Die Zahnmedizin betritt die digitale 3D-Welt
Eine von Everest-System von KaVo fertiggestellte Krone.
“Digital” und “Zahnmedizin” sind zwei Begriffe, die man nicht unbedingt zusammen in einem Satz erwarten würde. Aber wenn ein Unternehmen mit dem Namen KaVo sich durchsetzt, werden diese beiden Worte für Zahntechniker in aller Welt zu Synonymen.
Zahntechniker verlassen sich traditionell auf ihre ruhigen Hände und exzellenten Augen, um Kronen, Brücken, Inlays, Onlays, Verblendungen und Kronengerüste anzufertigen. Obwohl Zahntechniker oft als Künstler angesehen werden, sind die manuellen Prozesse zeitaufwendig und ungenau und erfordern Materialien, die möglicherweise nicht die beste Dauerfestigkeit oder Ästhetik bieten.
Von Autos zu Kronen
Das in Leutkirch angesiedelte Unternehmen KaVo ist ein Pionier für die digitale Herstellung von Dentalvorrichtungen, die durch eine Automatisierung des Prozesses und das Überflüssigmachen von Einstellanforderungen Zeit sparen. Der neue Herstellungsprozess ermöglicht außerdem die Verwendung verbesserter Materialien, die im herkömmlichen, manuellen Prozess nur schwer oder gar nicht einsetzbar waren.
KaVo hat viele digitale Konstruktionstechnologien übernommen, die traditionell von der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet werden. Der Bedarf an individualisierten Produkten jedoch stellt für die Zahntechnikindustrie eine einzigartige Herausforderung dar.
KaVo stellt sich dieser Herausforderung mit einem digitalen Prozess, der die Konstruktion und Herstellung individualisierter Dentalvorrichtungen schnell und in großen Stückzahlen erlaubt. Das schlüsselfertige Dentalsystem mit dem Namen Everest basiert auf dem Wissen und dem Feedback von Zahntechnikern, die seit mehr als 20 Jahren für KaVo arbeiten. Im Herzstück des Systems befindet sich Software, die speziell für die Zahntechnikindustrie von Geomagic produziert wurde. Die Technologie von Geomagic wird weltweit von Herstellern zur Großserienfertigung von kundenangepassten Vorrichtungen, auftragsspezifischen Herstellungsaufträgen und der automatischen Wiederherstellung physischer Teile und Formen eingesetzt.
Das vollständig digitale Everest-System ermöglicht das Design und die Produktion von Zahnersatz in großen Stückzahlen.
Seit deren Einführung im April 2002 wurden etwa 180 Everest-Systeme in Europa, den USA, Neuseeland, Australien, China und Japan in Betrieb genommen. Dentallabors können sämtliche Arbeiten am Standort durchführen, was eine verbesserte Kontrolle über die Produktionszeitpläne und die Qualität ermöglicht.
“Wir bringen die Zahntechnik in die digitale Zukunft,” sagt Max Mohr, Geschäftsführer von KaVo. “Die in Everest enthaltene Technologie garantiert höchste Qualität in weniger Zeit, schafft damit größere Gewinne für unsere Kunden und mehr Nutzen für die Patienten.”
Ein 3D-Scanner kann ein Modell eines Zahnstumpfes in etwa drei Minuten mit einer Genauigkeit von 20 Mikrometern darstellen.
Die Scansoftware richtet 15 verschiedene Scans automatisch zueinander aus und optimiert die Oberflächen.
Eine Kaufläche wird aus Titan erstellt.
Eine Klemme hält einen Zwei-Brücken-Zahnersatz, während dieser von einem Fräs- und Schleifsystem mit fünf Arbeitsachsen bearbeitet wird.
Eine Wachskrone wird mit einem sehr feinen Raster gescannt, um absolute Genauigkeit sicherzustellen.
Aus den Scandaten werden automatisch Oberflächen generiert. Die Software erkennt außerdem automatisch die Präparationslinie vom gescannten Zahnstumpf.
Das abschließende CAD-Modell einer Brückenkonstruktion, das zum CAM-Modul weitergegeben werden kann.
Foto mit freundlicher Genehmigung von Kavo
Der neue Prozess
Wie jede andere zahntechnische Prozedur beginnt auch der KaVo-Prozess im Behandlungsstuhl der Zahnarztpraxis. Wenn z. B. eine Krone erforderlich ist, wird der beschädigte Zahn des Patienten geschliffen und ein Kunststoffabdruck angefertigt. Der Abdruck wird an das Dentallabor geschickt; dort fertigt ein Zahntechniker ein Keramik-Mastermodell an. Außerdem wird mithilfe konventioneller Methoden eine Krone aus Wachs gefertigt.
Der Everest-Prozess beginnt mit einem 3D-Scanner, der innerhalb von drei Minuten ein Modell eines Zahnstumpfes mit einer Genauigkeit von Mikrometern abbildet. Dieser Scanner ist einfach aufgebaut, klein und beinhaltet einen kippbaren Drehteller. Ein einfacher Druck auf eine Taste setzt den Scanner in Bewegung. Er bildet Daten aus verschiedenen Winkeln ab und bildet dabei 15 Punktwolken.
Der nächste Schritt besteht darin, diesen Auftrag mit der Everest-Steuersoftware zu verarbeiten, die auf dem mit dem Scanner verbundenen Computer vorinstalliert ist. Die Steuersoftware hat vier Module: Scan, Surface, CAD und CAM.
Das Scanmodul ist die Benutzerschnittstelle zur Scaneinheit. Mit nur wenigen menügeführten Schritten kann der Bediener den Scanprozess für Keramik- und Wachsmodelle steuern. Für den direkten Scan von Produktionsbedeckungen verwendet KaVo einen Spezialgips, welcher eine reflektionslose Belichtung zulässt, um so eine zuverlässige Messung ohne glänzende Oberflächen zu garantieren. Die Scandaten werden automatisch zum Surfacemodul geleitet.
Das Surfacemodul enthält eine spezielle Version der Software Geomagic-Studio. Diese von der Firma Geomagic, einem in den USA im Research Triangle Park, N.C., ansässigen Unternehmen hergestellte Software ist das Herzstück dieses individuellen Herstellungsprozesses. Die Geomagic-Software ermöglicht den Herstellern die Erstellung einer genauen digitalen Darstellung eines physischen Teiles oder Gegenstandes sowie das Einbeziehen aller zur Großserienproduktion individualisierter Teile erforderlichen Hard- und Softwarekomponenten.
Im Fall einer neuen Krone werden zwei Datensätze in das Surfacemodul importiert: Das Mastermodell des Zahnstumpfes und das Wachsmodell der Krone. Der erste Schritt besteht aus der Ausrichtung von 15 verschiedenen Scans des Zahnstumpfes in Relation zur Oberfläche der Krone und der Zusammenstellung von Zahnstumpf und Krone in die gleiche Ausrichtung. Dadurch wird die Basis der automatisch durchgeführten mathematischen Oberflächenberechnung geschaffen. Auf dem Zahnstumpf wird automatisch eine Präparationslinie erkannt; die Krone wird anhand dieser Linie geschnitten. Dann werden Zahnstumpf und Krone ausgerichtet und automatisch justiert.
Alle Oberflächenoperationen können für bedienergestützte Modifikationen automatisch oder interaktiv durchgeführt werden. Brücken werden mithilfe eines ähnlichen Prozesses hergestellt. Sobald die Kronen- oder Brückenoberfläche präpariert ist, wird die Datei an das CAD-Modul weitergeleitet.
Das CAD-Modul ermöglicht den Bedienern, die endgültigen Bedeckungen oder Brücken auf dem Computerbildschirm zu konstruieren. Die Software positioniert das digitale Modell automatisch die Schnittdaten und passt es an die Gummioberfläche an. Außerdem kann das Modell individuell positioniert oder skaliert werden. Die fertige Konstruktion ist jetzt für das CAM-Modul bereit.
Das CAM-Modul berechnet automatisch und unter und berücksichtigt dabei die für das verwendete Material spezifischen Verarbeitungseigenschaften. Anschließend werden die Daten über eine Ethernet-Verbindung oder ein TCP/IP-Protokoll zum CNC-System transferiert.
Das Everest Engine genannte CNC-System ist eine computerisierte Schneid- und Schleifmaschine mit 5 Bearbeitungsachsen. Drei Achsen definieren den horizontalen und vertikalen Verfahrweg; die zwei verbleibenden Achsen definieren den Schwenkbereich der Klemmbrücke und den Drehbereich der Spindel und des Werkzeuges. Eine Spindel mit zwei Werkzeugen und eine schwenkbare Klemmbrücke machen den Werkzeugwechsel während der Bearbeitung überflüssig und erlauben die gleichzeitige Herstellung von entweder vier einzelnen Werkstücken oder zwei Brückenkonstruktionen.
Bei keramischen Werkstücken ist die Sinterung von Materialien der letzte Schritt im Prozess. Er wird mit einer mikroprozessorgesteuerten Thermoeinheit durchgeführt. Die Bediener öffnen die vordere Tür mit einer aufwärtsgerichteten Bewegung, laden die Werkstücke auf Brenntabletts und stellen diese in die Einheit hinein. Die Thermoeinheit kann mit einem entfernbaren Steuergerät leicht eingestellt und vom Bediener neu kalibriert werden. Der Sinterprozess dauert etwa 12 Stunden.
Nach Ende des Prozesses kann das fertiggestellte Stück dem Patienten eingesetzt werden. Es gibt kein überschüssiges Material zu entfernen; das digitale Modell garantiert einen perfekten Sitz.
Qualität und Präzision
Der digitale Prozess verbessert die Qualität und die Präzision; das sagt der KaVo-Ingenieur Siegfried Gaile. Bei der Anfertigung von Kronen mussten bisher z. B. verschiedene Materiallagen übereinander gebrannt werden. Diese Schichtmethode vergrößert die Bruchgefahr. Mit dem Everest-System kann das Material entsprechend homogen programmiert werden, wodurch das Risiko des Brechens der Krone im Mund verringert wird.
Dieses System verbessert nicht nur die Qualität, sondern gibt den Technikern auch die Möglichkeit, exakte Messungen zu berechnen – ein wichtiger Faktor beim Einpassen von Zahnersatz. Im Fall einer Dreipunktbrücke müssen zwischen die Bedeckungen zur rechten und zur linken Seite der Krone Konnektoren eingesetzt werden. Die Messungen für diese Konnektoren müssen so präzise sein, dass ein Zerbrechen im Mund unmöglich gemacht wird – für Zirkonium müssen sie beispielsweise mindestens 9 mm² groß sein.
“Herkömmliche Methoden ermöglichen keine genauen Berechnungen, also müssen die Techniker schätzen,” erläutert Gaile. “Die mathematische abgeleitete Definition des mit dem Everest-System produzierten digitalen Modells ermöglicht den Technikern dagegen die Eingabe der gewünschten Maße. Sie können dann sicher sein, dass alle Konnektoren auf den Millimeter genau die richtige Größe haben.”
Überlegene Materialien
Das Everest-System öffnet auch die Tür für die Verwendung überlegener Materialien, da es nur wenige der Beschränkungen aufweist, mit denen der manuelle Guss und das manuelle Finishing zu kämpfen haben. KaVo liefert Materialien wie z. B. Titan für Kronengerüste, leucitverstärkte Glaskeramik, vorgesintertes und gesintertes Zirkoniumoxyd.
“Der digitale Prozess ermöglicht uns die Verwendung hochentwickelter Materialien, die nicht in herkömmliche Techniken eingebunden werden können,” erläutert Martina Kürzinger, Produktmanagement bei KaVo. “Das Kronengerüst einer Brücke beispielsweise kann statt aus dem herkömmlichen Metall aus einem wesentlich attraktiveren Keramikmaterial hergestellt werden.”
Eine neue, von KaVo verwendete Glaskeramik kann einen Druck von bis zu 1200 Megapascal (MPa) aushalten. Dies ist mehr als genug, um im Gerüst von Brücken verwendet werden zu können.
Dreifache Produktionssteigerung
Die bessere Qualität und die besseren Materialien der digitalen Zahntechnik werden nicht auf Kosten der Produktivität gewonnen. Die Automatisierung eliminiert manuelle Arbeitsschritte und unvermeidliche menschliche Fehler. Dies erbringt - im Vergleich zu der Menge, die ein Zahntechniker in einer vorgegebenen Zeit produzieren kann - eine Verdreifachung der Anzahl produzierter Qualitätsteile.
Bei konventionellen Methoden dauert der Bau eines Titangerüstes etwa eine Stunde; das Everest-System benötigt nur 20 Minuten. Die Produktion einer Glaskeramik-Vollkrone dauert mit herkömmlichen Methoden fast zwei Stunden; das Everest-System braucht hier weniger als 45 Minuten. Und das fertige Produkt besteht aus höherwertigeren Materialien.
Neudefinition der digitalen Zahntechnik
Die kontinuierliche Entwicklungsarbeit bei KaVo wird weitere Verbesserungen bringen, die den Prozess noch einfacher und automatisierter machen werden; dies wird Zahnersatz hervorbringen, der an den individuellen Patienten besser und genauer angepasst ist.
“Wir arbeiten kontinuierlich an neuen Fähigkeiten, die den Prozess verbessern,” verrät Mohr. “Die digitale Zahntechnik steckt noch in den Kinderschuhen; sie erfüllt jedoch bereits jetzt ihr Potential, den Produktionsprozess für die Zahntechniker dramatisch zu verbessern und bessere Endprodukte für die Kunden hervorzubringen.”
