Digitális technológiák anyagai a fogászatban Prof. Dr. Hegedűs Csaba, Dr. Marada Gyula
Készült: 2015.05.31.
A tananyag elkészítését "Az élettudományi- klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére" TÁMOP 4.1.1.C-13/1/KONV-2014-0001 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
1
TARTALOMJEGYZÉK
15. Digitális technológiák anyagai a fogászatban ............................................................................3 15.1 A digitális technikákról általában .........................................................................................3 15.2 Szubtraktív és addítív technikák ...........................................................................................4 Szubtraktív technikák ...................................................................................................................4 A szubtraktív technikák anyagai ...............................................................................................5 15.2.1 15.2.1.1
Az additív technikák ......................................................................................................6 Fotopolimer alapú rendszerek ....................................................................................7
15.2.1.1.1 A fotopolimer rendszerek anyagai...............................................................................7 15.2.1.2
Por alapú rendszerek ..................................................................................................8
15.2.1.2.1 A por alapú rendszerek anyagai ..................................................................................8 15.2.1.3 Extrudáláson alapuló módszerek ....................................................................................9 15.2.1.3.1 Az extrudáláson alapuló módszerek anyagai ..............................................................9 15.2.1.4 Nyomtatási eljárások ......................................................................................................9 15.2.1.4.1 A nyomtatási eljárások anyagai .................................................................................10 FELADATOK ............................................................................. Hiba! A könyvjelző nem létezik. Felhasznált szakirodalom ...............................................................................................................11
2
15. DIGITÁLIS TECHNOLÓGIÁK ANYAGAI A FOGÁSZATBAN
15.1 A digitális technikákról általában A digitális technológiák térhódítása a számítástechnika fejlődésével párhuzamosan a tudomány és technika számos területén egyre inkább meghatározó jelentőséggel bírnak. Nem kivétel ez alól a fogorvostudomány és odontotechnológia sem. Maga a CAD-CAM (Computer Aided DesignCompter Aided Manufacturing) mozaikszóból is látható, munkafolyamatról van szó, amelynek egyes lépéseiben vagy részfolyamataiban van különbség az egyes technológiák között. Számítógép segítségével történő tervezés és számítógép által vezérelt megmunkálás két fő csoportra bontható. Egyik csoportot képviselik az un. szubtraktív technikák, amelyek során egy előre elkészített anyag blokkból anyagelvétellel alakíthatjuk ki a kívánt formát. A másik irányvonal esetén pontosan ellentétes folyamatról van szó, hiszen a végső forma apró összetevőkből, rétegről rétegre épül fel. Ezt az utóbbi az additív technika elnevezést kapta. Minden digitális munkafolyamat három fő egységre bontható: szkennelés (vagy adatbevitel), tervezés és megmunkálás (vagy elkészítés). Az adatbevitel legáltalánosabb módja valamilyen optikai vagy mechanikus szkenner alkalmazása, de egyéb forrásból származó, pl. digitális röntgenfelvétellel előállított adat is felhasználható. A kapott adatok feldolgozása és átalakítása után a számítógép a megmunkálást végző készülék felé továbbítja az információt. Erre is sokféle adatformátum használható, de a leggyakoribb az .stl (surface tessellation format) fájl formátum. Az STL adat transzformáció során eltávolításra kerül minden felesleges adat és a felszín pontos 3
adatait háromszögek segítségével határozza meg. A háromszögek méretének csökkentésével és a számuk növelésével a felszín pontossága fokozható. A háromszögek méretét célszerű úgy meghatározni, hogy az mindig kisebb legyen, mint a tárgyat előállító eszköz felbontóképessége. A közeljövőben várhatóan változni fog az STL formátum is, mert a felszín geometriáján kívül más adatot nem hordoz. Elsősorban az additív megmunkálás során szükségessé válhat egyéb információ, pl. szín és anyagtípus megadása is.
1. ábra: Preparált csonk felszínének STL fájl formátumban történő rekonstrukciója háromszögek segítségével 15.2 Szubtraktív és addítív technikák Szubtraktív technikák A fogászatban a szubtraktív technikák hamarabb és sokkal szélesebb körben terjedtek el, mint az additívak. Fejlesztésük és piaci bevezetésük fő mozgatórugója az anyagminőség standardizálása és a költségek csökkentése volt. A szubtraktív technikák alapja a nagysebességű CNC (Computer Numerical Control) frézeléses technológia, amely során egy homogén blokkból anyagelvétellel alakíthatjuk ki a kívánt formát általában egy vagy több preparáló eszköz segítségével. A mai 4
modern frézgépek 4 vagy öt forgástengellyel rendelkeznek. Ez lehetővé teszi túlérő vagy alámenős részek kialakítását is. A felszín végső kialakítása az alkalmazott preparáló eszköztől és annak sebességétől függ. A frézelést követően az alkalmazott anyagtól függően utómunkálatokra is szükség lehet. Ilyen pl. a szinterezés egyes oxid-kerámiák esetén.
2. ábra: 5 tengelyes frézgép tengelyei (X,Y,Z: a munkadarab elmozdulása a tér három síkjában, A: a munkadarab hossztengelye mentén történő elfordulás, B: a megmunkáló eszköz tengelye mentén létrejövő elfordulás) a KaVo Everest készülék példáján
A szubtraktív technikák anyagai Az anyagelvétellel járó technikák alkalmazása során nagyon változatos anyagpaletta áll rendelkezésünkre. Választhatunk különböző ötvözeteket, kerámiákat és egyéb anyagokat is, mint pl. akrilát, kompozit. Az ötvözetek lehetnek a hagyományos precíziós öntéssel is feldolgozható ötvözetek, mint például nikkel-króm vagy kobalt-króm ötvözet. De ez a technika elsősorban olyan nyersanyag feldolgozására kínál hatékony megoldást, amelyek esetén az öntés nem, vagy csak nagyon körülményesen kivitelezhető. Tipikusan ilyen anyag a titán, amely CAD-CAM technikával történő felhasználástól az arany kiváltását is remélték. Az implantációs pótlások készítése kapcsán ez az anyag és digitális feldolgozási formája ismételten előtérbe került. A másik leggyakrabban felhasznált alapanyag a kerámia. A hagyományos kerámiaégetés során az anyag viszonylag nagymértékű zsugorodása pontatlanná teszi a készülő restaurációt. Ennek 5
leküzdésére jó alternatíva a szubtraktív eljárás, hiszen a gyárilag előállított, magas minőségű kerámia blokkból hidegen történik a pótlás kialakítása, kiküszöbölve a hőmérsékletváltozással járó térfogatváltozást. Az oxid-kerámiák esetén a tömörre szinterezett nyers kerámiadarab kemény megmunkálása, például gyémánttal való megmunkálás, mindig nagyobb idő- és munkaráfordítással és megfelelően nagy szerszámkopással jár együtt. Ennek kiküszöbölésére alkalmazhatjuk a nyers- és fehér megmunkálást, melynek során közvetlenül az oxidkerámia alapanyag kiinduló porának a primer sajtolása után, ahhoz kapcsolódóan történik a kezdeti nyers darabok frézelése. A fehér megmunkálás pedig egy előégetéssel már szilárddá tett nyers darabon történik, amelyiknek az égetés okozta zsugorodása még nem lezárt.
3. ábra: Számítógéppel tervezett fémmentes kerámia pótlások vázának tervei a felső front fogakon. 15.2.1 Az additív technikák Az additív technikákat ma helytelenül 3D nyomtatásként is szokták emlegetni. Holott a 3D nyomtatás az additív technikáknak csak egy lehetősége, amely mellett számos, különböző megoldás született egy termék additív úton történő előállítására. A közös mindegyikben az, hogy a kezdeti kis részekből valamilyen folyamat révén egy nagyobb egység áll össze és ez általában rétegről rétegre történő építkezéssel valósul meg.
6
4. ábra: Az egyes rétegek vastagsága meghatározza a készülő tárgy felszínének pontosságát és simaságát. 15.2.1.1 Fotopolimer alapú rendszerek A fotopolimerizációs eljárásoknál elektromágneses sugárzásra érzékeny anyagot, ami legtöbbször folyadék, alkalmazunk. A kémiai folyamat során az alkotók egyesülnek és az anyag szilárd halmazállapotúvá válik. A kereskedelemben kapható eszközök általában UV vagy lézer sugárral működnek. Ezen eljárások legelterjedtebb képviselője a sztereolitográfia (SL), amely elsőként jelent meg az additív technikák közül. Ennél az eljárásnál egy folyékony polimerrel megtöltött tartály folyadékfelszínén lép a lézersugár kapcsolatba az anyaggal. Az alkalmazott lézer vetítési mód alapján megkülönböztethetünk vector scan, két foton rendszer és mask projection eljárásokat. A lézersugár hatására megkeményedő felső réteget egy új folyékony polimer réteggel kell fedni a fotopolimerizáció folytatásához. Ezt a tartályban elhelyezett platform süllyesztésével valósíthatjuk meg. 15.2.1.1.1 A fotopolimer rendszerek anyagai Az első SL technikával készült tárgy előállításához akrilát polimert használtak. Az akrilát polimerizációjára azonban nagyfokú zsugorodás jellemző, ami az elkészült tárgy pontatlanságát eredményezi. A ’80-as évek vége felé ezért a figyelem a gyűrűs szerkezetű epoxigyanta felé fordult, ami zsugorodása nem haladja meg az 1-2%-ot, szemben az akrilát akár 20%-os zsugorodásával. Az epoxigyanta hátrányos tulajdonsága a nedvességérzékenység, lassú reakciókészség és a törékenység. Ennek kiküszöbölésére akrilátot kevernek az epoxigyantához. A kémiai reakció beindítása fotoiniciátorral történik, az optimális fizikai tulajdonságok eléréshez pedig flexibilizáló anyagot, reaktív oldószert és monomert adnak az alapvegyülethez. A folyamat inicializálást követően az akrilátokban szabadgyökös polimerizáció, az epoxigyantában pedig kationos fotopolimerizáció játszódik le. A SL technika előnye a pontosság, viszont bonyolult 7
utókezelés nem teszi felhasználóbaráttá. A fogászatban elsősorban műtéti sablon készítésére alkalmazhatjuk implantációs műtéteknél. 15.2.1.2 Por alapú rendszerek A por alapú rendszerek esetén a felhasznált alapanyag szilárd halmazállapotú, de por formájú. A por szemcséinek egyesítése pedig általában egy nagyenergiájú lézersugár segítségével valósul meg. A lézer energiája meghatározott hőmérsékletig melegíti a porszemcséket, azok kapcsolódását eredményezve. A körülötte lévő porszemcsék viszont reagálatlanul maradnak. Ezért ez a rendszer rendkívül anyagtakarékos. A munkafolyamat általában speciális gázzal kitöltött zárt térben zajlik a káros oxidáció kiküszöbölésére. A felhasznált anyagok és az alkalmazott hőmérséklet által elért fizikai állapot alapján három fő alcsoportot tudunk megkülönböztetni. Létezik un. szilárd fázis szinterezés, amely során a részecskék nem kerülnek olvadt állapotba. A felszíni energiájuk csökkenésével hosszú idő alatt diffúzióval kapcsolódnak egymáshoz. Másik lehetséges megoldás a folyékony-fázisú szinterezés. Ebben az esetben olvadáspont fölé hevített, folyékony halmazállapotú anyag fogja a részecskéket összekapcsolni. Ennél a megoldásnál lehetőség van eltérő anyagok felhasználására is. Például feldolgozható olyan anyag, amelyik olvadáspontja rendkívül magas, ha egy alacsonyabb olvadáspontú anyaggal kapcsoljuk a szemcséit egymáshoz. A harmadik lehetséges eljárás a teljes olvasztás. Ilyenkor a felhasznált anyag teljes egészében olvadáspont fölé hevített. Az alacsony hőmérsékleten működő készülékeket elsősorban direkt polimer és indirekt fém és kerámia tárgyak előállítására használhatjuk. A kereskedelemben ezeket a készülékeket SLS (Selective Laser Sintering) néven találjuk meg. Ha ötvözeteket direkt szeretnénk feldolgozni, akkor az energiaforrás módosításával az SLM (Selective Laser Melting, szelektív lézer olvasztás) néven bevezetett készülékekhez jutunk. 15.2.1.2.1 A por alapú rendszerek anyagai Olyan anyagokat tudunk felhasználni, amelyek olvadt állapotba hozhatók, majd ismételten visszaszilárdulnak. A termoplasztikus anyagok közül a poliamid a legáltalánosabb, esetleg kerámia megerősítéssel. A fogászatban mintázatot polisztirén anyagokból is készíthetünk. A fémeket elsősorban indirekt módszerrel dolgozhatjuk fel ezzel az eljárással. Elsőként rozsdamentes acélt használtak réz infiltráló anyaggal kombinálva. Ma már a paletta kibővült, a
8
fogászatban elsősorban a Co-Cr ötvözetek rögzített pótlások vázanyagként való felhasználása a legáltalánosabb. 15.2.1.3 Extrudáláson alapuló módszerek Extrudálás során egy készülék rezervoár tartályában lévő anyagot egy olvadt állapotba hozunk. A folyékony halmazállapotú anyagot ezt követően egy fúvókán keresztül egy felületre juttatjuk, ahol az anyag megszilárdul. A felület lehet egy korábban kijuttatott és megszilárdult réteg, amivel az új réteg kémiailag is kapcsolatot létesít. A folyékony halmazállapotú anyag megszilárdulása nem csak hőmérsékletcsökkenéssel mehet végbe, hanem kémiai úton is. Legismertebb képviselője ezeknek az eljárásoknak a Fused Deposition Modelling (FDM) eljárás. 15.2.1.3.1 Az extrudáláson alapuló módszerek anyagai A leggyakrabban extrudálásra használt anyag az ABS (akrilonitril-butadién-sztirol) és annak különböző módosulatai. Vannak azonban olyan felhasználási területek, ahol az ABS nem alkalmazható maradéktalanul. Ilyenkor lehetőség van pl. polikarbonát (PC) alapú anyagok felhasználására is. Ezekre az anyagokra általában jellemző, hogy inkább amorf szerkezetűek és a magas kristályfázis nincs jelen. Egészségügyi felhasználásra alkalmas a PCL (poli-kapro-lakton), amely biokompatibilis és az élő szövetekben lebomló anyag. A fogászatban leggyakrabban minták és műtéti sablonok készítésére használható, de a viasz alapú anyagokkal akár mintázat készítésére is nyílik lehetőség. 15.2.1.4 Nyomtatási eljárások Az első képviselői ezeknek az eszközöknek viasz alapú anyagokkal dolgoztak. Ebből csak prototípust, vagy a fogászatban mintázatot tudunk előállítani. Lényegesen szélesebb körű anyagválasztást tesz lehetővé az a nyomtatási technika, ahol egy por alapú rétegre juttatottnak kötőanyagot. Harmadik alternatíva lehet, amikor egy akrilát fotopolimer a felhasznált anyag, amelynek monomerjét juttatja a készülék a felületre és UV fény hatására kezdődik a polimerizációs folyamat. A 3D-s nyomtatás előnye az alacsony költség, a bővíthetőség, különféle anyagok alkalmazhatósága és a több szín alkalmazásának lehetősége. Hátrányuk, hogy a direkt nyomtatásra csak a fotopolimereket és a viasz alapú anyagokat használhatjuk. Ha indirekt nyomtatással ezektől eltérő anyagot alkalmazunk, akkor az elkészült tárgy pontossága nagyban elmarad a SL vagy FDM módszernél látottaktól. 9
15.2.1.4.1 A nyomtatási eljárások anyagai A választható anyagok talán legszélesebb skáláját a nyomtatási eljárásoknál találjuk. Nem csak viasz és polimereket használhatunk, hanem ötvözetek és kerámiák feldolgozására is lehetőség kínálkozik. Az alacsony viszkozitású kötőanyag miatt azonban utókezelésre van szükség. A módszer sokoldalúságát mutatja, hogy ma már a színes, akár 24 bit-es nyomtatás sem jelent problémát.
5. ábra: Viasz alapú mintázat preparált mulázson
10
FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM
[1]
MADHAV VNV, DAULE R. Rapid prototyping and its application in dentistry. J Dent Allied Sci 2013.;2(2):57-61.
[2]
AZARI A, NIKZAD S. The evolution of rapid prototyping in dentistry: A review. Rapid Prototyp Jr 2009; 15: 216-225.
[3]
AZARI A, NIKZAD S. Computer assisted implantology: historical background and potential outcomes-a review. Int J Med Robotics Comput Assist Surg 2008; 4: 95-104.
[4]
SARMENT DP, SUKOVIC P, CLINTHORNE N. Accuracy of implant placement with a stereolithographic surgical guide. Int J Oral Maxillofac Implants. 2003; 18: 571-7.
[5]
SHIN B S, YANG D Y, CHOI D S, LEE E S, JE T J and WHANG K H. Development of rapid manufacturing process by high-speed machining with automatic fixturing. Journal of Materials Processing Technology. 2002.; 130, pp363-371 FRANK M C, WYSK R A and JOSHI S B. Rapid Planning for CNC Milling - A New Approach for Rapid Prototyping. Journal of Manufacturing Systems, 2004.; 23:242-255
[6]
11
