Was Labordrucker heute leisten

Drucker-Test reloaded: Dentaler 3-D-Druck im Fokus der Qualität

Die digitale Revolution hat auch vor der Zahnmedizin und Zahntechnik nicht Halt gemacht. Mit dem Aufkommen dentaler 3-D-Drucker eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten in der Herstellung von Zahnersatz und dentalen Modellen. Diese Entwicklung gab bereits 2018 den Ausschlag, den ersten Druckertests in der „dzw Zahntechnik“, zu veröffentlichen. 

Die Idee zu einem weiteren Test kam von meinen Kollegen aus der seit zehn Jahren bestehenden ProFor-Gruppe. Die hohe Unzufriedenheit vieler Kollegen mit unterschiedlichsten Druckern im täglichen Einsatz führte immer wieder zu der Frage, ob es nicht möglich sei, einen weiteren Druckertest durchzuführen, um mehr Klarheit zu bekommen, welche Drucker welche Präzision liefern – ungeachtet des jeweiligen Anschaffungspreises.

Modelle sind die Basis 

Modelle gelten in der Zahntechnik seit Jahrzehnten als notwendige Basis, um Zahnersatz jeglicher Art auf Passung überprüfen zu können. Dies ist der Grund, warum wir hier ausschließlich gedruckte Modelle testen wollten. 

Im hier vorliegenden zweiten Testbericht werfen wir einen kritischen Blick auf 24 der innovativsten dentalen Drucker, die sich zurzeit auf dem internationalen Markt befinden. Uns interessierte dabei nur ein Schwerpunkt: die Modell-Ergebnisse in puncto Präzision.

Heutige Druckmaterialien bieten die Möglichkeit, von Kronen und Brücken bis hin zur Herstellung individueller Implantat-Versorgungen und Prothesen vielseitig zu drucken. Ob die getesteten Drucker und Druck-Materialien eine Revolution in der Zahnmedizin repräsentieren oder wie bisher das schwächste Glied in der digitalen Kette bilden, wird der Test aufzeigen.

Die Teilnehmer 

Begleiten Sie uns auf dieser spannenden Reise durch die Welt des dentalen 3-D-Drucks und erfahren Sie, welche Geräte unsere Erwartungen übertroffen oder welche Drucker uns maßlos enttäuscht haben – und die gegebenenfalls in die sprichwörtliche dentale Tonne gehören. 25 Kollegen quer durch die Bundesrepublik haben sich freundlicherweise an dem Test beteiligt.

Zum Einsatz kamen 24 Drucker (Tabelle 1). Jeder Kollege hat den identischen Master-Scan erhalten und nach Herstellerangaben die Modelle auf seiner Maschine gedruckt. Die Modelle haben wir auf dem Versandweg erhalten. Alle Modelle wurden durchgehend lichtfern bei einer Raumtemperatur von 21 bis 23 Grad aufbewahrt. Einige ProFor- und DentalAlliance-Kollegen, aber auch externe Kollegen haben auf ihren Labor-Druckern mit teils unterschiedlichen Materialien mehrere Modelle ins „Rennen“ geschickt.

Prüf-Methode des Drucker-Tests

Der international anerkannte und praktizierte Sheffield Test bietet eine Entscheidungshilfe, um Präzision und Lagestabilität von Projekten aller Art zu bewerten. Dieser manuell durchgeführte Test diente dazu, vornehmlich die Qualität der gedruckten Modelle auf Grundlage der beiden Testmodule zu bewerten.

Der Sheffield-Test ist im Dental-Bereich höher zu bewerten als eine digitale Analyse, bei der Modelle mit einem Referenzmodell gematcht werden. Denn der Sheffield-Test ermöglicht die physische Überprüfung gedruckter Modelle, indem mittels eines Prüfobjekts Stabilität und Passgenauigkeit bewertet werden. 

Auf diese Weise können potenzielle Probleme wie Instabilität sofort erkannt werden. Unsere digitale Match-Analyse als begleitende Überprüfung der Qualität beruht auf Algorithmen. Sie bewertet präzise alle physischen Eigenschaften und ermöglicht es, abweichende Daten exakt aufzuzeichnen. Beide Methoden gelten als anerkannt und zuverlässig, um die Qualität von gedruckten Modellen mittels Prüfkörper zu überprüfen.

Schwächstes Glied in der dental-digitalen Kette

Um es vorwegzunehmen: Die gedruckten Modelle stellen nach wie vor den größten Schwachpunkt innerhalb der dental-digitalen Kette dar. Zahnarztpraxen und Dentallabore, die den kompletten digitalen Weg gehen möchten, müssen sich im Klaren sein, dass ein gedrucktes Modell, je nach Drucker-Fabrikat und Materialwahl, allenfalls eine Orientierungshilfe sein kann. 

Leider müssen wir auch sechs Jahre nach dem ersten Druckertest 2018 erkennen, dass wir weiterhin mit Zufallsergebnissen leben müssen. Es liegt definitiv nicht unbedingt am verwendeten Drucker, sondern die Ergebnisse sind offensichtlich unter anderem stark davon abhängig, inwieweit Anwender Bearbeitungs- und/oder Verfahrens-Hinweise korrekt beachten. 

Es besteht aus verschiedenen Gründen Einigkeit, Drucker-Anbieter, verwendete Materialien und die Kollegen, die uns die Modelle eingereicht haben, ab der Schulnote 4,40 nicht mehr namentlich zu nennen. 

Insgesamt haben 37 Juroren (Zahnärzte, ZMF, ZT, ZTM und Laborinhaber) am Sheffield-Test teilgenommen. Darunter, was uns sehr wichtig war, auch vereidigte und somit anerkannte Gutachter. Aus Datenschutzgründen geben wir keine Namen der Juroren bekannt – sie sind aber jederzeit bei uns vor Ort einsehbar.

Die Anforderungen

Um die gedruckten Modelle beurteilen zu können, stellten wir die gleichen Anforderungen, wie sie für das uns vertraute Gipsmodell gelten. Ein Modell sollte eine maximale, lineare Expansions-Abweichung von 20 my aufweisen, das entspricht umgerechnet einer Expansion von maximal 0,002 Prozent. Gedruckte Schienen, Fu-Löffel etc. verzeihen unter Umständen eine höhere Abweichung – ein Modell für die qualitative Überprüfung unserer zahntechnischen Produkte definitiv nicht.

Unsere Vorgaben

Basis der Überprüfung war unser gefrästes NEM-Mastermodell (Abb. 1, durch die unempfindliche Oberfläche Vermeidung von Abrasionen), matt gestrahlt, wie bereits in unserem ersten Test verwendet, und zwei Prüfkörper (Abb. 2). Jeder Teilnehmer erhielt per E-Mail den Original-Scan aus dem IOS-Test als offenes STL-File. Der Scan wurde mit dem anerkannten Scanner Imetric 104i angefertigt und als Basis-Original im offenen STL-Format gespeichert (zu Details der Test-Parameter siehe Kasten weiter unten).

Die Prüfung durch die Juroren (Zahnärzte und Zahntechniker) fand nach dem bekannten Sheffield-Test (White 1993) in unserer Zentrale statt. Jeder Juror benotete mittels der Prüfkörper seine Prüfergebnisse nach dem deutschen Schulnotenprinzip (von 1 „sehr gut“ bis 6 „ungenügend“).

Die Notenverteilung

Von 54 getesteten Modellen erhielten exakt 20 Modelle die Noten 4,46 bis 6,0. Den Vogel schossen zwei Modelle ab, die von allen 37 Juroren übereinstimmend mit einer glatten 6 bewertet wurden. In der Einzelwertung führte der maßgebliche Sheffield-Test 1 (Lagestabilität) zu negativeren Benotungen als Test 2 (Prüfkörper-Test Kontraktion/Expansion). Abbildung 3 zeigt bewusst nur die positiven (Noten 1/2) und die negativen (Noten 5/6). Es wurden 371-mal die Noten 1 und 2 vergeben, leider auch 984-mal die Noten 5 und 6. 

In der Kombination der Prüfkörper Sheffield-Test 1 und 2 ergab sich ein etwas freundlicheres Gesamtergebnis. Hier wurden alle Noten berücksichtigt (Abb. 4). 569-mal wurden die Noten 1 und 2 vergeben. Die Noten 3 und 4, das Mittelfeld, wurden 654-mal als Benotung vergeben. Die schlechteste aller Noten – die 6 – wurde im Gesamtergebnis (Testmodul 1 und 2) leider 494-mal vergeben. Erschreckend. 

Die Test-Parameter

Bei der Überprüfung der Druck-Ergebnisse haben die Juroren ihre Bewertung anhand des bewährten Sheffield-Tests ermittelt. Zusätzlich haben wir eine unterstützende Bewertung nach digital-analytischen Verfahren vornehmen lassen.

Da wir bereits diverse Dissertationen für das Klinikum der Justus-Liebig-Universität Gießen (Direktor: Prof. Dr. B. Wöstmann) begleitet haben, lag es nahe, Teile der dort angewendeten Prüf-Methodik (unter anderem Dissertation Viktor Sichwardt, 2014) in unsere Vorgehensweise einfließen zu lassen.

Die Parameter für die zu fräsenden Prüfkörper wurden für alle Fräsungen wie folgt definiert: Abstand 0,01 mm, Ausblocken 0,00 mm, Fräserradius 0,7 mm, periphere Dicke 1,5 mm, okklusale Dicke 1,8 mm, Glättung 10. Die Prüfkörper wurden so gestaltet, dass ein einwandfreier Test auf Passung, vor allem auf Verzug (Sheffield-Test), und Kontraktion/Expansion (Prüfkörper 2) ermöglicht wurde.
Per exocad-Design-Software wurden die Prüfkörper für den Sheffield-Drucker-Test konstruiert:

• zehn Anteile als Prüfkörper 1 (transparent)
• zehn Anteile als Prüfkörper 2 (opak weiß)

Prüfkörper 1 wurde auf einer DC7 gefräst. Prüfkörper 2 auf einer J5 gedruckt. Die digital basierte Prüfung (durch Matching = Zusammenführen der Daten) wurde mit der Software ConceptScan auf einem DCS EagleEye Pro vorgenommen. Angaben zu verwendeten Druckern und Materialien wurden ausschließlich von den teilnehmenden Kollegen mitgeteilt.
37 Juroren haben 51 gedruckte Modelle, die auf 24 Druckern (drei Filament- und weit mehr als 21 Resin-Drucker, jeweils wurde nur einer namentlich erwähnt) gedruckt wurden, bewertet.
Die Referenz-Basis des Tests waren:

1. NEM-Mastermodell (Abb. 2)
2. Zwei Prüfkörper für den Sheffield-Test (Abb. 3)
3. Gipsmodelle aus den Jahren 2018, 2023 und 2024 als Referenz

In Tabelle 2  stellen wir Beispiele des Testverfahrens Sheffield 2 und die Matchingabstände vs. Übereinstimmung zum Mastermodell verschiedener Platzierungen in unserem Test vor.

Erklärung der Matching-Übereinstimmung zum Master-Modell: Blau bedeutet 0 Abstand. Im Verlauf der Regenbogenfarben bis hin zu Rot wird der Abstand immer größer – das kann nach innen (zu eng) wie auch nach außen (zu weit) sein. Dargestellt wird lediglich der absolute Abstand, unabhängig davon, ob er positiv oder negativ ausfällt.

Das Ergebnis

Das Ergebnis schlechthin ist die Rangliste der besten Druck-Ergebnisse (Tabelle 3). Mit einer Note von 1,51 erreichte Modell 37 (Abb. 5) den 1. Platz! Knapp dahinter mit den Noten 1,54 und 1,57 die Modelle 36 und 33 – alle drei Erstplatzierten wurden auf einem Stratasys J5 gedruckt. Gratulation an denseo zu den Plätzen 1 und 2 und an Kollege Anger zum 3. Platz – den er sich brüderlich mit dem Test-Gipsmodell teilt.

Der 4. Platz mit einer sehr guten Note von 1,81 wurde mit dem Rapid Shape D 20 von unserem ProFor-Kollegen Stephan Adler erreicht.

Überraschend dürfte der 5. Platz sein – er wurde mit einem US-amerikanischen Bausatz der Firma ROOK 20 (390,00 US-Dollar) auf Filament-Basis erzielt (Abb. 6). Wie bei einem IKEA-Regal wurde der ROOK 20 in zig Stunden zusammengebaut. Die mit diesem Bausatzdrucker erzielten Druck-Ergebnisse lassen manche hochpreisigen Drucker alt aussehen. 

Ebenfalls überraschend ist, dass ein Kollege (Modell Nr. 50) auf einem Anicubyc Premium 8K den 6. Platz erreicht, während andere eingereichte Modelle auf Anicubyc-Druckern weit abgeschlagen landeten.

Die auf dem Carbon M2 gedruckten Modelle erreichten die Plätze 8 und 14. Die drei eingereichten Filament-Modelle kamen alle in die veröffentlichte Wertung. Bei qualitativen Produkten gilt allgemein die Erkenntnis „Präzision kostet Geld“ – dies wurde in unserem Test „ad absurdum“ geführt. Wie kommt es zu solch gravierenden Unterschieden im Vergleich von Anschaffungspreis vs. Ergebnis? Mit Stratasys (Preis ca. 60.000 Euro) gedruckte Modelle erreichten die ersten 3 Plätze, belegten aber auch die Plätze 15 und 16 – das dürfte erklärungsbedürftig sein.

Fazit: Die Ergebnisse verdeutlichen, dass trotz erheblicher Fortschritte im dentalen 3-D-Druck weiterhin dringender Bedarf an Verbesserungen besteht. Die Herausforderungen bei der präzisen Herstellung gedruckter Modelle sind vielschichtig und werden nicht nur durch die technischen Eigenschaften der Drucker, die Kompetenz und Sorgfalt der Anwender, sondern maßgeblich durch die Materialien beeinflusst. 

Eine schlechte Druckqualität kann durch eine unzureichende Materialbeschaffenheit verursacht werden, die zu Inkonsistenzen, Oberflächenfehlern oder strukturellen Instabilitäten führen kann. Dies kann auf Aspekte wie unzureichende Viskosität, Partikelgrößenverteilung oder chemische Zusammensetzung zurückzuführen sein, die die Fließfähigkeit, Haftung und Aushärtung des Druckmaterials beeinträchtigen. 

Potenzielle Schwachpunkte können aber auch in unklaren Verfahrensanweisungen seitens der Industrie liegen, die Zahntechnikern keine oder nur ausreichende Richtlinien bieten, um die jeweiligen Druckparameter optimal anzupassen. 

Industrie und Handelspartner sind zumindest in der Verantwortung, klarere und umfassendere Anweisungen bereitzustellen, um das Ziel einer verbesserten, verifizierbaren Methodik und perfekte Validierung der jeweiligen 3-D-Drucksysteme zu erreichen.

Unser Test hat zumindest im Sinne einer künftig besseren Kommunikation zwischen Industrie (Resin-, Filament- und Drucker-Anbietern) und zahntechnischen Anwendern die Schwachpunkte in den Druck-Ergebnissen aufgezeigt.

Diese Erkenntnisse sollten die gesamte Dentalgemeinschaft anspornen, verstärkte Anstrengungen zu unternehmen, um Qualität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit des dentalen 3-D-Drucks kontinuierlich zu optimieren. Nur durch eine gemeinsame Bemühung um Innovation und Qualitätsverbesserung können wir sicherstellen, dass der dentale 3-D-Druck sein volles Potenzial als zuverlässige und präzise Fertigungsmethode für hochwertigen Zahnersatz und Modelle entfalten kann. 

Allen Drucker- wie Materialanbietern sollte daran gelegen sein, dass gedruckte Modelle den Status einer zahntechnischen Produktüberprüfung auf Ebene eines guten Gipsmodells erlangen und nicht den momentanen Status eines Transportmittels für hochwertige Zahntechnik weiter festigen – denn leider gilt fest-
zustellen, dass 40 Prozent der bewerteten Modelle die Schulnoten fünf und sechs erhielten – oder, im Ruhrgebiets-Deutsch formuliert, für die sprichwörtliche Tonne waren.

ZTM Peter Kappert, Essen

Titelbild: Daniel CHETRONI – stock.adobe.com