DE112008003730B4 - Verfahren zur direkten Herstellung von individuellen Lingualbrackets durch Selectives Laserschmelzen - Google Patents

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Abstract

Direktherstellungsverfahren von individuellen Lingualbrackets durch selektives Laserschmelzen, mit den Schritten: (a) Erfassen von Zahndaten des Zahnprofils; (b) Erstellen eines 3D-CAD-Modells der Zähne eines Patienten auf der Grundlage der Zahndaten mit Hilfe von Reverse Engineering und Speichern des Modells auf einem Computer; (c) Entwerfen eines 3D-CAD-Modells für eine einzelne Lingualbrackt-Struktur, die eine Basisplatte, die sich in Kontakt mit einer Zahnoberfläche befindet, und Slots für eine aus orthodontischer Sicht und unter Berücksichtigung von Material und Zahnprofil ideale Positionierung umfasst; (d) Importieren des 3D-CAD-Bracket-Struktur-Modells in die SLM-Maschine und direktes Herstellen des Brackets in einem Schichtprozess; (e) Bearbeiten der Bracketoberfläche auf der Grundlage klinischer Anforderungen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Brackets zum Beseitigen von Fehlstellungen der Zähne. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur direkten Herstellung von individuellen Lingualbrackets mit Hilfe von Selektives Laserschmelzen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Kieferorthopädie (Orthodontie) wird vielfach in Kliniken angewendet, um Fehlstellungen der Zähne eines Patienten zu beseitigen, d. h. die Stellung der Zähne zu regulieren. Das herkömmliche Verfahren besteht darin, Brackets auf die Zahnoberflächen zu kleben und elastische Drahtbögen durch die Bracketschlösser oder -slots zu führen und durch sie eine korrigierende Kraft auszuüben. Seit den 1970er Jahren ist jedoch die linguale Orthodontie auf breiteres Interesse gestoßen. Die linguale Orthodontie klebt die Brackets auf die innere statt auf die labiale Zahnoberfläche, so dass weder das Aussehen des Patienten beeinträchtigt, noch das Schließen der Lippen behindert wird. Darüber hinaus werden die durch Dekalzifizierung verursachten weißen Flecke auf dem Zahnschmelz der labialen Zahnoberfläche vermieden, da kein Ätzmittel verwendet wird. Ferner kann der Arzt während der Behandlung die Zahnposition und -form leichter von der lingualen Seite beobachten.
  • Mittlerweile sind die zur lingualen Orthodontie verwendeten Brackets Serienprodukte, die standardisiert hergestellt werden. Diese Brackets können nur schlecht an einen jeweiligen Zahn angepasst werden. Aufgrund der komplizierten Form der lingualen Zahnoberfläche sind kleinere Brackets besser zum Ankleben geeignet. Die Lücke zwischen dem Bracket und dem Zahn wird mit einem dentalem Haftmittel aufgefüllt. Bei einer stärkeren Krümmung der Zahnoberfläche ist mehr Haftmittel erforderlich, was zu einer Ablösung des Bracket von der Zahnoberfläche führt. Im Vergleich zur labialen Orthodontie hat die linguale ein variableres Profil und erfordert passendere Brackets.
  • Der Hauptnachteil der lingualen Orthodontie ist Irritationen der Zunge. Die Zunge ist eines der empfindlichsten Organe des menschlichen Körpers, das an vielen Vorgängen wie etwa dem Sprechen und dem Schlucken beteiligt ist. Lingualbrackets nehmen der Zunge einen Teil ihres Raumes und können durch Reizung des Zungenrandes sogar Schmerzen verursachen. Um diese unerwünschten Effekte zu beseitigen, geht die Entwicklung in Richtung sehr kleiner und dünner Lingualbrackets.
  • Zur Herstellung von Lingualbrackets ist bisher das Rapid Prototyping experimentell verwendet worden. Dieses Verfahren besteht allgemein darin, zuerst durch ein 3D-Printing- oder 3D-Druckverfahren ein Wachsmodell des Brackets zu erzeugen und dann ein Wachsausschmelzverfahren (engl. „investment casting”) durchzuführen. Der Komplexität der durch dieses Verfahren hergestellten Brackets sind keine Grenzen gesetzt, und eine individuell maßgefertigte Herstellung ist möglich. Jedoch ist der Prozess, der viele Schritte und lange Zeitspannen beinhaltet, kompliziert. Das selektive Laserschmelzen ist eine relativ neue, jedoch sich rasch entwickelnde Rapid Prototyping Technik, die auf dem Gebiet der Medizin verwendet wird. Mit seiner Hilfe können Lingualbrackets, die üblicherweise aus metallischen Materialien wie etwa Zahngoldlegierungen oder Titanlegierungen besteht, direkt hergestellt werden.
  • Das existierende Herstellungsverfahren von Lingualbrackets ist standardisiert, so dass die individuellen Bedürfnisse oder Erfordernisse der Patienten kaum zufriedengestellt bzw. erfüllt werden können, wodurch unerwünschte Effekte bei der Behandlung verursacht werden und große Belastungen für die Patienten entstehen.
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • Die Erfindung kann die bei den bisherigen, oben beschriebenen Herstellungstechniken von Lingualbrackets auftretenden Probleme lösen. Sie stellt ein direktes Herstellungsverfahren maßgefertigter oder individueller Lingualbrackets unter Verwendung des selektiven Laserschmelzens bereit. Dieses Verfahren kann nicht nur ein maßgefertigtes Produkt gemäß individuellen Merkmalen, sondern aufgrund seiner hohen Fertigungsgenauigkeit auch besser an den Zahnoberflächen klebende Brackets erzeugen.
  • Die Erfindung kann durch das unten beschriebene Verfahren verwirklicht werden. Das Direktherstellungsverfahren von individuellen Lingualbrackets durch selectives Laserschmelzen umfasst die folgenden Schritte:
    • (1) Erfassen der Zahndaten des Zahnprofils.
    • (2) Erstellen eines 3D-CAD-Modells der Zähne des Patienten durch Reverse Engineering auf der Grundlage der Zahndaten und Speichern des Modells auf einem Computer.
    • (3) Entwerfen eines 3D-CAD-Modells einer einzelne Lingualbracket-Struktur, die die Basisplatte in Kontakt mit einer Zahnoberfläche sowie die Slots für die hinsichtlich orthodontischen Anforderungen ideale Position, Bracket-Material und Zahnprofil umfasst.
    • (4) Importieren des 3D-CAD-Bracket-Struktur-Modells in eine SLM-Maschine und direktes Erzeugen der Brackets im Schichtverfahren (laminate manufacturing).
    • (5) Bearbeiten der Bracket-Oberfläche auf der Grundlage klinischer Anforderungen.
  • Zur besseren Implementierung dieser Erfindung wird die Erfassung der Zahndaten durch einen CT-Scanner oder Nicht-Kontakt-3D-Scanner oder Kontakt-3D-Scanner an einem gegossenen Zahnmodell mit einer Abtastgenauigkeit von kleiner als 0,02 mm erzielt.
  • Das in Schritt (2) beschriebene 3D-CAD-Zahnstrukturmodell wird als .stl-Datei gespeichert.
  • Das in Schritt (4) beschriebene Schichtvefahren verwendet eine Slicing Software, um das 3D-CAD-Bracket-Struktur-Modell virtuell in dünne Schichten zu zerteilen und so Schnittbilder von ihm zu erzeugen. Die SLM-Maschine kann auf der Grundlage dieses Schichten- oder Schnittbildermodells direkt Metall-Brackets herstellen, wobei sichergestellt ist, dass die Form jeder Schicht mit den 3D-CAD-Strukturdaten übereinstimmt.
  • Die Dicke der beschriebenen Schichten liegt bei einer Fertigungsgenauigkeit von 5–10 μm bei 20–50 μm, wobei ein Fehler-Kompensationsverfahren für eine Zwischenschichten verwendet wird.
  • Die Dicke des Bracket-Basisplatte ist geringer als 0,4 mm. Das Herstellungsmaterial umfasst Zahngold, Titanlegierungen, Co-Cr-Legierungen und Edelstahlpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 10 μm.
  • Die Basis des Brackets wird an die Zahnoberfläche geklebt, und das Bracket-Schloss wird an den Drahtbogen angepasst. Aufgrund der Anforderung an die mechanischen Eigenschaften sind während der Herstellung durch das selektive Laserschmelzen unterschiedliche Legierungen oder Zusammensetzungen für die Schichten notwendig. Nach der Fertigstellung weist das Bracket einen durch die Änderungen bestimmter Eigenschaften (zum Beispiel die Härte) von Schicht zu Schicht Gradienten dieser Eigenschaft auf und besitzt bessere Eigenschaften.
  • Während des SLM-Prozesses werden die Brackets in einer abgeschlossenen Kammer, die mit inertem Gas gefüllt ist, fertiggestellt, wodurch eine hohe Qualität der Produkte gewährleistet ist.
  • Für das selektiven Laserschmelzen wird ein Faserlaser verwendet. Der Laser liefert eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 100–200 W und eine Laserstrahl-Gütefaktor von M2 < 1,1 bei einem Fokusdurchmesser von weniger als 25 μm.
  • Die Erfindung hat die folgenden Vorteile und Effekte im Vergleich zur herkömmlichen Technologie.
    • 1. Maßanfertigung. Das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Verfahren kann auf jedes noch so komplexe Produkt angewendet werden. Die maßgefertigten Brackets können individuellen Anforderungen gerecht werden. Das Slot des Brackets ist mit hoher Genauigkeit gefertigt und besitzt eine geringe Dicke, und die Basis des Brackets besitzt eine unterschiedliche Höhe aufgrund des gewählten Materials, das gut an die Zahnoberfläche angepasst ist und die Konktaktfläche maximiert. Da ferner jedes Slot seine eigene Position und Form besitzt, um mit dem Drahtbogen zusammenzuwirken, ist ein Fehler durch Verdrehen minimiert, so dass eine optimale Zahnregulierung erreicht werden kann.
    • 2. Herstellungszeitraum. Indem das Verfahren des selektiven Laserschmelzens verwendet wird, kann das gewünschte Modell schnell in ein metallisches Produkt überführt werden. Die Bracketherstellung beinhaltet nur einen einzigen Schritt, wodurch Zeit und Kosten gespart werden.
    • 3. Breiter Anwendungsbereich. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um Brackets aus Zahngold, rostfreiem Stahl, eine Ti-Legierung und einer Co-Cr-Legierung herzustellen.
    • 4. Unterschiedliche Materialien können in demselben Prozess verwendet werden, um unterschiedliche Anforderungen zu berücksichtigen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein technisches Flussdiagramm des Direktherstellungsverfahrens der Lingualbracket durch selektives Laserschmelzen.
  • 2 ist ein 3D-CAD-Modell eines auf der Grundlage der Zahndaten erzeugten bleibenden Zahns.
  • 3 ist ein 3D-CAD-Modell eines auf der Grundlage der in 2 gezeigten Zahnstruktur entworfenen Bracket.
  • 4 ist ein 3D-CAD-Modell eines von einer einzelnen Frontzahnstruktur entworfenen Backet.
  • 5 ist eine schematische Darstellung des Schichtherstellungsverfahrens der Lingualbrackets durch selektives Laserschmelzen.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Ein Anwendungsbeispiel und Figuren sind hilfreich, um Einzelheiten der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Jedoch kann das Implementierungsverfahren dieser Erfindung je nach Notwendigkeit variieren.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm des Direktherstellungsverfahrens für ein Lingualbracket durch selektives Laserschmelzen mit den Schritten:
    • (1) Messen von Zahndaten und Analysieren von Parametern des Zahnprofils. Die Messung wendet hierbei eine CT-Schichtrasterung (CT layer scanning) direkt auf die Zähne des Patienten an, oder wendet eine Nicht-Kontakt-3D-Rasterung der Zähne des Patienten auf das zuvor modellierte Zahnmodell an. Die Scan-Genauigkeit soll weniger als 0,02 mm betragen.
    • (2) Auf der Grundlage der gegebenen Zahndaten wird durch Reverse Engineering das 3D-CAD-Modell hergestellt und als .stl-Datei auf dem Computer gespeichert. Die äußere Struktur von Zähnen ist kompliziert, normalerweise unregelmäßig gekrümmt.
    • (3) Wie es in 3 gezeigt ist, sind die 3D-CAD-Modelle von Lingualbrackets auf der Grundlage von kieferorthopädischen (orthodontischen) Anforderungen, den Materialien und dem Zahnprofil durch einen Computer erstellt. Das Design des Bracketmodells umfasst die Basisplatte, die mit der Zahnoberfläche in Kontakt ist, sowie das Slot, das sich an seiner optimalen Position befindet. 4 zeigt die Krümmung der Zahnoberfläche und das entworfene Bracket, wobei die Basisplatte des Brackets 2 vollständig an die Oberfläche des Zahns 1 angepasst ist.
    • (4) Importieren des entworfenen Modells von Schritt 3 in die SLM-Maschine und schichtweises Erzeugen des Brackets. Eine Slicing-Software wird verwendet, um das 3D-CAD-Struktur-Modell zu trennen, und das 2D-Modell jedes Abschnitts zu erzeugen. Die Dicke der Schichten beträgt 20–50 μm mit einer Fertigungsgenauigkeit von 5–10 μm, wobei ein Fehler-Kompensationsverfahren zu Grunde gelegt ist. Auf der Grundlage dieses Modells kann die SLM-Maschine direkt Metallbrackets herstellen, wobei gewährleistet ist, dass jede Schicht mit den 3D-CAD-Strukturdaten konsistent ist.
  • 5 zeigt das Schichtherstellungsverfahren der Lingualbrackets durch selektives Laserschmelzen, das die folgenden Schritte umfasst.
  • Zuerst wird aus den durch Reverse Engineering gewonnenen Messdaten das 3D-CAD-Modell der Zähne hergestellt. Auf der Grundlage dieses Modells werden einzelne Lingualbracket-3D-CAD-Modelle entsprechend den kieferorthopädischen Anforderungen, dem Material und dem Zahnprofil entworfen. Anschließend kann das Modell in die SLM-Maschine importiert und das Bracket Schicht für Schicht herstellt werden. Der Formprozess umfasst drei Schritte: 1. Gleichmäßiges Ausbreiten des Pulvers in einem Materialzylinder auf die Arbeitsoberfläche des Formzylinders durch eine Art Rakel; 2. Abtasten durch den computergesteuerten Laserstrahl; 3. Absenken des Kolbens der Form um die Dicke einer Schicht und Anheben des Plungers des Materialkompartiments um die Dicke einer Schicht; Wiederholen dieser drei Schritte bis zur Fertigstellung. Während des SLM-Prozesses befinden sich die Brackets in einer mit einem Edelgas gefüllten, abgedichteten Kammer. Schließlich werden die Brackets aus der Kammer entnommen.
  • Für das selektive Laserschmelzen wird ein Faserlaser verwendet. Der Laser besitzt eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 100–200 W und einen Laserstrahl-Gütefaktor von M2 < 1,1, wobei der Durchmesser des Brennpunkts kleiner als 25 μm ist.
  • Die Dicke der Basisplatte des Brackets ist geringer als 0,4 mm. Die Rohmaterialien des Brackets umfassen Pulver aus Zahngold, rostfreiem Stahl, einer Ti-Legierung und einer Co-Cr-Legierung. Die Pulvergröße ist kleiner als 10 μm.
  • Die Basis des Brackts wird an die Zahnoberfläche geklebt, und das Bracketslot wird an den Drahtbogen angepasst. Im Hinblick auf die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, sind unterschiedliche Legierungen oder Pulverzusammensetzungen für die Schichten während des selektiven Laserschmelzens erforderlich.
    • (5) Verarbeiten der Brackets auf der Grundlage klinischer Anforderungen. Die oben beschriebene Ausführungsform ist lediglich beispielhaft und schränkt die vorliegende Erfindung nicht ein. Modifikationen der vorliegenden Erfindung sind im Rahmen des in den Ansprüchen definierten Schutzbereichs möglich.

Claims (9)

  1. Direktherstellungsverfahren von individuellen Lingualbrackets durch selektives Laserschmelzen, mit den Schritten: (a) Erfassen von Zahndaten des Zahnprofils; (b) Erstellen eines 3D-CAD-Modells der Zähne eines Patienten auf der Grundlage der Zahndaten mit Hilfe von Reverse Engineering und Speichern des Modells auf einem Computer; (c) Entwerfen eines 3D-CAD-Modells für eine einzelne Lingualbrackt-Struktur, die eine Basisplatte, die sich in Kontakt mit einer Zahnoberfläche befindet, und Slots für eine aus orthodontischer Sicht und unter Berücksichtigung von Material und Zahnprofil ideale Positionierung umfasst; (d) Importieren des 3D-CAD-Bracket-Struktur-Modells in die SLM-Maschine und direktes Herstellen des Brackets in einem Schichtprozess; (e) Bearbeiten der Bracketoberfläche auf der Grundlage klinischer Anforderungen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Erfassung der Zahndaten mit Hilfe eines CT-Scanners oder eines berührungslosen 3D-Scanners oder durch eine 3D-Abtastung eines gegossenen Zahnmodells erfolgt, wobei die Abtastgenauigkeit weniger als 0,02 mm beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zahnstruktur-3D-CAD-Modell als .stl-Datei gespeichert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schichtherstellungsverfahren unter Verwendung einer Slicing Software durchgeführt wird, um das 3D-CAD-Bracket-Struktur-Modell in Schichten zu zerlegen und mit jeder Schicht ein horizontales Schnittmodell zu erhalten, wobei die SLM-Maschine dann auf der Grundlage dieses Schnittmodells direkt metallische Brackets herstellen kann, wobei gewährleistet ist, dass die Form jeder Schicht mit den 3D-CAD-Strukturdaten identisch ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dicke der Schichten 20–50 μm beträgt und die Herstellungsgenauigkeit auf der Grundlage eines Fehler-Kompensationsverfahrens 5–10 μm beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Dicke der Bracketbasisplatte geringer als 0,4 mm ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Herstellungsmaterialien Pulver aus Zahngold, einer Ti-Legierung, einer Co-Cr-Legierung und rostfreiem Stahl mit einer Partikelgröße von 10 μm umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei je nach Belastung unterschiedliche Pulverzusammensetzungen für die Schichten während des selektiven Laserschmelzens erforderlich sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Faserlaser für das selektive Laserschmelzen verwendet wird, mit einer kontinulierlichen Ausgangsleistung von 100–200 W und einem Laserstrahl-Gütefaktor von M2 < 1,1 und einem Brennpunktdurchmesser von weniger als 25 μm.
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