Tischfraesmaschienen

Dentale CAD/CAM-Fräsmaschinen für die digitale Fertigung

Rund um digitale Fertigung mit dentalen CAD/CAM-Fräsmaschinen gibt es viel zu wissen. Ob kleiner Alleskönner oder große dentale CNC-Maschine – erfahren Sie hier mehr über Einsatzbereiche, Funktionsweisen und Bauart. 

Fräsmaschine ist nicht gleich Fräsmaschine. Dieses Credo gilt wie so oft in der digitalen Zahnmedizin und Zahntechnik auch bei CAD/CAM-Fräsmaschinen. Der Anwender sollte Grundlagen der CAD/CAM-Technik sowie der Maschinentechnologie kennen. Dentale CAD/CAM-Fräsmaschinen unterscheiden sich in Anwendungsbereiche, Bauart, Frästechnologie und Preisstruktur.  

Das CAD/CAM-Fräsen ist ein spanabhebender, subtraktiver Prozess. Fräsmaschinen dienen in der Zahnmedizin für das Verarbeiten einer Vielzahl von Materialien. Metalllegierungen, Titan, Vollkeramiken, Zirkonoxid, polymerbasierte Materialien, PMMA … – fast alle Werkstoffe können umgesetzt werden. Die Vorteile gegenüber der konventionellen Verarbeitung durch die digitale Fertigung liegen ganz klar in der Präzision, Reproduzierbarkeit und Effizienz.  

CAD/CAM-Systeme in Zahnmedizin und Zahntechnik 

Mit dem Automatisieren von Fertigungsabläufen kann zusätzlich zum breiten Materialangebot eine gleichbleibend hohe Qualität erzielt werden. Dies macht CAD/CAM-Systeme für Zahnmedizin und Zahntechnik interessant. Grundsätzlich wird jede Art der digital gestützten Fertigung als CAD/CAM-Technologie bezeichnet. Die digitale Konstruktion (CAD) wird mittels Maschine (CAM) in ein Objekt umgesetzt. Der Fertigungsweg erfolgt subtraktiv (Fräsen, Schleifen) oder additiv (3D-Druck).  

Für die digitale Fertigung von Zahnersatz bedarf es zunächst einer dreidimensionalen Erfassung des präparierten Stumpfes bzw. der Zahnsituation. Hierfür stehen Intraoral- oder Laborscanner zur Verfügung. Es folgen die digitale Datenaufbereitung und Weiterverarbeitung. Idealerweise laufen alle Schritte von der 3D-Datenerfassung, dem Generieren und Aufbereiten des Datensatzes bis zum Fertigen (Fräsen, Drucken) vollautomatisch ab.  

Fräsmaschinen – Chairside oder Labside? 

Eingeteilt werden können CAD/CAM-Fräsmaschinen z. B. in Chairside-Systeme und in Labside-Systeme. Bei Chairside-Systemen werden die Präparationen intraoral gescannt und die Restauration direkt in der Zahnarztpraxis hergestellt. Bei Labside-Systemen wird die hohe Kompetenz des Zahntechnikers mit digitalen Technologien vereint. Die erste dentale CAD/CAM-Fräsmaschine (Cerec) kam im Jahr 1988 auf den Markt. Seither ist viel passiert und es ist viel Entwicklungsarbeit in Maschinen, Software und Materialien geflossen. 

Offene oder geschlossene Fertigungssysteme? 

Eine weitere Gliederung von CAD/CAM-Fräsmaschinen kann nach Produktionsart und Schnittstellen erfolgen. Es gibt offene und geschlossene Systeme. Beide Varianten haben Vor- aber auch Nachteile. Bei einem CAD/CAM-System mit offenen Schnittstellen arbeitet der Anwender mit Materialien und Fertigungsstrategien verschiedener Anbieter. Geschlossene Systeme sind in der Regel auf bestimmte Materialien beschränkt. 

Im Sinne einer hohen Flexibilität scheinen offen konzipierte Systeme zukunftssicherer zu sein. Durch Zugriff auf ein breites Feld an Materialien stehen dem Anwender verschiedene Welten offen. Aber auch geschlossene Systeme bieten eine immens große Materialvielfalt. Vorteil ist: Die Materialien sind perfekt auf die Maschinenparameter angepasst, was eine hohe Sicherheit mitbringt und einen reibungslosen Workflow verspricht. 

Beispiele für ein innovatives offenes System sind die vhf Z4 und die vhf R5 (über Henry Schein).

Beispiel für ein durchdachtes geschlossenes Chairside-System ist Cerec (Dentsply Sirona). 

Fertigungsmethode: Fräsen oder schleifen? 

CAD/CAM-Fräsmaschinen sind modifizierte industrielle Werkzeugmaschinen für das zerspanende Abtragen von Metallen. Auch in Zahnmedizin und Zahntechnik werden Metalllegierungen (NEM, Titan) gefräst. Vollkeramische oder polymerbasierte Materialien hingegen werden mit hohen Drehzahlen geschliffen. Daher wird im Sprachgebrauch zwischen dem Fräsen und dem Schleifen differenziert. 

CAD/CAM-Fräsmaschine: nass oder trocken? 

Bei der Entscheidung für eine Fräs-/Schleifmaschine steht man auch vor der Wahl zwischen einer Maschine zum Nassschleifen oder Trockenfräsen.

Das Nassschleifen kommt u. a. für glaskeramische Materialien wie Lithiumdisilikat (z. B. IPS e.max, Ivoclar Vivadent) oder Lithiumsilikat (z. B. Celtra, Dentsply Sirona) zur Anwendung. Auch sogenannte Hybridkeramiken werden nass geschliffen.  

Eine moderne Maschine zum Nassschleifen ist die vhf Z4. Durch feingewuchtete Hochfrequenzspindeln erreicht diese Maschine ein hohes Niveau in der Nassbearbeitung. Ob Glaskeramik, PMMA oder Komposit – mit der Maschine können viele Indikationen abgedeckt werden (Kronen, Inlays / OnlaysVeneers, kleine Brücken oder Bohrschablonen).

Hingegen wird das Trockenfräsen in der Regel bei Zirkonoxid (z. B. Zirlux, Henry Schein) oder bei Kobalt-Chrom-Legierungen angewandt. Viele moderne Maschinen kombinieren das Nass- und Trockenschleifen in einem Gerät.  

Einen innovativen Ansatz hierfür zeigt die vhf R5. Im Gegensatz zu anderen Maschinen ist bei der R5 kein zusätzliches Nassschleifmodul notwendig. Der Flüssigkeitskreislauf ist in der Maschine verbaut. Die DirectCleanTechnology für Nass- und Trockenbearbeitung sorgt für die Selbstreinigung und Trocknung. 

Eine Maschine mit Trocken-Nass-Kombination ist auch die inLab MC x5 (Dentsply Sirona). Verarbeitet werden können Keramiken (Glas- und Hybridkeramiken, Zirkonoxid), Kunststoffe/Komposite, Sintermetall, Titan und Wachs. Als offenes 5-Achs-System kann die Maschine flexibel und ohne Zusatzkosten an offene CAD-Systeme angeschlossen werden. 

3-Achs-, 4-Achs- oder 5-Achs-Fräsmaschinen 

Wie viele Achsen die CAD/CAM-Fräsmaschine haben sollte, ist keine Glaubensfrage, sondern obliegt den Fakten. Aus der Vielseitigkeit der Zahnformen resultieren geometrisch komplexe Flächen, sogenannte Freiformflächen. Um diese Flächen aus dem Rohling auszufräsen oder zu schleifen, bedarf es verschiedener Achsen.  

Achsen einer Fräsmaschine 

Differenziert werden: 

  • Linearachsen (X-, Y-, Z-Achsen) und 
  • Rotationsachsen (A-, B-, C-Achsen) 

Die Arbeit einer Fräsmaschine basiert auf einer numerischen Steuerung der Maschinenbewegung. Zur Programmierung werden der Maschine Koordinaten des Werkstücks angegeben. Um die Bewegungsrichtung der Maschine festzulegen, sind für die Fahrwege bestimmte Koordinatenachsen definiert: Die X-, Y- und Z-Achsen. Die X-Achse verläuft waagerecht zur Aufspannfläche, die Y-Achse senkrecht und die Z-Achse parallel zur Achsspindel. Neben drei translatorischen Achsen werden bei 5-Achs-Fräsmaschinen zusätzlich zwei rotatorische Achsen angesteuert. 

Vereinfacht gesagt: Betrachtet man ein Koordinatensystem zweidimensional, sind die X- und die Y-Achse sichtbar. Doch die Wirklichkeit ist dreidimensional. Jedes Werkstück hat neben Länge und Breite auch eine Höhe. Daher wird zusätzlich zur X- und Y-Koordinate die Z-Koordinate angegeben. Die Z-Achse steht senkrecht auf der X- und Y-Achse.  

Rechte-Hand-Regel 

Die Rechte-Hand-Regel ist eine schöne Merkhilfe für die Verteilung der Achsen einer CAD/CAM-Fräsmaschine. 

  • Daumen nach rechts: X+ 
  • Zeigefinger nach vorne: Y+ 
  • Mittelfinger nach oben: Z+ 

CAD/CAM-Fräsmaschinen: 3-Achs-Maschinen  

Das Ausarbeiten von komplexen Zahnflächen aus einem Rohling kann mit 3-, 4- oder 5-Achs-Fräsen vorgenommen werden. Theoretisch können Restaurationen ohne komplexe Kauflächengestaltung dreiachsig gefertigt werden. Bei der 3-Achs-Bearbeitung bewegt sich das Fräs- bzw. Schleifwerkzeug quer zu den 3 linearen Achsen (X, Y, Z). Um ein Bearbeiten von allen Seiten zu ermöglichen, müssen die Objekte in Geräten mit nur 3 Achsen gedreht bzw. neu positioniert werden.  

CAD/CAM-Fräsmaschinen: 4- und 5-Achsmaschinen  

Um präzise komplexere Strukturen fertigen zu können, bearbeiten moderne CAD/CAM-Fräsmaschinen die Objekte auf einer oder sogar zwei zusätzlichen Achsen. Die vierte und fünfte Achse (A- und C-Achse) stellt jeweils eine Rotation um die Hauptachse dar. Wird von 5-Achs-Fräsen gesprochen, rotiert z. B. die A-Achse um die X-Achse.  

Eine moderne 4-Achs-Fräsmaschine ist z. B. die vhf Z4Für diese kompakte, hochpräzise Maschine ist keinerlei zusätzliches Equipment (z. B. Kompressor, Absaugung) notwendig. Lediglich ein Stromanschluss und eine WLAN-Verbindung werden benötigt.

Ein Beispiel für eine innovative 5-Achs-Fräsmaschine ist die vhf R5Die DirectDiscTechnology sorgt für den schnellen Wechsel zwischen Nass- und Trockenbearbeitung. Weiteres Novum ist die integrierte Wasserkühlungwelche die Wärmeausdehnung von Spindel und Z-Achse deutlich minimiert. 

5-Achs-Maschine (3+2) 

Auch wenn es noch etwas mehr „Verwirrung“ bringt, muss trotzdem die 3+2-Achs-Maschine genannt werden. Merkmal hierbei ist, dass die Anwendung der CAM-Software und die Frässtrategien einer normalen 3-Achs-Programmierung entsprechen. Die vierte und fünfte Achse werden vom Anwender manuell zugweisen.  

5-Achs-Simultanbearbeitung  

Die 5-Achs-Simultanbearbeitung erlaubt dem Anwender das direkte Generieren von 5-Achsen-Fräsbahnen. Bei der Simultanbearbeitung bewegen sich alle 5 Achsen gleichzeitig. Eine 5-Achs-Maschine hat gegenüber der reinen 3-Achs-Bearbeitung viele Vorteile. Es können komplexe Strukturen, z. B. mit Querbohrungen und Hinterschnitten, hergestellt werden. Außerdem werden Bearbeitungsabläufe zum Teil erheblich abgekürzt und bessere Oberflächen erzielt. 

Ein Beispiel ist die vhf S2. Diese vielseitige Fräsmaschine hat 5 simultan arbeitende Achsen, besitzt einen Blankwechsler für 8 Rohlinge und ist sowohl für die Trocken- als auch die Nassbearbeitung ausgelegt. Die S2 ist für den Anschluss des Nassschleifmoduls vorbereitet. 

Zukunft CAD/CAM-Fräsmaschinen 

CAD/CAM-Fräsen ist gängiger Alltag in Dentallaboren sowie vielen Zahnarztpraxen und hat einen hohen Anteil am Zahersatz-Gesamtmarkt übernommen. Es ist zu erwarten, dass trotz des bereits hohen Niveaus die Maschinen technisch noch weiter verfeinert werden. So könnte zukünftig die künstliche Intelligenz (KI) Einfluss auf Fräsprozesse, Strategien und auch die CAD-Konstruktion nehmen.

Es bleibt spannend!

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