Rapid prototyping technológiák szubtraktiv technikák Prof. Dr. Hegedűs Csaba, Dr. Marada Gyula

Rapid prototyping technológiák – szubtraktiv technikák Prof. Dr. Hegedűs Csaba, Dr. Marada Gyula

Készült: 2015.09.30.

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

7.

RAPID PROTOTYPING TECHNOLÓGIÁK – SZUBTRAKTIV TECHNIKÁK .................4

7.1.

Bevezetés...............................................................................................................................4

7.1.1.

A CAD/CAM rendszerek csoportosítása ..........................................................................4

7.1.2.

A rendszerek különböző komponensei..............................................................................5

7.1.2.1.

A szkennerek ..............................................................................................................5

7.1.2.2.

A szoftverek ...............................................................................................................7

7.1.2.3.

A feldolgozó eszköz ...................................................................................................8

7.2.

Szubtraktív technológiák.......................................................................................................8

7.2.1.

A készülékek csoportosítása ..............................................................................................8

7.2.2.

A szubtraktív technológia anyagai és azok lehetséges csoportosítása ............................10

7.2.2.1.

A felhasználás iránya szerinti csoportosítás .............................................................10

7.2.2.2.

Anyagtani csoportosítás ...........................................................................................11

7.2.2.3.

Megmunkálás szerinti csoportosítás ........................................................................11

7.3. 7.3.1.

Additív technológiák ...........................................................................................................18 Fotopolimer alapú rendszerek .........................................................................................19

7.3.1.1. 7.3.2.

A fotopolimer rendszerek anyagai ...........................................................................21

Por alapú rendszerek .......................................................................................................22

7.3.2.1.

Szilárd fázisú szinterezés .........................................................................................24

7.3.2.2.

Kémiailag indukált kötés..........................................................................................24

7.3.2.3.

Folyékony-fázisú szinterezés ...................................................................................25

7.3.2.4.

Teljes olvasztás ........................................................................................................25

7.3.3.

Extrudáláson alapuló módszerek .....................................................................................25

7.3.4.

Nyomtatási eljárások .......................................................................................................27

7.4.

Gyors prototípusgyártás alkalmazási lehetőségei a fogpótlástanban ..................................28

7.4.1.

Rögzített pótlások készítésének lehetőségei ....................................................................28

7.4.2.

Kivehető pótlások készítése digitális technikákkal .........................................................32

7.4.3.

Implantációs fogpótlások készítése digitális technikákkal ..............................................34 2

3

7. RAPID PROTOTYPING TECHNOLÓGIÁK – SZUBTRAKTIV TECHNIKÁK

7.1.

Bevezetés

A CAD/CAM kifejezés helytelenül vonult be a köztudatba. Leggyakrabban a fogászaton belül a marásos vagy frézeléses technikával készült rögzített fogpótlást értjük alatta. A CAD/CAM kifejezés azonban ennél jóval több jelentést hordoz. A Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing (CAD/CAM) kifejezés magyarul a számítógép segítségével történő tervezést és a számítógép által vezérelt megmunkálást jelenti. Nem határozza meg azonban a megmunkálás eszközét. A választott megmunkálás éppúgy lehet anyagelvétellel járó eljárás, vagy rétegről rétegre történő felépítés. Napjainkban mindkét eljárási típusnak létjogosultsága van a fogászatban és jelentőségük, valamint felhasználásuk aránya is ugrásszerűen emelkedik. 7.1.1.

A CAD/CAM rendszerek csoportosítása

Minden CAD/CAM rendszerben közös, hogy három fő komponensre osztható a munkafolyamat: Egy digitalizáló rendszer, amely leggyakrabban egy mechanikus vagy optikai szkenner. A felszíni geometriát digitális adattá alakítják át, amelyet a számítógép a későbbiekben fel tud dolgozni. Szoftver, amely a szkenner által előállított digitális adatot feldolgozza. Legtöbbször a szoftver alkalmas a készülő végtermék, jelen esetünkben a fogpótlás, megtervezésére és a megmunkáló eszköz számára szükséges adat előállítására A megmunkáló technológia, amely képes fogadni a számítógép felől érkező adathalmazt és annak megfelelően elkészíti a kívánt terméket. Az elhelyezésük alapján is csoportosíthatjuk a különböző rendszereket:

4

Chairside rendszer. Ez szószerinti fordításban a szék melletti rendszereket jelöli. Ezekben az esetekben mindhárom komponens a fogorvosi rendelőben található és általában a fogorvos végzi a szükséges feladatokat. Labside rendszer. Ezeknél minden komponens a fogtechnikai laborban vagy laborokban található. A fogorvosi munkafolyamat ebben az esetben nem különbözik a hagyományos, nem digitális eljárások folyamataitól. A költséghatékonyság miatt gyakori, hogy több labor létesít egy teljes rendszert. Centralizált rendszerek. Ez leggyakrabban központok létrehozását jelenti. A munkafolyamatok komponensei közül az első kettő a fogtechnikai laborban történik, míg a harmadik egy gyakran távol eső központban valósul meg. A labor és a központ pedig internet kapcsolaton keresztül végzi az adatátvitelt. Ez a rendszer számos előnyt hordoz magában. A labor részéről kisebb invesztíciót jelent, hiszen csak egy szkenner és szoftver beszerzéséről kell gondoskodnia. A központokban található készülékek pedig az esetek döntő többségében nagyteljesítményű, ipari méretű termékgyártásra alkalmas berendezések. Ezekkel a készülékekkel a termékek gyártása általában gyors és költséghatékony. Természetesen léteznek ezeken kívül egyéb, a három fő rendszer kevert változatai is. Napjainkban rohamosan fejlődik az intraorál szkennerek fejlesztése és ezzel együtt az elterjedése. Használatával nincs szükség a hagyományos értelemben vett lenyomatra és mintakészítésre. A szkenner adata így közvetlenül küldhető akár egy központba, kihagyva a fogtechnikai laboratóriumot. 7.1.2.

A rendszerek különböző komponensei

7.1.2.1. A szkennerek A digitális munkafolyamat első lépése tehát a leképezendő tárgy felszíni geometriájának meghatározása, annak rögzítése és továbbítása a számítógép felé. Ezt a feladatot látják el a szkennerek. Működési elvük alapján a szkennereket két nagy csoportba oszthatjuk:

5

Az optikai szkennerek. Ezek az eszközök az un. háromszögelés módszerével állítják elő a leképezendő tárgy felszínének adatait. A fényforrás, ami akár lézer is lehet, és a receptor egymáshoz képest jól meghatározott szögben és pozícióban helyezkedik el. Ennek a szögnek a változásából képes a számítógép felszíni adatokat generálni. Mechanikus szkenner. A mechanikus szkenner esetén egy nagyon kicsi átmérőjű rubin gömb tapogatja le a leképezendő tárgy felszínét. Ennek megfelelően ez a tárgy csak szilárd tárgy lehet. Legáltalánosabb a lenyomat kiöntése után kapott minta letapogatása. Ez a fajta megoldás ezért kizárja a lenyomat közvetlen letapogatásának vagy az intraorális alkalmazásnak a lehetőségét. A piacon csak egy cég volt, ami ezt a megoldást alkalmazta, de az utóbbi időben optikai rendszer váltotta kínálatukban a mechanikust. A szkennereken kívül egyéb lehetőségünk is van a fogak vagy egyéb szájképletek térbeli adatainak meghatározására. Ezek a lehetőségek közül leggyakrabban a képalkotó diagnosztikus eljárások között számon tartott, Computer Tomography (CT) vagy kifejezetten a fej-nyak-terület diagnosztikai igényeinek megfelelően fejlesztett Cone Beam Computer Tomography (CBCT) alkalmazzuk. Ennek is nagyon nagy jelentősége van a fogászat egyes területein belül. Alkalmazásával olyan keményszövetekről is megfelelő adatot kaphatunk, amelyek akár lágyszövettel fedettek. Ilyenek például az állcsontok. A CT, MR és ultrahang vizsgálatok által nyert adathalmazt a készülékek különböző formátumban tárolhatják. A legtöbb készülék azonban az un. DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) formátumot alkalmazza. Ezeknek az adatoknak a feldolgozására speciális szoftverek fejlesztettek, amelyek képesek a DICOM adatok alapján is rekonstruálni a leképezendő tárgy felszínét. Ennek a pontosságát a diagnosztikai eszköz felbontóképessége határozza meg. Az adatkonverziót követően olyan eszközöket állíthatunk elő, mint például implantációs műtétekhez használható sablonok. A mechanikus és optikai szkennerek megfelelő minőségű és mennyiségű adatot képesek szolgáltatni a legtöbb szoftver és felhasználó eszköz számára. Mindezt teszik úgy, hogy közben nem jelentenek potenciális veszélyt a páciensre nézve. A DICOM adatok előállításához használt képalkotó eljárások jelentős része viszont az alkalmazott röntgensugárzás miatt megfontolás tárgyát kell, hogy képezze. 6

7.1.2.2. A szoftverek A különböző rendszerek és eszközök gyártói leggyakrabban speciális szoftvereket kínálnak fogászati felhasználásra. Ezek leggyakrabban alkalmasak rögzített pótlások (korona, híd, inlay, onlay) valamint részleges kivehető fogpótlás tervezésére. A célzottan készülő programok többsége felhasználóbarát és mind a fogorvosnak, mind a fogtechnikusnak gyors és egyszerű tervezést tesz lehetővé. Ezek a szoftverek folyamatos fejlesztés alatt állnak, így az egyes komponenseik listája is folyamatosan bővül. A rendszerek és ezzel együtt a szoftverek nagy része un. zárt rendszert alkot. Ez azt jelenti, hogy a szkenner, a szoftver és a feldolgozást végző eszköz szerves egységet alkot és csak együtt képesek működni. A zárt rendszerek esetén ezért az egyes összetevőket nem cserélhetjük és választhatjuk meg szabadon. A zárt rendszerek tovább jellemzője, hogy a szkennereik és szoftvereik által generált adathalmaz más rendszerek számára nem értelmezhetők. Ilyen formátumok: .ply, .obj, .vrml, .amf. Ezzel szemben a nyitott rendszerek alkotói szabadon variálhatók. Az adatok is minden egység számára érthető formátumban hozzáférhetők. Ennek biztosítására alkották meg a .stl (surface tessellation format) fájl formátumot. Az STL fájlok változó pontossággal határozzák meg egy tárgy felszínének geometriai adatait úgy, hogy a felszínt háromszög alakú síkokra bontja. Minél kisebbek a háromszög oldalai, annál pontosabb a felszín meghatározása. Döntően két tényező határozhatja meg ennek megfelelően a pontosságot: a szkenner felbontóképessége és a feldolgozó készülék hasonló paraméterei. Ugyanis nincs értelme nagyobb felszíni pontosságot elérni, mint a feldolgozó készülék felbontóképessége. Az csak feleslegesen növelné az adathalmaz nagyságát anélkül, hogy javítaná a késztermék pontosságát. Az adathalmaz annál könnyebben továbbítható két eszköz között, minél kisebb. Ugyancsak előnye a kisebb fájl méreteknek a könnyebb és gyorsabb feldolgozhatóság. Az STL fájlok méretének minimalizálása érdekében nem tartalmaz a felszín adatain túlmenően semmilyen információt. Elsősorban az additív technológiák miatt esetenként szükségessé válhat egyéb információk meghatározása is. Éppen ezért áll folyamatos fejlesztés alatt számos formátum. Ilyen a .amf (additive manufacturing format) formátum is. Ezek az új 3D formátumok a felszíni

7

geometrián túl a mechanikai tulajdonságokról, esztétikai összetevőkről (pl. szín) is hordoznak információt. 7.1.2.3. A feldolgozó eszköz A tervező szoftver által előállított terv és adathalmaz továbbításra kerül a feldolgozó eszköz felé. Ez az eszköz lehet marásos vagy frézeléses technikával működő készülék. Ezek a készülékek valamilyen anyag gyári körülmények között előállított blokkjából anyagelvétellel állítja elő a kívánt terméket. A választott anyag lehet kerámia, ötvözet, műanyag, stb. Ezt a fajta megmunkálást és az egész technológiát ezért szubtraktív technikának nevezzük. Ezzel ellentétes az a feldolgozási forma, amikor a készülő tárgyat a készülék rétegről rétegre építi fel a kiválasztott alapanyag tulajdonságainak megfelelően. Ez a fajta feldolgozás az additív technológia elnevezést kapta. A következőben részletesen tárgyaljuk ezeket a technológiákat az általuk felhasználható anyagokkal együtt. 7.2.

Szubtraktív technológiák

Amikor a tervezőszoftverek előállítják a feldolgozó irányítását végző adathalmazt, általában a feldolgozó készülék paramétereit figyelembe véve készíti azt el. Fontos tehát a technológia meghatározása, a felhasznált anyag megnevezése annak pontos fizikai paramétereivel, valamint a készülék egyes paramétereinek beállítása. 7.2.1.

A készülékek csoportosítása

A fogászatban alkalmazott frézgépeket a tengelyeinek számával jellemezhetjük. Ez gyakorlatilag a mozgásuk szabadságfokát jelöli. Ennek megfelelően beszélhetünk három-, négy-, és öttengelyes frézgépekről. 1. A háromtengelyes frézgép. A térbeli mozgások irányát X, Y, és Z betűkkel jelöljük a koordináta rendszerben való mozgás analógiájára. Ezek a készülékek számára az adatszolgáltatás gyors és viszonylag egyszerű. A legtöbb ilyen készülék képes az anyagblokkot 180°-al képes megfordítani. Lehetővé teszi ezáltal például egy koronaváz belső felszínének kialakítását is. 8

Ezeknek a készülékeknek előnye, hogy aránylag olcsók és a fenntartási költségeik is kedvezőek. Alkalmazhatóságuk azonban limitált. A korlátozott mozgathatóság miatt

nem képes minden fogászati követelmény megvalósítására. Nem képes például az alámenős részek kifaragására sem. 2. A négytengelyes frézgép. Az előző három tengelyen túlmenően ezek a készülékek képesek az anyagblokkot is elfordítani hossztengelyük mentén. Ezt általában A betűvel jelöljük. Ez lehetővé teszi nagyobb vertikális magasságú rögzített fogpótlások, elsősorban hídpótlások, vagy azok vázainak elkészítését. 3. Öttengelyes frézgép. Az előzőhöz képest a hozzáadott ötödik tengelyt elsősorban a frézelést végző marófej tengelye körüli elmozdításra használhatjuk. Lehetőséget teremtünk ezzel komplex geometriai formák előállítására is. A tengelyek számának emelése nem hordozza magában feltétlenül a késztermék minőségének emelését. Azt inkább a digitalizálás, az előállított adathalmaz és a végső megmunkálás minősége szabja meg.

9

1. ábra: A frézgépek tengelyeit mutatja az ábra. A háromtengelyes frézgépek esetén az anyagblokk az x és y tengely mentén, a frézfej pedig a z tengely menté mozdul el. A 4 és 5 tengelyes készülékek pedig az x és y tengelynek körül elfordulást is végezhetnek (A és B). 7.2.2.

A szubtraktív technológia anyagai és azok lehetséges csoportosítása

7.2.2.1. A felhasználás iránya szerinti csoportosítás A szubtraktív technológia által felhasznált anyagokat több szempont szerint csoportosíthatjuk. Csoportosíthatjuk a felhasználásuk iránya alapján. Ennek megfelelően megkülönböztethetünk mintaanyagokat, mintázatanyagokat és restaurációs anyagokat. Digitális lenyomat során is sokszor szükségessé válik a mintakészítés. Például egy rögzített pótlás váza elkészülhet digitális technikával, de az egyénileg készülő porcelán leplezés elkészítéséhez beartikulált minták szükségesek. A mintákat szubtraktív technikával is előállíthatjuk, de ma már jellemzőbb annak additív módszerrel történő előállítása. 10

Mintázatot készítünk öntéssel készülő restaurációk számára. Ezek általában a fogtechnikus által készülnek szabadkézzel és elsősorban a technikus manualitásától függ annak minősége. Természetesen a mintázat is készülhet digitális technológiával. Ennek számos előnye van a hagyományos módszerrel összehasonlítva. A számítógép a tervezéskor maximálisan figyelembe veszi a mintázat, illetve a készülő pótlás anyagának fizikai tulajdonságait. Kontrollálhatjuk ezzel a minimális anyagvastagságot, megelőzve a az anyag elvékonyítását ami az öntés során esetleg torzuláshoz, vagy a pótlás szerkezetállóságának csökkenéséhez vezethet. Digitális mintázat készülhet viaszból, de a készülhet valamilyen salakmentesen kiégethető polimerből is. Ennél lehetőségünk van a mintázat közvetlen itraorális próbájára, amivel az esetleges pontatlanságok még az öntés előtt ellenőrizhetők és korrigálhatók. A restaurációs anyagok a CAD/CAM technológiák számára gyári körülmények között készülnek. Összehasonlítva a hagyományos, fogtechnikai laborban előállított restaurációkkal, ezek szerkezete homogénebb, kevesebb bennük az esetleges zárvány vagy egyéb olyan feldolgozási hiba, ami a késztermék minőségét és fizikai tulajdonságait gyengítenék. 7.2.2.2. Anyagtani csoportosítás Leggyakrabban az felhasználásra kerülő anyagokat anyagtani szempontok alapján csoportosítjuk. Ezek alapján a rendelkezésünkre álló anyagok: •

Viaszok

•

Polimerek

•

Kompozitok

•

Kompozit/kerámia hibridek

•

Kerámiák

•

Üveg-kerámiák

•

Ötvözetek

7.2.2.3. Megmunkálás szerinti csoportosítás A CAD/CAM technológiával készülő pótlások elkészíthetjük puha (soft milling) vagy kemény (hard milling) megmunkálással. Kemény megmunkálás alatt a folyamatot értjük, amikor a pótlás 11

készítéséhez használt anyag blokkja már a végleges mikrostruktúrával rendelkezik és további utómunkálatokat (pl. hőkezelés) nem igényel. Előfordul, hogy a végleges rögzítés előtt esetlegesen felszíni polírozás vagy egyéb felszíni kidolgozás szükséges lehet, de ez az anyag szerkezetét és tulajdonságait nem befolyásolják. A puha megmunkálást gyakran „zöld” (green) megmunkálásnak is hívják. Ennél a munkamenetnél a mechanikai megmunkálást szükségszerűen egy utókezelés követ. Ez leggyakrabban hőkezelés. Az utókezelés során változik az anyag szerkezete és fizikai paraméterei is. Ennek szintén gyakorlati okai vannak. Az oxid-kerámiák teljesen szinterezett állapotukban rendkívül nagy keménységgel rendelkeznek. Ilyenkor a frézelésük hosszadalmas és a frézeléshez használt preparáló eszközök gyors kopásához vezetnek. Célszerűbb ezért a frézelést egy előszinterezett formában elvégezni és utólagos hőkezeléssel kialakítani a végleges szerkezetet. 7.2.2.3.1. Kemény megmunkálás anyagai Azok az anyagok tartoznak tehát ebbe a csoportba, amik nem mennek át utólagos hőkezelésen, vagy egyéb olyan eljáráson, ami a szerkezetüket megváltoztatná. Teljes anatómiai formát farag ki a készülék az adott anyag blokkjából, amelyet esetleg festés vagy felszíni polírozás követ. 1. Kompozitok A kompozitok szerkezetüket tekintve inorganikus töltőanyaggal megerősített mátrix. A kerámiákkal összevetve lényegesen puhább anyagok. Ezért egyik előnyös tulajdonságuk, hogy könnyen frézerelhetők. Szintén puhaságukból következnek azonban legnagyobb hátrányai is. A kompozitból készülő restauráció viszonylag gyorsan kopik, széli részeken hajlamos a résképződésre és hosszú távú színállósága is kérdéses. A CAD/CAM technológiákhoz kifejlesztett kompozitokat általában magasabb töltőanyag tartalommal látják el, mérsékelve az előbb felsorolt hátrányos tulajdonságait. Ezekből az anyagokból kizárólag szóló koronákat, betéteket és estelegesen ideiglenes pótlásokat készíthetünk. Kedvező ára a felhasználására mindenképpen ösztönzőleg hat. 2. Kerámiák

12

A kemény megmunkálás számára fejlesztett kerámiák keménysége közepes vagy inkább alacsony kategóriába tartozik. A mátrixuk viszonylag magas üvegtartalommal rendelkezik, ami lehetővé teszi a könnyű gépi megmunkálást. Nem véletlen, hogy elsősorban az „in office” rendszereknél láthatjuk a szélesebb körű elterjedésüket. Az alacsonyabb töltőanyag százalék ugyan a fizikai tulajdonságait rontja ezeknek a kerámiáknak, viszont az esztétikai paramétereik rendkívül kedvezőek. A többség magas transzparenciával és kifejezett kaméleon effektussal rendelkezik. A gépi megmunkálást követően a kerámiák felszíne még durva, aminek csökkentésére polírozás vagy hővel történő fényesre égetés lehet a megfelelő megoldás a becementezés előtt. A kristályos fázis tulajdonságai alapján három fő kerámiatípus sorolható ezek az anyagok közé: •

földpát tartalmú kerámiák

•

leucit tartalmú kerámiák

•

cirkóniummal megerősített lítium szilikát

A földpát és leucit tartalmú kerámiák alacsony szilárdsági mutatókkal rendelkeznek. Ennek az értéke átlagban 140 MPa alatt van. Ez a viszonylagos törékenység nem teszi lehetővé a premolaris és molaris területen teljes borító korona készítését. Ilyen célra szinte kizárólag a front területen alkalmazhatjuk. Esztétikai tulajdonságaik azonban a fog természetes szöveteihez hasonlóak és ennek köszönhetően héjak készítésére kifejezett alkalmasak. A felszínük is jól kezelhető. Mind savazással, mind szilanizálással alkalmassá tehetjük a fog szöveteihez való erős kötődésre. A cirkóniummal megerősített kerámiák az utóbbi évek fejlesztéseinek köszönhetően jelentek meg a piacon. A 10% körüli cirkónium tartalom egyenletesen oszlik el a lítium szilikát üvegkerámiában. Ez a megerősítés egy egészen különleges tulajdonsággal ruházza fel az anyagot. Az ilyen kerámia frézelést követően, utólagos kőkezelés nélkül is felhasználható. A szilárdsága ilyenkor viszonylag alacsony (~ 200 MPa) de a transzlucenciája magas. Egy hozzávetőlegesen félórás égetés a szilárdságát közel a duplájára (~370 MPa) emeli. 3. Ötvözetek

13

Ötvözeteket is gyakran alkalmazunk elsősorban rögzített koronák és hidak vázainak elkészítésére. Kezdetben a titán ötvözettel is sok próbálkozás történt. Ma már csak történelmi jelentősége van ennek, hiszen a fogászati frézgépeket első fejlesztései között szerepelt a titán hidegen történő megmunkálása. Az arany világpiaci árának nagymértékű emelkedése miatt kerestek a nemesfém ötvözeteknek alternatívát és így jutottak el a titánig. A titán öntéssel laboratóriumi körülmények között nehezen és körülményesen feldolgozható, a marásos eljárás viszont megfelelően hatékony. Rögzített pótlás készítésére a titán és ötvözeteit ma már kevésbé alkalmazzuk, viszont az implantációs pótlások gyors terjedése ismét életre hívta a titánötvözet gépi megmunkálását. Főleg fejeket és egyéb elhorgonyzást biztosító elemeket készíthetünk. A nemesfémek frézeléses technikája nem terjedt el. Ennek oka, hogy a tömbök elkészítése az arany ára miatt rendkívül költséges. Pontossága öntéssel is jól biztosítható. A nemesfém ötvözetek, főleg a kobalt-króm és a nikkel-króm ötvözetek gyorsan elterjedtek a rögzített pótlások vázanyagaként. Frézeléssel az öntéssel együtt járó térfogatváltozásból adódó pontatlanság is kiküszöbölhető. További előnyük, hogy mindkét ötvözet jól kerámiázható. Napjainkban terjedőben van a nem nemesfém ötvözetek additív technológiával, elsősorban szelektív lézer szinterezéssel történő megmunkálása. A kemény megmunkálás során felhasznált anyagok egy része, különösen az ötvözetek jó hővezető képességgel rendelkeznek. A kerámiák esetén viszont ilyen tulajdonságról nem beszélhetünk. A kemény megmunkálás során nagy mennyiségű hő keletkezik, amit a rossz hővezető anyagok esetén a felszín közeli rétegben okozhat szerkezeti változásokat. Ezért ennél a megmunkálási formánál megfelelő mennyiségű és állandó hűtésről kell gondoskodni. A cirkónium esetén a keletkezett hő kristálymódosulást is okoz, de a monoklines kristályszerkezet segít megfékezni a felszíni repedések mélyebb rétegekbe való terjedését. Másik fő probléma a marás során keletkező felszíni sérülés és egyenetlenség. Ennek kiküszöbölésére a végterméket több lépésben készíthetjük el. Először durva vágóeszközökkel távolítják el az anyag nagy részét, majd finomabb eszközökkel érik el a végleges felszíni simaságot.

14

7.2.2.3.2. Puha megmunkálás anyagai Puha megmunkálás során elsősorban olyan anyagokat alkalmazunk, amelyek végső keménységük esetén nehezen lennének feldolgozhatóak a frézgépek számára. A fogtechnikai laborok számára ezért ezeket az anyagokat puha vagy „zöld” állapotban teszik elérhetővé. Ebben az esetben a zöld nem a színére utal az anyagnak. Az előszinterezett forma ezért puhább, könnyen megmunkálható. A frézelést követően egy másodlagos hőkezeléssel, ami lehet szinterezés vagy krisztallizáció, alakíthatjuk a végleges szerkezetet, ami az anyag végső fizikai tulajdonságait meg fogja határozni. Azok az anyagok, amelyeket szinterezni kell, jelentős, akár 20%-os térfogatváltozást is szenvedhetnek. A krisztallizáció ezzel szemben nem jár zsugorodással. Az ebbe a csoportba tartozó anyagok közül sok optikai tulajdonsága nem kedvező, ezért szükség lehet leplezésükre. A kristályos fázisuk alapján csoportosíthatjuk legegyszerűbben ezeket az anyagokat is. Ezek alapján a következő fő csoportokat különböztethetjük meg: lítium diszilikát üveg-kerámia magnézium alumínium-oxid tartalmú kerámia alumínium-oxid tartalmú kerámia (alumina) cirkónium-oxid tartalmú kerámia (cirkónia) A lítium diszilikát kerámiát egy köztes, un. „kék” állapotban frézeljük. Az ilyenkor metaszilikát állapotú anyag hőkezeléssel nyeri el végső kristályos (diszilikát) szerkezetét. Ezek a kerámiák jó optikai tulajdonságaiknak köszönhetően teljes borítókorona készítésére is felhasználhatók akár a front területen is. De a végső szilárdságuk (~360 MPa) lehetővé teszi moláris koronák, vagy akár három tagú hidak elkészítését is. A magnézium alumínium oxid-kerámiákat (Inceram Spinell) előszinterezett formában frézelhetjük. Szinterezését magas hőmérsékleten végezik, közben alacsony olvadáspontú üveg fázis bejuttatásával csökkentik a váz porozitását. Az így elkészült vázat porcelánnal leplezik. A puha megmunkálású anyagok közül ezek szilárdsága a legalacsonyabb. Éppen ezért szinte 15

kizárólag a front területre korlátozódik az indikációs területe. Az üveg infiltrációnak és a porcelán leplezésnek köszönhetően az esztétikája azonban rendkívül jó. Az alumínium-oxid kerámiáknak számos feldolgozási formája létezhet. Feldolgozhatjuk a magnézium alumínium oxid-kerámiáknál leírt módon, szinterezéssel, infiltrálással és leplezéssel (Inceram Alumina). Alternatív lehetőség, ha a digitálisan megnövelt tűzálló csonkmintára izosztatikus körülmények között préselik a kerámiát por formájában. Majd ezt szinterezés és leplezés követi (Procera Alumina). Szintén kínálkozó lehetőség, ha egy digitálisan megnövelt méretű váz kerül kifaragásra, amelyet később szinterezni kell. Az alumínium-oxid kerámiák opák tulajdonságúak, ezért szinte minden esetben leplező porcelánnal kell az optikai tulajdonságait javítani. Napjainkban a cirkónium-oxid kerámiából készülő pótlások a leginkább közkedveltek. Hasonlóan az előzőhöz, ez is készülhet egy digitálisan nagyobb méretűre kifaragott minta használatával. Erre izosztatikusan préselik a kerámia porát, majd szinterezik és leplezik (Procera Zirconia). Legtöbbször azonban a számítógép az anyag tulajdonságait figyelembe véve a szinterezéskor bekövetkező zsugorodással megegyező mértékben nagyobb váz adatait küldi el a frézgép felé. A nagyobb váz a szinterezés alatt zsugorodik és nyeri el végső nagyságát. Ezt követően leplezhető speciális leplező porcelánnal. Az előszinterezett forma krétafehér színű, opák anyag. A szinterezés előtt festékbe márthatják, vagy felszínére színező folyadékot ecsetelhetnek. Ez a hőkezelés alatt a vázba penetrálva megadja a pótlás alapszínét. A több órás szinterezés alatt a kerámia tömörebbé válik. A puha megmunkálás magában hordozza a térfogatváltozásból adódó eltérések megjelenését. A digitálisan nagyított munkadarab akár 25-30%-os zsugorodást is szenvedhet szinterezés közben. 16

Ennek a kompenzálását, illetve magának a zsugorodásnak az irányát és mértékét, a mai modern rendszerek megfelelően képesek kalkulálni és a készülékeket ehhez adaptálni. Sok klinikai és labor vizsgálat született a szubtraktív technikák pontosságának meghatározására. Általánosságban megállapíthatjuk, hogy a hagyományos öntéses eljárás képes pontosabb végeredményt biztosítani. Azonban mindegyik tanulmány rámutat, hogy a fogtechnikai laboratóriumban készülő pótlások pontosságának a szórása viszont nagy értékeket mutat. Összegzéséként ezért megállapíthatjuk, hogy a hagyományos technika ugyan lehet pontosabb, de a digitális technika sokkal inkább képes egy állandó minőséget tartani és ez a minőség is a klinikailag elfogadható tartományon belül van. A CAD/CAM rendszerek pontatlanságához egyes vélemények szerint a technológiai sorba iktatott plusz lépések a felelősek. A szkennelés, a széli zárás vonalának megállapítása mind hordoz magában hibalehetőséget. A legnagyobb hibalehetőség az apró részletek kifaragása esetén jelentkezik. Általában a megmunkáló eszköz legnagyobb átmérője határozza meg a kifaragható részletek pontosságát. Többek között ezért tartja fontosnak minden gyártó hangsúlyozni, hogy fémmentes restaurációk esetén éles sarkokat, éleket és szögleteket nem hagyhatunk vissza. A belső szögletek megfelelő elkészítésére számos szoftver a maróeszköz méretének megfelelő kompenzációt épít be a tervezés folyamatába. Ha olyan éllel találkozik a rendszer, ami a forgóműszer átmérőjénél kisebb, akkor megfelelő helyet hagy a lekerekített belső szögletek számára. Ez azonban szükségszerűen nagymértékben megnöveli a preparált csonk és a restauráció közötti rést. Ezt a rést a beragasztó cement nem minden esetben képes kompenzálni.

17

2. ábra: Az ábra a fúró átmérőjének megfelelő belső szögletek kialakítását mutatja. Az ábrán látható, hogy éles szögletek kialakítására nincs lehetőség. Ha nem lekerekített élekre kell egy koronavázat kialakítani, az vagy az anyag elvékonyítását eredményezheti, vagy a váz nem lesz helyrejuttatható Implantációs

pótlások

készítésénél

ilyen

nagymértékű

eltéréseket

nem

találunk.

A

pontatlanságuk a különböző rendszereknekm10µm alatt van. Ezt az eltérést, ami a természetes fogra készülő faragott pótlások és az implantátumra hasonló technikával készülő pótlások pontossága között van, elsősorban a preparált csonk bonyolultabb és nehezebben detektálható felszíni geometriájával magyarázható. 7.3.

Additív technológiák

Az előzőekben láttuk, hogy milyen lehetőségek állnak rendelkezésünkre szubtraktív technológiák alkalmazására a fogászatban. Az additív technikák megjelenése az odontotechnológiában időben is a frézeléses vagy marásos technikák után következtek és felhasználásuk sem olyan széles körben elterjedt jelenleg. Mind a szubtraktív, mind az additív technikákat rapid prototyping (gyors prototípus gyártás) összefoglaló névvel látták el. Mint ahogy az elnevezés is mutatja, az iparból indult el a technológia fejlesztése és rohamos terjedése. A prototípus gyártásnak az ipari tömegtermelésben hatalmas előnyei vannak. Egy sorozatgyártásra szánt terméket legyárthatunk kis darabszámban, tesztelhetjük és a sorozatgyártás eszközeit is elkészíthetjük adott esetben. De ha nem sorozatgyártásban gondolkozunk, akkor is jól alkalmazhatjuk ezeket az eljárásokat. A modern additív eszközökkel gyorsan és költséghatékonyan állíthatunk elő kevés darabból álló terméket, amikor a hagyományos gyártáshoz szükséges eszköz elkészítése sokszor hosszadalmas és 18

költséges beruházást jelentene. Az anyagok fejlődésével pedig funkcionálisan is alkalmazható eszközhöz juthatunk. Az additív technikákat a munkafolyamat fő jellemzője alapján csoportosíthatjuk. Minden munkafolyamat a szubtraktív folyamatoknál megismert három fő lépésre bontható. Az adatbevitel nem különbözik a frézeléses eljáráshoz szükséges adatbeviteltől. A terezés, ahogy a marásnál a szoftver minden esetben figyelembe veszi a feldolgozó készülék és a felhasznált anyagok jellemző tulajdonságait, itt is a választott technológiának megfelelően készíti el a megmunkáló eszköz vezérléséhez szükséges adatmennyiséget. A fájl formátumok is hasonlóak. A legnagyobb eltérés természetesen a termékgyártást végző készülékben van. Ezek a készülékek működési elve pontosan ellentétes, mint a szubtraktív készülékeké. Ezeknél nem egy előre elkészített blokkból történik anyagelvétellel a végtermék előállítása, hanem a kiválasztott anyagból építi fel a készülék. Ez az építés általában rétegről rétegre történő műveletet jelent.

3. ábra: A rétegek vastagsága meghatározza az elkészített tárgy felszínének sajátosságait. Ahogy az a 3. ábrából is megérthető, a rétegek vastagsága döntően meghatározza a készülék felbontóképességét és az elkészült tárgy felszíni sajátosságait. Minél vékonyabbak az egyes rétegek, annál pontosabb és simább lesz a felszín. 7.3.1.

Fotopolimer alapú rendszerek

1984-ben Charles Hull UV fény hatására polimerizálódó anyagokat vizsgált és a lézer nyomtatók fényforrását felhasználva 3 dimenziós tárgyat hozott létre. Ezt tekinthetjük azoknak a technológiák kezdeti lépésének, amelyeket ma rapid prototyping (gyors prototípus gyártás) névvel foglalhatunk össze és ezt tekintjük a mai additív technológiák tényleges kezdetének. A 19

Hull által létrehozott eljárást pedig sztereolitográfiának (SL) nevezték le. Később több cég is továbbfejlesztette az eljárást, de az alapelv mindegyik esetén ugyanaz maradt. Alapanyagként olyan fotopolimert alkalmazunk, amely elektromágneses sugárzás hatására képes megkötni és megkeményedni. A kereskedelmi forgalomban kapható eszközök általában ultraibolya vagy látható fényt használnak. Az elektromágneses hullámok többi képviselőjét inkább csak kísérletes célokra alkalmazzák. A legtöbbször folyékony halmazállapotú polimerben a besugárzás hatására kémiai reakció játszódik le. A reakció polimerizáció, hiszen a folyamat során az alkotók összekapcsolódnak és a kémiai kapcsolat hatására szilárd halmazállapotúvá válnak.

4. ábra: A sztereolitográfia vázlata Az SL technikánál az alátámasztás anyaga és a tárgy készítésére használt anyag ugyanaz. Ez megkönnyíti a végső kidolgozást. A 4. ábra a SL folyamatát szemlélteti. Egy fotopolimerrel megtöltött tartályban egy vertikálisan mozgatható tárgyasztal helyezkedik el. A különböző, rendkívül bonyolult optikai rendszerek által generált fénysugár (lézer) a folyadék felső rétegével érintkezve kémiai reakciót indít el. A felső, meghatározott rétegvastagságú anyag kb. 46%-ban polimerizálódik és a részben megszilárdult anyag a tárgyasztal felszínéhez kapcsolódik. Ezt követően a tárgyasztal egy rétegvastagságnyit lejjebb mozdul. A fénysugár ismételt pásztázása során reakciót indít el a felszíni rétegben. De a fény a mélyebb, korábban már részlegesen 20

polimerizált rétegbe is eljut. Itt folytatja a megkezdett polimerizációt, javítva az anyag polimerizáltsági fokát. Másrészt kapcsolatot létesít a rétegek között. Így köti kémiailag az egyes rétegeket egymáshoz. A mélyebb rétegeket fedő polimer folyadék pedig elzárja az kémiai folyamatot az oxigéntől, ami szintén javítja a polimerizáltság hatásfokát. Az eddigiekből is látható, hogy ez a fajta technika soka pontosságát egyenként is meghatározó részfolyamatból áll. A fénysugár nem teljesen egyenes vonalban terjed, hanem mindig megfigyelhető bizonyos mértékű szóródás és a fénysugár mentén is polimerizációs folyamatot indít el. Tovább bonyolítja a folyamatot, hogy a fény hőhatása révén is képes kémiai folyamatokat iniciálni. A polimerizált anyag alakja ezért parabolához hasonló formát vesz fel. A fénysugár áthatolóképessége elsősorban annak energiájától függ. Fontos a reakciós ráta meghatározása is. Ha elméletben olyan tartályt képzelünk el, amiben kizárólag monomer és iniciátor található, akkor megállapíthatjuk, hogy a polimerizáltsági ráta egyenesen arányos a monomerek mennyiségével és az iniciátor mennyiségének négyzetével. Ebből látható, ha a polimerizáltságot szeretnénk javítani, elsősorban az iniciátor mennyiségét kell növelni. A késztermék pontosságára legnagyobb hatással mindezek ellenére az alkalmazott alapanyagok vannak. A következőkben ezért ezeket tekintjük át. 7.3.1.1. A fotopolimer rendszerek anyagai A termoplasztikus anyagok polimerjeinek szerkezetével ellentétben a fotopolimer rendszerek polimerjei keresztkötéseket létesítenek egymással. Ezért a termoplasztikus anyagok hő hatására folyékony halmazállapotúvá válnak és a hőmérséklet csökkenésével megszilárdulnak. Hő hatására azonban ismételten folyékony halmazállapotba vihetők. Ezzel szemben a fotopolimerek láncai között kialakuló kötés tartós, a folyékonyból szilárd halmazállapotúvá alakulás nem fordítható meg. A rendelkezésre álló anyagok közül először az akrilátokat kezdték el alkalmazni a SL készülékekben. A technika tökéletlensége mellett az akrilátok sem bizonyultak maradéktalanul alkalmasnak ilyen jellegű felhasználásra. A polimerizáció során nagyon nagymértékű zsugorodással kell számolnunk. Ez több lépcsőben következik be. Ahogy azt korábban írtuk a fénysugár hatására a felszíni rétegben indul el a kémiai reakció. Majd a platform süllyedésével a felszínt új réteg reagálatlan polimer borítja be. Fény hatására ez a réteg is polimerizációs láncot 21

indít el. De ez a réteg elzárja az oxigéntől a korábban polimerizáltat, meggátolva annak inhibíciós hatását. A legfelső réteg mellett fény jut a mélyebb, korábban már részlegesen polimerizált rétegbe is. Ez további kémiai reakciókat iniciál. Ez további zsugorodáshoz vezet, amely a megszilárdult anyagban feszültséget is generál. Az akrilátok végső zsugorodása akár 20%-ot is elérhet. Az akrilátok hátrányos tulajdonságai miatt új anyag után kellet nézniük a kutatóknak. 1988-ban így jutottak el az epoxi-gyantához. A kompozitokkal szemben számos előnye van. Kémiai reakciója során sokkal kisebb térfogatváltozást tapasztalunk (1-2%) és mellette a végtermék pontosabb, keményebb és erősebb lesz. A kémiai reakciójának sajátosságából adódóan a légköri oxigén nem befolyásolja, így kevesebb iniciátorra van szükség a folyamat elindításához. Ennek előnye még, hogy az akrilátokra jellemző kellemetlen szag sem jelentkezik. Az epoxi-gyantában a polimerizációs folymat önmagában nagyon lassan megy végbe. A végtermék is kifejezetten törékeny lesz. A légkör oxigénje ugyan nem, de a nedvesség annál nagyobb mértékben akadályozza a reakciót. Éppen ezek miatt mégis akriláttal vegyítik, hogy a hozzáadott akrilát javítsa az epoxi-gyanta hátrányos tulajdonságait.

Az akrilát mellett

fotoiniciátort, oldószert flexibilitást fokozó anyagot, stabilizátort és folyékony monomert is tartalmaz a vegyület. 7.3.2.

Por alapú rendszerek

A por alapú rendszerek első képviselője az SLS (Selective Laser Sintering) technika volt, amelyet kezdetben elsősorban műanyag prototípusok előállítására használtak, majd később ezt kiterjesztették ötvözetekre és kerámiákra is. Mára már a felhasználható anyagok listája a kezdetiek sokszorosára bővült. Az SLS technológiához az alapanyag rendkívül finom porát használják. Ezt a port a készülék egy henger segítségével teríti egyenletesen egy tárgyasztalon. Egy réteg vastagsága általában nem több, mint 0,1 mm. A folyamat levegőtől elzárt, nitrogénnel töltött térben megy végbe. Erre az oxidáció káros hatásának kivédése miatt van szükség. A port a készülék folyamatosan melegen, az olvadáspontjához közeli hőmérsékleten tartja. Ez két okból is lényeges. Egyrészt kisebb

22

energiájú lézersugár szükséges így a szemcsék közti kapcsolat kialakításához, másrészt a kisebb hőmérséklet különbség nem okoz vetemedést a kész tárgyban. Amikor a megfelelő rétegvastagságú port a készülék egy henger segítségével egyenletesen szétterítette a platformon és elő is melegítette, egy nagy energiájú CO2 lézersugár a CAD szoftver alapján pásztázza végig a felületet. A megfelelő porszemcsék kapcsolódnak egymáshoz és szilárd tárgyat képeznek, míg a körülöttük lévők továbbra is por alakban maradnak. Ezek a továbbiakban a készülő tárgy számára szolgálnak alá támasztékul. Amint a sugár végzett a réteggel, a platform pontosan egy rétegnyit lefelé mozdul és egy henger ismételt porréteget terít az előző tetejére. Az új réteg porszemcséit ismételten lézersugár fogja a meghatározott geometriának megfelelően összekapcsolni, és az előző réteggel is szoros kapcsolat alakul ki. A folyamat ennél azért jóval összetettebb. Részint a fejlesztési irányok is különböző innovációkat hoztak a technológiába, másrészt a felhasznált anyagok palettája is kibővült. Ma döntően négy fő eljárást sorolhatunk az SLS technológiák közé: szilárd fázisú szinterezés, kémiailag indukált kötés, folyékony-fázisú szinterezés, és teljes olvasztás.

23

5. ábra: Az SLS eljárás vázlatos rajza

7.3.2.1. Szilárd fázisú szinterezés A szinterezés kifejezés önmagában olyan egyesülési folyamatot jelent, amikor magas hőmérséklet hatására alakul ki két anyag között kapcsolat anélkül, hogy azok olvadt állapotba kerülnének. Vagyis megőrzik szilárd halmazállapotukat.

Az így kialakuló kapcsolatot úgy

érhetjük el, hogy a lézer sugár energiájának köszönhetően a porszemcsék abszolút olvadáspontjuk és olvadáspontjuk közötti hőmérsékletre hevülnek. Mint ahogy azt általában láthatjuk a különböző rendszereknél, mindig egy alacsonyabb energiaszintre törekszenek. A porszemcsék felszíni energiája döntően a feszín nagyságával egyenesen arányos. Vagyis a diffúzióval, két vagy több porszemcse kapcsolódásával az összfelszín csökken és vele együtt a felszíni energiájuk is. A diffúzió kezdetén a szemcsék közötti porozitás jelentős mértékű. Ennek csökkentéséhez vagy hosszú szinterezési idő, vagy magasabb hőmérséklet szükséges. A másik tény, ami ugyanezen elv mentén könnyen megérthető, hogy a kisebb szemcsék számára kevesebb idő vagy alacsonyabb hőmérséklet is elegendő. A négy SLS eljárás közül a szilárd fázisú szinterezés a leglassabb folyamat. Ez persze hátrányként jelentkezik összehasonlítva a többi, hasonló alapelven működő mechanizmussal. 7.3.2.2. Kémiailag indukált kötés A kémiailag indukált kötés lényege, hogy magas hőmérséklet hatására kémiai folyamat indul el. ez mindig két különböző anyag pora vagy por és valamilyen gáz között játszódó folyamat. A kémia reakció során egy köztestermék keletkezik. Ez a köztestermék pedig összekapcsolja a két különböző anyagot. Erre jó példa a ZrB 2 a lézer energiájának hatására oxigén jelenlétében ZrO 2 á alakul és összekapcsolja a ZrB 2 és ZrO 2 szemcséket. Kerámiák feldolgozásánál a kémiailag indukált kötés az egyik fő irányvonal. Sajnos a folyamat eredményeként keletkező tárgy porozitása jelentős, ami csak különböző utómunkákkal redukálható. Az utómunka lehet valamilyen anyag diffundáltatása, vagy hosszú idejű és magas hőmérsékletű égetés.

24

7.3.2.3. Folyékony-fázisú szinterezés A folyékony fázisú szinterezés kétségtelenül a leggyakrabban alkalmazott SLS technika. Szintén két vagy több, eltérő tulajdonságú anyag összekapcsolására használható eljárás. A por egy része alacsonyabb olvadáspontú. Ezt a részt olvadáspontig hevítjük és a folyékony halmazállapotúvá vált fázis, mintegy ragasztóként funkcionálva, összekapcsolja a szilárd halmazállapotban maradt porszemcséket. Ezáltal olyan anyagok is összekapcsolhatók, amelyek kifejezetten magas olvadásponttal rendelkeznek. A végtermék tulajdonságait rendszerint az összekapcsolt szemcsék határozzák meg. Ideális esetben az összekapcsolást végző anyag szemcséi méretben sokkal kisebbek. Ezáltal jobban körbeveszik a nagyobb szemcséket és olvadt állapotukban is hatékonyabban kitöltik a szemcsék közti tereket, csökkentve ezzel a végső porozitást. Egy példa az alkalmazásra, amikor rozsdamentes acél por szemcséit kapcsolják össze polimerrel. Technológiailag előrelépést jelent, ha a kapcsoló anyag a struktúrát adó anyaggal együtt alkotja a porszemcsét. Az is megvalósítható, hogy a struktúrát adó anyag szemcséit bevonják a kötőanyaggal. Ennek előnye, hogy jobban elnyeli és hasznosítja a lézer energiáját, jobb lesz a ragasztóhatás. 7.3.2.4. Teljes olvasztás Teljes olvasztással elsősorban ötvözetek és szemi-kristályos polimerek esetén találkozunk elsősorban. A lézersugár energiája a szemcséket teljesen olvadt állapotba hozza. Ezzel lényegesen jobb lesz a kapcsolat a szemcsék között és a végtermék tömörsége is számottevően nagyobb mértékű. Legtöbbször nylon poliamidot használhatunk ezeknél a rendszereknél vagy különböző ötvözeteket. A fogászatban ezen utóbbiak felhasználása a jellemzőbb. Az ötvözetek lehetnek nemesfém, de jellemzően inkább nem nemesfém ötvözetek (pl. Ti, CoCr). 7.3.3.

Extrudáláson alapuló módszerek

Extrudálás során valamilyen választott anyagot egy tartájban folyékony halmazállapotúvá alakítják. Ezt követően a folyadékot egy fúvókán keresztül egy síkfelületre juttatják, ahol a folyadék megszilárdul. A fúvóka meghatározott irányokba haladva alakítja ki a 3 dimenziós tárgyat a rétegek egymásra applikálásával. Ideális esetben a fúvóka mindig egyenletes sebességgel halad, a kiáramló folyadék mennyisége mindig állandó és a felületre kijuttatott anyag 25

azonnal megszilárdul annak bármilyen megfolyása nélkül. Ezek teljesülése technikailag nem egyszerű feladat és ezek jelentik a módszer nehézségét és az esetleges pontatlanságok döntő okát. Az alapanyag legtöbbször drót formájában található. Ez a drót kerül be egy melegítő tartályba egy kis motor segítségével, ami görgőkkel folyamatosan továbbítja az extrudálandó anyagot. A tartályban az anyag hőmérséklete egyenletesen emelkedik az olvadáspontja fölé. Ezt követően egy fúvókán keresztül jut a kívánt felületre. A kijuttatott anyag megszilárdulásának két lehetséges módja van. Ha a felhasznált anyag folyékony halmazállapotúvá alakítását annak olvasztásával érték el, akkor a lehűlés eredményezi a halmazállapot változását. De olyan megoldások is születtek, hogy a kijuttatott anyag gél halmazállapotú lesz és a folyadék, legtöbbször víz, elpárolgásával szilárdul meg. Mindkét esetben a szilárdulás térfogatváltozással jár, ami nem is lineáris. A megszilárdulás során fellépő másik probléma az előző réteghez való kötődés. Ha olvadt anyaggal dolgozunk, annak elég melegnek kell lennie ahhoz, hogy energiájának egy részét a korábban kijuttatott rétegnek átadva, annak felszínét részben képlékennyé téve, kémiai kapcsolat alakuljon ki közöttük. A gél alapú rendszereknél pedig gondoskodni kell nedvesítő folyadék jelenlétéről. Az extrudáláson alapuló módszerek legismertebb képviselője az FDM (Fused Deposition Modelling) eljárás. A felhasználható anyagok széles skálán mozognak. A legtöbbet használt anyag az ABS (akrilonitril-butadién-sztirol) és annak továbbfejlesztett változatai (pl. ABSplus, ABSi, ABS/PC). Az ABSi transzlucens anyag, amely egyéb tulajdonságaiban hasonló a többi ABS anyaghoz. Ennek a technológiának a napjainkban elérhető legkisebb rétegvastagsága 0,078 mm, de a fúvóka geometriája miatt a külső és belső élek lekerekítettek. Az elkészült tárgy pedig anizotrop tulajdonságokkal rendelkezik, a tér három irányában nem azonosak az anyag fizikai tulajdonságai.

26

6. ábra: Az FDM eljárás vázlatos rajza 7.3.4.

Nyomtatási eljárások

Az Amerikai Egyesült Államok elnöke, Barack Obama, egy beszédében a gazdaság számára stratégiai fontosságúnak tartotta az RP eljárásokat. Sajnos, a 3D nyomtatás kifejezést használta az additív technológiák összefoglalására. 3D nyomtatás alatt azonban ennél többről van szó. Már a ’80-as években felmerült az igény, hogy a 2D-s nyomtatás analógiájára dolgozzanak ki egy olyan eljárást, amivel 3D-ben lehet megjeleníteni különböző tárgyakat. Először gipszport használtak egy hagyományos nyomtatóban, amit előzőleg természetesen átalakítottak. Egy kötőfolyadékot tartalmazó patron kapcsoltak a nyomtatóhoz és a folyadék a nyomtató fúvókáin keresztül jutott a por felszínére. Ezzel képesek voltak valóban szilárd, 3D-s tárgy létrehozására. A gipszet a viaszok követték a technológiai sorban. Ebből a fogászatban már mintázatot is tudtak készíteni. Napjaink piacvezető cégei közül sokat fotopolimereket alkalmaznak. A monomert UV fénnyel megvilágítva polimerizációs folyamat kezdődik. Ez némileg hasonlít az SL technikánál leírtakhoz. A technikai megvalósításban természetesen különbségek vannak. A 3D nyomtatási eljárások számos előnnyel rendelkeznek. Az RP eljárások közül talán a legolcsóbbak és ezért a legszélesebb körben elterjedtek. Az anyagok variálhatósága is lényeges 27

szempont. Egy nyomtató készülékben sok, akár több ezer fúvóka is elhelyezkedhet. Ezeken keresztül nem csak egyfajta anyag alkalmazására van lehetőség, hanem azok kombinációjára is. Ha kötőanyagot juttat a készülék a platformon rétegzett anyagra, akkor akár fémek, kerámiák is feldolgozhatók. Ezen túlmenően akár különböző színű alapanyagok is választhatók, színes végterméket eredményezve. 7.4.

Gyors prototípusgyártás alkalmazási lehetőségei a fogpótlástanban

A fogászaton belül a gyors prototípusgyártás technológiái közül a szubtratktív technikák időben jóval megelőzték az additívakat. Az első rendszerek között in-office és in-lab rendszerek is megjelentek. Ma elsősorban különböző kerámiákat használunk ilyen feldolgozási formával. Az implantációs pótlások megjelenése viszont az ötvözetektől is nagy pontosságot követel meg, ami a hagyományos technikával nem biztosítható minden esetben. 7.4.1.

Rögzített pótlások készítésének lehetőségei

A rögzített fogpótlások készítése, legyen az öncélú borítókorona vagy hídpótlás, preparálással kezdődik. Ahhoz, hogy CAD/CAM rendszerek számára feldolgozhatóak legyenek a preparáció adatai, digitális formába kell azt alakítani.

6. ábra: A hagyományos és digitális munkafolyamatok összefoglalása A digitális adat, vagy a lenyomat szkennelésével, vagy digitális lenyomattal állítható elő. Az intraoralis szkennerek inkább az in-office technikáknál gyakoribb, míg a lenyomat digitalizálása 28

szinte mindig a laborban történik. Ezt követően a mintát előállíthatjuk digitális technikával, ha valós 3D modellre van szükségünk. Ennek előnye, hogy a hagyományos gipszmintával szemben jóval ellenállóbb és nagyobb kopási ellenállással rendelkezik.

7. ábra: A nyomtatható virtuális minta (Varinex engedélyével)

29

8. ábra: Nyomtatott minták (Varinex engedélyével)

Hagyományos eljárásnál a viaszmintázat szabadkézzel készül és a fogtechnikus ügyessége határozza meg elsősorban a végeredmény pontosságát és egyéb tulajdonságait. Napjainkban a mintázat előállítása is történhet digitális úton. A számítógép megfelelő szoftverével megtervezett pótlás adatait frézgép felé továbbítva vagy viaszból, vagy kiégethető műanyagból frézeli ki azt, vagy lehetőség nyílik additív technikával nyomtatni. A nyomtatott vagy frézelt mintázat a viasszal összevetve keményebb, kevésbé sérülékeny és a hőmérsékletváltozások sem okoznak benne torzulást vagy térfogatváltozást. További előnye, hogy az összekötőrészeket is számítógép tervezi. Így elkerülhetővé válnak azok töréséből adódó problémák. A műanyag mintázatot keménysége és merevsége lehetővé teszi direkt bepróbálásra a csonkokra az öntés előtt. Speciális anyaggal még javítható is és szájban korrigálható. Az összekötő rész mellett a szoftver a leplező porcelán számára is ideális helyet teremt. Az anatómikus formából un. cut-back technikával virtuálisan megteremti a helyet a porcelánnak, biztosítva annak egyenletes rétegvastagságát. Az ilyen módon előállított mintázat leplezésének sérülése lényegesen ritkább. Ahogy azt a korábbi fejezetekben már említettük a rögzített pótlások alapanyag elsősorban kerámia, de lehet valamilyen ötvözet is.

30

A definitív pótlás elkészülte előtt általában a preparált csonkot ideiglenes pótlással látjuk el védve azt a kémiai és fizikai ingerekkel szemben. Ezen túlmenően az ideiglenes pótlás esztétikai, funkcionális szerepet is betölt és a hangképzésben is fontos feladatot lát el. Az ideiglenes pótlás készítése is szervesen kapcsolódhat a digitális munkafolyamatokhoz. A tervezést követően a feldolgozás eszközének továbbított adathalmazt tudjuk ideiglenes pótlásra optimalizálni. Ilyenkor az ideiglenes pótlás anyagát állítjuk be e programban és annak paramétereit használja a készülék a továbbiakban. A pótlás tervezése a végleges pótlás tervezésének lépéseivel megegyezik. Amennyiben frézgéppel készül, a készülékben az ideiglenes pótlás anyagának blokkját rögzítjük és ebből faragja ki a gép a restaurációt. A frézelést követően felszíni polírozás általában szükséges. Az esztétikája ennek a pótlásnak általában elmarad a végleges pótlástól. Ez következik egyrészt az anyag fogtól eltérő fénytani tulajdonságainak, másrészt annak is, hogy a pótlás egy anyagból készül, és nem teszi lehetővé az individuális kialakítást. Az ideiglenes pótlás általános előnyei mellett a digitális úton készült alkalmas a végleges pótlással elérhető eredmény szimulálására is. Mivel a tervezés során az alakját, formáját és méretét a definitív pótlással együtt határoztuk meg, így az annak pontos mása. Szájba helyezve ellenőrizhetjük a definitív pótlás kifaragása előtt a marginális integritás megfelelő kialakítását, kapcsolatát a szomszédos és antagonista fogazattal és a lágyrészekhez való viszonyát. Ez akár költséghatékonyságot is jelenthet, mert bármilyen eltérés esetén a végleges pótlás készítését újrakezdhetjük anélkül, hogy az ténylegesen elkészítettük volna.

31

9. ábra: Ideiglenes koronapótlás és az elkészítéséhez nyomtatott minta (Varinex engedélyével) 7.4.2.

Kivehető pótlások készítése digitális technikákkal

A rögzített pótlások készítése mellett kivehető pótlások készítése is megvalósítható CAD/CAM technikákkal. Mind a teljes (TKF), mind a részleges kivehető pótlások (RKF) készítésére léteznek ma már digitális megoldások. Ezek azonban még gyerekcipőben járnak. Nehezen szervezhető és költséges laboratóriumi háttér gátat szab a módszer elterjedésének. A hosszú távú tapasztalatok is hiányoznak, így teljes bizonyossággal nem is adhatjuk meg ezeknek a pótlásoknak a prognózisát. A kezdeti eredmények viszont rendkívül kedvezőek. A digitális úton készülő RKF számos előnnyel bír. Ezzel a technológiával nagyban csökkenthető az előállítás ideje és a költsége. Nincs szükség tűzálló mintából duplikálással munkamintát készíteni, nincs szükség viaszmintázat készítésére és akár több fémlemez is önthető egyszerre. Mivel a terv digitálisan továbbítható, a fogorvos és fogtechnikus közti kommunikáció sokkal eredményesebb lehet. Előnyök mellett néhány hátrányt is meg kell említenünk. A digitális rendszerek beszerzése költséges. A megöntött fémlemez felszíni porozitása is nagyobb a hagyományos módon készülttel összevetve. A laboratóriumi munkafolyamat egyébként nagyban hasonlít a hagyományos módszer lépéseihez. Először a lenyomatot vagy mestermintát 32

digitalizálják. A virtuális mintát ezt követően előkészítik a paralellométeres regisztrálásra. Először meghatározzák a legoptimálisabb behelyezési irányt. Ezt követően kiblokkolják az alámenős területeket. Ezt követően a nyereg és a nyereg alatti terület kerül fel a virtuális mintára. Majd az összekötő részek meghatározásával folytatódik a folyamat. A kapcsok tervezése csak ezt a lépést követi. Majd mindezek után elvégezhetők az esetleges apró korrekciók egy virtuális viaszkés segítségével. A tervekből a szoftver az STL fájlt a nyomtató vagy frézgép felé

továbbítja. Az így elkészült mintázatot ezt követően felcsapozzák és a hagyományos úton megöntik. A további munkafolyamat (fémlemez próba, fogpróba, készrevitel) nem különbözik a konvencionális módszerektől. 10. ábra: Nyomtatott fémlemez mintázat nyomtatott modellen (Varinex engedélyével)

A részleges kivehető fogpótlások mellett teljes kivehető fogpótlás is készülhet a hagyományostól eltérő módon. CAD/CAM technikával csupán két fogorvosi időpont szükséges, amivel jelentős idő takarítható meg és idősebb páciensek számára is jobban tolerálható. A digitális adatok tárolásra kerülnek, és ha a jövőben szükség van a fogsor ismételt elkészítésére, vagy CT és implantációs műtéti sablon gyártására, nem szükséges ismételten lenyomatot venni és azt digitalizálni. A sok előny mellett mégis talán az egyik legfontosabb, hogy a hagyományos akrilát feldolgozás során keletkező térfogatváltozás kiküszöbölhető. Néhány vizsgálat pontosan ennek tulajdonítja a digitális technikával készülő fogsorok jobb illeszkedését. A piacon napjainkban csak kevés rendszer érhető el, amelyek kifejezetten teljes kivehető protéziseket képesek előállítani. A klinikusnak így gyakran távoli központokba kell a lenyomatot 33

eljuttatni, amely közben mindig fennáll a lenyomat sérülésének vagy alakváltozásának a veszélye. A kevés fogorvosi kezelés sem minden esetben jelent előnyt. A többszöri vizit olyan problémákat is felfedhet, amelyek egyébként csak a fogsor elkészültét követően jönnének elő. A piacon kapható rendszerek egyike a fogsor alaplemezét polimerizált akrilát blokkból készíti el frézeléssel. A fogaknak a helyet szintén elkészíti a frézgép és a műfogakat ragasztással kell a megfelelő pozícióban rögzíteni. A cég fejlesztésének köszönhetően saját műfogakat is képes frézeléssel előállítani és már gyakorlatban is működik a fogsor készítése monoblokk akrilát felhasználásával. Egy másik gyártó rendszerében először egy próbafogsor készül el additív módszerrel. Ezt követően a végleges fogsor hagyományos akrilát feldolgozással készül, de a préseléshez a küvettát 3D nyomtatással készítik el. 7.4.3.

Implantációs fogpótlások készítése digitális technikákkal

Implantátummal elhorgonyzott vagy megtámasztott fogpótlások készítése napjainkban már egyre nagyobb százalékban készül valamilyen digitális technológia felhasználásával, legyen az egy fog pótlása vagy egy teljes állcsontra készülő hibridprotézis. Az implantációs pótlás tervezési szakaszában már segítségül hívhatjuk a digitális technikákat. Az állcsontviszonyok pontos feltérképezéséhez CBCT (Cone Beam Computer Tomograph) felvételt készítünk. Mint ahogy arról már írtunk, a CBCT által előállított DICOM adat a CAD/CAM rendszerek számára megfelelő információ tartalmat hordoz. Ennek a felhasználásával megtervezhető a beültetendő implantátumok száma, helyzete és a készítendő pótlás is. A tervek alapján műtéti sablont készíthetünk, aminek segítségével az implantátum pontosan a megtervezett helyre és a meghatározott pozícióba hozható. Ezzel az implantátum beültetése gyorsabb és biztonságosabb lesz, mert elkerülhetővé válik a fontosabb anatómiai struktúrák elkerülése. Az ideális implantátum helyzet pedig megteremti a pótlás számára a legoptimálisabb alapot.

34

11. ábra: 3D nyomtatással készített CT és műtéti sablon (Varinex engedélyével) Maga az implantátumnak a gyártási folyamatai is szinte kivétel nélkül szubtraktív technikákkal valósulnak meg. A gyárilag előállított műcsonkok tökéletesen és feszülés mentesen illeszkednek az implantátumok platformjára. A gyári mellett lehetőségünk van a műcsonkot egyénileg is elkészíteni. Ennek egyik lehetséges útja hagyományos nyitott vagy zárt kanalas lenyomattal kezdődik. A laborban az implantátum analógjának a felhasználásával elkészül a minta, amelyet digitalizálnak. A virtuális mintán történik meg a műcsonk tervezése. Az így készülő műcsonk optimális anatómiai kontúrral rendelkezik a megfelelő retenciós és ellenállási forma, esztétikus emergencia profil és optimális tisztíthatóság elérése érdekében. Ettől eltérő rendszerek közvetlenül a szájban készült intraorális szkennelés útján állítják elő a virtuális mintát. Erre a célra, az implantátumra egy különleges, kimondottan erre a célra tervezett lenyomatvételi fejet (un. scan body) erősítenek. A különleges fejnek köszönhetően az implantátum helyzete pontosan detektálható. A virtuális minta előállítást követően, hasonlóan az előző rendszerhez, az egyedi fej frézeléssel készül vagy valamilyen ötvözetből (pl. Ti) vagy gyakran kerámiából. A ma kapható intraorális szkennerek mindegyike rendelkezik az 35

implantációs pótlás készítéséhez szükséges leképezés lehetőségével. Az implantátum gyártók is rendszerint rendelkezésre bocsájtják a műgyökerek, különösen annak platformi részének adatait. Így a digitális lenyomat után a szoftver már pontosan ismeri a platform és a rá illeszkedő műcsonk geometriai adatait. Egyei műcsonk mind a ragasztásos, mind a csavarrögzítéses pótlások számára készíthető.

36