Dental-3D-Drucker für Zahnersatz beim Zahnarzt, Kieferorthopäden oder im Dentallabor

Verwendung von Dental-3D-Druckern in der Zahnmedizin

Die additive Fertigung hat bereits in anderen Branchen für revolutionierte Verfahren bei der Fertigung von Produkten, Ersatzteilen und Prototypen gesorgt und etabliert sich zunehmend auch in der Zahnmedizin. Laut aktueller Prognosen des Beratungsunternehmens QY Research wird dieser Trend in den kommenden Jahren weiter zunehmen und bis 2025 ein Marktvolumen von 930 Millionen USD im Dentaldruck allein realisieren - mit einem Jahreswachstum von 17 %. Die beiden treibenden Erfolgsfaktoren liegen in der neuen Prozessstruktur bei der Herstellung von Medizinprodukten für den Dentalsektor und den geringeren Kosten der Druckmaterialien.

Traditionell werden Medizinprodukte in der Zahnmedizin kooperativ zwischen zwei Parteien gefertigt. Der Zahnarzt oder Kieferorthopäde behandelt seine Patienten und nimmt für den herzustellenden, individuell angepassten Zahnersatz einen Abdruck, der anschließend an ein Dentallabor geschickt wird. Auf Basis des Abdrucks werden dann die jeweils benötigten Medizinprodukte angefertigt und zurück an die Praxis gesendet. Da die Abdrücke nicht immer über die hohe Genauigkeit verfügen, die für eine optimale Passform am Patienten benötigt wird, kommt es in der Praxis häufig zu einer erneuten Bearbeitung des Produktes durch das Dentallabor. Durch die Transportprozesse der materiellen Produkte entstehen häufig lange Wartezeiten.

Die Übermittlung der 3D-Scan-Daten aus einem DVT-Gerät erfordert deutlich weniger Zeitaufwand und bietet eine weitaus höhere Genauigkeit, wodurch die Anzahl der nachträglichen Anpassungen reduziert werden kann. In der dentalen Designsoftware (CAD) erstellt das Zahnlabor die Krone, Brücke, Aligner o. ä. und schickt die fertige Datei im Anschluss an einen Dental-3D-Drucker. Das gedruckte Produkt wird anschließend zurück an die Praxis gesendendet. Verfügt der Zahnarzt oder Kieferorthopäde selbst über einen Dental-3D-Drucker in der Praxis, kann der Druck direkt innerhalb der eigenen Räumlichkeiten erfolgen und spart dadurch weitere Wartezeit. Im optimalen Ablauf kann ein Patient also morgens gescannt werden und am späten Nachmittag/frühen Abend bereits seinen Zahnersatz aus dem 3D-Druck oder ein ähnliches Produkt eingesetzt bekommen. Eine Übersicht von Medizinprodukten aus der Zahnmedizin, die sich über das 3D-Druck-Verfahren herstellen lassen, finden Sie in der untenstehenden Tabelle.

Materialien im dentalen 3D-Druck für Zahntechnik

Der Markt für mögliche Materialien für den 3D-Druck ist bereits jetzt recht weitläufig und wird ständig um neue Lösungen ergänzt oder verbessert. Allerdings eignen sich nicht alle dieser Materialien für den Einsatz in der Zahntechnik. Hinzu kommt, dass die Dental-3D-Drucker verfahrensbasiert unterschiedliche Materialkompatibilitäten haben, sodass sich die potentielle Materialwahl noch weiter eingrenzt. Jedes dieser Fertigungsmaterialien bietet individuelle Vor- und Nachteile, die an dieser Stelle nicht in Kürze erörtert werden können. Allerdings lassen sich vier ausschlaggebende Kriterien ausmachen, die ein 3D-Druck-Material für die additive Fertigung in der Zahnmedizin erfüllen muss. 

1. Biokompatibilität
• Laut der aktuell gültigen Europäischen Medizinprodukteverordnung (auch Medical Device Regulation oder MDR) muss jedes Produkt, dass in der Medizin direkt oder indirekt am Patienten Anwendung findet, eine Biokompatibilität aller Materialien nachweisen können. Damit ist der Effekt gemeint, den das Produkt auf ein biologisches System hat. Das Material für den 3D-Druck in der Zahntechnik muss biokompatibel sein. ISO 10993 bietet einen solchen Nachweis.
2. Reines Material
• Bei dem Material muss es sich um reines Material handeln, sollte also nur aus einer Materialart bestehen und nicht verschiedene Materialien bündeln. 
3. Mechanische und thermale Festigkeit
• Das verwendete Material muss bestimmte Widerstände sowohl im mechanischen als auch im thermalen Bereich aufweisen, um ungewollte Verformungen des Produktes durch Faktoren wie Wärme, Zugkräfte oder Druckkraft zu verhindern. 
4. Kompatibilität mit Sterilisationsprozessen
• Ebenfalls müssen die Materialien sich oftmals für die Verwendung in Sterilisatoren eignen. Besonders Zahnersatz muss zwingend steril geliefert werden, um eine Infektion beim Einsetzen oder Tragen des Produktes zu unterbinden. Ebenfalls müssen Faktoren wie die Reinigung bei Voll- oder Teilprothesen bedachte werden.

Wie bereits erwähnt, eignet sich nicht jedes Material für jedes dentale 3D-Druck-Verfahren. Für einen Überblick haben wir die folgende Übersicht zusammengestellt, die relevante Materialien zu den unterschiedlichen Druckverfahren (siehe nächsten Absatz für detaillierte Informationen zu den einzelnen Verfahren) zuordnet.

*die über eine technische und medizinische Zulassung verfügen

3D-Druck-Produktionsverfahren in der Zahnmedizin

Wie auch bei gewöhnlichen Büro-Druckern gibt es bei den Dental-3D-Druckern in der Zahnmedizin verschiedene Druckverfahren, die mit unterschiedlichen Pro- und Kontra-Punkten einhergehen. Nicht jedes 3D-Druckverfahren eignet sich für jedes Produkt und wie bereits erwähnt muss auch das Druckmaterial den Anforderungen gerecht werden. Im Folgenden stellen wir die verschiedenen Druckverfahren von Dental-3D-Druckern vor und geben einen kurzen Überblick über Produktarten der Zahnmedizin, die sich mit den jeweiligen Verfahren drucken lassen.

Fused Filament Fabrication (FFF)

Bei dem Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren wird das Material erhitzt und geschmolzen, sodass es anschließend im so genannten Schichtaufbauverfahren wieder Schicht für Schicht auf die Druckfläche aufgetragen wird und dort erstarrt, um so das zu druckende Objekt zu erschaffen. Dieses Verfahren ist ebenfalls unter dem Namen Fused Deposition Modeling (FDM) oder zu Deutsch als Schmelzschichtung bekannt. Mittels FFF lassen sich Objekte äußerst kostengünstig herstellen und benötigen in der Regel keine Nachbearbeitung. Auf der anderen Seite sind die FFF geeigneten Materialien nicht biokompatibel, der Druck zu ungenau und die Produktion benötigt im Vergleich mit anderen Verfahren deutlich mehr Zeit. Eine Ausnahme bildet das Material Polyetheretherketon (PEEK), mit dem sich aufgrund der Verfahrens- und Biokompatibilität über FFF 3D-Druck ebenfalls dentale Medizinprodukte herstellen lassen. Dieses 3D-Druckverfahren gilt als Einstieg in die additive Fertigung.

Anwendungsbeispiele: Kieferorthopädische Zahnmodelle

Stereolithographie (SLA)

Bei der Stereolithographie (SLA), auch bekannt als Rapid Prototyping Verfahren, wird ein lichtaushärtender Kunststoff (wie bspw. ein künstliches Harz) verwendet, das auf der Druckfläche über einen Wischer erst gleichmäßig in einer Schicht verteilt wird und anschließend selektiv von einem Laser ausgehärtet wird und dadurch erstarrt. Es gilt als ältestes 3D-Druckverfahren und ist aufgrund der jahrelangen Nutzung bereits gut erforscht. Das Verfahren ist sehr viel präziser als FFF und eine der besten Nachbearbeitungen von Objekten. Aufgrund der soliden Druckvolumen, die erzielt werden können, und der großen Materialvielfalt, die aufgrund der Harz-Basis größtenteils biokompatibel sind, hat sich die Stereolithographie als Spitzenreiter im 3D-Druck der Zahntechnik etabliert. Materialien lassen sich schnell und unkompliziert durch den Wechsel des Harztanks und der Patrone durchführen. Die einfache Handhabung, das kompakte Design der Stereolithographie 3D-Drucker und das Preis-Leistungs-Verhältnis machen SLA-Drucker sowohl für Praxen als auch für Dentallabore äußerst attraktiv.

Anwendungsbeispiele:  Kronenmodelle, Brückenmodelle, Schienen

Digital Light Processing (DLP)

Das Digital Light Processing Verfahren folgt grundlegend den gleichen Prinzipien wie die Stereolithographie und bietet dadurch ebenfalls die gleich Vorteile: platzsparende 3D-Drucker, großer Materialvielfalt häufig mit Biokompatibilität und soliden Druckmengen bei hoher Präzision der Produkte. Allerdings wird hierbei der Laser aus dem SLA-Verfahren durch einen digitalen Projektor ersetzt, der für die Aushärtung des Materials zuständig ist. Im Gegensatz zu dem selektiven Aushärten durch einen Laser wird mit dem Projektor die gesamte Schicht ausgehärtet, was zu einer schneller Fertigung führt. Verglichen mit SLA-Druckern sind 3D-Drucker mit Digital Light Processing deutlich teurer in der Anschaffung und haben einen Hang zu Voxelllinien (rasterförmige Schichten aus kleinen Blöcken), die eine Nachbearbeitung der Oberfläche erschweren bzw. verschlechtern.

Anwendungsbeispiele: Kronenmodelle, Brückenmodelle, Schienen

Material-Jetting - PolyJet- und MultiJet-Modeling (PJM/MJM)

Dieses 3D-Druckverfahren arbeitet ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker und sprüht künstliches Harz schichtweise auf eine Fläche. Dieses wird anschließend über UV-Licht ausgehärtet. Während das PolyJet-Modeling (PJM) auf ein Material setzt, können beim MultiJet-Modeling (MJM) zwei verschiedene Materialien im selben Druckvorgang miteinander kombiniert werden. Beim Material-Jetting Verfahren können sehr große Druckvolumen erreicht werden, die allerdings trotz der höheren Genauigkeit verglichen mit FFF trotzdem einer intensiven Nachbearbeitung bedürfen. Hinzu kommt, dass die Material-Jetting 3D-Drucker aufgrund der voluminösen Größe nicht für den Einsatz in der Praxis geeignet sind, sondern eher in Dentallaboren. Ebenso fallen deutlich höhere Anschaffungskosten an. Durch die Verwendung von geschützten Materialien bewegt sich die Kostenkomponente des Druckmaterial ebenfalls im oberen Spektrum. 

Anwendungsbeispiele: kieferorthopädische Modelle, Teilprothesen, Implantat-Planung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich alle oben genannten Verfahren des 3D-Drucks in der Zahntechnik für bestimmte Teilbereiche der Zahnmedizin eignen und in jedem Fall individuell die Wahl des richtigen Verfahrens für die jeweiligen Zwecke erfolgen muss. Um einen besseren Vergleich der unterschiedlichen Verfahren zu ermöglichen, hilft die folgende Übersicht angelehnt andie Daten von formlabs:

Vorteile des dentalen 3D-Drucks in der Zahntechnik

Wie bereits klargestellt wurde, bietet die additive Fertigung im Bereich der Dentaltechnik enorme Chancen für die Zahnmedizin. Die folgenden Aspekte sind dabei als die klaren Vorteile des 3D-Drucks in der Zahntechnik auszumachen.

Günstige Fertigung

Im Vergleich zu den herkömmlichen Kosten die für Medizinprodukte in der Dentaltechnik anfallen, stellen die Produkte der additiven Fertigung eine deutlich günstigere Alternative dar. Dies liegt zum einen an der günstigeren Materialien, die beim 3D-Druck zum Einsatz kommen, aber auch an den kürzeren Prozessen, die weniger Kosten verursachen. Aufgrund der hohen Vielfalt an Materialien lassen sich dabei wichtige Faktoren, wie die Langlebigkeit, präzise Fertigung und optische Eigenschaften weiterhin auf höchstem Niveau berücksichtigen.

Kürzere Produktionszeiträume

Während der logistische Aufwand hinter den herkömmlichen Fertigungsprozessen von Zahnersatz sehr zeitintensiv ist, lassen sich die gleichen Produkte über digitale Postwege oder inhouse Fertigung deutlich reduzieren, sodass Patienten äußerst schnell geholfen werden kann. Durch mehr Autonomie machen sich die beteiligten Parteien außerdem unabhängiger voneinander, was zu einer höheren Versorgungssicherheit führt.

Materialreduzierung im Fertigungsprozess

Die bislang üblichen Herstellungsverfahren von dentalen Medizinprodukten setzen auf eine subtraktive Fertigung, also auf das Herausarbeiten der Produkte aus dem Material durch Schleifen, Fräsen und ähnliche Methoden. Das abgetragene Material geht dabei verloren. In der additiven Fertigung wird das Material zugeführt und dadurch auch nur das verwendet, was für das Produkt notwendig ist. 

Schnelle Amortisierung von Dental-3D-Druckern in der Zahnmedizin

Obwohl sich einige Vorteile bereits klar abzuzeichnen scheinen, gibt es dennoch einige Nachteile bzw. Risiken, die durch den Einzug des 3D-Drucks in der Zahnmedizin auftreten und die es zu beachten gilt.

Nachteile des 3D-Drucks in der Zahntechnik

Systemkomplexität

Das Arbeiten mit einem Dental-3D-Drucksystem muss erlernt werden. Dafür bieten die Hersteller und Händler in der Regel Schulungen und Fortbildungen, die sowohl vor Ort als auch online wahrgenommen werden können. Besonders der Umgang mit der dentalen 3D-Designsoftware CAD/CAM erfordert besonderes Training und Einarbeitung. Diese Kapazitäten müssen Zahnarztpraxen, Kieferorthopäden oder Dentallabore auch zur Verfügung haben bzw. frei machen können.

Weitreichende Investitionskosten

Obwohl es schon einige günstige 3D-Drucker für die Zahntechnik gibt, liegen die Kosten vieler Geräte im unteren fünfstelligen Bereich. Darüber hinaus müssen weitere Kosten bei der Anschaffung berücksichtigt werden. Dazu gehören z. B. die Kosten für einen 3D-Scanner (sofern noch nicht vorhanden), der mit den digitalen Aufnahmen des Patienten die Basis für die CAD/CAM Einspeisung bildet. Ebenfalls können weitere Kosten durch zusätzliche Soft- und entsprechende Hardware, Schulungen und Service- bzw. Wartungskosten anfallen. 

Preise und Hersteller von Dental-3D-Druckern für die Zahnmedizin

Aufgrund des großen Potentials der additiven Fertigung in der Dentaltechnik, werden immer weitere Verfahren, Materialien und Geräte entwickelt, um das Anwendungsspektrum zu verbessern und zu vergrößern. Es ist daher nicht verwunderlich, dass es eine Vielzahl von Anbietern gibt, die sich auf verschiedene Materialien oder Druckverfahren spezialisiert haben. In der nachfolgenden Liste finden Sie Informationen zu den wichtigsten Herstellern.

Hinweis: Sie müssen mit Zusatzkosten rechnen, denn neben dem dentalen 3D-Drucker werden für den gesamten Herstellungsprozess weitere Geräte benötigt. Dazu gehören unter anderem ein Scanner zum Erfassen der Patientendaten, eine CAD/CAM Design-Software und entsprechende Hardware zur Erstellung der digitalen Modelle, ein Nachhärtungs-Gerät zum endgültigen Aushärten der Materialien und ein Reinigungsgerät zur sauberen Aufarbeitung des Produkts vor dem Einsatz am Patienten. 

Worauf Sie beim Kauf eines Dental-3D-Druckers in der Zahntechnik achten sollten

Der Einstieg in die additive Fertigung kommt neben den Chancen auch mit neuen Herausforderungen. Besonders beim Kauf ist Neueinsteigern nur selten klar, worauf sie beim Kauf eines 3D-Druckers für die Zahntechnik achten müssen. Obwohl die meisten Hersteller in der Regel die technischen Parameter ihrer Produkte bekannt geben, müssen diese auch richtig interpretiert werden können. Um die verschiedenen 3D-Drucker vernünftig bewerten zu können, um eine Kaufentscheidung zu treffen, sollten Sie daher auf die Punkte achten, die wir in diesem Kapitel für Sie zusammengetragen haben.

Tipp: Häufig sind die technischen Kennzahlen die praxisnahen Leistungen, sondern geben Ober- und Untergrenzen an, die das Gerät erreichen kann. Daher sollten die Daten immer als Marketing Maßnahme betrachtet werden und nicht als einziges Kriterium für die Beurteilung des Geräts dienen

Präzision an Beispieldrucken festmachen

Wie bereits beschrieben, bieten die technischen Daten aus den Herstellerangaben zwar ein Orientierungsmerkmal, allerdings sollten Sie diesen Angaben immer kritisch gegenüber stehen. Besonders bei der Definition von Präzision gehen die reale Performance und die technischen Daten nicht immer Hand in Hand. Der Grund dafür liegt darin, dass die Genauigkeit und Detailliertheit der Produkte in der Regel auf den gesamten Druckprozess und dessen Kalibrierung zurückzuführen ist und nicht nur auf die allseits beliebte Pixelgrößen-Angabe (die auch einen Extremwert darstellen kann). Dies bestätigt auch eine unabhängige Studie von The Ortho Cosmos, die sich mit der Genauigkeit von dentalen 3D-Druckern beschäftigt hat. 

Bestellen Sie daher immer Probedrucke von den Produkten, die Sie in Ihrer Zahnarztpraxis oder Ihrem Dentallabor fertigen wollen. Alternativ oder bestenfalls zusätzlich können Sie 

Genauigkeitsstudien anfragen, die auf echten Scan-Daten basieren. Ein Scan ermöglicht die Oberflächen-Analyse eines 3D-Druck Objekts und kann bestimmen, in welchen Bereichen die Pixelgröße wirklich den angegebenen Daten entspricht. Im Idealfall lassen Sie ein fertiges Produkt aus Ihrem Hause bei den potentiellen Händler kopieren und entscheiden auf Basis des Probedrucks und der Genauigkeitsstudie des gefertigten Objekts über die praxisnahe Auflösung bzw. den Detailgrad.

Intuitive Bedienung und hohe Zuverlässigkeit priorisieren

Der Drucker sollte sich möglichst leicht und intuitiv bedienen lassen, denn dadurch lässt sich die Einarbeitungszeit Ihrer Mitarbeiter deutlich reduzieren. Auch die Installation kann bei einigen Geräten über eine mitgelieferte Anleitung selbst durchgeführt werden, während komplexe 3D-Drucker oftmals einen Service-Techniker erfordern. Versuchen Sie sich über Erfahrungsberichte, Tutorial-Videos oder den Austausch mit Hersteller bzw. Händler über die jeweilige Lernkurve zu erkundigen.

Ebenso spielt die Zuverlässigkeit des Dental-3D-Druckers besonders in der Zahntechnik eine große Rolle, da die Vorteile von kurzen Transportwegen und schnelleren Produktionszeiten sonst nicht richtig genutzt werden können. Im Vergleich zu älteren Modellen besteht bei den heutigen 3D-Druckern nur noch eine geringe Fehldruck-Quote. Stellen Sie durch Studienergebnisse oder ähnliche Quellen im Voraus fest, wie es um die Zuverlässigkeit des Druckers steht und welchen Service der Anbieter im Falle eines technischen Problems mit dem Gerät anbietet.

Schnelle Amortisierung von dentalen 3D-Druckern beachten

Trotz der Chancen und Vorteile eines 3D-Druckers sollten Zahnarztpraxen, Kieferorthopäden und Dentallabore ebenfalls über die Amortisierung des Geräts nachdenken. Diese kann sich zwischen den einzelnen Geräten und Anwendungsgebieten stark unterscheiden. Einzurechnen sind dabei neben den gesamten Anschaffungskosten inkl. Installation, Einrichtung und Schulung ebenfalls die Service und Wartungskosten, sowie die Betriebskosten. Während beim Service und der Wartung darauf geachtet werden sollte, dass keine “Knebelverträge” Teil des Angebots sind, bei dem mitunter zweistellige Prozentsätze der Anschaffungskosten als jährliche Service Pauschale berechnet werden, sollten die Betriebskosten am Materialverbrauch festgemacht werden. Betrachten Sie daher etwaige Serviceverträge und stellen Sie sicher, dass die kompatiblen Materialien verfügbar sind sich preislich in einem adäquaten Rahmen bewegen.

Tipp: Häufig lässt sich der Zeitraum bis zum Return-of-Investment (ROI) durch kleinere Geräte mit hoher Präzision unter optimalem Einsatz auf einige Monate verkürzen, da diese preislich meist günstiger ausfallen, während große und komplexe 3D-Drucker für die Zahntechnik deutlich länger brauchen, um sich zu amortisieren.

Hohe Materialkompatibilität verbessert Einsatzmöglichkeiten

Achten Sie bei der Wahl des Druckers auf die Auswahl und Verfügbarkeit der kompatiblen Materialien. Je höher die Materialkompatibilität eines 3D-Druckers ist, desto mehr Hersteller kommen bei der Beschaffung der Fertigungsmaterialien in Frage und es herrscht größere Konkurrenz unter den Herstellern am Markt, was für Kunden langfristig in der Regel zu besseren Preisen führt. Außerdem kann die Anzahl der verschiedenen kompatiblen Materialien die Anwendungsmöglichkeiten des Dental-3D-Druckers erweitern und somit noch besser an Ihrem Standort eingesetzt werden. 

Tipp: Achten Sie unbedingt auf die Biokompatibilität der möglichen Materialien, da der Großteil der Dental-Produkte als Medizinprodukt gilt und somit besondere Anforderungen an die Materialien gestellt werden (siehe obiges Kapitel zu Materialien im 3D-Druck für Zahntechnik).