CAD/CAM

EMF-Restaurationen CAD/CAM-gestützt gefertigt – Eigen- oder Fremdfertigung?

Die Sinnhaftigkeit im Auge behalten

Ein Beitrag von Ludwig Schultheiss

Themen:  CAD/CAM, CAD/CAM

EMF-Versorgungen sind gefragt, häufig aus CoCr-Legierungen. Und auch wenn es niemand so richtig zugeben möchte, sprechen die Zahlen eine eindeutige Sprache: „Stahl“ ist aus dem zahntechnischen Arbeitsalltag nicht mehr wegzudenken. Warum das so ist, soll an dieser Stelle gar nicht diskutiert werden. Doch wie kommt man als Labor zu EMF- Restaurationen? Dass die CAD/CAM-Technik sicher einen entscheidenden Beitrag zum Siegeszug der CoCr-Verarbeitung beigetragen hat, ist unbestritten. Ludwig Schultheiss geht in diesem Artikel daher der Frage nach, ob diese CAD/CAM-gestützte Fertigung besser in- oder outhouse stattfinden sollte.

Trotz des anhaltenden Hypes um das ­Thema Vollkeramik werden Edelmetallfreie Le­gierungen (EMF) weiterhin konstant in der Prothetik nachgefragt. Ob zur Fer­tigung von Modellgussstrukturen oder als Aufbrennlegierung für die keramische Verblendung, kommen sowohl in Deutschland als auch in Europa heute primär Legierungen aus ­Kobalt-Chrom (CoCr) für die Basisversorgung zum Einsatz.
Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung und des damit einhergehenden Einsatzes von CAD/CAM-Technologien werden diese Metallrestaurationen immer seltener analog gefertigt. Die Vielzahl an manuellen Arbeitsschritten – aufwachsen, anstiften, einbetten, aufheizen, Material schmelzen und letztendlich mithilfe einer Zentrifuge der eigent­liche Guss – sowie die Gefahr von Lunkern sorgen dafür, dass die klassische analoge Fertigung für viele immer unattraktiver wird. Insbesondere, wenn es um eine Vielzahl an Einheiten oder Gerüste über größere Spannweiten geht.
Kronen- und Brückengerüste sowie Modellguss-Strukturen lassen sich heute mithilfe von Scannern und CAD-Software schnell und einfach digital gestalten und können im Anschluss mittels der unterschiedlichsten Fertigungstechnologien – subtraktiv oder additiv – umgesetzt werden.

EMF-Versorgungen – abtragende (subtraktive) Verfahren

Insbesondere Kronen- und Brückengerüste aus EMF-Legierungen werden heute meist frästechnisch hergestellt. Dabei kommen bei kleinen und mittelständischen Laboren in der Regel sogenannte Desktop-CNC-Maschinen zum Einsatz, die ursprünglich für die CAD/CAM-gestützte Fertigung von Zirkonoxid-Versorgungen angeschafft wurden. Die meisten dieser heute im Dentallabor installierten „dentalen“ Fräsmaschinen sind für die Verarbeitung von CoCr-Legierungen technisch nicht optimal ausgelegt. Insbesondere, wenn größere Stückzahlen von EMF-Restau­ra­tionen gefräst werden sollen. Die Härte des Materials fordert lange Fräszeiten und sorgt für einen hohen Verbrauch an teuren Werkzeugen und eine starke Abnutzung der Maschinenspindeln. Auch sind unter Umständen aufgrund der extremen Beanspruchung häufigere Wartungseinsätze seitens des Maschinenherstellers erforderlich.
Des Weiteren sind neben dem Werkzeug- und Maschinenverschleiß auch die Kosten beim Fräsen extrem hoch – insbesondere wenn man das Thema Materialverlust in Betracht zieht. Eine CoCr-Standardronde mit einer Höhe von 12 mm und einem Durchmesser von 985 mm weist ein Gewicht von etwa 770 g auf. In der Regel lassen sich aus einer solchen Ronde durchschnittlich 30 EMF-Einheiten fräsen. Eine CoCr-Einheit wiegt je nach Situation zwischen 2 und 5 g, was folglich bedeutet, dass beim abtragen­den Verfahren lediglich 10 bis 20 Prozent des Materials tatsächlich für die dentalen Strukturen genutzt werden. Die verbleiben­den 80 bis 90 Prozent sind somit als Materialver­lust zu deklarieren. Bei einem derartigen Ver­hält­nis ist es schwierig, von einer effizien­ten Produktionslösung zu sprechen.
Fräsmaschinen, die zur Verarbeitung dieser harten Legierungen besser geeignet sind, findet man häufig in der industriellen dentalen Fertigung. Mit diesen Maschinen können hochglänzende, meist sehr gut passende Ergebnisse mit glatter Oberfläche aus industriegefertigten Ronden gefräst werden. Die Anschaffung derartiger Maschinen beginnt jedoch meist mit einer Investition im sechsstelligen Bereich. Das sind Summen, die für den Fertigungsbedarf eines mittelständischen Labors meist viel zu hoch gegriffen sind und nur bei einer entsprechenden Auslastung sinnvoll wären.

Die wirtschaftliche Fertigung von gefrästen CoCr-Gerüsten kann heute somit eigentlich nur noch ein hochspezialisiertes dentales Fertigungszentrum leisten. Aufgrund des Auftragsvolumens können die teuren indus­triellen CNC-Maschinen ausgelastet, Wartungskosten minimiert und Materialien in hohen Stückzahlen kostengünstiger eingekauft werden.

Am Computer mit der exocad DentalCad-Software konstruierte Restauration. Der technologische Fortschritt macht es möglich, dass zunehmend auch Zahnersatz aus EMF-Legierungen CAD/CAM-gestützt gefertigt wird. (© exocad GmbH)

Ein mittels additivem Verfahren gefertigter Zahnersatz in seinen Entstehungsstufen: Das Gerüst wird nach der Lasersinterung ausgearbeitet und schließlich verblendet. (© EOS GmbH)

In dieser Grafik ist das durchschnittliche Verhältnis von Output und dem Materialverbrauch im subtraktiven Verfahren, bezogen auf eine Standard-CoCr-Ronde, dargestellt.

Vor- und Nachteile gefräste EMF-Strukturen (subtraktive Fertigung)

homogene Oberfläche
sehr gute Passung ⊕ geringe Nachbearbeitung
Hoher Maschinen- und Werkzeugverschleiß
Unbefriedigendes Output-/ Material-Verhältnis
Geringe Stückzahl = teure Herstellung (Stückkosten)

EMF-Versorgungen – auftragende (additive) Verfahren

Eine weitere, durchaus attraktive Fertigungs­alternative im Bereich der EMF-Legierungen bietet die additive Fertigung. In der dentalen Fertigungslandschaft hat sich zur Produktion von Metallgerüsten die Lasersinter­tech­no­logie (SLM = Selective Laser Melting) weitestgehend durchgesetzt. Bei diesem Verfahren wird CoCr in Form von feinkörnigem Pulver von einen Laserstrahl schichtweise verschmolzen. Die so zu fertigenden Restau­rationen werden dabei mithilfe von Stützstrukturen (sogenannten Supports) mit der Bauplatte verbunden, um die durch den Lasereintrag entstehende Energie abzulei­ten und insbesondere bei größeren Gerüsten Spannungsverzüge zu vermeiden. Im Nachgang wird die gesamte Bauplattform inklusive der darauf befindlichen, additiv aufgelaserten Restaurationen einer thermischen Behandlung bei etwa 800 °C unterzogen. Dadurch werden die Spannungen im Werkstück und Material weitgehend eliminiert. Im Anschluss werden die prothetischen Strukturen von der Bauplattform abgetrennt und die Supports manuell entfernt. Abschließend werden die Teile konventionell manuell überarbeitet und abgestrahlt. Die Vorteile der additiven Technologien basieren auf der Möglichkeit, individuelle Restaurationen in hohen Stückzahlen schnell CAD/CAM-gestützt herzustellen (etwa mittels EOS M270 – 400 Einheiten in 20 Stunden). Die fertigen lasergesinterten Restaurationen weisen überzeugende Teileeigenschaften hinsichtlich ihrer Dichte sowie Oberflächenrauigkeiten und gute Passungen von ± 20 µm auf. Derartige Passungen sind optimal für die konventionelle Befestigung mit Zementen geeignet. Das SLM-Verfahren ermöglicht insbesondere bei Brückengerüsten mit hoher Spannweite gute Passungsergebnisse. Zudem können bei hoher Auslastung der SLM-Maschinen die Stückkosten entsprechend reduziert und auch das Verhältnis Output/Materialverlust optimiert werden. Dabei ist der Materialverlust mit weniger als 10 Prozent sehr gering.

Vor- /Nachteile des Lasersinterverfahrens (additive Fertigung)

hohe Materialdichte (homogenes Material)
optimale Oberflächenrauigkeit
gute Passung – auch bei weitspannigen Brücken
effizientes Output-/Material-Verhältnis
wirtschaftliche Fertigung von großen Stückzahlen
hohe Anschaffungskosten für Maschinen/Pulver
Nachbearbeitungsaufwand
nicht populär

Anhand der hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten sowie der Produktions­­kapa­zität ist das Lasersinterverfahren primär für hochspezialisierte Fertigungsdienst­leister ge­eignet. Diese bieten heute meist weit­gehend zufriedenstellende lasersin­tergefertigte EMF-Restaurationen zu einem attraktiven Preis an. Je nach Anbieter ergeben sich aller­dings auch hier große Unterschiede hin­sichtlich der Oberflächenqualität der produzierten Teile.

Bei dem additiven Lasersinterverfahren (SLM = Selective Laser Melting) wird Metallpulver „selektiv“ aufgeschmolzen und das Werkstück so in der Z-Achse Schicht für Schicht aufgebaut. (© Infinident Solutions)

EMF-Versorgungen – hybride Fertigung

Aufgrund der genannten Vorteile ist das Lasersinterverfahren auch für die Her­stellung von implantatgestütztem Zahnersatz interessant, wie zum Beispiel einteilige, individuelle Abutments oder Stege und Implantatbrücken auf zwei oder mehreren Implantaten. Hier ist jedoch die geforderte Genauigkeit, die das Lasersinterverfahren für die Passungs­fläche des Implantats bietet, unzureichend. Die maschinelle subtraktive Nachbearbeitung, die eine Passung von < 10 µm und die entsprechende Implantat-Anschlussgeometrie garantiert, kann nur mithilfe von hochwertigen CNC-Maschinen mit integrierter Sensorik zur Nullpunkterfassung und ausgefeilter CAM-Software auf Industrieniveau adäquat umgesetzt werden. Diese Art der Hybridfertigung – also die Kombination additiver und subtraktiver Verfahren – wird zunehmend von hochspezialisierten zentralen Fertigungsdienstleistern angeboten. Die erfolgreiche Umsetzung setzt aber ein ganzheitliches Verständnis für die digitale Fertigung sowie Automatisierung voraus.

Dentale EMF-Restaurationen lassen sich somit auf verschiedene Art und Weise CAD/CAM-gestützt herstellen. Inwieweit sich die Eigenproduktion lohnt, ist nicht ganz eindeutig und am Ende immer eine Frage der Auslastung. Deswegen empfiehlt es sich, einen genaueren Blick auf die Wirtschaftlichkeit zu werfen.

Einer der Vorteile des Lasersinterverfahrens ist, dass mit einem Fertigungsprozess viel mehr Bauteile generiert werden können. (© EOS GmbH)

14-gliedrige Brücke, die mittels Lasersintertechnologie hergestellt wurde: Unten ist die noch unbearbeitete Brücke mit den Support-Strukturen und oben die ausgearbeitete Brücke dargestellt. (© EOS GmbH)

Schliffbilder einer gegossenen (li.) und lasergesinterten CoCr-Struktur. Bei der SLM-Probe im rechten Bild fällt die homogene Struktur auf (Vergrößerung 20 µm). (© EOS GmbH)

EMF-Versorgungen – Eigenfertigung vs. Zukauf

Die Studie „Make or Buy?“ von Ztm. ­Clemens Schwerin (Betriebswirt HwO, Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik Klinikum der Univer­sität München) hat das Thema Kostenvergleich der digitalen Eigenfertigung versus Zukauf von vollkeramischen (Zirkonoxid) und EMF- (CoCr) Restaurationen mit den unterschiedlichen CAD/CAM-Typen (Desktop-/Industriemaschine, Fräsen/Lasersintern) analysiert. In dieser Untersuchung wurden die jeweiligen Materialarten getrennt voneinander betrachtet. Eine Mischkalkulation hinsichtlich der Materialien, die auf ein und demselben System bearbeitet werden könnten und somit zu einer besseren Auslastungsstatistik führen, wurde nicht vorgenommen.

Die Studie zeigt deutlich, dass es aus betriebswirtschaftlicher Sicht für die CAD/CAM-gestützte Herstellung von EMF-Gerüsten kaum eine Alternative zur Lasersintertechnologie gibt.
 Hinsichtlich der abtragenden Verfahren würde sich laut dem Untersuchungsergebnis bei einem täglichen Bedarf von mindestens sechs EMF-Einheiten die Anschaffung einer Desktop-Fräsmaschine lohnen. Hier stellt sich allerdings die bereits oben angeregte Frage, inwieweit diese Geräte in größerem Umfang für die Metallverarbeitung ausgelegt sind.
Die Anschaffung einer Industrie-Fräsmaschine wäre daher für das maschinelle Bearbeiten von EMF eher die richtige Wahl. In diesem Fall würde sich die Eigenfertigung aber erst ab zwölf Einheiten pro Tag lohnen. Der Zukauf von EMF-Restaurationen, die mittels Lasersintertechnologie gefertigt werden, scheint der wirtschaftlich gangbar­ste Weg zu sein, um als mittelständisches Dentallabor Restaurationen aus dieser Art von Material sinnvoll anbieten zu können. Neben den klar kalkulierbaren Stückkosten können über diesen Weg zudem potenzielle Probleme wie unvorhergesehene Wartungskosten, Maschi­nenausfälle sowie Mitarbeiter­fluktuation umgangen beziehungsweise kompensiert werden. Gleichzeitig erlaubt das Outsourcen der eigenen Prozesse auf externe Fertigungspartner ein schnelles „Umorientieren“, wenn beim gewählten Dienstleistungspartner anhaltende Qualitätsprobleme auftreten.

Dieses Schaubild verdeutlicht, ab wie vielen Einheiten pro Tag die Eigenfertigung von CoCr-Einheiten wirtschaftlich ist. (© Clemens Schwerin, LMU München)

Fazit

Dass die CAD/CAM-Technologie auch für die Herstellung von EMF-Restaurationen bestens geeignet ist, steht außer Frage. Aufgrund der Materialeigenschaften verlangt die Verarbeitung – insbesondere von CoCr – jedoch bestimmte Voraussetzungen an die Technologie, um eine zuverlässige Produktion garantieren zu können. Und Fertigungsmaschinen, die diesen Anforderungen gerecht werden, bringen eine gewisse Investitionshöhe mit sich. Wie immer stellt sich daher die Frage, inwieweit man diese Maschinen für eine Ei­gen­fertigung auslasten kann. Kurz: Lohnt sich eine solche Anschaffung? Der Weg über einen spezialisierten Fertigungsdienstleister bietet – abhängig vom internen Bedarf – meist einen wirtschaftlichen Vorteil. Insbesondere bei komplexen Fällen, wie zum Beispiel weitspannige Brücken, Stege, individuelle Abutments oder verschraubte Implantatsuprastrukturen, erleichtert die Auslagerung oftmals das tägliche Arbeiten. Zudem spart auch der Zukauf einzelner Einheiten Zeit und kommt unterm Strich oftmals günstiger. Grundsätzlich ermöglicht die Nutzung zentraler Fertigungsdienstleister dem Dentallabor eine höhere Flexibilität und bringt Vorteile hinsichtlich der Kostenkontrolle, Gewährleistung bei Qualitätsthemen sowie Vermeidung von Anschaffungs- und Lagerkosten mit sich. Zukaufen statt Selbermachen lohnt sich also, insbesondere bei EMF-Restaurationen.


Über Infinident Solutions

Infinident Solutions gehört mit mehr als zehn Jahren Erfahrung im Bereich der Lasersintertechnologie zu den Pionieren auf dem Gebiet der additiven Herstellung von Zahnersatz aus EMF-Legierungen. Sowohl die gefräste als auch die lasergesinterte Herstellung von Kronen- und Brückengerüsten ist fester Bestandteil des Leistungsportfolios. Nach Übermittlung des Designs und interner Dateneingangskontrolle kann das Labor in der Regel mit einer Bereitstellung zum Versand des fertigen, zur finalen Ausarbeitung aufbereiteten Werkstücks innerhalb von 24 Stunden rechnen. Die ästhetische und funktionelle Finalisierung der Restauration verbleibt im Labor.

Kontakt

Infinident Solutions GmbH
Röntgenstraße 88
64291 Darmstadt
Fon +49 6151 3961818
www.infinidentsolutions.com
service(at)infinidentsolutions.com

 

 

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