Academiejaar 2011-2012
CAD/CAM TECHNOLOGIE VOOR HET VERVAARDIGEN VAN EEN UITNEEMBARE PARTIËLE PROTHESE
Johannes TIESINGA
Promotor: Prof. dr. L. van Zeghbroeck
Masterproef voorgedragen in de Tweede Master in het kader van de opleiding tot
TANDARTS
De auteur(s) en de promotor geven de toelating deze Masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze Masterproef.
28 april 2011
____________________
____________________
Drs. J.J.W. Tiesinga
Prof. Dr. L. van Zeghbroeck
ii
Voorwoord Door het schrijven van een masterthesis, een synthese van informatie uit uiteenlopende informatiebronnen na een grondige selectie en beoordeling op wetenschappelijke waarde, laat de student zien zich een academische denkwijze eigen te hebben gemaakt, m.a.w. logisch, gestructureerd en met inzicht van zaken een wetenschappelijk probleem te kunnen benaderen en op te lossen. Deze alternatieve vorm van onderwijs sluit mijns inziens beter dan klassikaal onderwijs aan op de situatie na de studie in de maatschappij, waarin de academicus, in dit geval tandarts, in staat wordt geacht zelfstandig en "evidence based" antwoorden te kunnen formuleren op gestelde vraagstukken. Deze thesis draait om "vernieuwing", namelijk het toepassen van nieuwe productietechnieken voor het vervaardigen van een uitneembare partiële prothese, waarbij deze innovatie kan worden aangewend om tegemoet te komen aan bepaalde maatschappelijke problemen, zoals milieuproblematiek en de vergrijzing van de bevolking. Voor mij persoonlijk was de keuze voor dit onderwerp echter meer nog gemotiveerd door de fascinatie voor technologische vernieuwing en de mogelijkheden die dit schept. Hoewel technische literatuur soms moeilijk te doorgronden valt door een vereiste zeer scherpe leercurve, en het in dit geval helaas ook niet altijd mogelijk was alle interessante details te achterhalen, meen ik toch veel te hebben bijgeleerd over dit boeiende onderwerp. Graag wil ik mijn promotor professor van Zeghbroeck bedanken voor haar leerzame en motiverende begeleiding, en voor de mogelijkheid om me met zo'n toekomstgericht en vernieuwend onderwerp bezig te kunnen houden. Daarnaast heb ik ook veel steun en hulp gehad van mijn vrouw Sulette Bruwer en vrienden Willem-Jan Hoogerdijk en Sjaak Bloemberg, die ik daarvoor dan ook hartelijk wil bedanken. Bovendien zou ik graag de tandtechnische laboratoria Labo Hoet & Co. en Intradent en hun medewerkers die in het kader van deze studie werden bezocht willen danken voor hun medewerking en gastvrijheid.
Axel, 28 april 2012
iii
Tabel 1 Lijst met afkortingen (Techniekbeschrijvingen gebaseerd op ASTM norm F2792–10ε1) Afkorting Toelichting 3DP 3D printing, laagsgewijze vervaardigingstechniek waarbij materiaal gelegd wordt door een spuit of printerkop. ALARP "As low as reasonable practicable", verplichting in medische context om patiënten aan een zo laag mogelijke (cumulatieve) dosis ioniserende straling bloot te stellen. AM Additive manufacturing, verzamelnaam voor laagsgewijze vervaardigingstechnieken. ASTM ASTM International, voorheen american society for testing and materials, autoriteit op het gebied van het vaststellen van standaarden voor naamgeving, specificaties, richtlijnen testmethoden en gebruik van materialen en techieken. BD Beam deposition, laagsgewijs vervaardigingsproces gebaseerd op het spuiten van gesmolten materiaal, meestal metaal (1). CAD Computer aided design, vervaardiging van een virtueel model van een object met behulp van een computer. CAM Computer aided manufacturing, aansturing van (bijv. frees-)apparatuur met behulp van een computer om een object te vervaardigen. CNC Computer numerical control, verzamelnaam voor substractieve computergestuurde vervaardigingstechnieken (1). CT Computed tomography, een 3D beeldvormingstechniek gebaseerd op röntgenstraling. DDM Direct digital manufacturing, verzamelnaam voor laagsgewijze processen waar het product als eindproduct gebruikt kan worden. DMD Digital micromirror device, een component bestaande uit een raster van kleine spiegels die afzonderlijk gedraaid kunnen worden DW Direct write, duidt doorgaans op laagsgewijze vervaardigingsprocessen op <5 mm schaal (1). EBM Electron beam melting, laagsgewijs PBF proces gebaseerd op fusie van metaaldeeltjes met een hoogenergetische electronenbundel. EIA Environmental impact analysis, analyse van de impact op het milieu FDM Fused deposition modelling, een door de machines van Stratasys toegepaste techniek, om objecten laagsgewijs door middel van extrusie van verwarmd thermoplastich materiaal op te bouwen. LCA Levenscyclusanalse, methode om de milieu-impact van een bepaald productieproces in te schatten LS Laser sintering, laagsgewijs vervaardigingsproces gebaseerd op selectief smelten of sinteren van poedervormig basismateriaal door een gerichte laserstraal. MRI Magnetic resonance imaging, een 3d beeldvormingstechniek gebaseerd op magnetische kernspinresonantie (nuclear magnetic resonance). NURBS Non-uniform rational B-splines, een mathematische methode om oppervlakken te definiëren aan de hand van "control points" waartussen wordt geïnterpoleerd. PBF Powder bed fusion, verzamelnaam voor laagsgewijze vervaardigingsprocessen gebaseerd op selectieve fusie van poederdeeltjes in een vlakke laag poedervormig basismateriaal. RFP Rapid freeze prototyping, laagsgewijs vervaardigingsproces gebaseerd op het bevriezen van gespoten waterdruppels SL Stereolithografie, een laagsgewijs vervaardigingsproces gebaseerd op selectieve polymerisatie van fotopolymeervloeistof door een gerichte laserstraal. SLM Selective laser melting, door sommige fabrikanten toegepaste term voor laser sintering, meer specifiek voor het direct smelten of sinteren van metaal- of keramiekpoeders (1). SLS Selective laser sintering, naamgeving voor het laser sintering proces dat toegepast wordt in de machines van 3D Systems (1). STL Door 3D Systems ontwikkeld standaard bestandsformaat voor CAD data (1). UPP Uitneembare partiële prothese, door de patiënt uitneembare voorziening om de esthetiek en/of functie en/of mandibulaire stabiliteit te herstellen, in combinatie met de nog resterende elementen (2).
iv
Inhoudsopgave 1 Abstract ............................................................................................................................... 1 2 Inleiding en doelstellingen.................................................................................................. 2 3 Methodologie ....................................................................................................................... 7 4 Resultaten ............................................................................................................................ 8 4.1 Toelichting nomenclatuur ........................................................................................................ 8 4.2 Digitale scantechnieken, "reverse engineering" .................................................................... 8 4.2.1 Sonderen (Probing) ........................................................................................................... 10 4.2.2 Optische Triangulatie ........................................................................................................ 11 4.2.3 Conoscopische Holografie ................................................................................................ 15 4.2.4 Parallelle Confocale Beeldvorming .................................................................................. 16 4.2.5 Active Wavefront Sampling .............................................................................................. 18 4.2.6 Andere digitaliseringstechnieken ...................................................................................... 19 4.2.7 Verzamelen en correleren van de data, omzetten naar STL .............................................. 20 4.3 CAD ontwerpsoftware ............................................................................................................ 22 4.4 Computergestuurde vervaardigingstechnieken ................................................................... 24 4.4.1 Typen vormafwijkingen bij computergestuurde vervaardiging ........................................ 25 4.4.2 Substractieve technieken, CNC ......................................................................................... 27 4.4.3 Additieve technieken ......................................................................................................... 29 4.4.3.1 Fotopolymeer gebaseerde technieken, Stereolithografie .......................................................... 32 4.4.3.2 Poeder gebaseerde systemen, Laser Sintering .......................................................................... 35 4.4.3.3 Electron Beam Melting............................................................................................................. 40 4.4.3.4 3D Printing systemen ............................................................................................................... 42 4.4.3.5 Extrusie gebaseerde systemen, Fused Deposition Modeling ................................................... 46 4.4.3.6 Beam Deposition processen, Laser Engineered Net Shaping .................................................. 49 4.4.3.7 Andere Additive Manufacturing systemen ............................................................................... 51 4.5 Praktijkvoorbeelden CAD/CAM productie UPP ................................................................ 51 4.5.1 Voorbeelden uit de literatuur............................................................................................. 51 4.5.2 UPP frame productie door middel van 3DP en giettechniek ............................................ 52 4.5.3 UPP frame productie door middel van Laser Sintering .................................................... 54 4.6 Milieu-aspecten van de CAD/CAM UPP frameproductie .................................................. 56 4.7 Toekomstvisie .......................................................................................................................... 58 5 Discussie en Conclusies .................................................................................................... 60 6 Referenties ......................................................................................................................... 63 Bijlagen .................................................................................................................................... 70
v
1
Abstract
De snel evoluerende CAD/CAM technieken bieden nieuwe alternatieven voor de klassieke vervaardiging van een uitneembare partiële prothese door middel van de verloren-was giettechniek. Hiermee kan worden getracht de vervaardiging sneller, goedkoper, meer gestandaardiseerd en accuraat te maken. Twee productieprocessen, waarbij additieve (laagsgewijze) computergestuurde vervaardiging wordt toegepast, op basis van dan wel 3D printing of laser sintering, zijn reeds beschreven in de literatuur (3-8), en worden ook in de praktijk toegepast. In beide productieprocessen worden enkel nog het frame van de UPP digitaal vervaardigd, en bevatten deze nog stappen van het klassieke productieproces, zoals het nemen van de afdruk en het vervaardigen van de met kunsthars en elementen beklede zadels. Bovendien wordt bij het 3D printing productieproces nog de klassieke "verloren was" giettechniek toegepast. Naar verwachting worden in de toekomst meer van deze stappen, bijvoorbeeld door het rechtstreeks inscannen van de afdruk in plaats van een uitgegoten individueel model, ook betrokken in een digitale "workflow". Hoewel dit aanvankelijk nog niet het geval is, zijn beide CAD/CAM productieprocessen na initiële investeringen en optimalisatie sneller en goedkoper dan het klassieke UPP productieproces. De technieken kunnen bovendien nog worden versneld, door lagen in een 2D, in plaats van in een 1D of lijn-benadering te bewerken. Ten aanzien van de standaardisatie en nauwkeurigheid, blijken deze moeilijk te bepalen, zowel vanwege de (geometrische) complexiteit van het product, als door gevolg van het toepassen van de additieve vervaardiging, waar zowel de buitenstructuur als binnenstructuur met dezelfde, soms zeer complexe en moeilijk in de hand te houden, methode wordt vervaardigd. Het feit dat de technieken nog niet geheel inzichtelijk en verfijnd zijn blijkt ook tot gevolg te kunnen hebben dat belangrijke zaken als de oppervlaktestructuur, zelfs van een afgewerkt product, vanuit klinisch oogpunt ondermaats blijken te zijn en verdere optimalisatie behoeven.
1
2
Inleiding en doelstellingen
Nadat de pioniers als Duret (1971) (9), Mörmann (1980) (10), en anderen een plaats hadden veroverd voor de digitalisering van ontwerp- en vervaardigingstechnieken in de tandheelkunde, hebben deze technieken vooral opmars gemaakt in de vaste prothetiek. Redenen voor deze snelle ontwikkelingen waren de snellere en betrouwbaarder vervaardiging van kroon- en brugwerk, groter comfort voor de patiënt door eliminatie van de afdrukprocedure en de daarmee gepaard gaande verbetering in hygiëne voor tandarts en tandtechnicus, en het toelaten van het gebruik van nieuwe materialen zoals ZrO2 (11). Aangezien de vervaardiging van prothetisch werk een dure aangelegenheid is en er dus ook veel geld aan te verdienen valt, hebben vele bedrijven (ook van oorsprong niettandheelkundige ~) zich op de CAD/CAM (computer aided design / computer aided manufacturing) markt gestort (10,12-15). In het kielzog van de digitale vervaardiging van vaste prothetiek komt ook de vervaardiging van uitneembare partiële (frame-)prothesen (UPP) door middel van digitale technieken tot ontwikkeling, waarvan reeds enkele voorbeelden in de literatuur zijn verschenen (3-8). Dat dit langer geduurd heeft dan in de eerste prothetische discipline heeft te maken met het feit dat de markt voor frameprothesen kleiner, en dus minder lucratief is, maar vooral met het gegeven dat de vervaardiging van een frameprothese een hogere technische nauwkeurigheid vereist. Aan het materiaal voor een frameprothese worden zeer specifieke eisen gesteld, aangezien het ter hoogte van de major connector voldoende stug moet zijn, maar juist ter hoogte van de ankerklemmen voldoende flexibel zodat de prothese in de mond geplaatst en uitgenomen kan worden zonder dat daar al te grote krachten voor nodig zijn en zonder risico op beschadiging van de pijlerelementen. Uit onderzoek door Körber is gebleken dat de maximale kracht waarbij de patiënt de prothese nog kan uitnemen minder dan 1 kgf = 9,8 N, bedraagt, terwijl reeds bij 20 N het parodontaal ligament beschadigd wordt (16). Bovendien is een hoge dimensionele nauwkeurigheid van ordegrootte 0,1 mm vereist over een lengte van meerdere centimeters omdat de klemmen ter hoogte van alle betrokken elementen, zowel als de zachte weefsels, passief moeten aanliggen (2). Met de tot nu toe toegepaste conventionele technieken om een uitneembare partiële prothese (UPP) te maken konden dergelijke hoge nauwkeurigheids- en materiaaleisen bereikt worden, maar dit is een duur, relatief traag en arbeidsintensief proces dat bovendien gevoelig is voor materiaalkundige of tandtechnische fouten (17-19). Met behulp van nieuwe digitale 2
technieken die gebruik maken van de computer (CAD/CAM), wordt deze vervaardiging geautomatiseerd, in de hoop deze binnen het kader van dezelfde materiaal en nauwkeurigheidsvereisten sneller, goedkoper, meer gestandaardiseerd en accuraat te maken (4,6,20). Naast de bovengenoemde nadelen van conventionele vervaardigingstechnieken zijn deze bovendien belastend voor het milieu (21-23). Mogelijks bieden digitale productieprocessen alternatieven die een kleinere impact hebben op het milieu (24,25). Deze thesis tracht een antwoord te formuleren op de volgende vragen: Inventarisatie: – Welke CAD/CAM technieken worden in de tandheelkunde gebruikt? – Wat zijn de voor- en nadelen van deze technieken? Welke technische problemen zijn bekend van deze CAD/CAM technieken? Leveren de in de tandheelkunde bekende CAD/CAM technieken meer geautomatiseerde en gestandaardiseerde resultaten op dan conventionele technieken? – Wat zijn de milieu-effecten van de UPP productie door middel van CAD/CAM en hoe vergelijken deze zich met die van de conventionele productietechnieken? Extrapolatie: – Welke in de tandheelkunde bekende CAD/CAM technieken zijn toepasbaar op vervaardiging van een uitneembare partiële prothese? – Welke systemen of processen voor CAD/CAM vervaardiging van een uitneembare partiële prothese zijn reeds ontwikkeld en op de markt gebracht? Toekomstvisie: – Welke nieuwe CAD/CAM technieken zijn in ontwikkeling? Hoe kan in de toekomst de vervaardiging van een uitneembare partiële prothese meer geautomatiseerd, en gestandaardiseerd worden gemaakt? Voor een goede vergelijking tussen conventionele en digitale technieken kunnen het beste eerst de afzonderlijke stappen in het klassieke productieproces worden beschouwd, te weten standaard en individuele afdrukname, surveyen, beetregistratie, framepas, waspas, plaatsing (zie het schema in Figuur 1, p.6). Bij toepassing van digitale technieken worden wel een standaard en individuele afdruk genomen, welke vervolgens wordt gedigitaliseerd ("inscannen gipsmodel" in het schema). Het rechtstreeks scannen van de mucosa in de mond is niet mogelijk, omdat de indrukbaarheid van de mucosa moet worden verdisconteerd (2). Met deze data op basis van het gipsmodel kan in de computer een virtueel model van de kaak 3
worden weergegeven waarop dan een virtueel model van het frame wordt gemodelleerd (CAD, computer aided design). Het virtuele ontwerp wordt vervolgens door middel van additive fabrication, in de CAM (computer aided manufacturing) stap, omgezet in een reëel object, waarna deze wordt afgewerkt en gepast in de mond. Op dit moment zijn zowel uit de literatuur (3-8) als uit de praktijk (zie §4.5, p. 51) enkel voorbeelden bekend waar het frame, en niet de met kunsthars en elementen beklede zadels door middel van CAD/CAM geproduceerd worden. Aangezien ook de vervaardiging van volledige uitneembare prothesen door middel van digitale productietechnieken in ontwikkeling is, en er reeds een voorbeeld van in de literatuur is verschenen (26), kunnen mogelijk in de toekomst ook de zadels door middel van CAD/CAM technieken worden vervaardigd (zie ook §4.7, p. 58). Met uitzondering van deze toekomstvisie handelt de thesis daarom voornamelijk over het met behulp van digitale technieken vervaardigen van een UPP frame. Op basis van het bovenstaande en het schema in Figuur 1, p.6, kan dus gesteld worden dat enkel de stappen tussen definitief gipsmodel en het afwerken van het frame en het conventioneel vervaardigen van de beklede zadels anders zijn bij toepassing van digitale technieken. Deze digitale technieken worden opgedeeld in drie deelstappen: het digitaliseren ofwel scannen van het gipsmodel (1), het ontwerpen van een virtueel model van het frame (CAD) (2), en het computergestuurd vervaardigen van het frame (CAM) (3).
4
Voor elk van de stappen zijn er verschillende digitale technieken mogelijk (de methoden worden in onderstaande paragrafen verder uitgewerkt): 1
Data acquisitie d.m.v. scannen. Hiervoor zijn uiteenlopende, fundamenteel verschillende methoden beschikbaar: –
Sonderen (bijv. de Nobel Procera Forte scanner (27))
–
Positiebepaling d.m.v. triangulatie (bijv. de 3Shape A/S wit licht scanner (28)). Deze methode is op vele manieren geoptimaliseerd. De eerste methoden maken gebruik van triangulatie op basis van een enkel lichtpunt, latere technieken maken gebruik van een lijn of lijnpatroon. Voorts worden verschillende typen lichtbronnen gebruikt:
2
–
infrarood licht triangulatie
–
laser triangulatie
–
LED licht triangulatie
–
Conoscopische holografie (bijv. NobelProcera scanner, Nobel Biocare)
–
Parallel confocal imaging (bijv. Cadent iTero scanner)
–
Active Wavefront Imaging (bijv. Lava C.O.S. scanner, 3M ESPE)
Virtueel CAD ontwerp van het UPP frame. Hier bestaan verscheidene gespecialiseerde softwarepakketten voor.
3
Het vervaardigen van de frameprothese met behulp van de computer. Er wordt allereerst onderscheid gemaakt tussen substractieve en additieve methoden. –
De substractieve technieken berusten op het weghalen van materiaal uit een bouwblok. Deze methoden zijn toepasbaar voor het vervaardigen van vast prothetisch werk maar niet voor het vervaardigen van een frameprothese, voornamelijk vanwege de geometrische complexiteit (zie §4.4.2., p. 27; (1)).
–
Bij de additieve methoden (AM) wordt juist een werkstuk opgebouwd door het toevoegen van materiaal. Hiervan zijn een aantal methoden (SLA, LS, FDM, 3DP, BD) potentieel geschikt voor de frameprothese vervaardiging en deze zullen dan ook nader worden geanalyseerd.
–
Er bestaan hiernaast nog andere additieve methoden (1) die nog niet zijn toegepast in de tandheelkunde, of minder relevant zijn, zoals Direct Write (DW) processen.
5
Figuur 1: Vergelijking van conventionele en digitale vervaardigingstechnieken van een frameprothese
6
3
Methodologie
Bij de beantwoording van bovenstaande vragen werd dit onderzoek gebaseerd op de bestaande literatuur. Artikelen werden primair verkregen via zoektochten in de PubMed en Web of Knowledge databases, aangevuld met relevante boeken. Om doelgericht relevante artikelen te kunnen vinden werden toepasselijke MeSH-termen gebruikt bij het zoeken in de PubMed databank gecombineerd door middel van Boolean operatoren, zoals bijvoorbeeld “computer aided design”, “computer aided manufacturing” en “denture, partial, removable”. Vanwege de technische aard van het onderwerp was de meer medisch georiënteerde PubMed database, met het gebruik van MeSH-termen, ontoereikend (Bijlage 2, p.71) en werd ook in de ScienceDirect, Web of Knowledge en Web of Science databases gezocht, hoewel hier geen MeSH termen gebruikt konden worden. Aansluitend hierop werden de jaargangen van 2002 tot heden van enkele toonaangevende tijdschriften zoals Rapid Prototyping J., Dental Materials, J. Prosthodontics, Int. J. Prosthodontics, manueel doorzocht. Van zeer relevante artikelen werden de daarin vermelde referenties en de daarnaar verwijzende citaties bovendien manueel onderzocht. Aangezien buiten de tandheelkunde de digitaliserings- en digitale vervaardigingstechnieken al langer toepassing vinden, konden beschrijvingen en overige informatie over deze onderwerpen in boeken overzichtelijk worden teruggevonden. Bij de selectie van artikelen werd rekening gehouden met de graad van bewijs, met preferentie voor (systematische) reviews. Aangezien het een technisch onderwerp betreft waren de medische onderzoeksvormen hier in mindere mate van toepassing (bijv. randomized controlled trial, longitudinal- / cohort-study, case-control study). Selectie vond in eerste instantie plaats op basis van titel en abstract. Artikelen in een andere taal dan Nederlands of Engels, werden uitgesloten. Er werd geen tijdslimiet ingesteld. Een alternatieve strategie welke gebruikt kan worden om de verkregen literatuur aan te vullen is het inwinnen van informatie bij laboratoria en bedrijven waar de genoemde digitale vervaardigingstechnieken werden toegepast. Er werd met dergelijke bedrijven contact gezocht.
7
4
Resultaten
4.1
Toelichting nomenclatuur
Computergestuurde vervaardiging is een snel ontwikkelend vakgebied, met name op het gebied van de additieve technieken. Doordat additieve technieken berusten op verschillende principes, en hier bovendien veel variaties op bestaan die bovendien vaak door slechts één fabrikant, met eigen merknaam, worden toegepast, bestaat er een veelheid aan nomenclatuur (zie Bijlage 1, p.70, voor een inventarisatie van alternatieve namen), die zich nog slechts in het beginstadium van internationale standaardisatie bevindt. Ook op het gebied van materiaaleigenschappen en andere producteigenschappen zijn de vervaardigingstechnieken nog weinig gestandaardiseerd, wat door het toepassen van addititeve technieken om eindproducten te maken, in plaats van prototypen, steeds urgenter is geworden. De commissie F42 van de ASTM International (voorheen american society for testing and materials), autoriteit op het gebied van het vaststellen van standaarden voor naamgeving, specificaties, richtlijnen voor testmethoden en gebruik van materialen en techieken, heeft reeds in standaard F2792.10 richtlijnen voor de nomenclatuur vastgelegd voor de verschillende processen, die in deze thesis zijn aangehouden. Bij andere organisaties, zoals de ISO (International Organisation for Standardisation) commissie ISO/TC 261, en het Nederlandse normalisatieinstituut NEN (oprichting commissie AM 19 mei 2011), zijn de door de ASTM opgestelde normen in beraad om te worden overgenomen1.
4.2
Digitale scantechnieken, "reverse engineering"
Er zijn voor het verkrijgen van 3D-informatie van de weefsels in de mond een aantal verschillende benaderingen mogelijk, te weten: 1. Intraoraal digitaliseren van de harde weefsels 2. Nemen van een afdruk en deze rechtstreeks inscannen 3. Nemen van een afdruk, uitgieten als gipsmodel en deze digitaliseren
8
Voor de eerste benadering zijn een aantal systemen op de markt gebracht, zoals de CEREC (Sirona systems LLC, Bensheim, Duitsland), het E4D Dentist systeem (D4D Technologies, Richardson, Texas, Verenigde Staten), de iTero intra-orale scanner (Cadent, Carlstadt, New Jersey, Verenigde Staten), en de Lava Chairside Oral Scanner (3M ESPE, St. Paul, Minnesota, Verenigde Staten) (30). Deze systemen zijn alle optisch, en digitaliseren de harde en zachte weefsels in rusttoestand. Hierdoor ontbreekt informatie over de indrukbaarheid van de weefsels (Figuur 2), wat met name van belang is voor het digitaliseren van de vorm van de mucosa, die tijdens Figuur 2: Indrukbaarheid van de functie door druk en inwerking van de kaak- en mucosa, op basis van Battistuzzi et lipspieren sterk kan verschillen (2).
al. (2)
Voor het modelleren van de zadels van een UPP, zeker in het geval van een krachtbrekend ontwerp waar een deel van de steun voor de prothese op de mucosa wordt gezocht, zijn optische intraorale scanmethoden dus ongeschikt. Enkel een afdruk met afdrukmateriaal waarbij (functionele) druk op de mucosa wordt uitgeoefend, en waar de inwerking van de spieren in de mond kan worden gesimuleerd door middel van muscle-trimming, geeft de juiste informatie over planparallelliteit, perifere randafsluiting en musculaire inwerking (31). Aangezien het effect van resiliëntie op de vorm van de harde weefsels verwaarloosbaar is kunnen deze wel optisch worden gedigitaliseerd, en zou voor een star UPP ontwerp in principe het frame kunnen worden gemodelleerd op basis van een intraorale scan, en voor het modelleren van de zadels de "altered cast" techniek kunnen worden gebruikt. Deze methode is volgens Battistuzzi (2) echter omslachtig, tijdrovend en onnauwkeurig. Het digitaliseren van een afdruk van de mond met afdrukmateriaal kan op twee manieren, ofwel direct, of na uitgieten in gips, respectievelijk methoden 2 en 3. Daarvan is methode 2 niet altijd mogelijk omdat een afdruk een structuur is met diepe en/of kleine holten en ondersnijdingen. Dit levert problemen op met scanmethoden als sonderen en laser-triangulatie (zie §4.2.1 en §4.2.2). Dit is de reden dat methode 3, het inscannen van het gipsmodel, meestal toegepast wordt, hoewel het direct inscannen van de afdruk wordt onderzocht en met een aantal technieken reeds mogelijk is (28,32). 9
4.2.1
Sonderen (Probing)
Sonderen van het oppervlak is qua principe de meest eenvoudige manier om een model te digitaliseren. Deze techniek wordt gerekend onder de "contact methoden", omdat het oppervlak wordt aangeraakt, in tegenstelling tot de onder beschreven methoden die worden gerekend tot de "non-contact methoden". De methode wordt uitsluitend gebruikt om extraoraal modellen op te meten. Een sonde glijdt volgens een vast patroon langs het oppervlak van een voorwerp, totdat het over het gehele voorwerp de hoogte van elk punt heeft bepaald. Het contact met het voorwerp wordt gemaakt door een kleine, saffieren bal (0,5-1,25 mm (27,32)), op de punt van een sonde. De methode wordt soms nog toegepast om modellen op te meten, omdat het in zeer diepe pockets van het voorwerp kan meten en geen last heeft van het schaduweffect dat optreedt bij laser-triangulatie (zie onder). Daarnaast heeft de methode in de verticale dimensie een grote nauwkeurigheid, hoogteverschillen in het oppervlak kunnen tot op 20,7 (±1,8) µm nauwkeurig worden opgemeten (32). De methode kent echter ook een aantal nadelen: -
De techniek gebruikt mechanisch bewegende delen instaan voor de meting, die onderhevig zijn aan slijtage en daardoor gecalibreerd moeten Figuur 3: Sondeermethode worden.
-
Daarnaast kunnen details kleiner dan de saffieren bol op de punt van de sonde niet worden opgemeten.
-
Omdat de sondeerpunt altijd via een as verbonden is met de rest van het meettoestel kan niet in ondersnijdingen gemeten worden, dus om daar het oppervlak op te meten moet het voorwerp worden gedraaid. Dit levert problemen op bij het rechtstreeks digitaliseren van afdrukken (zie §4.2).
-
Zelfs bij toepassen van slechts zeer lichte druk op de sonde bestaat een risico dat het model beschadigt of vervormt. Het kan dus ook niet worden gebruikt voor het digitaliseren van zachte voorwerpen, zoals een siliconenafdruk (32).
10
-
De methode is relatief traag en bewerkelijk omdat de sonde mechanisch elk punt op het oppervlak moet bereiken door het voorwerp of de sonde in horizontale richting te verplaatsen, en dit voor elk "aanzicht" op het voorwerp. Het wordt daarom voornamelijk toegepast voor het opmeten van relatief kleine voorwerpen, zoals een master die (als basis voor het digitaal modelleren en vervaardigen van kroon- of brugwerk) (32).
4.2.2
Optische Triangulatie
Deze en volgende methoden worden tot de "non-contact methoden" gerekend, omdat het oppervlak van het voorwerp dat opgemeten wordt, niet wordt aangeraakt. Bij de optische triangulatie methode wordt een punt (of een lijn of raster van lijnen) op het oppervlak van een voorwerp belicht met een lichtbron (bijv. een laser), en het teruggekaatste licht wordt opgevangen in een detector. De hoek tussen de door de lichtbron uitgezonden lichtstraal (laserlijn), het punt waar deze het oppervlak van het voorwerp raakt en de detector, geeft informatie over de hoogte (z-waarde) van het punt voor een gegeven xy-coördinaat in het horizontale vlak. In de eenvoudigste benadering wordt een laserpunt op het voorwerp geprojecteerd, en de reflectie door de detector gemeten. Voor de situatie zoals in Figuur 4a wordt de relatie tussen een bepaald verschil in hoogte (∂z) op het voorwerp en het verschil in positie van het signaal (∂x) op de detector, bij een invallende en uittredende hoeken i en u met de normaal gegeven (33): ∂x = ∂z (sin(i + u)/cos(i))
Formule 1
Voor de vereenvoudigde situatie waarin de hoek tussen laser-voorwerp en laser-detector loodrecht wordt gehouden (invallende hoek met normaal 0, "normal incidence", zie ook (33)), geldt een eenvoudige relatie tussen de verplaatsing van de gereflecteerde laserpunt in de verticale richting (∂z) en de laterale verplaatsing van het corresponderende punt op de detector (∂x)(Figuur 4b, (34), symbolen in formule aangepast, en geen rekening gehouden met de vergrotingsfactor door de lens): ∂z = ∂x/sin(u)
Formule 2
11
Figuur 4: Principe van (laser-) triangulatie (33)
Op deze manier kan, door het oppervlak in het horizontale vlak (xy-richting) af te scannen, voor elk punt een verticaal coördinaat worden gevonden, die gezamelijk een puntenwolk geven die een digitale representatie is van het oppervlak van het voorwerp. De methode wordt daarom ook wel een "laser surface digitizing" genoemd (35). Het is gemakkelijk uit bovenstaande Figuur 4 af te leiden dat de nauwkeurigheid van de methode groter wordt bij een grotere hoek u, oftewel wanneer het voorwerp zich dichter bij de lichtbron (en de detector) bevindt. In de 3Shape D700 dental impression scanner is de nauwkeurigheid bijvoorbeeld beter dan 20 µm voor een afstand van circa 30 cm (36); bij toepassingen buiten de tandheelkunde is de nauwkeurigheid tot 50µm in het bereik tot 100m (37). Behalve de projectie van 1 punt, kan ook een lijn of een heel raster van lijnen worden geprojecteerd op het oppervlak van het voorwerp, waardoor sneller meetpunten verzameld kunnen worden. De systemen die gebaseerd zijn op optische triangulatie en het gebruik van een raster van lijnen, "structured light systems", worden veel gebruikt in de tandheelkunde vanwege hun snelheid, lage kosten en eenvoud van opzet (38).
12
Bij optische triangulatie treden echter een aantal problemen op: -
Omdat de laser en detector altijd onder een hoek staan ten opzichte van het gemeten punt op het voorwerp, kan niet in zeer diepe holtes van het voorwerp gemeten worden, omdat dan de laserstraal onderbroken wordt, het "schaduweffect" (Figuur 5). Dit probleem treedt ook eerder op bij een grotere hoek tussen lichtbron, voorwerp en detector. Om schaduweffecten te vermijden moet hoek u in bovenstaande Formule 1 dus zo klein mogelijk worden gehouden. Een kleine hoek u geeft echter een vermindering van Figuur 5: Schaduw-effect bij lasertriangulatie
de resolutie (39). -
De maximale resolutie in de bepaling van de afstand van het voorwerp tot laser/detector (oftewel
de
minimale
afstand
die
in
de
dieptemeting nog onderscheiden kan worden) wordt bepaald door de Rayleigh limiet (33) (Figuur 6): Men kan twee naast elkaar gelegen signalen op de detector nog juist onderscheiden als
het
centraal
maximum
van
het
diffractiepatroon van het ene signaal juist samenvalt met het eerste minimum in het diffractiepatroon van het tweede signaal (40). In het geval van laser triangulatie gaat het niet om twee signalen die gemeten worden, maar om de Figuur 6: Rayleigh limiet verplaatsing van een signaal van positie 1 naar positie 2 die overeenkomt met een verschil in diepte (Figuur 4b). -
Men kan de afstand tussen de meetpunten op de detector en zo de resolutie van de dieptemeting groter maken door de hoek u te vergroten (zie Figuur 4), maar hierbij treden 13
dan sneller de schaduweffecten op. Er moet dus een compromis worden gezocht tussen resolutie en het vermijden van schaduweffecten. -
Het oppervlak van het voorwerp moet het laserlicht voldoende weerkaatsen in de richting van de detector. Dit is een probleem als het voorwerp een glad oppervlak heeft waardoor het laserlicht in een andere richting wordt gereflecteerd. Daarom wordt op het voorwerp een ontspiegelende TiO2 spray gespoten. Deze poederlaag geeft het te digitaliseren voorwerp een extra dikte van 13-85 µm (32). Behalve het tijdverlies als gevolg van de benodigde extra behandeling leidt de variabiliteit in de dikte van de poederlaag dus potentieel tot een aanzienlijke meetfout.
-
Bij het scannen van het oppervlak van het voorwerp komt het oppervlak waarop het laserlicht wordt weerkaatst dichter bij of verder van de detector te liggen. Hierdoor is het mogelijk dat het signaal uit focus raakt (39). Om te zorgen dat het teruggekaatste licht een scherp signaal op de detector blijft geven, moet de lens van de detector, het detectievlak en het vlak van de laserstraal op de juiste manier van elkaar georiënteerd (gedraaid) worden volgens de Scheimpflug regel (39,41), die ervoor zorgt dat voor elke hoogte van de weerkaatsing op het voorwerp aan de lensformule ((1/f) = (1/b)+(1/-v), (40) symbolen formule aangepast, met f = brandpuntsafstand, b = beeldsafstand, v = voorwerpsafstand) wordt voldaan. Het vlak van oriëntatie van de lens en de vlakken van de laserlijn en het detectievlak snijden elkaar hierbij in één lijn (Scheimpflug lijn, Figuur 4b).
-
Een laserlichtbron bestraalt geen perfecte punt, maar een klein oppervlak. Hierdoor treden onnauwkeurigheden op. Vooral bij scherpe punten op het oppervlak van het voorwerp, of bij variaties in reflectie kan op de detector niet altijd het midden van de gereflecteerde laserpunt worden bepaald. Een oplossing hiervoor is om naast de triangulatie ook te kijken naar de faseverschuiving in het teruggekaatste laserlicht, die informatie geeft over de weglengte van het teruggekaatste licht, en daardoor ook een methode levert om de afstand tussen laser of detector en het voorwerp te bepalen (39).
-
Er treden bij triangulatie problemen op met "speckle" op het oppervlak van het object, die een verstoring geeft van de meting op de detector. Dit is het gevolg van oppervlakteruwheid van het voorwerp. Bij het terugkaatsen geeft elk punt op het voorwerp (binnen de regio die door de bundel wordt beschenen), een willekeurige fase verschuiving aan teruggekaatste licht. Deze faseverschillen geven aanleiding tot versterking of verzwakking van het signaal op de detector, op willekeurige plaatsen (33). 14
-
De detectoren in oudere optische triangulatie apparaten maken gebruik van een fotodiode (position sensitive device, PSD) die de gemiddelde positie van de totale hoeveelheid licht bepalen die op de detector valt, en daardoor gevoelig zijn voor achtergrondlicht dat ook op de detector valt, of verschil in kleur van het voorwerp dat wordt opgemeten. Bij nieuwe detectoren gebaseerd op charge-coupled devices (CCD), heeft achtergrondlicht een minder grote invloed op de meting (42).
Er bestaan veel variaties op de optische triangulatie methode, waarbij bijvoorbeeld in plaats van naar intensiteitsverschillen in het geprojecteerde patroon als gevolg van een verschil in hoogte, gekeken wordt naar een faseverschil in een geprojecteerd sinusoïdaal patroon (41). Een andere methode is het projecteren van twee rasterpatronen uit verschillende richtingen, die samen interfereren en zo ook informatie geven over hoogteverschillen van het voorwerp (Moiré patroon methode).
4.2.3 Met
Conoscopische Holografie conoscopische
holografie
kunnen
bovenstaande problemen worden vermeden. Het berust op het principe dat het uitgezonden laserlicht
langs
twee
wegen
wordt
teruggekaatst, waarbij als gevolg van een verschil in diepte van het gemeten voorwerp een faseverschil optreedt tussen de twee teruggekaatste laserstralen, die elkaar dan door interferentie versterken of verzwakken. Het
unieke
aspect
van
conoscopische
holografie is dat de laserstralen langs dezelfde weg lopen, maar door het gebruik van een dubbelbrekend kristal en twee polarisatoren enkel verschillen in de polarisatierichting. Hierdoor krijgt het licht van de laserstraal in de ene polarisatierichting op de weglengte Figuur 7: Conoscopische holografie principe door het kristal een andere snelheid dan het licht in de andere polarisatierichting, met een faseverschil tot gevolg op het moment dat de twee laserstralen uit het kristal treden. Het "Gabor zone lens" interferentiepatroon op de 15
detector is concentrisch en uit het ringenpatroon (frequentie van maxima van de ringen ten opzichte van de straal) kan de afstand tussen voorwerp en detector worden bepaald (Figuur 7) (33,43). Het voordeel is dat deze methode veel nauwkeuriger de diepte kan bepalen en niet gebonden is aan de Rayleigh limiet (Figuur 6) (33). Hierdoor kan op 150 mm van het voorwerp nog met een nauwkeurigheid van onder de 0,4 µm de afstand tot de detector worden bepaald (37). Het "speckle" effect verstoort ook hier de meting, maar de meting kan gemakkelijker door uitmiddelling worden verbeterd, en ook daarna kan sub-micron precisie worden bereikt (33) op dezelfde afstand tot het object. Bovendien kunnen laser en detector in elkaars verlengde worden geplaatst, waardoor geen schaduw effecten optreden (vergelijk met laser-triangulatie, Figuur 4b, p.12). Dit is met name van belang voor de tandheelkundige toepassing van deze digitalisatietechniek, wil men het direct inscannen van een afdruk van de mondweefsels mogelijk maken. Hierbij treedt als gevolg
van
ondersnijdingen
het
bovengenoemde
schaduweffect
met
de
laser-
triangulatiemethode namelijk gemakkelijk op. Omdat laser en detector bij conoscopische holografie op één verlengde kunnen worden geplaatst, kan wèl de hele afdruk, inclusief de diepe holtes en ondersnijdingen, worden gedigitaliseerd. De conoscopische holografie methode kan worden toegepast met de NobelProcera scanner (Nobel Biocare AG, Göteborg, Zweden) maar is echter niet gecommercialiseerd. Er kunnen volgens Nobel Biocare ook afdrukken mee worden ingescand, en het toepassen van ontspiegelende spray is niet nodig.
4.2.4
Parallelle Confocale Beeldvorming
Deze techniek wordt op dit moment enkel toegepast voor intra-orale scans, in systemen als de iTero intra-orale scanner (Cadent, Carlstadt, New Jersey, Verenigde Staten), en niet voor het inscannen van uitgegoten modellen. Ondanks dat over de precieze werking van deze scantechniek weinig literatuur te vinden is, komt de beschrijving, die wel te vinden is in enkele populair wetenschappelijke bladen (30,44) en op de website van de fabrikant zelf (45), sterk overeen met het mechanisme van chromatische confocale sensors, zoals beschreven door Haus (37). Door in de opzet van een normale microscoop zowel ter hoogte van de lichtbron als ter hoogte van de detector een zeer klein diafragma te gebruiken ontstaat een zeer kleine scherptediepte, 16
waardoor enkel een voorwerp dat precies in focus ligt een scherp beeld geeft. Punten uit focus geven onscherpe beelden die door het tweede diafragma ("sleutelgat" in Figuur 8) worden gefilterd. Door voor elk punt op het voorwerp in de verticale, z-richting te scannen, in het geval van iTero zijn dit 300 scans die 50µm van elkaar liggen, kan voor dit punt een verticale afstand worden bepaald waar de hoogste intensiteit van de teruggekaatste laserbundel, oftewel een scherp beeld, wordt gevonden (37) (Figuur 8). Dit gebeurt bij de iTero scanner voor 100.000 punten tegelijk (30). Voor de meting hoeft geen ontspiegelingsspray te worden toegepast. De verticaal stapsgewijze data-acquisitie is een nadeel van deze techniek. Temeer daar de mogelijkheid bestaat dat de scanner bewogen wordt tijdens deze z-scan, waardoor het digitale model vervormt. De scanner kan beweging, die tot vervorming zou leiden, tijdens de scan zelf detecteren
en
waarschuwt
hiervoor
(demonstratie op IDS-beurs in Keulen, 2011). Dieptemeting door middel van confocale beeldvorming heeft op 6,5 mm een nauwkeurigheid van 0,2 µm (37). Er bestaat een optimalisatie van deze techniek,
waar
monochromatisch
in licht,
plaats
van
polychromatisch
licht wordt gebruikt. Door de chromatische abberatie in de lenzen van de microscoop, ontstaat ter hoogte van het voorwerp in verticale zin een opeenvolging van focale vlakken, die elk overeenkomen met een bepaalde kleur. Een lens buigt bijvoorbeeld blauw licht sterker af dan rood licht, waardoor het brandpunt van blauw licht dichter bij de lens ligt, oftewel op een hoger
Figuur 8: Principe van confocale beeldvorming
verticaal punt. Er hoeft dan dus geen verticale scan meer te worden uitgevoerd, maar kan de z-waarde worden gevonden uit de golflengte van het scherpe punt op de detector (37).
17
4.2.5 Active Wavefront Sampling Net als de vorige techniek, wordt ook deze techniek enkel (nog) in een intraorale scanner toegepast (bijv. de Lava Chairside Oral Scanner, 3M ESPE, St. Paul, Minnesota, Verenigde Staten). De methode berust op het "depth-from-defocus" principe. Als in een optisch systeem een voorwerp zich buiten het brandpuntsvlak bevindt, is het beeld onscherp. Als de afstand tot het brandpuntsvlak groter is, is de onscherpte ook groter, en door de mate van onscherpte te bepalen kan dus de afstand tussen lens en voorwerp worden bepaald. Omdat het zeer lastig is om alle onscherpe afbeeldingen van de verschillende punten op het voorwerp uit elkaar te halen (deconvolueren), wordt met active wavefront sampling dit probleem vereenvoudigd. Dit kan door gebruik te maken van een klein diafragma tussen lens en projectievlak, dat zich niet centraal op de as bevindt ("off-axis"), maar
ernaast,
en
roteert
(zie
ook
http://rvlab.icg.tugraz.at/project_page/project_ wavefront/project_wavefront.htm). Het beeld van het voorwerp is nu (vrijwel) niet meer onscherp, maar roteert op het projectievlak, zolang het zich niet in het brandpuntsvlak bevindt (Figuur 9).
Figuur 9: Principe van active wavefront sampling
Uit de diameter van de rotatie van het beeld kan de afstand tot de lens of het brandpuntsvlak worden bepaald (grotere diameter betekent verder van het brandpuntsvlak), en bovendien kan uit de richting van de rotatie van het beeld worden bepaald of het voorwerp zich voor of achter het brandpuntsvlak bevindt. In het geval van de Lava C.O.S. scanner wordt in feite geen gebruik gemaakt van een roterend diaframa, maar van 3 statische diafragma's, die elk vanuit een andere richting een afbeelding van het voorwerp opleveren (46). Door de kruiscorrelaties te bepalen tussen de drie afbeeldingen, kan voor elk punt in de afbeeldingen worden bepaald wat de diameter was van de "rotatie", en dus hoe ver het van het brandpuntsvlak af ligt (de berekening wordt 18
vereenvoudigd door enkel te kijken naar de punten met het grootste contrast ten opzichte van de punten ernaast) (47). De methode is zeer snel en kan binnen 1 seconde 20 "puntwolken", met elk 10.000 punten opmeten (46). Op een afstand van 5-15mm wordt een nauwkeurigheid van 6-11µm bereikt (48). De methode vereist het toepassen van een reflecterend poeder in een minder hoge concentratie dan bij laser-triangulatie (zie §4.2.2), waarbij de reflecterende punten in de software als referentiepunten worden toegepast voor het oriënteren van de verschillende scans ten opzichte van elkaar (30).
4.2.6
Andere digitaliseringstechnieken
Naast de hierboven beschreven methoden, die gangbaar zijn in de tandheelkunde, bestaat er nog een heel scala aan andere methoden om driedimensionele geometrische informatie van een voorwerp te verzamelen. Interessant om te noemen zijn computertomografie (CT) en magnetic resonance imaging (MRI, een toepassing van nuclear magnetic resonance, NMR) omdat deze ook medische toepassingen hebben. Het zijn transmissieve methoden die een voorwerp dus ook inwendig kunnen opmeten. Voor het scannen van het oppervlak van de mondweefsels is het echter niet noodzakelijk en zelfs schadelijk voor de patiënt om inwendige informatie te verzamelen, en daarom worden deze ook niet gebruik ten behoeve van de vervaardiging van een UPP. In deze toepassing van CT, die rechtstreeks op de patiënt wordt toegepast, wordt de stralingsbelasting echter relatief laag gehouden (conform het ALARP principe (49)), waardoor de resolutie ook relatief laag is. De CT techniek kent ook een industriële toepassing, waarbij door gebruik van hoogenergetische straling tot op 1µm nauwkeurig kan worden gemeten (1). Het scala aan digitaliseringstechnieken buiten de tandheelkunde omvat verder (42) toepassingen van ander optische technieken (bijv. moiré interferentie), sonar, microgolven, radar, "time-of-flight"-methoden, passieve optische methoden ("shape from shadow, stereo, focus, motion") en destructieve methoden (waarbij het model dat wordt opgemeten laag voor laag wordt weggeslepen).
19
4.2.7
Verzamelen en correleren van de data, omzetten naar STL
Elk van de boven beschreven technieken levert een reeks z-waarden, coördinaten in verticale dimensie, die corresponderen met een bepaald xy-coördinaat in het horizontale vlak. Deze reeks punten vormt tezamen een "puntenwolk", die een digitale representatie is van het voorwerp (meestal gipsmodel in de context van de UPP framevervaardiging). Er moeten bij het digitaliseren van het oppervlak van een voorwerp (in de toepassing voor prothese meestal een gips model) vrijwel altijd meerdere scans worden uitgevoerd, met het model telkens in een andere oriëntatie, omdat voor elk gezichtspunt zich delen van het oppervlak van het model in een ondersnijding bevinden, en dus verborgen worden door andere, ervoor liggende delen van het model. Het resultaat van de scans is dus een verzameling van puntenwolken die elk het model vanuit een bepaald aanzicht beschrijven, maar waar bij elk dus ook een deel van de informatie ontbreekt. Deze
puntenwolken
moeten
dus
worden
samengevoegd, zodat een puntenwolk ontstaat die het volledige model beschrijft. In elke meting bij een bepaald aanzicht is er een deel van de opgemeten coördinaten van het oppervlak dat overeenkomt met dat van andere aanzichten op het model. Deze overlappende informatie kan dus worden
gemiddeld.
Om
te
bepalen
welke
coördinaten met elkaar overeenkomen kan dit worden afgeleid uit bijgehouden informatie over Figuur 10: Flowchart verwerking van de oriëntatie van het model in elk van de
gescande data op basis van Raja et al. (42)
aanzichten, maar ook door de correlatie tussen de opgemeten puntwolken te bepalen. In de huidige optische triangulatie apparatuur wordt gebruik gemaakt van interne referentiepunten om de verschillende scans aan elkaar te relateren. Als de puntenwolken op de juiste manier met elkaar overlapt zijn, wordt de "dubbele" data aan elkaar gerelateerd en eventueel gemiddeld om het effect van ruis in de meting te verminderen. Op basis van statistieken 20
(gemiddelde positie, maximale afwijking en standaarddeviatie van de verschillende punten) wordt gekeken naar afwijkende punten, "outliers" die te veel afwijken tussen de verschillende scans, die kunnen worden verworpen, en wordt een inschatting gemaakt van de kwaliteit van de resulterende puntenwolk (42) . In de volgende stap (schema in Figuur 10) worden de punten verbonden tot een netwerk bestaande uit driehoeken, "mesh". Het resulterende model wordt een "polygoon" model genoemd. Vervolgens wordt het polygoonnetwerk nabewerkt, om de gladheid en kwaliteit te verbeteren, en om de randen scherper te maken. Verder worden de volgende vlakken verwijderd (42): -
Een vlak dat buiten (de bulk van) het object ligt, en dus niet met slechts één ander vlak, maar met meerdere vlakken een rand deelt, "nonmanifold edges";
-
Overtollige vlakken, waarvoor geldt dat meerdere vlakken dezelfde rand delen;
-
Snijdende vlakken.
Gaten in het model dienen te worden opgevuld, zoals bijvoorbeeld veroorzaakt door shading ter hoogte van het palatum of de embrasures tussen de tanden, en worden eventueel vlakken glad gemaakt door daar op basis van de buiging van de naburige vlakken een nieuw polygoonnetwerk te definiëren, "defeaturing" (42). Randen worden vaak onjuist ingescand en zijn daardoor te veel afgebogen of onregelmatig. Door de curvatuur van de vlakken naast een rand te extrapoleren kan de oorspronkelijke rand in het fysieke model worden gereconstrueerd. In sommige scanners, zoals iMetric D102i (Delcam, Salt Lake City, Utah, Verenigde Staten), kan het polygoon model nog selectief worden vereenvoudigd, om data te besparen. Om een oppervlak met een lichte glooiing te beschrijving zijn immers minder driehoeken nodig dan voor de beschrijving van een sterk gebogen oppervlak. Door Bibb et al. (3) en Eggbeer et al. (5) wordt de dimensionele onnauwkeurigheid als gevolg van het geheel van bewerkingen bij de omzetting van puntenwolk naar STL bestand geschat op 50µm (zie Bijlage 4 en Bijlage 5, p. 73). Het polygoonmodel wordt opgeslagen als STL bestand, wat op het gebied van additive manufacturing (AM) geldt als een standaard bestandsformaat voor het overdragen van 3D data. Dit is een standaardformaat dat in alle additive manufacturing software gebruikt wordt, en is ontwikkeld door 3D Systems (Rock Hill, South Carolina, Verenigde Staten; de term is afgeleid van "stereolithography"). 21
Het gedigitaliseerde object wordt opgedeeld in driehoeken, die elk beschreven worden door middel van drie punten en een naar buiten gerichte normaalvector. Het STL bestand is een lijst met van elke driehoek en normaalvector, een beschrijving in de volgende structuur (1) : … driehoek normaalvector x y z > buitenomtrek > > hoekpunt 1 x y z > > hoekpunt 2 x y z > > hoekpunt 3 x y z > einde buitenomtrek einde driehoek …
Voor andere toepassingen in de industrie wordt het STL bestand in de software nog omgezet naar een NURBS (non uniform rational basic splines) bestand, dat het voorwerp definieert als een aantal curven die samen de oppervlakken vormen. In het geval van software voor UPP ontwerp wordt deze vereenvoudiging door omzetting naar NURBS echter niet toegepast, omdat het belangrijk is dat de opgemeten geometrische data van de oppervlakten van de harde en weke delen in de mond ten allen tijde zo nauwkeurig mogelijk de reële situatie blijft representeren. Voor het modelleren worden echter wel in eerste instantie NURBS gebruikt, die later worden omgerekend tot polygoonmodellen.
4.3
CAD ontwerpsoftware
Er bestaan verscheidene softwarepakketten die toelaten om een virtueel UPP ontwerp te maken, waaronder Intellifit (SensAble, Wilmington Massachusetts, Verenigde Staten; www.sensabledental.com), Dentaldesigner Pro (3Shape A/S, Kopenhagen, Denemarken; www.3shape.com), DWOS (Dental Wings, Montreal, Quebec, Canada). In de software worden steeds dezelfde standaard stappen gevolgd (Figuur 11), zoals ook beschreven in (8):
22
Figuur 11: Stappen in het CAD ontwerp van een UPP
-
Digitaal surveyen : na het inlezen van de data in de software (Figuur 11a) geeft men een inzetrichting aan en de software geeft door middel van kleuren de mate van ondersnijding op de uiteenlopende elementen. Rekening houdend met het frameontwerp kan men zo gemakkelijk inzien of er voldoende ondersnijding aanwezig is op de elementen waar de klemmen geplaatst gaan worden, en bij te weinig ondersnijding kan de inzetrichting worden veranderd (Figuur 11b).
-
Uitblokken van de, ten opzichte van de inzetrichting, ondersneden regio's op het model met "digitale was" (Figuur 11c).
-
Vrijmaken van de zones waar de retentiearmen van de klemmen in de ondersnijdingen dienen te komen (Figuur 11d).
-
Fixeren van de "digitale was" en uitblokking uitbreiden op de tandvlakken tussen ankers en zadels, onder een hoek van 3º (om te voorkomen dat hier een te grote retentiekracht ontstaat en de patiënt de prothese niet meer uit kan nemen). Nadien fixeren ("digitale gips") (Figuur 11e).
-
-
Op het model tekenen: §
omtrek van zadels (Figuur 11f)
§
ligging major connector (Figuur 11f)
§
ligging van ankerarmen (Figuur 11g)
Vullen van de zadelomtrek met raster, "mesh" (netwerk) (Figuur 11h). Door de openingen in het frame wordt de mechanische hechting van de kunststof aan het frame 23
vergroot. De rasters worden zo gelegd dat er 0,5mm tussen het raster en de mucosa wordt vrijgehouden. Op één punt wordt een directe verbinding tussen raster en mucosa gemodelleerd, zodat het frame tijdens het polymeriseren van de kunsthars bekleding van de zadels de juiste afstand tot de mucosa houdt. -
Modelleren van de afsluitrand van de zadels (Figuur 11i) en modelleren van de major connector (Figuur 11j).
-
Modelleren van de ankerarmen (2,2 mm breed, uitlopend tot 1,2 mm in de ondersnijdingen), (Figuur 11k).
-
Modelleren van de minor connectoren (Figuur 11k).
-
Modelleren van de afsteuningen en afwerking van de overgangen tussen zadel, minor connector en anker. Verder afwerken van ontwerp, modelleren van overige details zoals steunpennen voor solitaire frontelementen (Figuur 11l).
-
Modelleren van de gietkanalen (en evt. ontluchtingskanalen).
Hierna wordt het bestand met het frameontwerp, dat nu bestaat uit een reeks NURBS curven, omgerekend naar STL formaat, dat door het additive manufacturing apparaat kan worden ingelezen. Bij de aansturing van dit apparaat dient eventueel nog gespecificeerd te worden hoe de verschillende werkstukken gestapeld worden tijdens de opbouw, zoals de stapeling op de printplaat in het geval van 3D-printing.
4.4
Computergestuurde vervaardigingstechnieken
Na het virtuele ontwerp van een voorwerp in de computer, in dit geval een frame voor een uitneembare partiële prothese, is de volgende stap de computergestuurde productie, "computer aided manufacturing", CAM. In principe zijn voor CAM twee fundamenteel verschillende benaderingen mogelijk, namelijk substractief (bijv. frezen) of additief (door middel van laagsgewijze opbouw) (1). De verschillen tussen de technieken, voor- en nadelen, en vormen van onnauwkeurigheid worden onderstaand samengevat in Figuur 12 en in volgende paragrafen in meer detail besproken.
24
Figuur 12: CNC en AM benadering van de ideale vorm van het CAD model. a) CAD model met gemodelleerde, ideale vorm en kenmerken als ondersnijdingen en details. b) CNC benadering kan zonder draaiing van frees of model geen ondersnijdingen modelleren, en kan geen holtes kleiner dan de freeskop vervaardigen. c) AM benadering, waar onnauwkeurigheid ontstaat door het trapeffect als gevolg van de laagsgewijze opbouw en waar soms ondersteuning van ondersneden structuren benodigd is. e) Onnauwkeurigheid in oppervlaktebenadering met CNC freestechniek. f) Onnauwkeurigheid in oppervlaktebenadering met AM.
4.4.1
Typen vormafwijkingen bij computergestuurde vervaardiging
In zowel substractieve als additieve technieken wordt het verloop van de gemodelleerde oppervlakten van het virtuele CAM ontwerp benaderd en heeft het oppervlak door deze stapsgewijze benadering een bepaalde afwijking (Figuur 12, e en f), die binnen bepaalde marges moet vallen. Meestal is de juistheid van de benadering een compromis met de snelheid van productie (bijv. snelle productie door bredere sporen (frezen) of dikkere lagen (AM) = grotere ruwheid).
25
Het vervaardigde werkstuk kan echter in meerdere aspecten afwijken van het virtuele CAD ontwerp: -
Er
kan
sprake
zijn
van
dimensionele
onnauwkeurigheid, waarbij de afmetingen van het product niet met de specificaties overeenkomen, bijvoorbeeld
het
"Z-bonus"
effect
bij
stereolithografie, waarbij de laser te dikke lagen van fotopolymeer
(gedeeltelijk)
polymeriseert
en
bijgevolg het product te groot is in verticale dimensie. In het geval van de UPP frame vervaardiging is het belangrijk dat de afmetingen van het product juist zijn zodat het in de mond tegen de elementen en mucosa aanligt, met de juiste krachten
(tot
9,8
N,
zie
§2,
p. 2) geplaatst en uitgenomen kan worden en voldoende retentie heeft. Bijvoorbeeld een te groot
Figuur 13: Dimensionele
vervaardigde retentiearm van een meetlijn-1-anker onnauwkeurigheid: niet volledig zal in de ondersnijding van de tand af staan en daar
aanliggende klem op gipsmodel
onvoldoende retentie kunnen vinden (Figuur 13, (3)). -
Het oppervlak heeft een bepaalde ruwheid, door effecten zoals het trapeffect (Figuur 12, c en f, p. 25 en Figuur 15) of grote metaaldeeltjes in
het
geval
van
LS
vervaardiging.
Oppervlakteruwheid (Ra) wordt gemeten als de variatie in hoogte (z) van een bepaald horizontaal(x,y) oppervlak (A) (50):
Figuur 14: Oppervlakteruwheid door gebruik van grote metaalpoederdeeltjes bij laser sintering
Formule 3
26
-
Verder kunnen vervormingen van het werkstuk optreden als gevolg van interne spanningen in een werkstuk, zoals opkrullen bij SLA door polymerisatiekrimp, of vervormingen bij LS door ongelijkmatige afkoeling na vervaardiging.
4.4.2
Substractieve technieken, CNC
Om naar substractieve methoden te verwijzen wordt ook vaak de term "computer numerical control" CNC gebruikt (of CNC machining). Hiermee wordt meestal gedoeld op computergestuurd frezen, maar volgens ASTM richtlijn F2792 kan hiermee ook naar computergestuurd malen, of het computergestuurd gebruik van draaibank, vlam- of waterstraalsnijders worden verwezen. Een algemene karakteristiek van substractieve technieken is dat uit een blok basismateriaal delen worden verwijderd om zo tot de uiteindelijke vorm van het eindproduct te komen (Figuur 12b). Een nadeel hiervan is dat afhankelijk van de hoeveelheid bulk materiaal in het eindproduct en de complexiteit van het model er veel van het basismateriaal verspild moet worden (93). Anderzijds hebben de technieken als voordeel dat de materiaaleigenschappen van de bulk van het materiaal hetzelfde blijven als die van het oorspronkelijke blok basismateriaal, omdat er aan de interne structuur niets verandert. Hoewel computergestuurde frezen met hoge snelheid materiaal kunnen wegnemen, kan het vervaardigen van een complex product een tijdrovend proces zijn. De frees staat namelijk op een as, waardoor het wegnemen van materiaal in ondersnijdingen niet mogelijk is zonder de frees of het bewerkte voorwerp van oriëntatie te veranderen (Figuur 12b). Daarom wordt deze techniek ook wel een 2,5D in plaats van 3D productietechniek genoemd. Bovendien is bij CNC de productietijd sterk afhankelijk van de complexiteit van het beoogde eindproduct, terwijl bij additive manufacturing (AM) de productietijd vrijwel onafhankelijk is van de complexiteit (1). Een voor de toepassing op UPP vervaardiging zeer belangrijk nadeel is dat interne zeer scherpe overgangen tussen vlakken niet of moeilijk gerealiseerd kunnen worden. Het bewerkte voorwerp moet zo worden gedraaid dat de snijlijn tussen de vlakken in het (voor de frees) horizontale (xy-)vlak komt te liggen, zodat de overgang in één beweging kan worden gerealiseerd en niet benaderd wordt door middel van laagsgewijze stappen. Bovendien moet de frees zo georiënteerd zijn dat in het punt waar de bol van de frees het vlak op het bewerkte voorwerp raakt de raaklijn aan de bol gelijk moet zijn aan de raaklijn aan het te vormen 27
oppervlak. Dit is een voorbeeld waarom de berekeningen die door de CNC machine moeten worden uitgevoerd ook veel complexer zijn dan bij AM. Bovendien nemen de benodigde berekeningen voor het te volgen freesspoor toe bij toenemende geometrische complexiteit (1). Omdat de freeskop een zekere afmeting heeft is het gevormde werkstuk altijd een benadering van het CAD ontwerp. Details die kleiner zijn dan de afmeting van de boorkop kunnen niet worden weergegeven (Figuur 12b) (1), een zeer belangrijk aspect voor complexe en gedetailleerde producten als een UPP frame. Daarnaast hebben de sporen die de freeskop volgt een bepaalde tussenruimte waar het materiaal blijft staan. Na een eenvoudige wiskundige afleiding kan voor het in Figuur 12b getoonde voorbeeld van een freeskop met een rond profiel (er bestaan freeskoppen met ander profielen) een formule worden voorgesteld voor de oppervlakteruwheid (Ra) door het materiaal dat tussen de freessporen blijft staan, bij een spoorafstand d en een diameter r van de frees (Figuur 12e): Ra = r-√(r2-(d/2)2)
Formule 4
Als de sporen van de frees dus verder uit elkaar liggen is de oppervlaktebenadering onnauwkeuriger (ruwer), maar kan het werkstuk sneller worden vervaardigd. Er is dus sprake van een evenwicht tussen deze twee factoren. De materiaalvereisten voor CNC zijn anders dan voor AM. CNC kan enkel worden toegepast op relatief brosse materialen. Bij een taai materiaal zou aan het oppervlak als gevolg van de bewerking aanzienlijke restspanningen optreden die achteraf tot vervormingen kunnen leiden. Bovendien is het bij plastische materialen überhaupt niet mogelijk om het voorwerp zijn beoogde vorm te geven. Een voordeel van CNC is weer dat de eigenschappen van de bulk van het product, dus dat deel dat niet bewerkt is, dezelfde eigenschappen heeft als die van het basismateriaal, terwijl dit bij AM niet altijd gegarandeerd kan worden (1). Het produceren van een relatief complex product als een UPP door middel van CNC machining zou dus een complex, langdurig en verspillend proces zijn, waarbij bovendien niet alle beoogde details (kleine holtes of zeer diepe holtes) weergegeven kunnen worden.
28
4.4.3
Additieve technieken
Additive manufacturing (AM), volgens door de ASTM norm F2792 toegekende verzamelnaam voor alle laagsgewijze productiemethoden (zie §4.1, p. 8), is met name in een stroomversnelling gekomen als gevolg van verbeteringen op computertechnisch gebied, maar heeft ook dankbaar gebruik gemaakt van verbeterde (vaste stof in plaats van buis-)lasers en printtechniek. Met AM werd getracht tegemoet te komen aan de nadelen van CNC, zoals de lage snelheid, verspilling van materiaal (zie ook §4.6, p. 56) en uitgebreide planning die nodig was om complexe producten te maken (1). Hoewel veel literatuur bestaat over de nog altijd volop evoluerende verschillende additive manufacturing technieken, werd door Gibson et al. (1) een recente, gedegen indeling en beschrijvingen gegeven van de verscheidene technieken. Aan de hand hiervan kunnen de verschillende
technieken
inzichtelijk
worden
gemaakt,
eventueel
aangevuld
met
tandheelkundige toepassingen. De AM technieken hebben een aantal algemene kenmerken met als belangrijkste en definiërend kenmerk, dat het eindproduct opgebouwd wordt uit vlakke lagen, waarbij glooiingen aan het buitenoppervlak van het CAD model met stappen benaderd worden (Figuur 12c, p. 25). Een aantal technieken die tot AM worden gerekend wijkt echter toch af van dit principe: -
Sommige beam deposition processen kunnen gebruikt worden om bestaande voorwerpen te herstellen, hierbij wordt slechts een deel van het voorwerp opgebouwd. Een aantal van deze processen werken niet in een plat vlak, maar bijvoorbeeld parallel aan een gebogen vlak (1). Ook een aantal variaties van fused-deposition modelling werken niet in een plat vlak zoals ballistic particle manufacturing (1).
-
Een tweede voorbeeld is shape deposition modelling, waar voorgevormde structuren computergestuurd worden gestapeld en later bijgesneden. Hoewel deze techniek door Gibson et al. (1) tot de "sheet lamination" processen gerekend wordt, bevindt deze zich in feite tussen CNC en AM. De techniek is interessant voor het vervaardigen van structuren die weefselgroei moeten bevorderen, maar is volgens Gibson et al. nooit op de markt gebracht.
-
Bij een recent ontwikkelde techniek worden structuren opgebouwd uit staafjes verharde fotopolymeer in plaats van uit lagen, een methode die "CNC addition" wordt 29
genoemd (51). Ook deze techniek bevindt zich dus op het raakvlak tussen CNC en AM. Een tweede kenmerk van AM, en belangrijk met het oog op de UPP vervaardiging, is dat de productietijd (vrijwel) onafhankelijk is van de complexiteit van het eindproduct, enkel van de hoogte. De soms voor AM gebruikte alternatieve term "solid freeform fabrication", SFF, verwijst hiernaar (1) (zie ook Bijlage 1, p. 70). Ook kan de geometrie erg complex worden gemaakt zonder dat dit veel consequenties heeft voor het productieproces. Er kunnen bijvoorbeeld interdigiterende "geweven" stoffen worden gemaakt, zonder dat hiervoor een uitgebreide assemblage nodig is, zoals dit gedaan wordt door het Nederlandse bedrijf Freedom Of Creation (www.freedomofcreation.com), of ingewikkelde "fractal" vormen zoals door het bedrijf Shapeways (www.shapeways.com, lezing rapid production 1 juni 2011, TU Delft). Ook kan zonder toename van de productietijd of het aantal productiestappen een complexe interne structuur worden gemodelleerd, zoals bijvoorbeeld het lichtgewicht stuur voor een auto op zonne-energie, geproduceerd door Melotte door middel van laser sintering (zie ook §4.4.3.2, p. 35 en volgende; www.melotte.be; video.canvas.be/solar-race-australie-afl-1innovatief-stuur). Het stuur uit titanium bestaat intern uit een complexe, lage dichtheid honingraat structuur waardoor het slechts 300g woog in plaats van 1,5kg voor een stuur uit massief materiaal, terwijl het toch voldoende volume had om goed in de hand te liggen. Door de stapsgewijze opbouw bij AM technieken treedt vrijwel altijd oppervlakteruwheid op door het "trapeffect" (Figuur 12, c en f, p. 25), bij oppervlakken die schuin op de laagrichting staan. Zoals blijkt uit Figuur 12f neemt de grootte van het trapeffect (Ra, bij laagdikte d) toe naarmate de hoek (θ) tussen de helling van het oppervlak en de laagrichting kleiner wordt, volgens (52): Ra = d * cos (θ)
Formule 5
Dit met uitzondering van vlakken met θ = 0, die gelijk lopen met de laagrichting en waar geen trapeffect optreedt (52). Oppervlakken aan de bovenzijde en aan de onderzijde van een werkstuk, vrijwel parallel met de laagrichting hebben dus een grote ruwheid, ten opzichte van de naar zijwaarts gerichte vlakken, vrijwel loodrecht op de laagrichting, met een theoretische gemiddelde ruwheid over alle oppervlakken van (
= 2d / π). Op het werkstuk is het trapeffect zichtbaar als "hoogtelijnen" (vergelijk met een landkaart) die in horizontale richting (de laagrichting) langs het oppervlak lopen (Figuur 15). 30
Figuur 15: Oppervlakteruwheid als het gevolg van het trapeffect, zichtbaar als "hoogtelijnen" op een onafgewerkt UPP frame (links: LS proces, zie §4.4.3.2, p. 35, rechts: 3DP proces, zie §4.4.3.4, p. 42).
Samenhangend met het bovenstaande moet verder worden gesteld dat de dimensionele nauwkeurigheid in verticale richting, en dus in de laagdikte, algemeen bepaald wordt door de positionele nauwkeurigheid van de motor die het bouwplatform in de verticale (z-)richting verplaatst. De nauwkeurigheid in de horizontale (x,y-)richting, het vlak evenwijdig aan de laagrichting, wordt bepaald door bijvoorbeeld in het geval van stereolithografie en laser sintering, de positionele nauwkeurigheid van de galvanische spiegels die de laserstraal sturen (1). Bij veel van de AM technieken, zoals SL, FDM en 3DP moeten ondersteuningsstructuren worden gebruikt om overhangende structuren te kunnen bouwen (Figuur 12c, p. 25). Behalve dat deze steunen nodig zijn om de lagen van de overhangende structuur op de juiste hoogte te kunnen bouwen en daar te fixeren, dienen zij bij poederlaag gebaseerde (PBF) technieken ook of soms zelfs enkel om vervorming door temperatuurverschillen in te perken en om warmte af te voeren waar dat niet mogelijk is via de reeds opgebouwde structuur (1,52). De ondersteuningsstructuren dienen na vervaardiging van het werkstuk weer te worden verwijderd, wat een bewerkelijk proces kan zijn en aanleiding geeft tot onnauwkeurigheid indien teveel wordt verwijderd, ofwel omdat een deel van de structuur achterblijft. Het aantal ondersteuningsstructuren wordt daarom zoveel mogelijk beperkt (1). Dit is een van de redenen waarom naar onder gerichte oppervlakken een hogere ruwheid hebben dan bovenoppervlakken, maar ook door het naar onder zakken van deels verhard materiaal (stalactietvorming) als gevolg van de zwaartekracht (52).
31
De AM technieken verschillen onderling in factoren die bij de dimensionele nauwkeurigheid en oppervlakteruwheid van invloed zijn. Daarnaast verschillen de technieken in de keuze aan materiaal dat kan worden toegepast, en materiaaleigenschappen die verkregen kunnen worden. Dit wordt per techniek toegelicht.
4.4.3.1
Fotopolymeer gebaseerde technieken, Stereolithografie
Deze techniek werd uitgevonden door Chuck Hull, die in 1986 3D Systems oprichtte en het als eerste op de markt bracht. De techniek berust op het selectief verharden van vloeibaar fotosensitief materiaal. De meest gekende opstelling is een bad met vloeibaar fotopolymeer waar door een laser in een iteratief proces voor elke laag een patroon wordt belicht, overeenkomstig met een doorsnede van het CAD ontwerp. Na het belichten van één laag wordt het platform waar het voorwerp op wordt opgebouwd één stap Figuur 16: Stereolithografie techniek verlaagd waardoor de reeds verharde laag wordt "overstroomd" door een dunne laag vloeibaar ongepolymeriseerd fotopolymeer. Overhangende structuren moeten worden ondersteund door structuren die na het bouwen weer worden verwijderd. Op het gebied van de samenstelling van het fotopolymeer hebben belangrijke verbeteringen plaatsgevonden, teneinde krimp en oppervlakterimpeling te voorkomen. Bij de eerste toepassingen van de techniek, waarbij gebruik werd gemaakt van acrylaat-gebaseerde fotopolymeren traden deze verschijnselen vaak op. De oorzaak hiervan was onvolledige polymerisatie, waardoor bij het belichten van de toplaag de onderliggende laag verder werd gepolymeriseerd met interne spanningen tot gevolg. Tegenwoordig wordt daarom een mengsel van acrylaten en epoxiden gebruikt, die tot een veel hogere graad kunnen worden gepolymeriseerd. Naast cationische (bijv. oniumzouten, bij epoxidepolymerisatie) en radicaalinitiators (bij acrylaatpolymerisatie) worden aan dit complexe mensel ook "photosensitizers" toegevoegd om bij een bepaalde lasergolflengte maximale initiatie te verkrijgen (1). 32
Daarnaast zijn de patronen waarmee de bulk, de vaste binnenstructuur, wordt gepolymeriseerd, in hoge mate geoptimaliseerd door het gebruik van het STAR-WEAVE patroon. Hierbij wordt in plaats van de fotopolymeer van de binnenstructuur volledig te belichten, deze slechts "gearceerd", waarbij elke lijn slechts aan één zijde de omtreklijn raakt (Figuur 17, links). Bovendien worden de lijnen in de bovenliggende laag boven de niet gepolymeriseerde tussenruimte van de onderste laag gelegd, en wordt ook de oriëntatie van het arceerpatroon veranderd. Later is ook het ACES vulpatroon ontwikkeld dat tegemoet komt aan de lage polymerisatiesnelheid van epoxiden. Hierbij wordt eerst binnen één laag gepolymeriseerd, en door nogmaals te belichten wordt deze laag dan met de onderliggende laag verbonden. Hiermee werden de interne spanningen tot een minimum beperkt en een polymerisatiegraad van 98% gehaald (1).
Figuur 17: STAR WEAVE (1) (links) en ACES vulpatroon (53) (rechts)
Een verder optimalisatie die we bij stereolithografie terugvinden is het belichten met een 2D patroon in plaats van het belichten met een enkele laserpunt, "mask projection SL technology". Dit is mogelijk door de toepassing van "digital mirror devices" (DMD), een raster van naast elkaar gelegen heel kleine, individueel richtbare spiegeltjes (1,53). Het bouwproces wordt hierdoor enorm versneld. De stereolithografie heeft daarnaast ook geprofiteerd van de ontwikkelingen op het gebied van lasertechnologie, de huidige vastestoflasers hebben namelijk een veel stabielere intensiteit en een langere levensduur (1). Helaas laten stereolithografie en verwante technieken niet toe om andere materialen dan fotopolymeren te gebruiken. Het valt dus te verwachten dat de materialen die wèl met deze techniek geproduceerd kunnen worden niet aan de vereisten voldoen die gesteld worden aan die van een frame van een UPP, bijvoorbeeld die ten aanzien van stijfheid en vermoeiing ter hoogte van de ankers. 33
4.4.3.1.1
Nauwkeurigheid en oppervlaktestructuur bij SLA
De oppervlakteruwheid van een typisch SLA proces varieert sterk, afhankelijk van de oriëntatie (hellingsgraad) van het oppervlak dat wordt opgebouwd. Voor bovenoppervlakken parallel aan de laagrichting is Ra <1 µm, terwijl voor kleine hellingshoeken een Ra van 100µm gevonden wordt, met een duidelijke cosinus afhankelijkheid (Formule 5) (1,54). Zoals boven beschreven worden dimensionele onnauwkeurigheden en vervormingen als gevolg van ongelijkmatige polymerisatiekrimp beperkt door aangepaste laser-scanpatronen en het gebruik van een mengsel van epoxide en acrylaatharsen als basismateriaal (1). Ook de manier waarop een nieuwe laag fotopolymeer wordt gelegd, van bovenaf, in plaats van eenvoudigweg de reeds opgebouwde onderliggende structuur weg te laten zakken, blijkt veel invloed te hebben op de oppervlaktestructuur (53). 4.4.3.1.2
Commerciele SLA systemen
Momenteel is 3D Systems de voornaamste producent van SLA machines, zoals de ProjetTM en iProTM "productie" machines (zie http://production3dprinters.com). De ProJetTM MP 6000 en iProTM 8000 MP zijn gericht op de medische industrie en worden ook voor tandheelkundige toepassingen aangeprezen (zie onderstaande paragraaf). 4.4.3.1.3
SLA toepassingen in de tandheelkunde
Bovenstaande "MP" machines worden door 3D Systems ook aangeprezen voor het maken van (kunststof) tandheelkundige restauraties en tandheelkundige modellen, bijvoorbeeld orthodontische studiemodellen. SLA is een veelgebruikte techniek voor het maken van richtplaten voor implantologie of voor andere vormen van planning van een chirurgische ingreep (35), zoals het gebruik van een kunststof tandmodel op basis van CBCT (cone-beam computed x-ray tomography) data om een acceptor-alveole tijdens transalveolaire (tand-)transplantatie de juiste vorm te geven, alvorens het donorelement uit haar oorspronkelijke (donor-)alveole wordt verwijderd (55). Hiermee wordt de voor de ingreep benodigde tijdsduur bekort, wat bij veel ingrepen, maar vooral bij tandtransplantatie van groot belang is. Zoals blijkt uit Norouzi (56) bestaan er studies naar het gebruik van stereolithografie voor het maken van gietpatronen. Dit zou toelaten een UPP frame door middel van de giettechniek te vervaardigen. De grote thermische expansie van de epoxydeharsen leveren echter problemen 34
op tijdens het verharden van de gietmal, waardoor de gietmal gemakkelijk barst. Dit is wellicht de reden dat over toepassingen van stereolithografie voor de UPP frameproductie weinig literatuur bestaat.
4.4.3.2
Poeder gebaseerde systemen, Laser Sintering
Bij poeder gebaseerde, "powder bed fusion" (PBF) processen wordt een structuur opgebouwd door het met een laser thermisch geïnduceerd sinteren of smelten van de bovenste poederlaag (Figuur 18). Ook electron beam melting (EBM, §4.4.3.3, Figuur 20) kan tot de poeder gebaseerde systemen worden gerekend, waar in plaats van een laser een hoogenergetische electronenbundel
Figuur 18: Laser sintering proces
wordt gebruikt. Hoewel de PBF techniek oorspronkelijk ontwikkeld was voor het gebruik met thermoplasten, kunnen tegenwoordig uit veel materialen producten gemaakt worden, waaronder metalen en keramiek. Volgens Gibson et al. (1) is de nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking minder goed dan bij stereolithografie, hoewel volgens Pham et al. (53) de nauwkeurigheid in het horizontale vlak beter is (voor SLA en LS respectievelijk ca. 100 en 51 µm). Door Liu et al. (35) wordt 0,2 mm nauwkeurigheid aangegeven. Een laagdikte van 20-150 µm kan worden gelegd, waarbij de deeltjesgrootte van het basismateriaal uiteenloopt van 20-100 µm (57). Een belangrijke kwestie bij laser sintering is de grote temperatuurverschillen die ontstaan tijdens het productieproces. Deze geven potentieel aanleiding tot vervormingen achteraf, door het ontstaan van interne spanningen als gevolg van onevenredig verdeelde afkoelingskrimp. Daarom wordt bij processen die gepaard gaan met hoge temperaturen, zoals het deels of volledig smelten van metaal, het bed voorverwarmd met een infraroodbron. Hierdoor is bovendien minder extra opwarming door de laser nodig om de smelt of sintertemperatuur te bereiken en kan het productieproces sneller verlopen. Het blijkt erg complex om alle verschillende parameters die het proces beïnvloeden goed te begrijpen en in de hand te houden. Zo is bijvoorbeeld bij laser sintering van metaalpoeder de mate waarin het poeder kan opwarmen afhankelijk van het al dan niet aanwezig zijn van reeds opgebouwde 35
onderliggende lagen, omdat een massieve metaalstructuur de warmte sneller afvoert dan losse poederdeeltjes. Verscheidene studies hebben getracht theoretische modellen te formuleren voor de processen die plaatsvinden en de interactie tussen de volgens van Elsen et al. meer dan 50 factoren die een rol spelen in dit productieproces (58-61) (zie ook Bijlage 3, p. 72), waaronder de deeltjesgrootte, voorverwarmingstemperatuur, laservermogen (bijv. 200-400 W (62)), grootte van de laserpunt ("spot size"; typisch 300 µm) scansnelheid en afstand tussen de gevolgde sporen ("scan spacing"; typisch 100 µm) (1,63). Om maximale nauwkeurigheid te bereiken in het eindresultaat worden de parameters empirisch en door middel van simulaties met elkaar in evenwicht gebracht (58-61). De laserparameters bepalen in grote mate de manier waarop de poederdeeltjes smelten. Bij een lagere scansnelheid neemt de grootte van de hoeveelheid poeder die gesmolten wordt ("melt pool") toe. Bij laser sintering van metaalpoeder treedt bij een te grote "melt pool" echter het effect op dat het metaal druppeltjes vormt ("balling") om het eigen oppervlak te verkleinen (vergelijk met kwik, dat bij kamertemperatuur ook gemakkelijk druppels vormt). Om dit effect te voorkomen wordt een hoog laservermogen gecombineerd met een hoge scansnelheid en overlappende sporen. Door slechts in kleine domeinen tegelijk de doorsnede van het werkstuk te vormen wordt ervoor gezorgd dat de laser op dezelfde plaats in het naastliggende, overlappende spoor terugkeert vóórdat het metaal gestold is, teneinde optimale onderlinge hechting van de overlappende sporen te verkrijgen (Figuur 19) (1). Het probleem van ongelijkmatige verwarming is ook voornamelijk de reden waarom bij laser sintering toch gebruik gemaakt wordt van ondersteuningsstructuren, hoewel dit door de dichtheid van het poeder voor de steun van overhangende structuren niet noodzakelijk is, maar wel voor de warmteafvoer. Hiermee voorkomt men, naast door het geleidelijk laten afkoelen, vervorming van het eindproduct als gevolg van interne spanningen. De noodzakelijke ondersteuningsstructuren moeten in de "post-processing" stap, na de vervaardiging, vaak met de hand worden verwijderd, wat een arbeidsintensieve stap is in de productie door middel van laser sintering (1). Ondersteuningstructuren verergeren de dimensionele onnauwkeurigheid en oppervlakteruwheid van oppervlaktestructuren die naar onder zijn gericht (52). Het voorverwarmen van het poeder geeft een bijkomend probleem, vooral bij processen waar de temperatuur van het poederbed boven de sintertemperatuur komt te liggen. Het poeder rondom de gevormde structuur wordt zo onbedoeld door sintering toegevoegd aan de gevormde structuur ("part-growth") of onderling gesinterd. Ook door de traagheid van de 36
productiemethode treedt dit effect in belangrijke mate op. Door de onbedoelde sintering neemt de deeltjesgrootte in het ongebruikte poeder toe en kan slechts een deel hergebruikt worden, terwijl nieuw poeder in vaste verhouding wordt toegevoegd. De "part-growth" kan gecompenseerd worden door het CAD ontwerp te schalen en het object na te bewerken. Echter, een product met volledige densiteit binnenin en aanhechting van omliggend gesinterd poeder vertoont aan het oppervlak lage dichtheid en oppervlakteporositeiten met de nadelen van dien (verhoogde kans op corrosie) (1). Om een zo hoog mogelijke nauwkeurigheid en gladde oppervlaktestructuur te bereiken worden bij voorkeur zo klein mogelijke poederdeeltjes gebruikt. Dit heeft echter ook negatieve effecten zodat de deeltjesgrootte altijd een optimum heeft. Zeer kleine deeltjes zijn minder gemakkelijk te verdelen, en gaan ook gemakkelijk stuiven, wat slijtage en storing in de sensoren van de apparatuur veroorzaakt. Ook dient het proces altijd onder inerte atmosfeer plaats te vinden, stikstof of argon bij laser-gebaseerde processen en vacuüm bij EBM. Onder een atmosfeer met zuurstof bestaat door het grote reactieoppervlak van de deeltjes gevaar voor oxidatie of zelfs explosie (1). Net als bij stereolithografie zijn speciale arceerpatronen voor het vullen van de binnenstructuur ontwikkeld, om de interne stress, en zo vervorming achteraf, te verminderen en om te zorgen dat de stress geen voorkeursrichting vertoont, wat het opkrullen veroorzaken
van
het
(Figuur
werkstuk 19).
Bij
zou laser Figuur 19: Vulpatronen, toegepast bij laser sintering
sintering wordt ervoor gekozen de ruimte binnen de omtrek van de 2D doorsnede op te delen in kleine vierkante domeinen, die dan met een arceerpatroon volgens een willekeurige richting gevuld worden. Kruth et al. beschrijft verscheidene variaties van deze techniek (57), die uitgaan van deeltjes met een verschillende microstructuur, en die verschillende temperaturen vereisen (zie verder): -
vaste fase sinteren, waarbij uniforme vaste deeltjes aan elkaar worden gesinterd;
-
chemisch geïnduceerd sinteren, waar de vulstofdeeltjes door chemische activatie en reactie tussen matrixdeeltjes met elkaar verbonden worden;
37
-
vloeibare fase sinteren of deels smelten, waar deeltjes uit twee fasen bestaan en na verwarmen door de als eerste vloeibare fase aan elkaar verbonden worden;
-
volledig smelten, waarbij deeltjes bestaande uit zuivere metalen of legeringen door volledig smelten aan elkaar verbonden worden;
-
als laatste behoort ook electron beam melting (EBM) tot de "powder bed fusion" processen (staat niet in het overzicht van Kruth et al. (57)), waar een electronenbundel gebruikt wordt in plaats van een laserstraal en onder vacuüm wordt gewerkt in plaats van stikstof atmosfeer.
4.4.3.2.1
Vaste fase sinteren
Bij het sinteren van vaste poederdeeltjes ligt de drijvende kracht voor het proces in de verlaging van de vrije energie van de poederdeeltjes door opwarming. De deeltjes worden niet gesmolten maar hechten in vaste toestand aan elkaar. Omdat het een traag proces is wordt het weinig toegepast als additive manufacturing techniek, maar treedt wel als zij-effect op bij de andere technieken (zie boven) (1,57). 4.4.3.2.2
Chemisch geïnduceerd sinteren
Hier ligt een door de laser geïnduceerde reactie tussen (de coatings van) poederdeeltjes of een oxidatiereactie met gassen in het reactievat aan de basis van het vormen van een verbinding tussen de deeltjes. Het proces wordt met name toegepast voor het vervaardigen van producten uit keramische materialen. De werkstukken zijn na het sinteren nog poreus en worden daarom beschouwd als "green parts", die achteraf in een oven verder worden gesinterd en daardoor in dichtheid toenemen. Een andere methode om achteraf de dichtheid te laten toenemen is infiltratie met een gesmolten materiaal (1,57). 4.4.3.2.3
Vloeibare fase sinteren en partiëel smelten
In dit proces worden deeltjes gebruikt die uit twee fasen bestaan, waarbij een onderscheid gemaakt wordt tussen de verschillende microstructuren van de poederdeeltjes die mogelijk zijn, volgens Kruth et al. (57). De matrixfase wordt door het verwarmen vloeibaar en verbindt de vulstof deeltjes. Doordat de vulstofdeeltjes zelf niet hoeven te smelten of sinteren zijn hier meer verschillende combinaties mogelijk tussen vulstof en matrix, bijvoorbeeld (1): -
keramische vulstof met een metaal als matrix
-
metaal als vulstof met een thermoplastische kunststof als matrix, waarbij achteraf de kunststof in een oven wordt verwijderd en het metaal gesinterd. 38
4.4.3.2.3.1 Afzonderlijke matrix en vulstofdeeltjes Hierbij kunnen de deeltjes afzonderlijk in het poeder teruggevonden worden. Een nadeel van deze microstructuur is dat de vloeistoffase doorgaans niet voldoende tijd heeft om tussen de vulstofdeeltjes te verdelen, waardoor de producten poreus zijn. Er is dus een nabewerkingsstap nodig om de dichtheid te verhogen (1,57). 4.4.3.2.3.2 Samengestelde vulstofdeeltjes De deeltjes bestaan uit twee fasen die willekeurig over de deeltjes verdeeld zijn. Poeders die door hun kleine deeltjesgrootte makkelijker te produceren zijn worden vooraf door een leverancier gemengd, gesinterd en gefilterd, om daarna weer een monodisperse grootteverdeling te verkrijgen. Het voordeel ten opzichte van afzonderlijke matrix en vulstofdeeltjes is een grotere dichtheid van het "green part". Een potentieel probleem met deze en bovenstaande methode is dat matrix- en vulstoffase soms verwisselen, omdat door het unidirectioneel belichten enkel de bovenliggende fase het meeste wordt opgewarmd en als eerste vloeibaar wordt, ondanks dat deze fase (bijv. vulstoffase) het hoogst liggende smeltpunt heeft van de twee (matrix- en vulstoffase) (1,57). 4.4.3.2.3.3 Gecoate vulstofdeeltjes In dit geval hebben de deeltjes een binnenste van vulstoffase en een buitenlaag van matrixfase. Het verschil met bovenstaande menging van de twee fasen is dat in dit geval het absorberen van infraroodstraling van de laser veel effectiever absorberen. Ook wordt het probleem van verwisselende fasen hiermee voorkomen (1,57). 4.4.3.2.3.4 Enkele fase of meerdere fasen, gedeeltelijk gesmolten Bij sommige materialen, zoals thermoplasten of niet-eutectische legeringen, is het mogelijk dat de buitenste laag vloeibaar wordt en als matrixfase gaan fungeren, terwijl de deeltjes centraal in vaste fase blijven (1,57). 4.4.3.2.4
Volledig smelten van enkele fase of legering
In dit proces worden de oorspronkelijke poederdeeltjes volledig gesmolten. Om goede hechting aan het voorheen gelegde patroon of onderliggende structuren te verkrijgen wordt deze bij het leggen van extra materiaal deels opnieuw mee gesmolten. 39
Volgens Gibson et al. kunnen met deze methode producten verkregen worden met een hogere dichtheid dan door middel van andere technieken zoals gieten of walsen (1).
4.4.3.3
Electron Beam Melting
Deze
techniek,
in
2001
gecommercialiseerd door Arcam AB (Mölndal, Zweden) onderscheidt zich van voorgaande technieken door het gebruik van een electronenbundel in plaats
van
een
laser
en
een
vacuümomgeving in plaats van inert gas (Figuur 20). De energieoverdracht vindt plaats via de kinetische energie van de electronen. De techniek is sneller dan
Figuur 20: Electron beam melting
laser gebaseerde systemen omdat de electronen magnetisch gericht kunnen worden, wat een veel sneller proces is (scansnelheid tot 1 km/s (64)) dan het richten van een laserstraal met galvanisch gestuurde spiegels (1). Voor een typisch proces worden metaaldeeltjes van 45-150µm doorsnede gebruikt en een laagdikte van 50-200 µm (65). Het proces moet onder vacuüm plaatsvinden om te voorkomen dat de electronen op gasdeeltjes botsen en zo hun energie verliezen en verstrooiien alvorens ze het poederoppervlak bereiken. Omdat in dit proces veel hogere temperaturen in het poederbed bereikt worden ontstaat een grotere lokale verzameling gesmolten materiaal, "melting pool", waardoor minder hoge resoluties bereikt kunnen worden en een grovere oppervlaktestructuur ontstaat. Het metaal in het resulterende product heeft echter een hoge interne dichtheid (1). Uit een vergelijking van de LS en EBM technieken voor de productie van een titaniumlegering (Ti-6Al-4V) door Koike et al. (66) blijkt dat de structuren geproduceerd met laser sintering een hogere corrosieweerstand bezitten dan die, geproduceerd met EBM. Dit wordt in verband gebracht met de tragere afkoeling van de (grotere) "melt pool" die bij het EBM plaatsvindt. De domeinen in de microstructuur zijn daardoor bij het lasersintering proces kleiner dan die bij het EBM proces. De snellere afkoeling bij laser sintering laat 40
formatie van een α'-martensiet structuur toe die blijkbaar beter tegen corrosie bestand is. Verder blijkt uit hun vergelijking ook dat de materiaaleigenschappen sterk afhangen van het zuurstofgehalte in de legering, en de verminderde sterkte van de met EBM geproduceerde legering wordt geweten aan het te lang recycleren van ongebruikt poeder (66). 4.4.3.3.1
Nauwkeurigheid en oppervlaktestructuur bij PBF
Zoals boven vermeld zijn zeer veel (onderling afhankelijke) parameters van invloed op het laser sintering proces, en dus ook op het eindresultaat (1). Naast de overige parameters is de deeltjesgrootte van grote invloed op de oppervlakteruwheid. Kleine deeltjes leveren een gladder oppervlak op, maar fijn poeder is moeilijk te hanteren (bijv. verdelen; zie §4.4.3.2), in tegenstelling tot grote deeltjes die een ruwer product opleveren en een grotere laagdikte afdwingen (1). Bovendien is de bouwsnelheid van het werkstuk lager bij een kleinere deeltjesgrootte. Er is dus altijd een afweging te maken tussen de nauwkeurigheid in de afwerking van het product en de snelheid waarmee het vervaardigd kan worden. Aangezien de oppervlakteruwheid bij laser sintering net als andere AM technieken afhankelijk is van de oriëntatie kan deze worden geoptimaliseerd, waarmee aan door andere factoren veroorzaakte oppervlakteruwheid tegemoet kan worden gekomen (67). De oppervlakteruwheid volgt echter geen klassiek cosinus verloop zoals in Formule 5 (p. 30), omdat bij hoge hellingshoeken minder nauwkeurige lagen kunnen worden gelegd. Bij overhangende structuren (hellingshoek groter dan 90º) moet het werkstuk in los poeder worden opgebouwd, dat een lagere temperatuurgeleiding heeft dan een vaste metalen onderstructuur, waardoor de temperatuur tijdens smelten moeilijk in de hand te houden is. Bovendien zakt het gesmolten metaal weg in de poederlaag, met "stalactiet" vorming als gevolg (Ra (150º) > 40 µm). Bij lage hellingshoeken, met vaste onderliggende metaalstructuur is de temperatuur juist goed in de hand te houden en kunnen zeer dunne lagen met weinig ruwheid worden gelegd (Ra(θ = 0, d = 20 µm) < 10 µm, zie toelichting bij Formule 5, p. 30) (52). Naarmate het laservermogen en voorverwarmingstemperatuur lager wordt genomen neemt de dimensionele nauwkeurigheid toe, echter ten koste van een toenemende interne porositeit, wat een zwakker werkstuk tot gevolg heeft. Te hoog laservermogen en temperatuur zorgen echter voor sinteren van ongebruikt poeder rondom het werkstuk, waardoor het werkstuk te groot wordt ("part growth"). Bovendien sintert ook het overige ongebruikte poeder in het poederbed aan elkaar, waardoor het niet kan worden hergebruikt (1).
41
Voor de interne structuur is de pakking van de poederlaag belangrijk. Een hogere dichtheid binnen de poederlaag levert achteraf ook een hogere dichtheid metaal in het eindproduct, en dus een sterker product (1). 4.4.3.3.2
Commerciële PBF systemen
Door fabrikanten 3D Systems (Rock Hill, South Carolina, Verenigde Staten), EOS GmbH (München, Duitsland), Renishaw (voorheen MTT Technologies; Wotton-under-Edge, Gloucestershire, Verenigd Koninkrijk), Concept Laser GmbH (Lichtenfels, Duitsland) en Phenix Systems (Riom, Frankrijk) worden systemen verkocht voor laser sintering (1). Een aantal van deze fabrikanten richt zich ook duidelijk op de tandheelkunde, zoals EOS (68), Concept laser en Phenix (1). 4.4.3.3.3
PBF toepassingen in de tandheelkunde
Zie ook §4.5.3 (p. 54), waar een praktijkvoorbeeld van de productie van een UPP frame wordt toegelicht. Naast de vervaardiging van UPP frames kunnen ook implantaten en implantaat gedragen baarstructuren worden vervaardigd door middel van laser sintering (52,57).
4.4.3.4
3D Printing systemen
Naar AM methoden die gebruik maken van printprocessen om een driedimensionale structuur op te bouwen wordt volgens de ASTM verwezen met de term "3D printing", hoewel dit volgens Gibson et al. (1) ook kan verwijzen naar het door de MIT (Massachusetts Institute of Technology) ontwikkelde proces om enkel een bindmateriaal te printen op een poederbed ("binder printing", in tegenstelling tot "direct part printing" waar het geprinte materiaal louter dient om het product op te bouwen). Systemen voor het maken van producten door middel van "3D printing" zijn gebaseerd op de "ink-jet" of "droplet" technologie. Inkjet-technologie berust op het van afstand en selectief afschieten van druppeltjes in de richting van een medium, en maakt ofwel gebruik van de "continuous flow" techniek, ofwel van de "drop-on-demand" techniek (Figuur 21). In de eerste techniek, die overigens zelden wordt toegepast in 3D printing technieken, wordt door een printkop een continue stroom druppeltjes afgeschoten, die door middel van selectieve afbuiging onder invloed van een electrisch veld ofwel op het medium, ofwel in een afvalreservoir terechtkomen. 42
In de tweede, "drop-on-demand" techniek, electronisch
kan
de
printkop
gestuurd
druppels
afgeven, door de druk in de printkop thermisch, piëzoelectrisch, of op andere manieren op te voeren. Voordelen van het vervaardigen met behulp van deze goed ontwikkelde technieken zijn een hoge nauw- Figuur 21: Continuous flow (a) en drop on demand (b) keurigheid en lage productiekosten.
printtechnieken
Ook kan door het gebruik van een grote hoeveelheid (tot meer dan 1500 (1)) parallelle printerkoppen het proces worden versneld. Ook kunnen, door aan de printerkoppen een verschillend materiaal te voeden, producten vervaardigd worden die bestaan uit meerdere basismaterialen, of materialen bevatten met verschillende eigenschappen of gradiënten in eigenschappen. Dit is met name nuttig voor het vervaardigen van driedimensionale producten met overhangende structuren die daarvoor ondersteuningsstructuren behoeven. Door deze in een gemakkelijk te verwijderen materiaal (bijv. was met een laag smeltpunt) te printen wordt de nabewerking van het product vergemakkelijkt (zie praktijkvoorbeeld in §4.5.2, p. 52). Zoals blijkt uit Gibson et al. (1), is voor het nauwkeurig sturen van het printproces een goed begrip nodig van het samenspel van de belangrijkste factoren: viscositeit, kanaaldiameter, oppervlaktespanning van de "inkt" en de druk die toegepast moet worden om het materiaal door het kanaal te duwen. Vooral de limiet op de viscositeit plaatst een beperking op de materialen die voor 3D printing gebruikt kunnen worden, aangezien veel van de bij 3D printing toegepaste materialen vast of zeer visceus zijn bij kamertemperatuur. Om de viscositeit te verlagen past men het gebruik van oplosmiddelen of verhitting toe. Gibson et al. (1) somt een aantal technieken op die toelaten om ook voor 3D printing geschikte materialen te printen: -
Door middel van "hot melt deposition", waarin voor bijvoorbeeld wassen, thermoplasten of metalen (soldeer) door verhitting een voldoende lage viscositeit wordt verkregen
-
Oplossings- of dispersiemethoden, waar deeltjes van vast materiaal zijn opgelost in een drager (bijv. was) (69), en door verhitting van de drager die daardoor vloeibaar wordt en voldoende lage gezamelijke viscositeit verkrijgen. Met deze methode kunnen zelfs 43
metalen en keramieken (zirconia tot 14%)
worden geprint, maar slechts in lage
concentraties. Verder werd het verschijnsel waargenomen dat het geprinte materiaal kleine cirkels vormde, omdat de vaste deeltjes in dispersie zich tijdens het drogen van het dragermateriaal zich naar de buitenzijde van de druppel begeven. -
"Prepolymeer" depositie, waar onverharde fotopolymeer wordt geprint en direct na printen wordt verhard door middel van UV-licht. Ook deze materialen zijn vast bij kamertemperatuur en worden vooraf verhit. Te hoge temperaturen kunnen echter leiden tot voortijdige polymerisatie en het verstoppen van de printerkop. Daarnaast is ook onvolledige uitharding een probleem bij deze methode (zie praktijkvoorbeeld in §4.5.2, p. 52).
Zoals boven reeds aangehaald kunnen producten ook vervaardigd worden door enkel een bindmateriaal te printen, dat dient om vaste deeltjes in een poeder samen te binden ("poederlaag-binder" systeem). Net als bij laser sintering wordt hier dus ook gebruik gemaakt van een poederbed, dat na het printen van elke laag in een nieuwe laag wordt opgebouwd door een voedingssysteem. Voordelen van deze methode zijn hogere snelheid (verticale opbouw 28 mm/uur (70)), toelaten van meer verschillende materialen (pleister, zetmeel en plastic poeders), een hogere dichtheid vast materiaal in het product, en de mogelijkheid van het printen van patronen op het oppervlak van het product door gebruik te maken van bindmaterialen uit verschillende (primaire) kleuren (1). Ten opzichte van andere 3DP technieken is het voordeel van het gebruik van poederlagen dat geen ondersteuningsstructuren hoeven te worden gebruikt (70). Nadelen zijn echter een lagere nauwkeurigheid (100µm; (70)) en een onvoorspelbare oppervlakteruwheid (Ra (0-180º) = 10-20 µm, geen hoekafhankelijkheid (54,71)). 4.4.3.4.1
Commerciële 3DP systemen, nauwkeurigheid en oppervlaktestructuur
Solidscape (Merrimack, North Hampshire, Verenigde Staten), 3D Systems en Objet Geometries (Rehovot, Israël) vormen de voornaamste merknamen van 3D printers. De (T76, R66, D76) printers van Solidscape printen uitbrandbare was die vervolgens kan worden gebruikt in de verloren was techniek, waarvan de D76 printer op de tandheelkundige markt
gericht
is.
De
printer
heeft
een
nauwkeurigheid,
minimale
laagdikte,
oppervlakteruwheid (kwadratengemiddelde) van respectievelijk 25,4 µm/inch, 25,4 µm, 81160 µm. Solidscape printers combineren het printproces met een frees die telkens de bovenste 44
laag afvlakt, waardoor de dimensionele nauwkeurigheid toeneemt en een variabele laagdikte kan worden gekozen. Met een vroeger model van 3D Systems, de Thermojet printer waarbij met inkjet technologie was werd geprint, werd een Ra van <10 µm bereikt, die eveneens geen cosinus afhankelijkheid van de hellingshoek vertoont, maar wel tot 30µm op ondersneden oppervlakken toenam als gevolg van het gebruik van ondersteuningsstructuren (54). Het gebruik van ondersteuningsstructuren heeft dus een grote invloed op de oppervlaktestructuur. Ook de Perfactory printsystemen van Envisiontec (Gladbeck, Duitsland) kunnen in was, maar ook in uitbrandbare kunsthars printen, met een nauwkeurigheid van 25µm (laagdikte en Ra onbekend) (72). Nieuwe printers zoals de ProJet MP 3000 van 3D Systems (zie praktijkvoorbeeld in §4.5.2, p. 52) laten daarom het gebruik van meerdere materialen toe, een kunsthars die direct na printen wordt gepolymeriseerd ("VisiJet MP200 build material") en was voor de ondersteuningstructuren ("VisiJet S100 support material") die na vervaardiging weggesmolten kunnen worden. De printer heeft een nauwkeurigheid, minimale laagdikte, van respectievelijk 25-50 µm en 32 µm (73) (Ra onbekend). In de printers van Objet zoals de Objet Eden 500 V kunnen de ondersteuningstructuren ook uit een zachter materiaal (Objet FullCure705 Support) worden geprint waardoor deze gemakkelijker te verwijderen zijn. De printer heeft een nauwkeurigheid en minimale laagdikte van respectievelijk 20-85 µm en 16 µm (74) (Ra onbekend). Z-Corp, die systemen gebaseerd op het boven beschreven poederlaag-binder systeem verkocht, is door 3D Systems overgenomen. Daarnaast vervaardigt Ex-One printers die ook dit proces toepassen, maar producten uit metaalpoeder kunnen vervaardigen, waarvoor een sterker bindmateriaal nodig is. Na het vervaardigen van een product uit metaalpoeder laat men het bindmateriaal uitharden en wordt deze "green-part" in een oven geplaatst om het bindmateriaal uit te branden en de poederdeeltjes samen te smelten. De fabrikant vervaardigt met deze techniek metalen mallen voor het op grote schaal gieten van aluminium, zinc of magnesium producten. Door het gebruik van suspensies uit keramische poeders en metaaloxiden kunnen met het "binder printing" ook keramische en (na reductie) metalen producten vervaardigd worden. De metalen die kunnen worden toegepast zijn volgens Gibson et al. (1) echter beperkt tot ijzer, staal en koper. 45
4.4.3.4.2
3DP toepassingen in de tandheelkunde
3D-Printing wordt reeds in de tandheelkunde gebruikt voor het vervaardigen producten op basis van geprinte kunstharsstructuren die vervolgens in metaal worden uitgegoten door middel van de "verloren was" techniek. Deze methode wordt al toegepast voor de productie van UPP frames (zie praktijkvoorbeeld in §4.5.2, p. 52), maar kan bijvoorbeeld ook worden toegepast voor het vervaardigen van een metalen onderstructuur van een kroon of brug (75).
4.4.3.5 Deze
Extrusie gebaseerde systemen, Fused Deposition Modeling
techniek
opstelling materiaal
gaat
waarin na
rubbertoestand
uit
van
een
thermoplastisch opwarmen
(half-vast)
in
in
een
continue stroom door een spuitkop wordt geduwd, en na hechting aan de reeds opgebouwde of naastliggende lagen
onmiddelijk
verhardt.
Naast
toepassingen in de industrie wordt de methode,
die
voornamelijk
door
Stratasys (Eden Prairie, Minnesota,
Figuur 22: Extrusie gebaseerde systemen
Verenigde Staten) gecommercialiseerd wordt, ook toegepast voor het maken van medische modellen (1,76,77). Het gebruik van materiaal in half-vaste toestand, waardoor hier sprake is van een extrusieproces, is belangrijk, omdat het materiaal na het leggen met name in de verticale dimensie zijn vorm moet behouden. Per laag wordt meestal eerst de omtrek gespoten en daarna wordt de ruimte binnen de omtrek opgevuld. De vulpatronen worden zo berekend dat de materiaalstroom door de spuit zo min mogelijk hoeft te worden gestopt, oftewel het aantal afzonderlijke patronen dat nodig is om de ruimte binnen de omtrek van een laag te vullen wordt geminimaliseerd (1).
46
Als vulpatroon worden trajecten naast elkaar gelegd, maar er treedt een probleem op bij scherpe draaiingen van de spuitkop, zoals in het hoekpunt tussen twee naast elkaar gelegen lijnen van een vultraject. Door de bijsturing is de snelheid van de spuitkop namelijk lager, waardoor in deze hoeken ophoping van het materiaal op het model optreedt. Hiervoor moet dus gecompenseerd worden door de
Figuur 23: FDM hoekpuntpatroon
spuitsnelheid tijdelijk te verlagen. Bovendien heeft het spoor een zekere breedte, waardoor in de hoeken van het vulpatroon een compromis gezocht moet worden tussen een gedeeltelijke overlap met het traject van de omtrek, of loze ruimten tussen hoekpunten van het vulpatroon (Figuur 23). Door de loze ruimten die noodzakelijkerwijs ter hoogte van deze hoekpunten in het vulpatroon achterblijven is het met deze methode ook niet mogelijk om volledige dichtheid te bereiken (1). De nauwkeurigheid van FDM wordt in grote mate bepaald door de doorsnede van de spuitkop, en FDM is typisch geschikt voor werkstukken met details die groter zijn dan minimaal twee keer de doorsnede van de spuitkop. Verder moet worden opgemerkt dat door de breedte van het traject, die bepaald wordt door de spuitkopdiameter, het niet mogelijk is om scherp gepunte details weer te geven, omdat die worden afgerond (1). Volgens Gibson et al. (1) kan een minimale laagdikte worden bereikt van 76µm, maar op de Stratasys website (www.stratasys.com) staat voor deze meest geavanceerde machine (Fortus 900mc) een minimale laagdikte vermeld van 178 µm. Als voordelen van productie worden hoge snelheid en lage kost (vooral bij het gebruik van een grote doorsnede van de spuitkop) aangegeven. Net als bij de boven beschreven printprocessen bij gebruik van meerdere spuitkoppen, kunnen ook bij FDM meerdere materialen tegelijk gebruikt worden, of materialen in verschillende kleuren (1,77). Nadelen van de techniek zijn echter de materiaalrestricties, (er kunnen namelijk enkel amorfe thermoplastische materialen gebruikt worden), de te lage materiaaldichtheid, de grove oppervlaktestructuur en een lage nauwkeurigheid (minimale laagdikte 76µm, maar ten koste de voordelen van de methode, lage kost en hoge bouwsnelheid (1)).
47
De beperkingen in de nauwkeurigheid, detailweergave en de materialen die gebruikt kunnen worden kunnen als redenen worden aangevoerd waarom geen toepassingen van de techniek zijn beschreven voor het vervaardigen van een UPP. De techniek leent zich voor het vervaardigen van gietpatronen (78), maar om het breken van de mal te voorkomen moeten de werkstukken hol zijn en dit is niet mogelijk bij fijne, gedetailleerde structuren als een UPP. 4.4.3.5.1
Commerciële FDM systemen, nauwkeurigheid en oppervlaktestructuur
Zoals hiervoor vermeld is Stratasys veruit de grootste producent van FDM machines (1). Op basis van een voorbeeld FDM proces (FDM 1650, Stratasys) stelden Campbell et al. (54) vast dat Ra bij θ = 45-180º voorspelbare waarden heeft van 20-40µm. Voor hoge θ waarden ≈180º (onderoppervlakken) is de ruwheid hoog, maar niet zo hoog als op basis van het trapeffect-model (Formule 5, p. 30) voorspeld wordt, wat volgens de auteur te wijten was aan een uitmiddelingsmechanisme ("smoothing") waardoor het oppervlak gladder wordt. Voor de grote variaties in oppervlakteruwheid bij lage hellingshoeken (Ra (θ = 0-45º) = 10-40µm) kon geen verklaring worden gevonden. De dimensionele nauwkeurigheid voor de meest geavanceerde machine van Stratasys (Fortus 900mc) was 40µm/(mm productlengte) (79). Hoewel de techniekindeling door Gibson gedegen lijkt (1), worden door sommige auteurs ook de inkjet gebaseerde 3D printers tot de FDM systemen gerekend (35). Deze hebben echter andere nauwkeurigheidsspecificaties (zie §4.4.3.4.1, p. 44). 4.4.3.5.2
FDM toepassingen in de tandheelkunde
FDM is het meest geschikt voor productvervaardiging uit amorfe polymeren, meestal ABS (acrylonitril butadieen styreen) en kent daarom een beperkt materiaalgamma. De bouwsnelheid, materiaaldichtheid, nauwkeurigheid en de mogelijkheid om details weer te geven blijft over het algemeen achter bij andere AM technieken (1). Net als SLA is de techniek in medische context vooral nuttig voor planning van chirurgische ingrepen, zoals het richten van implantaten (35). In algemeen medische context is het maken van kunstmatige weefsels door middel van "Bioextrusion" een interessante toepassing van extrusie, waarbij poreuze structuren worden opgebouwd die als voedingsbodem dienen voor celingroei. Omdat de componenten van zo'n weefsel niet verwarmd mogen worden zijn andere AM methoden hiervoor minder geschikt . 48
Een tandheelkundig interessant voorbeeld van een extrusie gebaseerd proces is de studie door Silva et al. (82) naar het vervaardigen van een kroon uit zirconia door extrusie van ZrO2 bevattende pasta die zonder krimp droogt na depositie. Het resultaat na sintering van het opgebouwde product was echter duidelijk inferieur (prominent trapeffect, gebrekkige morfologie) aan de met conventionele technieken vervaardigde kroon, wat volgens de auteurs te wijten was aan de gebrekkige ondersteuningsstructuren.
4.4.3.6
Beam Deposition processen, Laser Engineered Net Shaping
Bij deze techniek wordt in een typische opzet onder beschermende atmosfeer (bijv. argon gas) een filament of poeder van een metaal op het werkstuk gespoten terwijl het ondertussen door een convergente laserstraal of electronenstraal gesmolten wordt. De hoeveelheid toegevoegd materiaal per laag wordt dus zowel bepaald door de parameters van de laser- of electronenstraal die de hoeveelheid gesmolten materiaal bepalen ("melting pool"), als de hoeveelheid poeder die wordt toegevoegd, en er stelt zich een evenwicht ("steady state") in. Deze
AM
techniek
vertoont
dus
zowel
overeenkomsten met fused deposition modeling (FDM) als met laser sintering (LS) en electron beam melting (EBM). Net als bij EBM wordt metaal aan het werkstuk toegevoegd door dit volledig te smelten, terwijl een spuitkop het basismateriaal aanvoert zoals bij FDM (in plaats van gebruik te maken van een poederbed). Het proces wordt
Figuur 24: Beam deposition proces
voornamelijk gebruikt voor het vervaardigen van producten uit metalen (zuiver of legeringen), maar andere materialen zijn ook mogelijk. De meeste metalen blijken geschikt te zijn zolang ze geen te hoge temperatuurgeleidingcoëfficiënt bezitten of te veel straling weerkaatsen. Wel kunnen er problemen optreden met de oxidatie van materialen waardoor er onvoldoende hechting is tussen de lagen van een werkstuk. Net als bij laser sintering en electron beam melting treden soortgelijke voordelen en nadelen op. Overeenkomstig met electron beam melting (EBM), is door het leggen van kleine lagen gesmolten metaal een precieze controle mogelijk is over de microstructuur, waardoor dus ook de materiaaleigenschappen in sterke mate beïnvloed kunnen worden. Bovendien kan een hoge dichtheid van de metalen in het eindproduct worden bereikt. Dit is een belangrijk voordeel bij de toepassing van materialen als titanium, waarvoor het moeilijk is werkstukken zonder 49
porositeiten of verzwakkingen door oxidatie door middel van een gietproces te vervaardigen (83-86). Aan de andere kant is ook hier (zie ook LS, §4.4.3.2, p. 35) de temperatuur van de druppel gesmolten metaal, "melting pool", en de afkoeling van elk deel van het werkstuk moeilijk te modelleren en te beheersen. Ook hier dienen ondersteuningsstructuren gemodelleerd te worden die in dit geval zowel voor de ondersteuning als voor de afvoer van warmte dienen. Temperatuurverschillen in het product tijdens het afkoelen leiden bovendien tot residuele spanningen, die men probeert tegen te gaan door de vulpatronen voor elke laag van oriëntatie te veranderen ten opzichte van onderliggende lagen, bijvoorbeeld een draaiing van het lijnpatroon van 30º of 45º. Ook de ondersteuningsstructuren dienen het opgebouwde werkstuk rigide te houden tot het geheel is afgekoeld, en verder tracht men de spanningen te verminderen door gecontroleerd afkoelen of door warmtebehandelingen achteraf. Interessant om te vermelden is dat de opbouw van een product niet zoals bij EBM of LS vanwege de zwaartekracht gebonden is aan een verticale richting, maar door de kracht van de straal die het metaalpoeder spuit ook in andere richtingen kan geschieden. Hierdoor kan bijvoorbeeld de spuitkop op een robotarm worden gezet, of het werkstuk op een platform dat behalve verplaatsen ook kan draaien (1). De grootste hindernis voor vervaardiging van een UPP bij toepassing van het door fabrikant Optomec toegepaste "laser-engineered net-shaping" (LENS) proces, is het gebrek aan dimensionele nauwkeurigheid. Net als bij electron beam melting is de grootte van de druppel gesmolten materiaal, "melting pool", relatief groot. Gibson et al. (1) vermeldt een typische diameter van 0,25-1 mm, waardoor een minimale laagdikte bereikt kan worden van 250 µm (en Ra = 25 µm), wat te groot is voor UPP productie. 4.4.3.6.1
Commerciële BD sytemen, nauwkeurigheid en oppervlaktestructuur
Costa vermeldt in een review (87) voor twee commerciële processen respectievelijk de minimale detailgrootte, nauwkeurigheid, oppervlakteruwheid en maximale hellingshoek (zonder ondersteuningsstructuren te hoeven gebruiken): -
DMD 105D machine, Precision optical manufacturing (POM; Auburg Hills, Michigan, Verenigde Staten): 1mm, 75µm, 10µm, 135º
-
LENS 850-R, Optomec (Albuquerque, New Mexico, Verenigde Staten): 300 µm, 250 µm, 12 µm, 120º 50
4.4.3.6.2
Toepassingen in de tandheelkunde
In de tandheelkunde werd door Gao et al. reeds gebruik gemaakt van een "beam deposition" proces voor het vervaardigen van een basisplaat van een uitneembare volledige prothese uit titanium (83), waarbij gebruik gemaakt werd van het "laser-engineered net-shaping" (LENS) proces. Zoals door de auteurs vermeld wordt, was de temperatuur tijdens vervaardiging moeilijk in de hand te houden, wat dimensionele onnauwkeurigheid tot gevolg had, met het afliggen van de prothese tot gevolg. Hieruit blijkt dat deze techniek (in huidige toestand) niet geschikt is voor UPP vervaardiging.
4.4.3.7
Andere Additive Manufacturing systemen
Naast de variëteit aan boven beschreven processen, beschrijft Gibson et al. (1) nog een aantal AM processen die echter minder geschikt zijn voor toepassingen in de tandheelkunde. In laminated object manufacturing leent zich vooral voor het in hoog tempo vervaardigen van grote, vlakke structuren, zoals zonnecellen. Direct write technieken, duiden op technologie voor het vervaardigen van producten op zeer kleine schaal, 5 mm of kleiner. Het is dus duidelijk dat deze technieken ongeschikt zijn voor UPP productie.
4.5
Praktijkvoorbeelden CAD/CAM productie UPP
4.5.1
Voorbeelden uit de literatuur
In de literatuur werd in een gering aantal artikelen melding gemaakt van productie van een UPP frame door middel van CAD/CAM technieken (3-8). De artikelen van samenwerkende auteurs Bibb, Eggbeer en Williams leggen opeenvolgend de nadruk op het uitwerken van de software (electronisch surveyen) (5,6), het toepassen van AM technieken SLA, 3DP (4-6) en LS (3,7), en het klinisch toepassen van het door middel van AM technieken geproduceerde UPP frame. Han (8) onderzocht alternatieve CAD software waar het door Eggbeer (5) beschreven gebruik van een dure “haptic device” (≈ $30.000 (7), Phantom Desktop, SensAble) werd vermeden. Door middel van 3DP en SLA technieken vervaardigden Williams, Eggbeer en Bibb respectievelijk was en kunststof UPP framemodellen om vervolgens toe te passen in een “verloren was” giettechniek voor vervaardiging van een framestructuur in CoCr (overeenkomstig de 3DP en giettechniek procedure in Figuur 1, p. 6). Mede vanwege de 51
kleine en complexe details van een UPP frame bleken de wasmodellen echter te fragiel, wat leidde tot vervorming, en bleek een proces op basis van 3DP en “verloren was” giettechniek met deze materialen ongeschikt (5). De SLA techniek werd succesvol toegepast voor het vervaardigen van modellen uit epoxy−kunsthars, maar de grote thermische uitzetting bleek bij toepassing daarvan in een gietproces breuk van de moffel te veroorzaken. Voor dit probleem zijn in de literatuur oplossingen beschreven (88), zoals het verwijderen van de gietkegel (en eventueel gietkanalen) door middel van verwarmd water, en het overslaan van uitbranden van was en kunsthars bij lage temperatuur (180ºC). Wang et al. constateerde voor een SiO2 bevattend inbedmateriaal dat het plotseling tot hoge temperatuur verwarmen tot 1120ºC minder spanningen in de gietmal veroorzaakte. Ook bleek vooral de glastransitietemperatuur (Tg) van de kunsthars (ABS, amorf thermoplastische kunsthars), naast de elasticiteitsmodulus en de uitzettingscoëfficiënt een grote rol te spelen. Studies naar het UPP productieproces op basis van laser sintering (3,7) beschreven een goede pasvorm van de prothese, maar wezen op de noodzaak van het gebruik van ondersteuningsstructuren om tijdens de productie de warmte af te voeren (8) en het ontstaan van vervorming tegen te gaan (4).
4.5.2
UPP frame productie door middel van 3DP en giettechniek
Een UPP frame werd geproduceerd op basis van een computergestuurd ontwerp en productieproces (3D printing) in combinatie met de klassieke gietmethode, zoals weergegeven in het schema in Figuur 1 (p. 6), dat toeliet om de voordelen van zowel de digitale en handmatige technieken te benutten, onder beperkte benodigde investeringen. Door tevens het volledige productieproces binnen het tandtechnisch laboratorium te houden kon met name de kwaliteitscontrole van het volledige productieproces in de hand gehouden worden, en werd op vervoerskosten bespaard. Ook een aantal klassieke, manuele stappen uit het productieproces konden worden geoptimaliseerd of weggelaten ten opzichte van het klassieke productieproces, zoals de overbodig geworden doubleerstap en de verkorting van de benodigde voorverwarmstap tot 900ºC in het gietproces (zie Bijlage 6, p. 74, voor een overzicht van stappen en een vergelijkende tijdsberekening voor het klassieke en digitale productieproces). Na het verkrijgen van het individueel model (Figuur 25a) met klassieke technieken vond digitalisatie op 20 µm nauwkeurig (89) plaats op basis van triangulatie (zie techniekbeschrijving in §4.2.2 (p. 11); Figuur 25b; iMetric D102i scanner, Delcam, Birmingham, Verenigd Koninkrijk). Na overzetten van het STL bestand werd CAD design 52
uitgevoerd (Figuur 25c; Intellifit software, Sensable) volgens de beschrijving in §4.3 (p. 22) met behulp van een "haptic device" (Figuur 25, c, d en e; Phantom Desktop, SensAble), het resultaat als STL bestand in de printersoftware ingelezen, waarmee tevens de printstap werd gepland. De framestructuur werd met de tegen mucosa en tandweefsel aanliggende zijde naar boven, tot op 32µm nauwkeurig (73), overnacht geprint op een "Neo" 3D Printer (Figuur 25f; overeenkomstig met de ProJet MP 3000 3D printer (3D Systems)) met de UPP framestructuur in fotopolymeer kunsthars (VisiJet HR200, blauw, 3D Systems) en ondersteuningsstructuren in was (VisiJet S100 support material, 3D Systems). Na wegsmelten van de was in een autoclaaf bij 54ºC werd de pasvorm van het kunsthars framemodel op het individueel model gecontroleerd (Figuur 25g). Na montage van het kunsthars framemodel op een gietkegel en inbedden met fosfaatgebonden inbedmateriaal en uitharding (Figuur 25h), werd de kunsthars en was uitgebrand tijdens de voorverwarm stap (1 uur) in een autoclaaf bij 900ºC (Figuur 25i). De mal werd daarna toegepast om de UPP framestructuur uit te gieten (Figuur 25j) in CoCr, en na afkoelen uitgebed (Figuur 25k), gezandstraald (Figuur 25, l en m) en afgewerkt . Na toepassen van een electrolytisch glansbad (Figuur 25n) en polijsten (Figuur 25o) was het UPP frame geschikt (Figuur 25p) voor klinische toepassing in de framepas, waarna volgens klassieke stappen na waspas de kunsthars zadels met opgestelde elementen werden vervaardigd en afgewerkt.
Figuur 25: Stappen in UPP frameproductie door middel van 3D printing en verloren was giettechniek
53
4.5.3
UPP frame productie door middel van Laser Sintering
Bij de productie van een UPP frame volgens de procedure, aangegeven in schema in Figuur 1 (p. 6) werd de laser sintering stap extern uitbesteed (aan Melotte, Zonhoven, België) terwijl de andere stappen, inclusief digitalisatie van het individuele model, virtueel CAD ontwerp, maar ook afwerking achteraf door het tandtechnisch laboratorium zelf werden uitgevoerd. Externe uitbesteding is noodzakelijk vanwege het hoge productievolume dat benodigd is om de techniek rendabel te maken (64), en de gespecialiseerde kennis die vereist is om met deze gecompliceerde (59) techniek een dimensioneel nauwkeurig resultaat te verkrijgen (52) (zie Bijlage 3, p. 72). Tezelfdertijd profiteert het tandtechnisch laboratorium van de voordelen van de techniek, zoals het verminderde verbruik van gips, siliconen, inbedmassa en andere milieubelastende materialen (zie analyse in §4.6, p. 56; (21,22)), en tijdswinst bij de UPP frameproductie (Volgens tandtechnisch laboratorium Innodema werd op basis van het hier beschreven proces de benodigde tijdsduur voor de UPP frameproductie met de helft gereduceerd, zie Bijlage 7, p. 75). Digitalisatie van het individuele model op 15µm nauwkeurig (90) op basis van triangulatie met de D810 scanner ((3Shape A/S, Kopenhagen, Denemarken; www.3shape.com; zie techniekbeschrijving in §4.2.2, p. 11) resulteerde in een STL bestand dat ingelezen werd in de Dentaldesigner Pro (3Shape A/S) CAD software. De mogelijkheid om aantekeningen en texturen op het gipsmodel te digitaliseren en toe te passen in de software compenseerde voor het gebrek aan een "haptic device" (zie bovenstaand voorbeeld in §4.5.2, p. 52) bij het CAD design dat werd uitgevoerd zoals beschreven (§4.3, p. 22). Op basis van het virtuele CAD ontwerp werd na verzenden van het STL bestand extern de laser sintering stap uitgevoerd. Het resulterende CoCr UPP frame werd na ontvangst door het tandtechnisch laboratorium verder afgewerkt (zandstralen en polijsten van de niet-aanliggende oppervlakken) en volgens klassieke stappen de elementen en kunsthars van de zadels aan toegevoegd, waarna de prothese gereed was voor klinisch gebruik. Ondanks het onvermijdelijke gebrek aan kwantitatieve informatie over de bij de laser sintering toegepaste parameters, kunnen op basis van het door de externe producent aan het tandtechnisch laboratorium afgeleverde halffabrikaat een aantal zaken worden opgemerkt: -
Het product had een grove oppervlaktestructuur (Figuur 14, p. 26) en een prominent aanwezig trapeffect (Figuur 15, p. 31) dat ook na zandstralen een duidelijk aanwezige residuele oppervlakteruwheid teweeg bracht (Figuur 26). Hoewel voor de niet54
aanliggende oppervlakten van het frame na polijsten een voldoende lage oppervlakteruwheid kon worden bereikt was dit niet mogelijk voor de tegen de mucosa en tand aanliggende oppervlakken, met name de ankerklemmen die door de bij
polijsten
en
bijkomend
materiaalverlies
veroorzaakte
dimensionele
onnauwkeurigheid van de tand zouden gaan afstaan, wat retentieverlies zou veroorzaken.
Figuur 26: Oppervlaktestructuur van UPP frame na afwerken (LS procedure)
-
Een belangrijk knelpunt bij het gebruik van deze techniek is de noodzaak om ondersteuningsstructuren te gebruiken. Deze structuren zijn met name van belang voor het beperken van de vervorming tijdens het afkoelproces na de vervaardiging. Deze structuren mogen zich echter niet aan de weefsel-zijde ("onderzijde") bevinden omdat ze daar een risico geven op dimensionele onnauwkeurigheid en vergroting van de oppervlakteruwheid door de sporen die achterblijven na het verwijderen van de ondersteuningsstructuur. De prothese wordt dus in zo'n oriëntatie vervaardigd dat de ondersteuningsstructuren zich altijd op de zijde bevinden die van de weefsels af is gericht ("bovenzijde"). Na LS vervaardiging werden de ondersteuningsstructuren grotendeels
al
verwijderd.
Opvallend
genoeg
bleken
geen
(sporen
van)
ondersteuningsstructuren aanwezig op de major connector van het halffabrikaat. -
Ondanks gepaste maatregelen als langzaam opwarmen en afkoelen tijdens de laser sintering procedure en het gebruik van ondersteuningsstructuren werden de effecten van vervorming waargenomen aan de ankerklemmen die op sommige plaatsen niet volledig aansloten op het gipsmodel (Figuur 13, p. 26). 55
4.6
Milieu-aspecten van de CAD/CAM UPP frameproductie
Zoals beschreven in "The environmental impact of dentistry" door Hiltz (91) leveren tandheelkundige processen belangrijke afvalstromen op van gevaarlijke materialen, zoals amalgaam, en dit geldt ook voor de klassieke vervaardiging van een UPP. Bij het klassieke gietproces worden afvalstromen van gips, inbedmassa en metaal (CoCr) gegenereerd en wordt bovendien energie verbruikt in het smelten van de legering. Hoewel reeds pogingen zijn gerapporteerd om inbedmassa (21-23) of CoCr (92) afval te recyclen, genereren AM technieken in het algemeen minder (gips, inbedmassa, siliconen) afval, door het verminderen van het aantal productiestappen, en doordat de bij AM toegepaste basismaterialen veelal, maar zeker niet altijd, kunnen worden hergebruikt. Uitzonderingen zijn ongebruikt vloeibaar fotopolymeer dat na herhaaldelijk gebruik onbruikbaar wordt en laser sintering, waarbij door het partiëel sinteren van ongebruikt metaalpoeder steeds nieuw poeder moet worden toegevoegd en een deel als afval afgevoerd (24). De substractieve vervaardigingstechnieken worden, doordat er nauwelijks sprake is van (direct) hergebruik van basismaterialen, verondersteld een grotere milieu-impact te hebben dan additieve technieken (1,58) (zie §4.4.2, p. 27, voor een bespreking van substractieve vervaardigingstechnieken). In verhouding tot een AM techniek als beam deposition (door auteurs Morrow et al. (93) naar verwezen als "Direct metal deposition") bleken de energieconsumptie en emissies echter af te hangen van de "solid-to-cavity ratio" (volumeverhoudingen massief materiaal en holtes). Voor geometrisch eenvoudige, massieve werkstukken blijkt beam deposition dus juist een relatief grote milieu-impact te bezitten door de grote hoeveelheid energie die per eenheid materiaal bij de productie wordt verbruikt (93). Voor een weinig massieve vorm als een UPP frame zijn AM technieken dan blijkbaar wel meer geschikt dan CNC, zoals op basis van andere argumenten al was geconcludeerd (zie §4.4.2, p. 27). Fabrikant Melotte, die met een aangepaste (geheime) laser sintering procedure UPP frames vervaardigt, beweerde op basis van een
"Environmental Impact Analysis" door
Futureproofed2 reeds een 8-voudige reductie in de CO2 vrijstelling en/of "environmental impact" te hebben bereikt (uitspraak CEO M. Fleurinck op het CWF congres van 16-17 november 20113) Voor de "Life cycle impact analysis" berekening waren gegevens uit de 2
Futureproofed Consultancy, Vaartkom 35, Leuven, België; www.futureproofed.com en Community World Forum, Hasselt, België, zie www.flandersdc.be/en/events/cwf11/ en www.youtube.com/watch?v=hlLgnEfPUFg 3
56
ecoinvent v2.0 database (94) gebruikt. De analyse was echter niet gepubliceerd en het is onduidelijk welk productieproces als referentie gebruikt werd. De milieu-impact van additieve manufacturing technieken blijkt echter moeilijk te meten, omdat niet alle product en energiestromen zijn onderzocht. De methodologie van levenscyclus-analyses blijkt controversiëel, bijvoorbeeld doordat de weegfactoren van aan milieu-impact bijdragende factoren slechts kwalitatief worden ingeschat (24). Aangezien de LCA door fabrikant Melotte niet was gepubliceerd is niet na te gaan of er ook rekening is gehouden met afvalstromen van bijvoorbeeld ongebruikt metaalpoeder of van de beschermende gassen (argon) die tijdens de laser sintering procedure werden toegepast. In de door het bedrijf aangepaste laser-sintering procedure werd koud plasma toegepast om het metaalpoeder voor te verwarmen. Indien door deze methode slechts lokale voorverwarming plaatsvindt, in plaats van het hele poederbed, kan hiermee mogelijks partiëel sinteren van het metaalpoeder worden voorkomen en deze in grotere verhouding worden hergebruikt. Enkel door laserverwarming opspattend poeder wordt afgevangen en als afvalstroom afgevoerd (M. Fleurinck, persoonlijke communicatie). In de door Melotte aangehaalde LCA werd ook een analyse gemaakt van lokale UPP frameproductie ten opzichte van uitbesteding aan over lange afstand verwijderde landen met lagere personeelskosten. In een dergelijk productieproces vindt het transport tussen de kliniek en het tandtechnisch laboratorium noodzakelijkerwijs plaats door middel van luchttransport. Het kwantificeren van het milieu-effect van een dergelijk "direct effect" van globalisatie (zie voor definities van de verschillende typen milieu effecten van globalisatie Bijlage 8, p. 76) blijkt echter problematisch, omdat bijvoorbeeld de uitstoot van CO2 op grote hoogte bij luchtvervoer (slechts 1,7% van de totale hoeveelheid; met 8.4% groei per jaar de snelst groeiende transportvorm (95)) een grotere invloed heeft op het klimaat (5% van het totale effect (96)) dan CO2 emissie laag bij de grond. Beperking van dit type transport bij de UPP productie is dus vanuit milieu-oogpunt zinvol.
57
4.7
Toekomstvisie
Op het gebied van de UPP vervaardiging kan er zowel een overschakeling van klassieke naar naar digitale technieken worden waargenomen, als een evolutie van de digitale technieken zelf. Mogelijk stijgt het aandeel digitaal vervaardigde prothesen zelfs tot 60% (projectie van het bedrijf Melotte, (12)). Naast de ontwikkeling van de technieken zelf kunnen de additive manufacturing technieken nog worden aangepast om beter aan te sluiten bij de specifieke eisen voor de tandheelkunde. Zo heeft bijvoorbeeld fabrikant Phenix een specifieke lijn SLM machines op de markt gebracht die zijn toegespitst op tandheelkundige toepassingen (Phenix PXS Dental), oa. het maken van UPP frames. Het UPP productieproces kan op een aantal manieren worden verbeterd: 1. De klassieke stappen in het digitale UPP productieproces, kunnen met behulp van digitale technieken worden verbeterd, versneld of weggelaten worden; 2. Het ontwerpproces kan worden vereenvoudigd, inzichtelijker en reproduceerbaarder gemaakt; 3. De productie kan sneller en goedkoper worden gemaakt 4. De assemblage kan worden geautomatiseerd, dat wil zeggen het samenvoegen van de verschillende onderdelen van de frameprothese: frame, kunsthars en kunstelementen 1. Zoals blijkt uit het schema in Figuur 1 (p. 6) zijn een aantal stappen ook in het digitale vervaardigingsproces hetzelfde gebleven, zoals het nemen van de standaard en individuele afdruk (a), uitgieten in gips (b), het afwerken, zandstralen en polijsten (c) van het vervaardigde frame en het vervaardigen van de zadels (d). Met uitzondering van (a; reeds toegelicht in §4.2, p. 8) zijn bij elk van deze stappen (b, c, d) reeds ontwikkelingen in de literatuur terug te vinden die kunnen worden toegepast om het vervaardigingsproces te versnellen, minder arbeidsintensief of reproduceerbaarder te maken. (b) De stap tussen reële afdruk en virtueel model kan worden vereenvoudigd. Besproken methoden als conoscopische holografie (33,50) laten toe ook de diepe holten van een afdruk in te scannen. (c) De afwerking kan worden geautomatiseerd. Met LS opgebouwde werkstukken kunnen bijvoorbeeld met een laser gepolijst worden (97). Doordat deze vorm van polijsten beter in de hand te houden is en er minder materiaalverlies optreedt, omdat het oppervlak eerder als het ware (in geringe mate) "uitgemiddeld" wordt (te vergelijken met de afwerking van was met een steekvlam) is het wellicht zelfs mogelijk om de aanliggende zijden van het UPP met deze methode mee te polijsten. (d) Er ontstaat hier een probleem doordat de kunststof structuur van 58
de zadels moet aansluiten bij het reeds vervaardigde frame. Tegelijk produceren van zadel en frame lijkt onmogelijk omdat objecten uit CoCr legeringen of titanium veel hogere vervaardigingstemperaturen vereisen dan kunststof. Gezamelijk printen van metaalpoeder en kunststof is in theorie mogelijk maar het metaalpoeder zou in een nabewerkingsstap gesinterd moeten worden, wat niet compatibel is met de aanwezige kunststof. Het enige proces dat in staat is om rechtstreeks een structuur van kunststof te vervaardigen rondom een metalen frame zou een "beam deposition" proces zijn, met de laser en spuitkop voor aanvoer van materiaal op een robotarm, of het werkstuk op een draaibare arm. Experimenten met een dergelijke techniek, maar dan voor het leggen van werkstukken uit laagsmeltende legeringen, "free space metal deposition", bestaan al (98). Problemen die hierbij zullen optreden zijn echter de onmogelijkheid om complexe overhangende structuren te vervaardigen door het gebrek aan ondersteuningsstructuren, en het gebrek aan hechting tussen de metalen onderstructuren en de erop aangebrachte kunststof. Een andere, misschien meer realistische mogelijkheid voor het geautomatiseerd vervaardigen van de kunststof zadels rondom het metalen frame is een indirecte methode waarbij de mallen voor de kunststof zadels worden vervaardigd door middel van 3D printing (bijv. het "poederlaag-binder" proces waarmee gipswerkstukken kunnen worden gemaakt, besproken in §4.4.3.4, p. 42). Hiervan bestaat reeds een voorbeeld in de literatuur, zij het voor het vervaardigen van een volledige prothese (26). 2. Zoals beschreven door Gibson et al. (1) laat de CAD software niet altijd toe de mogelijkheden van additive manufacturing volledig te benutten. Zo is bijvoorbeeld het STL standaard bestandsformaat niet geschikt voor het overdragen van informatie over producten die uit verschillende materialen bestaan, of waar gradaties in materiaaleigenschappen ingebouwd moeten worden in het product. Op software gebied valt nog vooruitgang te verwachten, bijvoorbeeld op het gebied van interfaces zoals de "haptic-device", of verbeterde visualisatie door het gebruik van 3D schermen. Idealiter zou de software zelf de details van het ontwerp afwerken na het ingeven van het ontwerp door middel van een drag-and-drop systeem, zoals voorgesteld door Williams et al. (6) en Eggbeer et al. (5). Voorbeelden van zelfdenkende software die CAD voorstellen doet wordt reeds bij vaste prothese aangetroffen (99). 3. Veel van de huidige technieken kennen nu nog enkel een 1-dimensionele additie, waarbij met een laser één enkel punt wordt belicht, of een eerste optimalisatie waarbij zoals bij 3D printing een lijn materiaal tegelijk wordt gelegd (door meerdere spuiten in dezelfde printerkop). Zoals beschreven door Pham et al. (53) kunnen veel huidige technieken worden 59
geoptimaliseerd door in plaats van met een enkele laserpunt (1D), een geheel oppervlak (2D), of zelfs een geheel volume (3D) in één stap te belichten. Voorbeelden van 2D belichting zijn reeds te vinden bij SLA en bij laser sintering (bedrijf Sintermask, Lupburg, Duitsland). Wellicht kunnen deze optimalisaties ook op de UPP productie worden toegepast. Een ander voorbeeld van optimalisatie van een techniek zijn de aanpassingen van het laser sintering proces, zoals toegepast door Melotte (zie §4.4.3.2, p. 35 en §4.5.3, p. 54). Door koude plasma in plaats van infraroodstraling te gebruiken in de voorverwarmingsstap wordt het metaalpoeder slechts lokaal opgewarmd, treedt minder sintering van ongebruikt metaalpoeder op en treden minder vervormingen op door ongecontroleerde afkoeling. 4. Bij sommige AM techieken, zoals multi-material stereolithografie wordt een vorm van assemblage al in het productieproces geïncorporeerd (100). Wellicht is het mogelijk om ook een UPP in een dergelijke opzet op een robotarm te fixeren en op deze manier de kunsthars van de zadels rond het metalen frame, of het metalen frame in de kunsthars zadels te bouwen (zie ook boven bij punt 1d).
5
Discussie en Conclusies
Bij de keuze uit CAD/CAM technieken voor het vervaardigen van een uitneembare partiële prothese blijken een aantal zaken van belang. Voor een tandtechnisch laboratorium zal de keuze voor een bepaalde vervaardigingstechniek mede gemotiveerd zijn door economische factoren als kostprijs, tijdsbesparing, besparingen op personeelskosten, en verwachtingen over rendement en marktaandeel. Bij de overgang naar een nieuwe productietechniek worden in eerste instantie echter juist extra personeelskosten en investeringen gemaakt, omdat de machines moeten worden aangekocht, en omdat optimale procesparameters moeten worden bepaald om een goed product af te kunnen leveren. Het besluit tot verandering van vervaardigingsprocedure is dus vooral gebaseerd op de verwachting van een toekomstige vraag naar het product. De prijs voor bepaalde systemen (bijv. $200k-1M voor laser sintering, www.additive3d.com/rp_int1.htm) kan zo hoog zijn (24) dat een hoog productievolume noodzakelijk is om winst te kunnen maken (64), waardoor de productie door tandtechnische laboratoria in die gevallen extern moet worden uitbesteed (zie §4.5.3, p. 54). Voor de tandarts en patiënt is het echter essentiëel dat minstens eenzelfde klinisch succes wordt gegarandeerd als met klassieke productie technieken. Bij toepassing van CAD/CAM technieken was het streven de UPP productie binnen het kader van dezelfde materiaal en 60
nauwkeurigheidsvereisten sneller, goedkoper, meer gestandaardiseerd (met minder "interoperator variability" (3)) en accuraat te maken (zie inleiding §2, p. 2 (20,30)). Waar sneller en goedkoper
gemakkelijk
meetbaar
is,
blijkt
het
garanderen
van
materiaal-
en
nauwkeurigheidsvereisten echter lastig. Bibb et al. (3) wijzen op het feit dat door de inherente complexiteit van een UPP, wat het vastleggen (geometrische) referentiepunten belemmert, en de inter-patiënt variabiliteit in het prothese-ontwerp, het uitvoeren van kwantitatieve klinische statistische studies naar de pasvorm van de prothese wordt bemoeilijkt (Eenzelfde conclusie over het problemen bij het bepalen van de dimensionele nauwkeurigheid bij complexe vormen wordt getrokken door Germani et al. (101) met betrekking tot het reproduceren van gipsmodellen door middel van CAD/CAM). In de artikelen van Bibb et al. (3) en Eggbeer et al. (5) wordt daarom volstaan met een berekening van de totale dimensionele nauwkeurigheid van het totale proces door het optellen van varianties (σ2 = ∑(σ2), mits onafhankelijkheid (102)), en een subjectieve beoordeling van de pasvorm in de mond van de patiënt als klinische maat van succes. Bovendien blijkt uit een in vitro studie door Ali et al. (103) dat de pasvorm van een UPP juist los staat van het klinisch succes, omdat vastgesteld werd dat juist (gegoten) prothesen met de beste pasvorm ook bij plaatsing de grootste interne spanningen vertoonden, met bijgevolglijk de grootste krachten op de verankeringselementen, terwijl juist het passief aanliggen een belangrijk klinisch vereiste is. En ook het in vitro modelleren van spanningen op de elementen die door een prothese veroorzaakt worden blijkt problematisch (104). Het succes van de vervaardiging van een UPP (frame) met digitale technieken zal dus klinisch bepaald moeten worden. Literatuur over het klinisch succes van door middel van CAD/CAM vervaardigde uitneembare partiële prothesen is echter schaars (3,4,7). Ook het garanderen van materiaaleigenschappen is problematisch bij producten die door middel van additieve technieken geproduceerd zijn, zoals blijkt uit de oproep tot standaardisatie door normalisatie-instituten (zie §4.1, p. 8). Het feit dat niet alleen de toegepaste materialen voor veel AM processen verschillen, maar dat behalve enkel het buitenoppervlak zoals bij substractieve technieken ook de bulk met deze technieken wordt opgebouwd, maakt dat de procesparameters rechtstreeks invloed hebben op de microstructuur en bijgevolg de materiaaleigenschappen van het werkstuk. Als daar ook nog de complexiteit van een techniek als laser-sintering bij in beschouwing wordt genomen (zie §4.4.3.2, p. 35 en Bijlage 3, 72), blijkt het voorspelbaar maken van de materiaaleigenschappen (zoals sterkte, elasticiteitsmodulus, rekgrens, vermoeiingseigenschappen) van het eindproduct zeer lastig te zijn. 61
De problemen met standaardisatie en het bepalen van de mate van nauwkeurigheid in het eindproduct nemen echter niet weg dat er wel naar moet worden gestreefd. Ten aanzien van de standaardisatie is het nu nog zo dat het CAD ontwerpproces, hoewel binnen een virtuele omgeving, nog altijd met de hand plaatsvindt. Bij een verdere ontwikkeling van de CAD software, waarbij deze zelf, op basis van een ontwerp, het volledige frame of zelfs de UPP modelleert, is pas echt sprake van het verminderen van "inter-operator variability" (variaties in nauwkeurigheid als gevolg van verschil in werkwijze tussen tandtechnici, of dezelfde tandtechnicus op verschillende tijdstippen of in verschillende situaties; zie toekomstvisie 4.7, p. 58). Naast de dimensionele nauwkeurigheid is ook de oppervlakteruwheid een belangrijk aspect van het afgeleverde product, en bovendien een met directe klinische relevantie. De Ra grenswaarde voor plaque-accumulatie ligt onder 0,2 µm (105), wat met de AM technieken niet gehaald wordt, door het trapeffect en ondersteuningsstructuren (zie §4.4.3, p. 29), en door andere zaken als deeltjesgrootte (zie §4.4.3.2, p. 35). Het is dus noodzakelijk het UPP frame achteraf te polijsten, maar dit is niet mogelijk aan de zijden van de ankerklemmen die tegen de elementen aan liggen. Door de oriëntatie van de prothese te optimaliseren, is de ruwheid door het trapeffect ter hoogte van de binnenzijde van de ankerarmen echter wel geminimaliseerd (zie Formule 5, p. 30, hellingshoek θ ≈ 90º). Het door middel van lasersintering geproduceerde UPP-frame had ook na afwerking een zichtbare oppervlakteruwheid (zie Figuur 26 in §4.5.3, p. 54). Dit proces moet dus nog verder worden geoptimaliseerd. Ten aanzien van de impact op het milieu tenslotte lijken de toegepaste digitale technieken veelbelovend in het reduceren van de milieu-impact. De milieu impact van veel van de materiaal- en energiestromen zijn echter niet (voldoende) onderzocht. Bij de life-cycle analysis (LCA) methode voor het inschatten van milieu-impact is het kwantificeren van weegfactoren omstreden (24).
62
6
Referenties
1.
Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. Springer Verlag, New York; 2009.
2.
Battistuzzi P, Käyser A, Keltjens H, Plasmans P. De partiële prothese. Tweede druk. Bohn Stafleu Van Loghum, Houten/Zaventem. 1992.
3.
Bibb R, Eggbeer D, Williams R. Rapid manufacture of removable partial denture frameworks. Rapid Prototyping J. 2006;12(2):95–9.
4.
Bibb RJ, Eggbeer D, Williams RJ, Woodward A. Trial fitting of a removable partial denture framework made using computer-aided design and rapid prototyping techniques. P I Mech Eng H. 9 okt 2006;220(7):793–7.
5.
Eggbeer D, Bibb R, Williams R. The computer-aided design and rapid prototyping fabrication of removable partial denture frameworks. P I Mech Eng H. 27 dec 2005;219(3):195–202.
6.
Williams RJ, Bibb R, Rafik T. A technique for fabricating patterns for removable partial denture frameworks using digitized casts and electronic surveying. J Prosthet Dent. 2004;91(1):85–8.
7.
Williams RJ, Bibb R, Eggbeer D, Collis J. Use of CAD/CAM technology to fabricate a removable partial denture framework. J Prosthet Dent. 1 aug 2006;96(2):96–9.
8.
Han J, Wang Y, Lü P. A preliminary report of designing removable partial denture frameworks using a specifically developed software package. Int J Prosthodont. Jun 2010;23(4):370–5.
9.
Duret F, Blouin JL, Duret B. CAD-CAM in dentistry. J Am Dent Assoc. Nov 1988;117(6):715–20.
10.
Mörmann WH. The evolution of the CEREC system. J Am Dent Assoc. 2006;137:7S–13S.
11.
Beuer F, Schweiger J, Edelhoff D. Digital dentistry: an overview of recent developments for CAD/CAM generated restorations. Brit Dent J. 10 mei 2008;204(9):505–11.
12.
Bruyland E. De dentale revolutie. www.trends.be. 5 mei 2011:60–2.
13.
Liu P-R, Essig ME. Panorama of dental CAD/CAM restorative systems. Compend Contin Educ Dent. 1 okt 2008;29(8):482.
14.
Liu P-R. A panorama of dental CAD/CAM restorative systems. Compend Contin Educ Dent.1 jul 2005;26(7):507–8.
63
15.
Rekow E. Dental CAD/CAM systems: A 20-year success story. J Am Dent Assoc. 2006;137(1):5S.
16.
Ona M, Wakabayashi N. Influence of Alveolar Support on Stress in Periodontal Structures. J Dent Res. 1 dec 2006;85(12):1087–91.
17.
Rudd RW, Rudd KD. A review of 243 errors possible during the fabrication of a removable partial denture: part I. J Prosthet Dent. Sep 2001;86(3):251–61.
18.
Rudd RW, Rudd KD. A review of 243 errors possible during the fabrication of a removable partial denture: part II. J Prosthet Dent. Sep 2001;86(3):262–76.
19.
Rudd RW, Rudd KD. A review of 243 errors possible during the fabrication of a removable partial denture: part III. J Prosthet Dent. Sep 2001;86(3):277–88.
20.
Miyazaki T, Hotta Y, Kunii J, Kuriyama S, Tamaki Y. A review of dental CAD/CAM: current status and future perspectives from 20 years of experience. Dent Mater J. 2009;28(1):44–56.
21.
Zhang Z, Tamaki Y, Hotta Y, Miyazaki T. Recycling of used commercial phosphatebonded investments with additional mono-ammonium phosphate. Dent Mater J. 2005;24(1):14–8.
22.
Zhang Z, Aida Y, Tamaki Y, Hotta Y, Miyazaki T. Experimental binder-free investments reused to cast dental precious alloys. Dent Mater J. Sep 2006;25(3): 553–9.
23.
Yagi S, Zhang Z, Aida Y, Hotta Y, Tamaki Y, Miyazaki T. Soda-lime glass as a binder in reusable experimental investment for dental castings. Dent Mater J. 2011;30(5):611–5.
24.
Drizo A, Pegna J. Environmental impacts of rapid prototyping: an overview of research to date. Rapid Prototyping J. 2006;12(2):64–71.
25.
Kellens K, Yasa E, Dewulf W, Duflou JR. Environmental assessment of selective laser melting and selective laser sintering. Proc. Going Green Care Innov. 2010 Conf. Vienna. 2010;4(5).
26.
Sun Y, Lü P, Wang Y. Study on CAD&RP for removable complete denture. Comput Meth Prog Bio. Mrt 2009.;93(3):266–72.
27.
Persson ASK, Oden A, Andersson M, Sandborgh-Englund G. Digitization of simulated clinical dental impressions: Virtual three-dimensional analysis of exactness. Dent Mater. 2009;25(7):929–36.
28.
Persson A, Andersson M, Oden A, Sandborgh-Englund G. A three-dimensional evaluation of a laser scanner and a touch-probe scanner. J Prosthet Dent. 2006; 194–200.
29.
Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. Springer Verlag, New York; 2009. 64
30.
Birnbaum N, Aaronson H, Stevens C, Cohen B. 3D digital scanners: A high-tech approach to more accurate dental impressions. Inside Dentistry. 2009;5(4).
31.
Theuniers G. Cursus Volledige Prothese. Universiteit Gent, Faculteit Geneeskunde, Tandheelkunde. 2009.
32.
Quaas S, Rudolph H, Luthardt RG. Direct mechanical data acquisition of dental impressions for the manufacturing of CAD/CAM restorations. J Dent. 2007;35(12):903–8.
33.
Alvarez I, Enguita JM, Frade M, Marina J, Ojea G. On-Line Metrology with Conoscopic Holography: Beyond Triangulation. Sensors.; 2009;9(9):7021–37.
34.
Dorsch RG, Häusler G, Herrmann JM. Laser triangulation: fundamental uncertainty in distance measurement. Appl Opt. 1 mrt 1994;33(7):1306–14.
35.
Liu Q, Leu MC, Schmitt SM. Rapid prototyping in dentistry: technology and application. Int J Adv Manuf Tech. 2006;29:317–35.
36.
3Shape. Datasheet 3Shape D700 Dental Impression Scanner. 23 feb 2009.
37.
Haus J. Optical Sensors. 2010th ed. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Duitsland; 2010.
38.
Chang M, Park SC. Automated scanning of dental impressions. Comput Aided Design. 2009;41(6):404–11.
39.
Curless B. Overview of active vision techniques. Siggraph 2000 course on 3D Photography. Univ. Washington. 2000.
40.
Thierens H. Cursus De Cel 1 Fysica. Univ. Gent, Fac. Geneeskunde. 2007.
41.
Yoshizawa T. Handbook of optical metrology. CRC Press; Boca Raton, Florida, Verenigde Staten; 2009.
42.
Raja V, Fernandes KJ. Reverse engineering. Springer Verlag, New York, Verenigde Staten; 2008.
43.
Sirat G, Psaltis D. Conoscopic holography. Opt Lett. Opt. Soc. Am.; 1985;10(1):4–6.
44.
Kachalia PR, Geissberger MJ. Dentistry a la carte: in-office CAD/CAM technology. J Calif Dent Assoc. 1 mei 2010;38(5):323–30.
45.
Cadent. iTero_Interactive. http://www.cadent.biz/itero/itero_interactive/
46.
Syrek A, Reich G, Ranftl D, Klein C, Cerny B, Brodesser J. Clinical evaluation of all-ceramic crowns fabricated from intraoral digital impressions based on the principle of active wavefront sampling. Journal of dentistry. Jul 2010.;38(7):553–9.
47.
Frigerio F. 3 dimensional surface imaging using Active Wavefront Sampling. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Verenigde Staten. 2011. 65
48.
3M ESPE. Lava COS Technical Data Sheet. 14 aug 2009.
49.
Thierens H. Cursus Radioprotectie in de Tandheelkunde. Univ. Gent, Fac. Geneeskunde, Tandh.. 2009
50.
Peiponen K-E, Myllylä R, Priezzhev AV. Optical measurement techniques. Springer Verlag, New York, Verenigde Staten; 2009.
51.
Chen Y, Zhou C, Lao J. A layerless additive manufacturing process based on CNC accumulation. Rapid Prototyping J. 2011. p. 218–27.
52.
Vandenbroucke B, Kruth J-P. Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts. Rapid Prototyping J. 2007;13(4):196–203.
53.
Pham D, Gault R. A comparison of rapid prototyping technologies. Int J Mach Tool Manu. 1998;38:1257–87.
54.
Campbell R, Martorelli M, Lee H. Surface roughness visualisation for rapid prototyping models. Comput Aided Design. 2002;34(10):717–25.
55.
Shahbazian M, Jacobs R, Wyatt J, Willems G, Pattijn V, Dhoore E, et al. Accuracy and surgical feasibility of a CBCT-based stereolithographic surgical guide aiding autotransplantation of teeth: in vitro validation. J Oral Rehabil. 2010;37(11):854–9.
56.
Norouzi Y, Rahmati S, Hojjat Y. A novel lattice structure for SL investment casting patterns. Rapid Prototyping J. 2009;15(4):255–63.
57.
Kruth J-P, Mercelis P, Vaerenbergh JV, Froyen L, Rombouts M. Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping J. 2005;11(1):26–36.
58.
Kruth J, Vandenbroucke B, Vaerenbergh J, Naert I. Digital manufacturing of biocompatible metal frameworks for complex dental prostheses by means of SLS/SLM. 2005.
59.
Elsen MV, Al-Bender F, Kruth J-P. Application of dimensional analysis to selective laser melting. Rapid Prototyping J. 2008;14(1):15–22.
60.
Singh A, Prakash RS. DOE based three-dimensional finite element analysis for predicting density of a laser-sintered part. Rapid Prototyping J. 2010;16(6):460–7.
61.
Singh A, Prakash RS. Response surface-based simulation modeling for selective laser sintering process. Rapid Prototyping J. 2010;16(6):441–9.
62.
3D Systems. Technical Data Sheet sProTM 125 and sProTM 250 Direct Metal SLM Production Printers. 2012.
63.
Wiria FE, Leong KF, Chua CK. Modeling of powder particle heat transfer process in selective laser sintering for fabricating tissue engineering scaffolds. Rapid Prototyping J. 2010;16(6):400–10.
66
64.
Hopkinson N. Rapid manufacturing. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Duitsland; 2006.
65.
Biamino S, Penna A, Ackelid U, Sabbadini S, Tassa O, Fino P, et al. Electron beam melting of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy: Microstructure and mechanical properties investigation. Intermetallics. 2011;19(6):776–81.
66.
Koike M, Greer P, Owen K, Lilly G, Murr LE, Gaytan SM, et al. Evaluation of Titanium Alloys Fabricated Using Rapid Prototyping Technologies-Electron Beam Melting and Laser Beam Melting. Materials. 2011;4(10):1776–92.
67.
Padhye N, Deb K. Multi-objective optimisation and multi-criteria decision making in SLS using evolutionary approaches. Rapid Prototyping J. 2011;17(6):458–78.
68.
Brown C. 3D Printing and Laser Sintering Technologies. Inside Dental Technology, Aegis Comm. 1 jul 2011;2011(July / August).
69.
de Gans B, Duineveld P, Schubert U. Inkjet printing of polymers: State of the art and future developments. Adv Mater. 2004;16(3):203–13.
70.
3D Systems. Z Printer Data Sheet. 2012.
71.
Kim GD, Oh YT. A benchmark study on rapid prototyping processes and machines: quantitative comparisons of mechanical properties, accuracy, roughness, speed, and material cost. P I Mech Eng B-J Eng. 2008;222(2):201–15.
72.
Envisiontec. Envisiontec Perfactory Digital Dental Printer Data Sheet. 2010.
73.
3D Systems. Projet MP 3000 Product Data Sheet. 2011.
74.
Objet. Objet Eden500V Datasheet. 2012.
75.
Strub JR, Rekow ED, Witkowski S. Computer-aided design and fabrication of dental restorations: current systems and future possibilities. J Am Dent Assoc. 1 sep 2006;137(9):1289–96.
76.
El-Katatny I, Masood S, Morsi Y. Error analysis of FDM fabricated medical replicas. Rapid Prototyping J. 2010;16(1):36–43.
77.
Azari A, Nikzad S. The evolution of rapid prototyping in dentistry: a review. Rapid Prototyping J.; 2009;15(3):216–225.
78.
Cheah C, Chua C, Lee C, Feng C, Totong K. Rapid prototyping and tooling techniques: a review of applications for rapid investment casting. Int J Adv Manuf Tech. 2005;25:308–20.
79.
Hanssen J, Stratasys. Fortus 900mc Accuracy Study. 2009.
80.
Giannatsis J, Dedoussis V. Additive fabrication technologies applied to medicine and health care: a review. Int J Adv Manuf Tech. 2009;40:116–27.
67
81.
Hutmacher D. Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. Biomaterials. 2000;21(24):2529–43.
82.
Silva NRFA, Witek L, Coelho PG, Thompson VP, Rekow ED, Smay J. Additive CAD/CAM process for dental prostheses. J Prosthodont. Feb 2011;20(2):93–6.
83.
Gao B, Wu J, Zhao X, Tan H. Fabricating titanium denture base plate by laser rapid forming. Rapid Prototyping J. 2009.;15(2):133–6.
84.
Vallittu PK, Kokkonen M. Deflection fatigue of cobalt-chromium, titanium, and gold alloy cast denture clasp. J Prosthet Dent. Okt 1995;74(4):412–9.
85.
Rodrigues RCS, Ribeiro RF, de Mattos MDGC, Bezzon OL. Comparative study of circumferential clasp retention force for titanium and cobalt-chromium removable partial dentures. J Prosthet Dent. 2002 Sep.;88(3):290–6.
86.
Rodrigues RCS, Faria ACL, Orsi IA, Mattos MDGC de, Macedo AP, Ribeiro RF. Comparative study of two commercially pure titanium casting methods. J. Appl. Oral Sci. Faculdade De Odontologia De Bauru - USP; 2010;18(5):487–92.
87.
Costa L, Vilar R. Laser powder deposition. Rapid Prototyping J. 2009;15(4):264–79.
88.
Wang S, Miranda AG, Shih C. A Study of Investment Casting with Plastic Patterns. Mater Manuf Process. 3 dec 2010;25(12):1482–8.
89.
Delcam. iMetric D62 and D102i Product Data Sheet. 2010.
90.
3Shape. 3Shape Dental Scanners Product Data Sheet. 2012.
91.
Hiltz M. The environmental impact of dentistry. J Can Dent Assoc. 2007;73(1):60–2
92.
Ameer M, Khamis E, Al-Motlaq M. Electrochemical behaviour of recasting Ni-Cr and Co-Cr non-precious dental alloys. Corros Sci. 2004;46(11):2825–36.
93.
Morrow WR, Qi H, Kim I, Mazumder J, Skerlos SJ. Environmental aspects of laserbased and conventional tool and die manufacturing. J Clean Prod. 2007;15(10):932– 43.
94.
Hischier R, Weidema B, Althaus HJ, Bauer C, Doka G, Dones R, et al. Implementation of life cycle impact assessment methods. Ecoinvent Report; 2010.
95.
Braathen NA. Globalisation, Transport and the Environment. Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling; 2010.
96.
Stern N. The economics of climate change. Cambridge Univ Pr, Cambridge, V.K.; 2007.
97.
Lamikiz A, Sánchez JA, López de Lacalle LN, Arana JL. Laser polishing of parts built up by selective laser sintering. Int J Mach Tool Manu. Okt 2007;47 (12-13):2040–50.
68
98.
Rangesh A, O’Neill W. The foundations of a new approach to additive manufacturing: Characteristics of free space metal deposition. Journal of Materials Processing Tech. Elsevier B.V; 1 jan 2012;212(1):203–10.
99.
Litzenburger AP, Hickel R, Richter MJ, Mehl AC, Probst FA. Fully automatic CAD design of the occlusal morphology of partial crowns compared to dental technicians' design. Clin Oral Investig. 27 Mrt 2012.
100.
Choi J-W, Kim H-C, Wicker R. Multi-material stereolithography. Journal of Materials Processing Tech. Elsevier B.V; 1 Mrt 2011;211(3):318–28.
101.
Germani M, Raffaeli R, Mazzoli A. A method for performance evaluation of RE/RP systems in dentistry. Rapid Prototyping J. 2010;16(5):345–55.
102.
Goetghebeur E. Cursus Medische Statistiek. Univ. Gent, Fac. Geneeskunde, Tandh.; 2009.
103.
Ali M, Nairn RI, Sherriff M, Waters NE. The distortion of cast cobalt-chromium alloy partial denture frameworks fitted to a working cast. The Journal of prosthetic dentistry. Okt 1997.;78(4):419–24.
104.
Fernandes C, Glantz P, Nilner K. On the accuracy of some in vitro models for mechanical studies of maxillary removable partial dentures. Dent Mater. 2003;19(2):127–36.
105.
Bollen CM, Lambrechts P, Quirynen M. Comparison of surface roughness of oral hard materials to the threshold surface roughness for bacterial plaque retention: a review of the literature. Dent Mater. Jul 1997;13(4):258–69.
69
Bijlagen Bijlage 1:
Nomenclatuur, alternatieve technieknamen of namen van technische variaties
ASTM naam of proces
alternatieven (door Gibson et al. (29) en www.additive3d.com)
additive manufacturing (AM)
computer-aided manufacturing (duidt overigens meestal op CNC technieken), rapid protyping, rapid manufacturing, solid freeform fabrication, automated fabrication, layer-based manufacturing, stereolithography, 3D printing, desktop manufacturing, direct digital manufacturing, solid imaging, fabber/ fabbing, layered manufacturing, layered fabrication, additive processes, additive techniques
stereolithografie, (valt onder fotopolymerisatie processen)
variaties: micro scan stereolithography mask projection stereolithography / rapid micro product development, twee-fotonen stereolithografie
fused deposition modelling
variaties: bio-extrusion, contour crafting, shaped deposition manufacture, ballistic particle manufacture, curved laminated object manufacture, reprap, fab@home, robocasting (82)
laser sintering en electron beam melting (powder bed fusion processen)
selective laser sintering ("sintering" wordt door de ASTM als een "misnomer" aangeduid, omdat de meeste huidige technieken het poeder niet sinteren maar deels of geheel smelten), selective laser melting, rapid tooling, direct metal laser sintering, laser cusing, variaties: liquid-phase sintering, selective laser powder remelting, variaties: mask-based sintering, high-speed sintering, selective inhibition sintering, fcubic
direct-beam processen
laser powder forming, varianten: laser engineered net-shaping (LENS), direct light fabrication, direct metal deposition, 3D laser cladding, laser generation, laser based metal deposition, laser freeform fabrication, laser direct casting, lasercast, laser consolidation, lasform, controlled metal buildup, electron beam freeform fabrication
3D printing
concept modeling
inkjet based systems
jetted photopolymer systems,
laminated object manufacturing
(niet onderzocht)
direct-write processen
(niet onderzocht)
70
Bijlage 2: Resultaten van literatuur zoektocht op basis van MeSH termen
71
Bijlage 3: Bepalende laser sintering parameters volgens Kruth, 2005 (58)
72
Bijlage 4: Berekening totale dimensionele onnauwkeurigheid UPP frameproductie met laser sintering (Vertaald uit Bibb et al., (3))
Bijlage 5: Berekening totale dimensionele onnauwkeurigheid UPP frameproductie met 3DP en gietproces (Vertaald uit Eggbeer et al. (5))
73
Bijlage 6:
Vergelijkend tijdschema voor frameproductie klassiek vs. digitaal mbv. 3DP Proces
Klassiek proces Afdruk uitgieten, uitharden Surveyen Manueel uitblokken Siliconen duplicaat, uitgieten met inbedmassa Modelleren met was, 1 frame Gietkanalen en gietkegel plaatsen Inbedden In oven met temperatuurgradient tot 980ºC Volgende ochtend gieten Afkoelen Uitbedden Zandstralen Afwerken Electrolytisch glansbad Polijsten Totaal Proces met gebruik van digitale technieken Afdruk uitgieten Inscannen Digitaal ontwerpen Omrekenen naar STL Overnacht printen, per batch frames Smelten was ondersteuningsstructuren Kunststofpas op model Gietkanalen en gietkegel plaatsen Inbedden In oven tot 900ºC Gieten Afkoelen Uitbedden Zandstralen Afwerken Electrolytisch glansbad Polijsten Totaal
Tijdsduur per 12 frames 1u 30m 4u 1u 1u 30m 4u 1u 1u 6u 1u 30m 1u 1u 4u 1u 2u 30u 30m 1u 30m 2u 4u 1u 7u 0m 15m 1u 25m 1u 25m 1u 0m 15m 30m 15m 15m 4u 1u 2u 27u 50m
74
Bijlage 7:
4
Vergelijkende tijdsberekening volgens Innodema4
http://www.innodema.com/workflow.php
75
Bijlage 8: Indeling milieu-effecten van globalisatie (OESO) Het kwantificeren van de effecten van (een toename in) industriële productie op het milieu is zeer complex, zoals blijkt een studie "Globalisation, Transport and the Environment" van de OESO (Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling) (95). Voor een begrip van de effecten worden ze onderverdeeld in indirecte en directe effecten. Indirecte effecten zijn het gevolg van prijsveranderingen die gepaard gaan met toegenomen wereldhandel, en worden verder verdeeld in: -
Het "conversion-effect": als gevolg van globalisatie nemen in een land bepaalde economische sectoren in omvang af en andere toe. De ene sector stelt meer CO2 vrij dan andere, wat zijn effect heeft in de totale emissie van een land. Als bijvoorbeeld de dienstensector in omvang toeneemt en de zware industrie sector in omvang afneemt, is het waarschijnlijk dat de totale emissie in omvang afneemt.
-
Het "scale-effect": door een efficiënter gebruik van productiemiddelen is er een toenemende wereldproductie, die een bijkomende toename in CO2 emissie geeft.
-
Het "technique-effect": in feite is dit opnieuw een samenraapsel van effecten die de hoeveelheid uitstoot per huishouden of industrie beïnvloeden, samengaand met een verandering in consumptie- of productietechnieken als gevolg van toegenomen vrije handel. Door de handel neemt het inkomen per consument toe, en consumenten met een hoger inkomen hebben ook een toegenomen belang in schoon water, schone lucht en regelgeving die emissies (strenger) reguleert. Bovendien leidt toegenomen handel tot een wereldwijde verspreiding van technologie die emissies beperkt. Daarnaast leidt een toename in vrije wereldhandel ook tot innovaties die deze toename faciliteren, zoals het gebruik van zeecontainers.
Met het directe effect wordt gedoeld op de toename in transport van goederen en personen, en de bijkomende toename in CO2 vrijstelling. Behalve CO2 emissie toename wordt in het boek door de OESO ook milieuschade door andere gassen of door bijvoorbeeld olierampen in het geval van scheepsvervoer tot de directe effecten gerekend. De OESO stelt in haar studie dat door de toegenomen wereldhandel de vrijstelling van andere stoffen dan CO2 zoals SO2 en NOx, juist is afgenomen. Door de directe effecten is echter door globalisatie de CO2 productie toegenomen.
76
