3D-Druck: Druckmaterialien

Übersicht dentale 3D-Druckmaterialien

Kategorie: 3D-Drucker Dental
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Welche Arten von 3D-Druckmaterialien für den Dentalbereich gibt es und welche sind für Ihren 3D-Drucker und die jeweilige Anwendung geeignet? Dieser Artikel bietet Orientierung und gibt Ausblicke.

Bei wachsender Vielzahl an 3D-Druckmaterialien kann es herausfordernd sein, das für den jeweiligen 3D-Drucker und die entsprechende Anwendung passende Material auszuwählen. 3D-Druckmaterial ≠ 3D-Druckmaterial – es muss einerseits zur Druckertechnologie passen und sollte andererseits unter Berücksichtigung der spezifischen Anwendungen ausgewählt werden. 

Inhaltsübersicht

Dentale 3D-Druckmaterialien und die verschiedenen Drucktechnologien

Zu häufig verwendeten 3D-Druckmaterialien in der Zahnmedizin gehören Photopolymerisate (3D-Druckharze), Thermoplaste und Metalle. Die Werkstoffe unterscheiden sich in den physikalischen Eigenschaften sowie damit im Anwendungsbereich und werden mit verschiedenen 3D-Drucktechnologien verarbeitet.  

Einteilen lassen sich 3D-Drucktechnologien danach, wie die Schichten zu einem Objekt zusammengeführt werden:

  • aus einer Flüssigkeit polymerisiert (z. B. SLA, DLP), 
  • aus einer Schmelze extrudiert (z. B. FDM), 
  • aus einem Pulver gesintert (z. B. SLS, Binder Jetting 
  • aus Folien (Metall oder Kunststoff) laminiert (z. B. Ultrasonic Additive Manufacturing).

Während das Drucken von Metallen hauptsächlich industriellen Fertigungszentren vorbehalten ist und der dentale 3D-Druck von Keramiken teilweise noch im Forschungsstadium steckt, hat sich der Druck von polymerbasierten Materialien als gängige Technologie im Dentallabor etabliert. 

Polymerbasierte 3D-Druckmaterialien

Aktuelle Drucktechnologien im Dentallabor sind die Stereolithographie (SLA) und das Digital Light Processing (DLP). Bei beiden 3D-Druck-Verfahren wird mit flüssigem Photopolymer (3D-Druckharz) gearbeitet, welches unter einer Lichtquelle zum Druckobjekt polymerisiert. Alternative Drucktechnologie im Dentallabor ist das extrusionsbasierte Fused Deposition Modeling (FDM). Hierbei wird thermoplastischer Kunststoff (Filament) über einen Extruder erhitzt und schichtweise auf das Druckbett aufgetragen. Basierend auf diesen Verfahrenstechniken können die verwendeten 3D-Druckmaterialien eingeteilt werden in 

  • 3D-Druckharz bzw. -resin, welches unter einer Lichtquelle polymerisiert (SLA, DLP), 
  • thermoplastischen Kunststoff (Filament), der formbar erhitzt wird (FDM). 

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks mit Harzen sind unendlich; jedwede Geometrie lässt sich umsetzen. Doch speziell im Dentalbereich sind die Anforderungen an das 3D-Druckmaterial hoch. Daher unterscheiden sich dentalspezifische 3D-Druckharze von vielen anderen Angeboten (z. B. für den Druck im Kreativ- bzw. Kunstbereich). 

Qualitätssiegel „Dental“ für lichthärtende 3D-Druckharze

Chemisch betrachtet sind lichthärtende 3D-Druckharze keine Neuerung. Entscheidend für die dentale Anwendung sind definierte Werkstoffeigenschaften. Bei steigender Nachfrage etablieren sich auch Angebote von Händlern, die nicht primär dem Dentalbereich zuzuordnen sind. So finden sich auf diversen Online-Plattformen oft preisgünstige 3D-Druckmaterialien, die jedoch nicht unbedingt für dentale Anwendungen konzipiert sind. 

Dentalspezifische 3D-Druckmaterialien sind durch dentale Entwicklungsabteilungen validiert. Die Materialien sind für den Dentalbereich entwickelt worden, was sich im Arbeitsalltag bewährt.   

Achtung: Medizinprodukt! Qualitätsmerkmale von 3D-Druckharzen

Die CAD/CAM-Experten von Henry Schein empfehlen, im Dentallabor auf dentalspezifische 3D-Druckmaterialien zurückzugreifen. Vorteile sind u. a.  

  • validiert durch hohe Qualitätskontrollen und Zulassungsprozesse, 
  • hohe Genauigkeit und Dimensionstreue, 
  • keine Chargenschwankungen, 
  • optimal abgestimmte Druckparameter (z. B. Lichtintensität, Schichtlayer, Aushärtezeit).

Dentalspezifische 3D-Druckmaterialien unterscheiden sich je nach Anwendungsgebiet in 

  • 3D-Druckharze für Objekte, die nicht in den Mund eingesetzt werden (z. B. für Modelle) und  
  • 3D-Druckharze für Objekte zur klinischen Anwendung 
    a) kurzzeitig (z. B. Abformlöffel, Try-in, Klebeschienen)  
    b) mittel- bis langfristig (z. B. temporäre Restaurationen, Schienen). 

Werkstoffe für die klinische Anwendung müssen nach dem Medizinproduktegesetz zertifiziert sein. Das Dentallabor, welches das Medizinprodukt fertig, sollte ein entsprechend zertifiziertes 3D-Druckmaterial nutzen. Andernfalls ist die MDR-Konformität nicht gegeben. 

Gerade für Objekte, die langfristig im Mund verbleiben, kommen aktuell einige neue 3D-Druckmaterialien auf den Markt. Die Dentalindustrie hat in den vergangenen Jahren geforscht und entwickelt, um zertifizierte 3D-Druckmaterialien für Medizinprodukte anbieten zu können.  

Jetzt denken Sie vielleicht: Großartig! Wenn es so viele neue 3D-Druckmaterialien für dentale Anwendungen gibt, warum werden diese dann nicht in allen Zahnarztpraxen und Dentallaboren verwendet?

Leider ist das oft nicht so einfach. Die meisten 3D-Drucksysteme sind noch „geschlossen“. Das bedeutet: Hier kann es schwierig sein, die richtige Kombination aus Produktmerkmalen und Materialkompatibilität zu finden.

Damit ein bestimmter 3D-Drucker beispielsweise mit einem zertifizierten Prothesen-Basisharz drucken kann, muss der Drucker über die richtigen Software-Einstellungen verfügen. Ist dies nicht der Fall, wird der Druck misslingen. 

3D-Druckharze: Offene vs. geschlossene 3D-Drucksysteme

Bei der Entscheidung für ein 3D-Druckmaterial ist auch das 3D-Drucksystem zu betrachten. Unterscheiden lassen sich  

  • geschlossene 3D-Drucksysteme (z. B. Ivoclar, Dentsply Sirona), 
  • offene 3D-Drucksysteme (z. B. MiiCraft 4K Dental) und 
  • teiloffene 3D-Drucksysteme (z. B. ASIGA, Sprintray, Formlabs). 

Ein geschlossenes 3D-Drucksystem – Drucker-Komplettsystem – bietet einige Vorteile, denn hier sind alle Parameter aufeinander abgestimmt. Dies bringt im Laboralltag eine hohe Sicherheit. Allerdings geht der Mehrwert zu Lasten der Entscheidungsfreiheit; es können nur 3D-Druckmaterialien innerhalb des Systems genutzt werden. 
 
Hingegen sind Anwender offener Systeme frei in ihrer Wahl. Es können jedwede (dentalspezifische) 3D-Druckmaterialien verarbeitet werden. Aber: Die Druckparameter müssen präzise auf den Drucker abgestimmt werden.  

Teiloffene Systeme sind eine Hybridvariante. Hier sind entsprechende 3D-Druckmaterialien durch die Hersteller für spezifische Drucker zertifiziert. Dies wird durch eine Konformitätserklärung belegt. 

3D-Druckfilamente

Eine im Dentalbereich junge Drucktechnologie ist das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), auch FFF (Fused Filament Fabrication). Bekannt ist das Verfahren aus dem Hobbybereich, da diese Drucker vergleichsweise einfach konstruiert und kostengünstig ist. Als 3D-Druckmaterial dienen Thermoplaste, die in Stangenform (Filamente) aufgerollt verarbeitet werden. Auch für die Zahnmedizin ist die Anwendung interessant. Filament-Drucker können beispielsweise zur wirtschaftlichen Herstellung von Modellen verwendet werden.  

Vorteile gegenüber der Verarbeitung von 3D-Druckharzen (SLA-Technologie): 

  • einfache Anwendung und kein Post-Processing 
  • kostengünstigere 3D-Druckmaterialien (Filamente) 
  • geringere Belastung durch Dämpfe und Gerüche 
  • je nach Filament geringere Umweltbelastung 

Es gibt einige Hersteller dentalspezifischer Filamentdrucker (z. B. Renfert), die zusätzlich zum Druckersystem dentalspezifische Filamente in verschiedensten Rezepturen und Farben anbieten. 

Trends im dentalen 3D-Druck

Hybride Druckerstraßen im Dentallabor

Zu erwarten ist ein rasanter Anstieg an Abformdaten aus dem Intraoralscanner. Somit wird der 3D-Druck für die Modellherstellung immer wichtiger. Aufgrund genannter Argumente für den Filamentdruck und der Vorteile des SLA-Drucks setzen einige Dentallabore auf hybride Druckerstraßen.

Für den Modelldruck wird das FFF-Verfahren genutzt, während mit dem SLA-Drucker dentale 3D-Druckharze (z. B. temporärer Zahnersatz) verarbeitet werden.

Nachhaltigkeit dentaler 3D-Druck-Materialien

Beim 3D-Druck fallen je nach Technologie viele Abfallprodukte an. Stützstrukturen müssen entsorgt werden. Hinzu kommen Reinigungsmittel, Alt-Material, Fehldrucke, diverse Lösungsmittel sowie sonstiger Abfall (Einmalhandschuhe, Papiertücher).

Zudem beruht die Herstellung eines 3D-Druckmaterials oft auf der Nutzung fossiler Ressourcen. Es gibt zwar sogenannte biologisch abbaubare Kunststoffe (z. B. Filamente aus Polylactiden, PLA), die jedoch auch nicht ganz frei von umweltbelastenden Nebenprodukten sind.

Immer mehr Dentallabore achten auf ökologische Nachhaltigkeit; auch die Forschung ist in diesem Bereich aktiv. Hier sind Entwicklungen zu erhoffen, die den 3D-Druck ökologischer werden lassen.   

Multimaterialdruck 

Durch den Aufbau eines Objektes aus einzelnen Schichten besteht beim 3D-Druck theoretisch die Möglichkeit, Multimaterialstrukturen herzustellen. So können beispielsweise verschiedene Materialfarben oder sogar Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Objekt vereint werden. 

Druck von Keramiken

Auch der 3D-Druck von keramischen 3D-Druckmaterialien ist in der Zahnmedizin ein hochinteressantes Zukunftsfeld. Aktuell wird viel geforscht und entwickelt.

Beispielsweise können mit der LCM-Drucktechnologie (Lithography-based Additive Manufacturing) Zirkonoxid und Lithium-Silikatkeramik gedruckt werden.

Das Potenzial ist hoch, insbesondere mit Blick auf definitiven Zahnersatz. 

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vom 22.02.2023
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