln. Zum Einsatz kommt sie bei der Anfertigung von Bohrschablonen, Interimsprothesen, ausbrennbaren Bestandteilen, wie z. B. Prothesenklammern usw.
Additive Metallfertigung
Dieses Verfahren, das hauptsächlich in der SLM-Technik (Selective Laser Melting oder Laserschmelzen) und in der SLS-Technik (Selected Laser Sintering oder Lasersintern) zum Einsatz kommt, ist bei der Herstellung von Implantaten, Klammerprothesen oder Nickel-Chrom-Kappen angezeigt.
Diese Technologie erfordert eine hohe Produktionsmenge, damit sich die beträchtlichen Investitionen amortisieren, und die Metallverarbeitungsmaschinen benötigen mitunter eine umfangreichere Nachbehandlung, wodurch sich die Produktivität verringert, doch in Bezug auf den Stückpreis ist dieses Verfahren deutlich attraktiver.
Verfahren Werkstoffe
Selective Laser Melting (SLM)
oder Metall-Laserschmelzen +++
Kunststoffe
Keramik
Selective Laser Sintering (SLS)
oder Metall-Lasersintern +++
Thermoplaste (Polycarbonat, Polyamid, Polyvinylchlorid)
Keramik
FDM Fused Deposition Modeling Thermoplaste (ABS oder PLA)
Stereolithographie (SLA) Elastomere und duroplastische Kunststoffe
Anwendungsbereiche des 3D-Drucks in der Zahnheilkunde
Der 3D-Druck wurde von den Fachkräften der Zahnheilkunde hauptsächlich für die Anfertigung folgender Vorrichtungen übernommen: Bohrschablonen, personalisierte Zahnschienen, Bestandteile aus ausbrennbarem Harz oder Abdrücke für Abgussverfahren und Interimskronen.
Die Anwendungsbereiche des 3D-Drucks in der Dentalbranche lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Direkte Maßanfertigung zahnmedizinischer Vorrichtungen:
Dazu gehören hauptsächlich Bohrschablonen für das Einsetzen von Implantaten, die den Chirurgen bei der Bohrung leiten und auf diese Weise für die Einhaltung der digitalen Implantatplanung sorgen, insbesondere in Bezug auf die Positionierung, Neigung und Tiefe der Implantate.
Außerdem bietet der 3D-Druck die Möglichkeit zur Herstellung von Schienen, die einwandfrei an den Mund des Patienten angepasst sind und deshalb angenehm zu tragen sind, aus Harzen mit Biokompatibilität dritten Grades, unter anderem Bleichschienen zur Anwendung von Fluoridgel und Aufbissschienen.
Darüber hinaus dient der 3D-Druck zur Anfertigung kieferorthopädischer Vorrichtungen, wie z. B. Aligner, Transferschienen, Osteotomie- und Repositionsschablonen sowie Orthesen und Zahnspangen aller Art.
Ebenso können Instrumente für die Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie mithilfe des 3D-Drucks hergestellt werden (Genioplastik, Rhinoplastik, Epithesen).
3D-Druck von Abdrücken für den Abguss von Zahnersatz durch Wachsausschmelzverfahren
Dabei wird eine aus ausbrennbarem Harz gedruckte 3D-Version der Zahnprothese (Krone, Brücke usw.) zur Anfertigung einer personalisierten Gussform mithilfe des Wachsausschmelzverfahrens verwendet. Zur Herstellung der endgültigen Prothese wird der gewünschte Werkstoff (Keramik, Metall usw.) in diese Gussform gegossen.
Abbildung 1: Eine in 3D ausgedruckte Zahnkrone (Wachsausschmelzverfahren)
Direkte Herstellung von Zahnersatz und -prothesen
Mithilfe des 3D-Drucks können Veneers, Interimskronen und -brücken aus biokompatiblen Harzen angefertigt werden. Diese Versorgungen sind dank der hohen Präzision des 3D-Scans und der SLA- oder DLP-Harz-3D-Drucker einwandfrei an den Mund des Patienten angepasst.
Es gilt jedoch zu beachten, dass es noch nicht möglich ist, dauerhafte Zahnkronen oder -prothesen aus Harz oder Keramik direkt in 3D auszudrucken.
Die additive Metallfertigung ermöglicht die direkte Herstellung von Kronen, Brücken und Zahnimplantaten, sowie des metallischen Teils der Modellgussprothesen und des Sattels herausnehmbarer Vollprothesen.
Für jede Anwendung eine eigene Technik
Technische Anwendung
Bohrschablonen SLA
Interimsprothesen SLA
Kieferorthopädische Orthesen, Zahnspangen, Zahnschienen, Modelle SLA
Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie (Genioplastik, Rhinoplastik, Epithesen) und Kieferorthopädie: Osteotomie- und Repositionsschablone Beispiel: Kieferchirurgische Operationen von Lefort-Frakturen, Unterkieferrekonstruktion usw. SLA
Sattel herausnehmbarer Vollprothesen
FDM
Metallische Verbindungselemente herausnehmbarer Teilprothesen Additive Metallfertigung
Die Vorteile des 3D-Drucks für die Dentalbranche
In heutigen Prothesenlaboren erlebt man häufig, dass im Rahmen einer Strategie des digitalen Workflows subtraktive und additive Lösungen nebeneinander bestehen.
Die Nutzung des 3D-Drucks als Ergänzung herkömmlicher Fertigungsmethoden bietet viele Vorteile.
Ein entmaterialisierter und vereinfachter Herstellungsprozess
Traditionell waren Prothesen das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen einem Zahnarzt und einem Zahntechniker. Der Durchbruch der digitalen Technologien wird diese herkömmliche Arbeitsteilung durch die vollständige Entmaterialisierung des Arbeitsprozesses sprengen.
Diese beiden Handlungsträger der zahnmedizinischen Fachwelt erleben in diesem Sinne einen Modernisierungsprozess ihrer traditionellen Werkzeuge, bewahren aber ihr Know-how, das in keiner Weise an Bedeutung verloren hat.
Die Anwendung der additiven Fertigung bietet die Möglichkeit, die Produktionskette mithilfe des digitalen Workflows zu vereinfachen, die Bedingungen zu optimieren und die Herstellungszyklen der Zahnprothesen und zahnmedizinischen Gussformen und folglich die heiklen Schritte der manuellen Tätigkeit zu verringern.
Schnelligkeit
Im Gegensatz zu den traditionellen Verfahren, die mehrere Tage in Anspruch nahmen, erfordert der volldigitalisierte Prozess von der digitalen Gebissabformung bis zur 3D-Druck-Fertigung nur wenige Arbeitsstunden. In bestimmten Fällen genügt es dank der verkürzten Herstellungsfristen, den Patienten ein einziges Mal einzubestellen.
Durch die Verkürzung der Arbeitszeit dürfte die additive Fertigung Kapazitäten für wertschöpfungsintensive Tätigkeiten freisetzen und eine beträchtliche Erhöhung der Produktivität ermöglichen.
Rentabilität
Der ROI des 3D-Drucks ist erheblich, was erklärt, weshalb er von zahlreichen Oralchirurgen und Zahntechnikern weltweit angewandt wird.
Heute sind 50 % der französischen Prothesenlabore mit 3D-Scannern und Fräsmaschinen ausgestattet und 20 % mit 3D-Druckern, die ihnen eine Umsatzsteigerung von 70 % ermöglichen.
Die Fertigung durch Hinzufügung von Werkstoffen ist in der Tat sehr rentabel, da mehrere Prothesen gleichzeitig ausgedruckt werden können, was die Erzielung von Skaleneffekten in Bezug auf Zeit und Kosten ermöglicht.
Hochpräzisionsinstrumente
Die Methoden der Fertigung durch Hinzufügung von Werkstoffen dürften eine höhere Präzision gewährleisten.
Die Qualität der angefertigten Instrumente hält dem Vergleich mit den Ergebnissen der konventionellen Methoden der Dentalindustrie durchaus stand.
Der größte Nutzen des 3D-Drucks besteht in seiner Fähigkeit, personalisierte und maßgefertigte Instrumente zu erzeugen.
Vorteile für den Patienten
Die kombinierte Anwendung der digitalen Techniken ermöglicht die Herstellung personalisierter Vorrichtungen und Zahnersatzkomponenten innerhalb einer Rekordzeit, was nicht nur den Patientenkomfort, sondern auch die Behandlungseffizienz erhöhen dürfte.
Ökologischer Aspekt
Die Technologien der additiven Fertigung sind für ihren geringen Energieverbrauch bekannt. Sie sind kaum schädlich und belasten die Umwelt weniger.
Die verwendeten Werkstoffe sind in der Regel biologisch abbaubar und recycelbar, und folglich nachhaltiger.
Nachteile
Doch so manche Zahnärzte, die seit langem an die Arbeit mit den traditionellen Methoden gewöhnt sind, fühlen sich trotz der nicht zu unterschätzenden Vorteile von den 3D-Technologien abgeschreckt.
Der Wechsel zur Digitalität erfordert nämlich ein gewisses Vertrauen in diese Verfahren. Die Umstellung zwingt Zahnärzte und Zahntechniker zur Anschaffung der erforderlichen Geräte, deren Anwendung eine neue Arbeitsorganisation und -logik verlangt. Außerdem muss der richtige Umgang mit den Softwareprogrammen und Geräten in einer Schulung erlernt werden.
Perspektiven
SmarTech Publishing erklärt, dass die Harz-3D-Druck-Lösungen, deren Anschaffungspreis unter 5000 $ liegt, für das Wachstum der 3D-Druck-Technologie auf dem Dentalmarkt eine entscheidende Rolle spielen werden. Das Institut geht davon aus, dass die Firma Formlabs mit ihrem Gerät 3D Form 2 und ihren zertifizierten Dentalharzen in den letzten Jahren ihren Marktanteil um mehr als das 20-fache erhöht hat.
SmarTech prognostiziert, dass sich die additive Fertigung in den kommenden zehn Jahren zur Hauptproduktionsmethode für alle Zahnversorgungen entwickeln wird, um letztlich das gesamte Zahnersatzsortiment abzudecken. Vor allem die additive Metallfertigung dürfte eine bedeutende Rolle in diesem Sektor spielen, insbesondere für die Herstellung von Implantaten aus Direktmetall.
Der Bericht geht davon aus, dass der ausgelagerte Metall-3D-Druck bis 2024 bei der Anfertigung solcher Implantate die Umsatz-Marke von 1 Milliarde Dollar überschreiten wird.
Fazit
Der 3D-Druck mit seinem breiten Spektrum an unterschiedlichen Techniken und Werkstoffen hat sich dank seiner Flexibilität bei der Produktion, seiner Effizienz, seiner Schnelligkeit und seiner Präzision in der Dentalbranche durchgesetzt
Nachdem die Herstellungsprozesse von Prothesen und sonstigen zahnmedizinischen Vorrichtungen lange Zeit von der Verarbeitungstechnologie beherrscht wurden, tragen die Methoden der additiven Fertigung zur ihrer Optimierung bei, und dies ohne die Endqualität der Produkte zu beeinträchtigen.
Ihr größter Nutzen besteht in der Herstellung maßgefertigter Vorrichtungen, die einen Hauptbedarf der Medizin und insbesondere der Zahnheilkunde darstellen.
Alle Zahlen prophezeien dem Dentalmarkt eine vielversprechende Entwicklung, die einen maximalen Gewinn aus den digitalen Technologien erwirtschaften wird.