15200 3D-Druck von dentalen Bohrschablonen

Die additive Fertigung ist mittlerweile nicht mehr nur im Bereich Prototypenbau und in der Herstellung einzelner Modelle zu finden, sondern wird auch in stark reglementierten Bereichen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik genutzt, um eine größere Vielfalt an Konstruktionsmöglichkeiten zur konventionellen Fertigung zu haben oder um beispielsweise das Gewicht an Bauteilen zu reduzieren. [1]

Additive Fertigung im medizinischen Bereich
Additive Fertigung erfolgt teils in Einzelstückzahlen, teils in geringen Stückzahlen oder sogar in seriennaher industrieller Fertigung. Im medizinischen Bereich gibt es einen Bedarf an individuell geformten Implantaten, Orthesen, Prothesen für Menschen verschiedener Altersgruppen und mit unterschiedlich schnellen und quantitativen Verfügbarkeitsbedarfen. Viele Fertigungstechniken wie z. B. Fräsen sind dabei häufig nicht optimal in der Formgebung und Designfreiheit, Schnelligkeit und zudem wegen z. B. Materialverlusten bei subtraktiven Verfahren unwirtschaftlicher als additive Fertigungsmethoden.

Dentale Medizintechnik
Ein Anwendungsfall in der dentalen Medizintechnik ist im Bereich der navigierten Chirurgie zu finden. Die sogenannten dentalen Bohrschablonen bilden ein zunehmendes Marktsegment patientenindividueller, aber zeitgleich seriennah gefertigter Medizinprodukte. Die Bohrschablonen werden während Operationen genutzt, um Implantologen bei der korrekt positionierten Insertion von Dentalimplantaten in den Kieferknochen von Patienten zu unterstützen. [2]

Grundlegend ist dabei die Frage, ob das 3D-gedruckte Produkt maßhaltig der Planungsdatei entspricht. Um diese Frage mit „Ja” beantworten zu können, müssen einige Faktoren berücksichtigt werden. Mehr dazu lesen Sie im Folgenden.

Dentale Bohrschablonen werden häufig additiv gefertigt, anstatt sie beispielsweise zu fräsen. Dies ermöglicht in der Regel eine wirtschaftlichere Herstellung und zudem mehr Freiheitsgrade im Design des Produkts. Ihr Einsatzbereich ist die sogenannte navigierte Chirurgie, bei der Implantologen die Bohrschablonen nutzen, um Zahnimplantate korrekt im Kieferknochen zu positionieren und zu implantieren. Die Produkte werden zwar individuell für jeden Patienten gefertigt, sind aber zeitgleich ein seriennahes, industriell gefertigtes Medizinprodukt.

Präzision maßgeblich
Die gedruckten Bohrschablonen werden innerhalb der Prozesskette vorab anhand von Röntgenbildern oder Computertomografie-Daten eines Patienten digital geplant und designt. Erfolgt die Freigabe des Designs in einer Planungsdatei durch den Implantologen, so startet die Prozesskette der weiteren Planung, Fertigung, Kontrolle und letztendlich der Einsatz am Patienten. Die Präzision des gedruckten Produkts kann entscheidenden Einfluss auf das Wohl des Patienten haben.

Um zu gewährleisten, dass die Bohrschablone später exakt in das Gebiss passt, muss genau ermittelt werden, wie die Zähne aussehen und wie sie im Verhältnis zueinander stehen. Aus diesem Grund fertigt der Zahnarzt einen Zahnabdruck an. Dies kann eine klassische Abformung mit dem Abformlöffel und plastischen Materialien z. B. Alginat oder Silikon sein oder eine digitale Zahnabformung über einen Intraoralscanner. Mit diesem Abdruck startet der weitere Prozessablauf. Im Folgenden wird der Prozessablauf anhand der klassisch ermittelten Abformung beschrieben.

Endergebnis
Nach der Fertigungskette und finalen Reinigung muss die gedruckte Bohrschablone maßhaltig zur patientenspezifischen Zahnsituation sein.

Im Fall eines vorliegenden Gipsmodells findet im Rahmen der Endkontrolle der gedruckten Bohrschablone u. a. ein 100 %-Passungstest auf dem Gipsmodell unter Verwendung von kalibrierten Messmitteln statt. So kann ermittelt werden, ob das 3D-gedruckte Produkt maßhaltig zur Planungsdatei ist. Komplexer ist die Situation, wenn kein Gipsmodell der Zahnsituation vorliegt. In diesem Fall kann die Passgenauigkeit indirekt über eine valide Prozesskette sicher definiert sein. Einflüsse auf die finale Produktmaßhaltigkeit des additiv gefertigten Produkts haben viele Parameter vom Dateneingang bis zu Nachbearbeitung der 3D-Drucke und sogar der Patient selbst. Im Folgenden werden die wichtigen Faktoren genannt.

Die Prozesskette startet mit dem Dateneingang. Dabei können detailreiche Datensätze, teilweise dreidimensionale Patientenbilder aus bildgebenden Verfahren wie CT (Computertomografie), MRT (Magnetresonanztomografie) oder DVT (digitale Volumentomografie), an die Hersteller additiv gefertigter Produkte gesendet werden, oder es wird ein klassisch ermittelter Gipsabdruck angefertigt und über einen 3D-Scanner digitalisiert.

Manuelle Bearbeitung
In beiden Fällen werden die Daten manuell oder teil-automatisiert segmentiert, aufbereitet und modelliert, um einen zu druckenden Datensatz z. B. als stl- oder obj-Datei an den 3D-Drucker zu senden und im Bauraum des Druckers auszurichten. Abbildung 1 zeigt eine modellierte Bohrschablone auf einem Unterkiefermodell in einer Planungs- und Modelliersoftware.

Die Auflösung des bildgebenden Verfahrens oder des 3D-Scanners beeinflussen die spätere Produktqualität. Die geplante Bohrschablone kann nach freigegebener Modellierung gedruckt werden. Dazu stehen theoretisch diverse Drucktechniken zur Verfügung.

Bekannte Techniken sind u. a. Fused Filament Fabrication (FFF) und Fused Deposition Modeling (FDM) mit Materialzufuhr über aufgespulte Filamentrolle, Material Jetting (MJ) und MultiJetPrinting (MJP) mit dem Verdüsen niedrig bis mittelviskoser Harztropfen aus Kartuschen oder Tanks, Selektives Lasersintern (SLS) und Multi Jet Fusion (MJF), beides über Materialnutzung in Pulverbetten, Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) mit Materialnutzung in Tanks, meist mittelviskose Harze.

Die Techniken unterscheiden sich teils in der Bauraumgröße, Materialauswahl, Druckgenauigkeit und Detailtreue, bei den Prozesslaufzeiten sowie beim Aufwand der Nachbearbeitung des gedruckten Produkts. Bei der beschriebenen Anwendung der dentalen Bohrschablonen sind es z. B. mittelviskose polymere Harze, die über eine Lichtquelle im Stereolithografie-Verfahren ausgehärtet werden. Die Drucktechniken werden zum Teil ausschließlich herstellerspezifisch angeboten.