DE19922870A1

DE19922870A1 - Verfahren zur automatischen, individuell angepaßten Farb-, Transluzenz-, Helligkeits- und Fluoreszenzgebung von zahntechnischen Restaurationen

Info

Publication number: DE19922870A1
Application number: DE19922870A
Authority: DE
Inventors: Paul Weigl; Sonja Rosenbaum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-12-07

Abstract

Herkömmliche Verfahren zur maschinellen Herstellung von Zahnersatz vernachlässigen ästhetische Aspekte wie die Farbe des Zahnersatzes. Konventionelle manuelle Verfahren hingegen liefern keine reproduzierbaren Ergebnisse und erfordern eine hohe Qualifikation. DOLLAR A Das neuartige Verfahren automatisiert die Herstellung von zahntechnischen Restaurationen mit individuell angepaßten optischen Eigenschaften. Die grundlegenden Schritte des Verfahrens bestehen in der Datenakquisition (optische Eigenschaften), Generierung eines CAD-Datensatzes zur Beschreibung der Form sowie CAD/CAM-Datensätzen zur Schichtaufbringung, einer anschließenden vollautomatischen Prüfung des Ergebnisses, Vergleich mit der Vorgabe, einer/mehrerer eventuell erforderlichen Abtragung/en von Teilen der Schicht, Korrektur des Dateninputs und erneutem Auftragen. DOLLAR A Dieses automatische, iterative Verfahren ermöglicht eine reproduzierbare, definierbar grobe oder feine (den gestellten ästhetischen Anforderungen entsprechende) Annäherung der zahntechnischen Restauration an ein individuelles, patientenbezogenes Unikat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen individuellen Farb-, Transluzenz-, Helligkeits- und Fluoreszenzgebung von zahntechnischen Restaurationen gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben Merkmalen.

Stand der Technik

In der Zahnheilkunde stehen heute für die individuelle ästhetische Gestaltung von zahntechnischen Restaurationen keine automatisierten Prozesse zur Verfügung.

Die konventionelle Herstellung von individualisiert zahnfarbenen Inlays, Onlays, Veneers, Kronen, Brücken, und aesthetischen Teilprothesen - im folgenden zahntechnische Restaurationen genannt - erfordert zahlreiche manuelle Arbeitsschritte. Systeme zur maschinellen Fertigung von Zahnersatz zielen darauf ab, die Arbeit des Zahntechnikers teilweise oder ganz zu ersetzen. Je höher der Automatisierungsgrad eines Systems ist, um so höher ist sein Potential zur Kostenreduktion. Zunächst wird auf die einzelnen Arbeitsschritte des Zahntechnikers eingegangen, die beim Herstellungsprozeß von ästhetischen zahntechnischen Restaurationen erforderlich sind.

Um Patienten mit zahntechnischen Restaurationen therapieren zu können, beschleift der Zahnarzt entweder natürliche Zähne oder montiert spezielle Pfosten auf dentale Titan-Implantate, die im Knochen verankert (osseointegriert) sind. Sowohl die beschliffenen Zähne bzw. die Implantate als auch deren benachbarte und im Gegenkiefer stehende Zähne werden abgeformt, um Replikas für die extraorale Simulation der spezifischen anatomischen Situation und Funktion anfertigen zu können. Mit einer Palette von Musterzähnen bestimmt der Zahnarzt die Farbe und Helligkeit der herzustellenden Restauration. Er orientiert sich hierbei an natürlichen Zähnen des Patienten oder an bereits bestehenden zahnfarbenen Restaurationen des Patienten. Dieses Vorgehen ist rein subjektiv, beschränkt auf eine geringe Anzahl von Musterzähnen und zudem abhängig von den umgebenden Lichtverhältnissen.

Der Zahntechniker gießt das Abformmaterial mit Gips aus und erhält so die Modelle des Unter- und Oberkiefers. Eine Vorrichtung, genannt Artikulator, ordnet das Gipsmodell des Oberkiefers zum Modell des Unterkiefers in der Relation zu, die am Patienten beim Schließen des Mundes unter maximalem Zahnkontakt besteht. Zudem ermöglicht der Artikulator je nach Ausführung eine Simulation der Unterkieferbewegungen beim Kauen.

Am Beispiel einer verblendeten Einzelzahnkrone geht der Zahntechniker wie folgt vor: Zunächst modelliert er ein Kronengerüst mit Wachs. Die Modellation wird so gestaltet, daß die später aufzutragende Verblendschicht eine gleichmäßige Schichtstärke von ca. 1,5 mm aufweist. Das Gerüst wird entweder aus Metall gegossen oder z. B. aus Keramik gepreßt (IPS Empress 2 - Verfahren, Fa. Ivoclar, FL-Schaan).

Anschließend trägt der Zahntechniker eine dünne Schicht (ca. 100 µm) als opake Grundierung auf das metallische Gerüstkäppchen auf, um die Haftung zwischen Untergrund und Verblendmaterial zu verbessern und das Metall zahnfarben abzudecken. Für die Herstellung von keramischen Verblendungen wird eine hochviskose Paste aus einem mit Metalloxiden eingefärbten Keramikpulver und einer Dispergierflüssigkeit wie z. B. Wasser angerührt, die aufgrund ihrer Viskosität ein Schichten, d. h. das Auftragen auch von größeren Schichtdicken bis in den Millimeterbereich im ungesinterten Zustand der Keramik ermöglicht. Als Beschichtungsmethode wird der Pinselauftrag genutzt.

Um eine Simulation des individuellen natürlichen Zahnes zu erzielen, wird die Verblendung in unterschiedliche Zonen unterteilt und mit verschiedenen Keramikmassen versehen. Im inzisalen Bereich überwiegt eine transluzente, helle Schneidemasse, im Bereich des Zahnhalses hingegen Keramikmassen mit mehr Opazität, Farbe und Fluoreszenz. Die erforderlichen Farbnuancen werden individuell aufgetragen und nach subjektiven Kriterien des Zahntechnikers positioniert. Die Positioniergenauigkeit liegt hierbei im Millimeterbereich. Die Keramikmassen müssen im Übermaß aufgetragen werden, um die Schrumpfung während des nachfolgenden Sinterbrandes kompensieren zu können. Der Zahntechniker schichtet aufgrund seiner Erfahrung stets soviel Keramikmasse, daß nach dem Sinterbrand ein kleines Übermaß der Kronenform besteht, um einen weiteren Brand zu vermeiden.

Die endgültige Kronenform gestaltet der Zahntechniker anschließend im Artikulator. Die Nachbarzähne, der Gegenkiefer und die Kieferbewegungen definieren die anatomische Begrenzung der Krone und damit den erforderlichen Abtrag. des Übermaßes durch manuelles Schleifen. Danach werden weitere individuelle Farbeffekte durch Aufbringen einer dünnen Glasurschicht zu erzielen versucht, welche gleichzeitig die keramische Kronenoberfläche nach den Schleifprozessen glättet.

Erweist sich die Zahnfarbe nach dem Beschichtungsprozeß als zu dunkel, sind Anpassungen durch Aufbringen einer dünnen hellen Farbschicht meist nicht mehr möglich, da das Deckungsvermögen nicht ausreicht. Auch ein falsch gewählter Grundfarbton kann nicht kompensiert werden. In diesen Fällen muß die Verblendkeramik teilweise oder vollständig vom Gerüst entfernt und erneut geschichtet werden. Als Folge entstehen zusätzliche Materialkosten und erhöhte Personalkosten. Die Anzahl der Korrekturbrände zum Anpassen der Farbe ist aufgrund einer zunehmenden Verglasung der Verblendkeramik während der Temperaturbehandlung und der damit verbunden Festigkeitsabnahme begrenzt.

Die zur Zeit am Markt erhältlichen CAD/CAM-Systeme zur Herstellung von zahntechnischen Restaurationen verwenden entweder einfarbige Keramikblöcke (Cerec® [21], [20], Digident® [21], GN-I® [16]) oder begrenzen sich auf die Herstellung von Gerüsten (Procera® [21], [18], DCS® [21]), die vom Zahntechniker auf konventionelle Art verblendet werden müssen.

Lediglich das CICERO®-Verfahren [21], [23], [11], [12], [13] beschreibt eine Prozeßkette zur Verblendung von gesinterten Metallgerüsten, allerdings ohne automatische individuelle Gestaltung. Zur Herstellung einer keramisch verblendeten Einzelkrone wird der präparierte Zahn, die benachbarten Zähne und die Kaufläche des Antagonisten vermessen. Die Modellation der Approximalkontakte der Krone sowie deren Okklusalfläche erfolgt interaktiv am Bildschirm. Vorgesehen ist auch die Integration der Kieferbewegung zur funktionellen Adaption der Okklusalmorphologie einer Krone. Die Realisation des manuell konstruierten CAD-Datensatzes einer Krone benutzt sowohl fräsende als auch zahntechnisch konventionelle Formge bungsverfahren. Zunächst wird aus den Meßdaten ähnlich den Procera®-Verfahren ein feuerfester Duplikatstumpf kopiergefräst. Auf diesem Stumpf werden Kronen gerüste konventionell aus Keramik gebrannt oder aus Sintergoldlegierungen herge stellt. Die Verblendkeramiken werden anschließend vom Zahntechniker manuell aufgebracht und gebrannt. Die vom Zahntechniker absichtlich im Übermaß gesinterte Verblendkeramik kann nun durch eine CNC-Maschine in die konstruierte Form des CAD-Datensatzes geschliffen werden. Untersuchungen zur Paßgenauigkeit, Renta bilität und klinischen Anwendung liegen derzeit nicht vor.

Bei herausnehmbaren Prothesen besteht die Möglichkeit einer Verwendung von industriell vorgefertigten Ersatzzähnen aus Kunststoff oder Keramik. Diese Ersatz zähne weisen nur einige standardisierte Farb-, Transluzenz und Helligkeitsverläufe auf. Eine Individuelle Charakterisierung in Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluo reszenz erfordert ein arbeitsaufwendiges und schwieriges manuelles Umarbeiten dieser Ersatzzähne.

Probleme bei der individuellen Farb-, Transluzenz-, Helligkeits- und Fluoreszenzgebung von zahntechnischen Restaurationen.

Die individuelle ästhetische Gestaltung von zahntechnischen Restaurationen er zeugt Unikate, die bisher nur durch manuelle Arbeitsprozesse zusammen mit einer vorliegenden künstlerischer Begabung der beteiligten Personen gut beherrscht werden können. Die Vorhersagbarkeit des ästhetischen Gesamtresultats ist jedoch schlecht. Eine Optimierung der Vorhersagbarkeit kann zur Zeit nur über vielfache Anproben am Patienten, Herstellung mehrerer Restaurationen oder Einsatz von sehr erfahrenen und begabten Zahntechnikern erzielt werden. Jede dieser Opti mierungsmaßnahmen ist jedoch mit einer progressiven Steigerung der Herstel lungskosten verbunden.

Eine objektive, nach Oberflächenregionen differenzierte Bestimmung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz ist mit subjektiven Seheindrücken nicht zu realisieren. Ein Einsatz von technischen Hilfsmitteln produziert zwar objektive Meßdaten, jedoch erfolgt die Umsetzung dieser Daten in manuellen Arbeits schritten und führt daher wiederum zu einem nicht reproduzierbaren, subjektiv ge prägten Ergebnis. Eines dieser technischen Hilfsmittel wird durch das von der Firma Sigma Dental entwickelte Castor®-Gerät repräsentiert. Es mißt bei defi nierten und reproduzierbaren Lichtverhältnissen, um den Einfluß der Umgebung auszuschließen. Faber et al. [17] unterteilen die erfaßte Labialfläche eines Zahnes in 9 Meßfelder, innerhalb derer die Farbe gemessen und auf das CIEL*a*b* Sy stem übertragen wird. Als nachteilig erwies sich bei dieser Methode, daß die Farb messung lediglich die Oberfläche des Zahnes berücksichtigt, nicht aber seine Tiefenwirkung, d. h. seine Transluzenz. Dies führte zu signifikanten Unterschieden zwischen der visuellen Empfindung und Ergebnissen des Castor®-Geräts. Neben dem genannten Verfahren sind die Farb-, Transluzenz- sowie Fluoreszenzmes sungen an Zähnen auch Gegenstand verschiedenster Patente [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Allen Systemen mangelt es jedoch an einer maschinellen und damit reproduzierbaren Realisation der Meßergebnisse. Die bisherige Kopplung von patientenbezogenen Daten über Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz von Zähnen anhand von Musterzähnen, Fotos und/oder objektiven Meßdaten mit einer personengebunden, manuellen Simulationstechnik erschwert eine allgemein gültige Beschreibung zur Realisation vorhersagbarer optimaler ästhetischer Ergebnisse. Mit anderen Worten, jeder Zahntechniker entwickelt im Laufe seines Arbeitslebens ganz spezifische Erfahrungen über die Kopplung von vorliegenden Patientendaten, verwendeten Materialien und Arbeitstechniken. Diese spezifischen Erfahrungen sind schwer vermittelbar und somit sehr schwer von anderen Zahntechnikern zu übernehmen. Darunter leidet die Etablierung von Standards innerhalb der manuellen Prozeßkette:

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die einzelnen Schritte der erfindungsgemäßen Prozeßkette sind anhand von Flußdiagrammen (Fig. 1 und Fig. 2) und zur bildlichen Illustration in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt.

Erreichte Vorteile

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen CAD/CAM Methoden zur Herstellung von zahntechnischen Restaurationen und einer maschinell gesteuerten und an defi nierten Applikationsorten variabel differenzierbare Beschichtungstechnik eine repro duzierbare Farb-, Transluzenz-, Helligkeits- und Fluoreszenzgebung an zahntechni schen Restaurationen realisiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren sind kein manuelles Aufbringen von Materialschichten und ggf. keine manuelle Kor rekturen mehr erforderlich, da diese durch eine automatisch, maschinell arbeitende Prozeßkette ersetzt werden (Fig. 1 und Fig. 2).

Die erfindungsgemäße Prozeßkette benutzt bekannte Verfahrenstechniken, über neu geschaffene Schnittstellen des Informationstransfers und Zusammenwirkens sowie iterativ angelegten Prozeßschleifen der gestellten Aufgabe, um unendlich viele Vorgaben in Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz zu simulieren. Insbesondere die Iterationsschleifen ermöglichen eine zunehmende Prozeß sicherheit, weil Parameter für schlecht realisierte Simulationen gespeichert und nicht wieder verwendet werden.

Darauf basiert eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung im Patentan spruch 2. Die Iterationsschleifen erzeugen durch eine spezifische Controlling- und Optimierungssoftware einen automatisierten Lerneffekt der Prozeßkette, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren läßt mit zunehmender produzierter Stückzahl eine immer besser optimierte Simulation der Vorgabe zu. Die Kapazität, auch komplexe ästhetische Simulationen in realistischen Prozeßzeiten zu lösen, nimmt immer weiter zu und wird nur durch die Beschichtungstechnik und den verwendeten Materialien systemimmanent limitiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt die manuellen Arbeitsschritte. Das ästhe tische Ergebnis der zahntechnischen Restauration wird damit unabhängig von subjektivem Empfinden über Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz von natürlichen und damit individuellen Zähnen und anderen Vorgaben, unabhängig von der Ausbildung, Erfahrung, Begabung und dem Zeiteinsatz von Zahntechnikern, unabhängig von kaum oder nicht reproduzierbarer Farb-, Transluzenz-, Helligkeits-, Fluoreszenz- und Formgebung der zahntechnischen Restauration sowie unabhängig von Verarbeitungsfehlern mit Folgen einer signifikant verkürzten Verweildauer prognose der zahntechnischen Restauration.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Sowohl die automatischen Korrekturen der Form der zahntechnischen Restauration als auch das Aufbringen und eventuelle Reduzieren oder Entfernen der ästhetisch wirkenden Schichten erfordert die Kenntnis der Abmessungen der Restauration. Für die erfindungsgemäße Prozeßsteuerung bietet sich vorteilhaft ein generierter, dreidimensionaler CAD-Datensatz aus Messdaten von reellen Modellen [19] mit Hilfe einer taktilen oder optischen Scanvorrichtung oder die Konstruktion eines CAD-Datensatzes von der herzustellenden zahntechnischen Restauration an.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. Ein weiterer CAD-Datensatz bezüglich der herzustellenden zahntech nischen Restauration, der mit der Vorgabe einer äquidistanten Schichtstärke der Verblendmaterialien berechnet wird, definiert ein vorteilhaftes, erfindungsgemäßes Spezialgerüst für die Prozeßkette. Die an jedem Ort des Gerüsts erforderliche gleichmäßige Schichtstärke für die Verblendung eliminiert den Einfluß unterschied licher Schichtstärken von Verblendmaterialien auf die Gesamtwirkung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz der zahntechnischen Restauration. Damit fällt ein Parameter als signifikante Einflußgröße für das Gesamtergebnis weg.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Die Ausgangsparameter Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz für die zu fertigende zahntechnische Restauration können vom Zahnarzt oder Zahntechniker interaktiv an einem Bildschirm ergänzt, korrigiert oder vollständig neu editiert werden, wenn eine Meßeinheit nicht alle Parameter erfaßt, Fehler produziert oder ausfällt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Korrekturmöglichkeiten der in der Prozeßkette realisierten Verblendung werden vorteilhaft unterstützt, wenn Schichten, die eine nicht zufriedenstellende Simulation der gewünschten Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz erzielt haben, teilweise oder vollständig abgetragen werden. Ein erneutes, korrigiertes Aufbringen von Verblendmaterial erfordert kein Umspannen des Gerüsts.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 7 ange geben. Die Korrekturmöglichkeiten der in der Prozeßkette realisierten Verblendung werden vorteilhaft realisiert, wenn das Verblendmaterial im Überschuß aufgebracht wird und vor oder nach der Konsolidierung durch eine NC-Fräsmaschine auf das durch den CAD-Datensatz vorgegebene funktionelle Maß gebracht wird. Wird ein Verfahren der Materialapplikation angewendet, das nach der ersten Applikation und Konsolidierung der Verblendung ein korrektes Maß und eine befriedigende Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz erzielt, besteht der im Anspruch 8 vorge gebene Vorteil, daß keine weitere mechanische Bearbeitung erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 9 bis 19 angegeben. Die Ansprüche belegen vorteilhaft die Unabhängigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von der angewendeten Beschichtungstechnik, solange die Beschichtungstechnik eine ortszugeordnete, dosierbare Applikation der Materialien zuläßt. Hierbei können Beschichtungsverfahren eingesetzt werden, die nach Anspruch 9 nur mit einer einzigen Schicht, nach Anspruch 10 mit mindestens zwei Schichten arbeitet. Die anschließender Konsolidierung mehrerer Schichten können nach Anspruch 10 gemeinsam oder nach Anspruch 11 unabhängig voneinander oder nach Anspruch 12 bereits während des Beschichtungsprozesses erfolgen, ohne daß nach Anspruch 13 die zu verblendende zahntechnischen Restauration während der Konsolidierungsvorgänge unvorteilhaft umgespannt werden muß. Die Weiterbildung der Erfindung nach Ansprüchen 14 und 15 ermög licht den Einsatz von keramischen Verblendmaterialien, nach Anspruch 16 den Einsatz von Kunststoffen, Kompositen, Ceromeren und faserverstärkten Materialien. Der Vorteil des Nebereinanderreihens von farbigen, ggf. beschichteten Filamenten wird in Anspruch 17 angeführt. Die Filamente können nach Anspruch 18 auf einem Gerüst mit einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur der Filamente liegt, sofort an der Kontaktstelle zum Gerüst Aufschmelzen und fest verbinden. Der Vorteil einer Beeinflußung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit oder Fluoreszenz durch ein ein- oder mehrmaliges Abscheiden eines Aerosols wird in Anspruch 19 angegeben.

Beschreibung des Verfahrens an einem Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Generierung eines CAD-Datenformats von der Restaurationsform

Zur Generierung eines CAD-Datensatzes von der herzustellenden zahntechnischen Restauration bieten sich zwei Wege an. Zum einem kann die Oberfläche eines bereits in der Form fertiggestellten Modells der zahntechnischen Restauration mit geeigneten Meßapparaturen (20) vermessen werden. Die Meßdaten werden anschließend in ein CAD-Datenformat transformiert. Zum anderen kann die Oberfläche des beschliffenen Zahnstumpfes oder mehrerer Zahnstümpfe für die Aufnahme der zahntechnischen Restauration, die Oberfläche der benachbarten Zähne, der antagonistischen Zähne und falls erforderlich von Schleimhautarealen vermessen werden. Anhand dieser Meßdaten wird mit Hilfe einer CAD-Software die Form der zahntechnischen Restauration entweder interaktiv oder vollautomatisch konstruiert.

Um an dieser reell modellierten oder virtuell konstruierten zahntechnischen Restau ration eine Beschichtung zur Simulation von Farbe, Transluzenz, Helligkeit und ggf. Fluoreszenz auftragen zu können, wird mit Hilfe einer CAD-Software automatisch eine äquidistante Schicht von der äußeren Oberfläche der Restauration entfernt. Das neu entstandene CAD-Modell repräsentiert das Gerüst der zahntechnischen Restauration, das mit einer äquidistanten Verblendschicht in der vorher reduzierten Schichtstärke versehen wird. Das Ausmaß der Schichtstärke berücksichtigt das nachfolgende Beschichtungsverfahren, das verwendete Verblendmaterial und den Gerüstwerkstoff, um eine ausreichende Festigkeit und die geforderte Transluzenz zu erzielen.

Generierung der Daten für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz der Restauration

Die Informationen über Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz z. B. eines natürlichen Nachbarzahns, an dem die zahntechnische Restauration angepaßt werden soll, erfolgt über eine diese Parameter erfassende Meßeinheit. Eine am Behandlungsort des Patienten stationierte Meßeinheit (12) kann die Werte über ein Datenübertragungsmedium (13) an den Fertigungsort der herzustellenden zahntechnischen Restauration übermitteln. Der Meßkopf der Meßeinheit wird etwa orthogonal auf die Labialfläche eines Zahnes ausgerichtet. Die Meßdaten reproduzieren ein zweidimensionales, ortsaufgelöstes Farb-, Transluzenz, Helligkeits- und Fluoreszenzmuster. Nun wird dieses Muster mit Berechnungsalgorithmen auf die dreidimensionale Form der zu erstellenden zahntechnischen Restauration transferiert.

Eine Möglichkeit besteht z. B. in der Unterteilung der vestibulären Fläche des zu vermessenen Zahnes in mehrere Zonen, indem ein Gitter aus Flächen konstanter Größe über diesen Zahn gelegt wird und in den einzelnen Gitterbereichen die Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz gemessen wird. Anschließend wird dieses Gitter im Falle einer Einzelkrone auf eine im CAD-Datenformat vorgegebene Form gelegt und durch Verformung, Interpolation und Transformation angepaßt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer zeilenweisen Erfassung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz eines natürlichen oder eines Musterzahns und einer entsprechenden zeilenweisen Übertragung der Daten auf die Form der herzustellenden Krone, indem die Zeilenbreite derart gestreckt bzw. gestaucht wird, daß Anfangs- und Endpunkt der Zeile auf den Rändern des errechneten Zahnersatzes liegen. Die Zeilenhöhe jeder Zeile wird derart verändert (gestreckt oder gestaucht), daß die Gesamthöhe aller Zeilen an die Höhe der zu fertigenden Krone angepaßt wird.

Die Übertragung des gemessenen Musters auf die Krone kann auch derart erfolgen, daß die Anfangs- und Endpunkte der Zeilen auf die Ränder der Krone gelegt werden. Wird eine größere Zeilenlänge benötigt, so werden in der Zeilenmitte Felder vervielfältigt wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Zeilenhöhe jeder Zeile wird auch hier derart verändert (gestreckt oder gestaucht), daß die Gesamthöhe aller Zeilen an die Höhe der zu fertigenden Krone angepaßt wird.

Die generierten Daten für die Verblendung der herzustellenden zahntechnischen Restauration werden gespeichert. Auch spätere Modifikationen aufgrund durchlaufe ner Iterationsschleifen für Korrekturen werden gespeichert und zusammen mit dem originalen Dateninput über die zu simulierenden Farb-, Transluzenz-, und Helligkeits verläufe korreliert. Damit wird bei der nächsten Fertigung einer zahntechnischen Restauration weniger oder keine korrektive Iterationsschleifen im Vergleich zu vorangegangen Fertigungsprozessen benötigt.

Bei Erneuerung oder Erweiterung von bereits am Patienten integrierten zahntech nischen Restaurationen bzw. bei nachfolgenden zusätzlichen zahntechnischen Re staurationen können die gespeicherten Daten und der identisch berechnete Übertra gungsmodus auf die Form der zu fertigenden Restaurationen erneut verwendet werden. Damit wird eine reproduzierbare, nahezu identische Verblendung erzielt.

Besteht keine Möglichkeit, die Daten für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz zu messen oder nicht alle Parameter mit der Meßapparatur zu erfassen, oder auf bereits vorliegende gespeicherte Datensätze zurückzugreifen, kann vom Zahnarzt oder Zahntechniker interaktiv am Bildschirm ein individuelles Muster der Verblendschicht direkt auf der vorgegeben CAD-Geometrie der zahntechnischen Restauration virtuell generiert werden.

Realisation des CAD-Datensatzes: Fertigung des Gerüsts der zahntechnischen Restauration

Der CAD-Datensatz für das speziell berechnete Gerüst wird über ein dentales CAD/CAM-Verfahren für die Fertigung von Zahnersatz, z. B. das DCS®-System (Fa. DCS) realisiert. Dabei können z. B. die Materialien Titan, Keramik oder Kunststoffe verwendet werden. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführung wird die Positionier vorrichtung sowohl für die Schleifkörper als auch für die Düse der Beschich tungseinheit genutzt. Der dreiachsige Versteller (1-3) für die Ansteuerung der Schleifkörper und der zweiachsige Versteller (18-19) für das Werkstück ergeben eine fünfachsige Positioniervorrichtung zwischen Schleifkörper und Werkstück. Damit können auch komplex geformte Gerüste aus einem Materialblock herausgefräst werden.

Realisation der Daten für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz: Beschichtung des Gerüsts

Die Realisation der Daten für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz erfolgt derart, daß ein Material über einer Beschichtungsdüse (20) einer Beschichtungs einheit (5) ortsbezogen auf das Gerüst appliziert wird. Die Applikation kann mit einer Schicht oder mehreren übereinanderliegenden Einzelschichten erfolgen. Nach Aufbringen der Schicht wird diese konsolidiert, sofern dies nicht bereits während des Beschichtungsprozesses in situ vonstatten geht. Ein etwaiges Übermaß der Schicht(en) wird vor oder nach der Konsolidierung auf das vorgegebene Außenmaß der herzustellenden zahntechnischen Restauration abgetragen. Hierzu wird das gleiche Verfahren wie zur Herstellung der Gerüste aus einem CAD-Datensatz benutzt. Eine anschließende Messung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz der gesamten Verblendschicht kontrolliert das Ergebnis des Be schichtungsverfahrens. Stimmen die ermittelten Werte mit den generierten Daten für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz der Restauration innerhalb einer vorgegebenen Toleranz nicht überein, wird ein Teil oder die gesamte Schicht von dem Gerüst entfernt und ein erneuter, korrigierter Beschichtungsprozess durchlaufen.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die technische Umsetzung des Prozesses anhand einer schematisch dargestellten Apparatur. Eine fünfachsige Verschiebe- und Dreheinheit, bestehend aus z. B. zwei horizontalen Verschiebeeinheiten (1, 2), einer vertikalen Verschiebeeinheit (3), einer Kippeinheit (18) sowie einer Dreheinheit (19), dient der relativen Positionierung zwischen Werkzeugen, bestehend aus einer Beschichtungseinheit (5) mit auswechselbarer Düse (20), einer Schleifeinheit (6) mit auswechselbarem Schleifkopf (21), einem Meßgerät zur metrischen Erfassung von Oberflächen (7) und einer Meßeinheit zur Erfassung von Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz (8). Die Steuerung und Positionierung der Werkzeuge erfolgt durch eine CAM-Steuerung (9). Um ein Umspannen der Werkzeuge und damit verbundene Positionierfehler zu vermeiden, können die Werkzeuge starr auf einem Werkzeughalter (11) miteinander verbunden werden.

Das Auftragen der Verblendmaterialien über die fünfachsige Positioniereinheit wird an der konventionellen Arbeitsweise des Zahntechnikers angelehnt. Das Gerüst kann z. B. im Falle von Metallgerüsten zunächst durch eine dünne, deckende, einfarbige Schicht eingefärbt werden (Opaker). Neben der Erzeugung einer zahnähnlichen Farbe kann diese Schicht ebenfalls der Verbesserung der Haftung der nachfol genden Schichten auf dem Gerüst dienen. Derartige, einfarbige Schichten können durch verschiedene Techniken, wie z. B. Dip-coating (Tauchbeschichtungen), Pulverbeschichtungen oder Abscheidung eines Aerosols, ebenso auch durch Pinselauftrag oder Applikation durch eine Düse auf dem Gerüst erzeugt werden. Gerüste aus Keramik benötigen diese opaken, einfärbenden Schichten nicht.

Zur Erzeugung der eigentlichen Verblendschicht werden unterschiedliche Keramik pulver bezüglich Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz nebeneinander oder übereinander mit hoher örtlicher Auflösung appliziert. Hierbei sind neben den benutz ten Keramikpulvern auch andere Einflüsse wie die Schichtdicke, die Anzahl der Einzelschichten, die Farbe und Transluzenz des Gerüstes zu berücksichtigen. Es bietet sich an, die Keramikpulver in Form einer hochviskosen Paste aufzutragen. Es können Pastentupfen mit einem Volumen von z. B. 1 mm³ bis zu ca. 5 mm³ auf das Gerüst aufgebaut werden. Die Förderung der Paste ist beispielsweise durch eine Kapillare oder eine Düse (20) mit großem Durchmesser unter Druck möglich. Ein Wechsel des Materials ist z. B. durch das Austauschen der Kapillare schnell und ohne Materialverlust möglich. Bei Verwendung niedrigviskoser Massen kann der Auftrag durch Sprühen erfolgen. Neben Druckzerstäubern oder Ultraschallzer stäubern ist auch das Elektrosprühverfahren geeignet, dessen Aufbau schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Flüssigkeit (27) durch eine Kapillare gefördert. Durch Anlegen einer Hochspannung (25) zwischen der Kapillare (23) und der Gegenelektrode (22) bildet sich ein elektrisches Feld, das am Ende der Kapillare aufgrund der Spitzenwirkung der Kapillare eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke zeigt. Aufgrund des elektrischen Feldes bildet sich am Ende der Kapillare (23) ein sog. Taylorkegel (28) aus, dessen Spitze (26) in einen Strahl mündet. Dieser Strahl zerteilt sich aufgrund von Rayleighinstabilitäten in feinste Tropfen. Durch geeignete Wahl der Elektrodenkonfiguration, d. h. der Form und Anordnung der Gegenelek trode (22), ist es möglich, mit dem Strahl auf einer Oberfläche (24) zu "schreiben", d. h. eine Abscheidung der Flüssigkeit vor Zerteilen des Strahles in feinste Tröpfchen zu erreichen. Mit dieser Methode können örtlich begrenzte Schichten (mit Grundflächen, die eine Breite von weniger als 100 µm aufweisen) mit hoher Präzision und Ortsauflösung hergestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit (Fig. 7) zur Herstellung einer Gerüstverblendung besteht in dem Aufbau einer Schicht durch Aneinanderreihen farbiger Filamente (31), z. B. aus Keramik. Die Filamente werden senkrecht zur Gerüstoberfläche (30) positioniert - in Analogie zu dem natürlichen Aufbau von Zahnschmelz mit Schmelzprismen. Die Filamente können zusätzlich z. B. eine anorganische Beschichtung (29) aufweisen. Durch eine anschließende Temperaturbehandlung ist eine Konsolidierung der Schicht aus Filamenten möglich. Desweiteren können die Filamente derart aufge bracht werden, daß das Gerüst eine Temperatur aufweist, die oberhalb der Schmelz temperatur der Filamente liegt. Bei Berührung des Filaments mit der heißen Oberfläche des Gerüstes schmilzt das Filament am Ende auf und geht eine Verbindung mit dem Gerüst ein.

Während des Sinterbrandes entstehen - wie in der konventionellen Zahntechnik - starke Schrumpfungen der aufgebrachten Keramikmassen, die durch ein Übermaß kompensiert werden müssen. Es empfiehlt sich, die Schichtstärken der Massen so groß zu wählen, daß nach dem Sinterbrand trotz Schrumpfung ein Übermaß verbleibt. Eine exakte Berechnung der Sinterschrumpfung ist nämlich bei relativ großen Schichtstärken von 1,5 bis 2 mm bei komplexen geometrischen Strukturen sehr schwierig zu beherrschen. Es bietet sich in diesem Ausführungsbeispiel an, die verbliebenen Überschüsse nach dem Sinterbrand automatisch durch die metrische Meßeinheit für Oberflächen (7) und anschließendem Datenvergleich zu ermitteln. Diese Überschüsse werden mit der NC-gesteuerten Schleifeinheit (6) auf das vorgegebene Maß des CAD-Formats abgetragen. Handelt es sich bei dem Schichtmaterial z. B. um Verblendkomposite, die bekanntlich nach der Konsoli dierung nur eine sehr geringe Schrumpfung aufweisen, so kann das Material derart aufgebracht werden, daß das Endmaß ohne zusätzliche subtraktive Verfahren erzielt wird.

Berücksichtigte Patente

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Literaturstellen

16. Duret, F.: New Concept: GC System. Abstractbook des internationalen Forums der Zahmedizin, Berlin, 51 (1999).
17. Faber, F.-J., Schlegel, G.: Visuelle und meßtechnische Zuordnung der Zahnfarbe, Dtsch. Zahnärztl. Z 50, 661 (1995)
18. Hegenbarth, E.: Procera aluminium oxide ceramics: A new way to achieve stability, precision and esthetics in all-ceramic restaurations. In: Sorensen, J. (Hrsg.): QDT Yearbook 1996. Quintessence, Chicago 1996, S. 21.
19. Mehl, A., Gloger, W., Hickel, R.: Erzeugung von CAD-Datensätzen für Inlays und Kronen mit funktionellen Kauflächen. Dtsch Zahnärztl Z 52, 520 (1997).
20. Mehl, A., Hickel, R.: Current state of development and perspectives of machine-based production methods for dental restorations. Int J. Computerized Dentistry, 9 (1999).
21. Weigl, P. und Hahn, L.: Möglichkeiten und Grenzen von CAD/CAM-gefertigtem Zahnersatz. In: Maßberg, W und Reinhart, G. (Hrsg): Neue Technologien für die Medizin. Utz, München, 1999, ISBN 3-89675-038-0, S 132-144;
22. Willer J., Rossbach A., Weber H.-P.: Computer-assisted milling of dental restorations using a new CAD/CAM data acquisition system. J. Prosthet. Dent. 80, 346 (1998).
23. Zel, J. M. von der: Ceramic-fused-to-metal restorations with a new CAD/CAM system. Quintessence Int 24, 769 (1993).

Bezugszeichenliste Fig. 5

1

Horizontale Verschiebeeinheit

2

Horizontale Verschiebeeinheit

3

Vertikale Verschiebeeinheit

4

Halterungsarm für Werkzeuge

5

Beschichtungseinheit

6

Schleifeinheit

7

Scaneinheit

8

Farbmeßeinheit

9

CAM-Steuerung für Werkzeuge und Verschiebe- sowie Dreheinheiten

10

Elektrische Verbindung zur Ansteu erung von (

1

), (

2

), (

3

), (

7

), (

8

) sowie Werkzeug durch CAM-Steuerung (

9

)

11

Werkzeughalter für (

5

), (

6

), (

7

) und (

8

)

12

Farbmeßsystem

13

Datenübertragungsmedium von Farbmeßsystem zu CAD-System (

14

)

14

CAD-System

15

Datenübertragungsmedium von CAD-System zu CAM-Steuerung (

9

)

16

Werkstück

17

Lagerung für Kippeinheit

18

Kippeinheit

19

Horizontale Dreheinheit

20

Beschichtungsdüse

21

Schleifkopf

Claims

1. Verfahren zur automatischen, individuell angepaßten Farb-, Transluzenz-, Helligkeits- und Fluoreszenzgebung von zahntechnischen Restaurationen, benötigend eine Meßeinheit zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächen, von Farbe, Helligkeit, Transluzenz und Fluoreszenz eine dreidimensionale, numerisch gesteuerte Positioniereinheit,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Vorliegen eines CAD-Datensatzes über die Form der zahntechnischen Restauration eine Prozeßkette iterativ durchlaufen wird, welche sich zusammensetzt aus
der automatischen, ortsaufgelösten Messung der Farbe, Transluzenz, Helligkeit sowie - falls erforderlich - der Fluoreszenz eines natürlichen Zahnes oder Zahnersatzes,
der auf dieser individuellen Formvorgabe und diesen individuellen Meßdaten basierenden Berechnung der Farb-, Transluzenz- und Helligkeitsverläufe sowie ggf. des Fluoreszenzmusters für die herzustellende zahntechnische Restauration,
und dem - der Formvorgabe und der Berechnung entsprechenden - ortsbezogenen Auftragen von Material auf ein Gerüst der zahntechnischen Restau ration zur Simulation von Farbe, Helligkeit, Transluzenz und ggf. Fluoreszenz mit Korrekturmöglichkeiten durch Nutzung von Iterationsschleifen der Prozeßkette.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durchlaufene Iterationsschleifen durch eine spezifische Controlling- und Opti mierungssoftware einen automatisierten Lerneffekt der Prozeßkette erzielen, so daß das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren mit zunehmender produzierter Stückzahl eine immer besser optimierte Simulation der Vorgabe zuläßt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generierung des CAD-Datensatzes der herzustellenden zahntechnischen Restauration durch Abscannen eines reellen Modells oder durch Konstruktion eines virtuellen Modells der zahntechnischen Restauration erfolgt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem CAD-Datensatz der herzustellenden zahntechnischen Restauration ein Gerüst mit definierter Schichtstärke für Verblendmaterial automatisch berechnet und hergestellt wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter für Farbe, Transluzenz, Helligkeit oder Fluoreszenz für die herzustellende zahntechnische Restauration vom Zahnarzt oder Zahntechniker interaktiv an einem Bildschirm korrigiert, ergänzt oder vollständig editiert werden können.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz der zahntechnischen Restauration iterativ angepaßt wird, derart, daß nach dem Beschichtungsprozeß und einer eventuell erforderlichen Formkorrektur gemäß der Vorgabe der Restauration eine vollautomatische Farb-, Helligkeits-, Transluzenz- und Fluoreszenzmessung durchgeführt wird, diese mit den Sollwerten verglichen wird und bei Abweichungen unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzen mindestens ein Teil der Beschichtung abgetragen wird, erneut eine Beschichtung aufgetragen und eine Anpassung an die vorgegebene Form sowie eine Überprüfung des Farb- und Transluzenzmusters durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach Konsolidierung der Verblendmassen, welche im leichten Überschuß aufgebracht wurde, die zahntechnische Restauration durch mindestens eine mechanische Behandlung auf das durch den CAD-Datensatz vorgegebene funktionelle Maß gebracht wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verblendmassen derart aufgebracht werden, daß die Form der zahntechnischen Restauration nach Konsolidierung der Massen der Formvorgabe entspricht und bei Einhaltung der Toleranzen für Farbe, Transluzenz, Helligkeit und Fluoreszenz keine weiteren mechanischen Bearbeitungsschritte der zahntechnischen Restauration erforderlich sind.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer einzigen Schicht besteht.

10. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Beschichtung aus mindestens zwei Schichten zusammensetzt, welche nacheinander aufgetragen werden und anschließend zusammen konsolidiert werden.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Beschichtung aus mindestens zwei Schichten zusammensetzt, welche unabhängig voneinander konsolidiert werden.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schicht aufgebracht wird, die während des Beschichtungs prozesses in situ konsolidiert wird.

13. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8 und 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsolidierung der Schicht oder der Einzelschichten ohne Ausspannen des Werkstückes aus der Maschine innerhalb der Prozeßkette vonstatten geht.

14. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8 und 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die es sich bei der Beschichtung um eine Keramikbeschichtung handelt, die durch lokale Erwärmung des Werkstückes konsolidiert wird.

15. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 14 und 7 oder 8 und 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine keramische Beschichtung handelt, die durch Aufbringen von Pasten, bestehend aus einem keramischen Pulver und einer Dispergierflüssigkeit, hergestellt wird.

16. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8 und 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verblendmassen um Kunststoff, Komposite, Ceromer oder Faserverbundwerkstoffen handelt, die durch Bestrahlung polymerisiert und ausgehärtet werden.

17. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8 und 9, 10, 11, 12 oder 13 und 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Farb-, Tranluszenz- und Helligkeitsverläufe sowie Fluoreszenzmuster durch Nebeneinanderreihen farbiger Filamente, die selbst auch eine Beschichtung tragen können, in einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad zu der Oberfläche des Gerüstes der zahntechnischen Restauration realisiert werden.

18. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6 und 7 oder 8 und 9, 10, 11, 12 oder 13 und 14, 15 oder 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente auf einem Gerüst mit einer Temperatur, die oberhalb der Schmelztemperatur der Filamente liegt, aufgebracht werden und die Filamente dadurch eine Verbindung mit dem Gerüst eingehen.

19. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Beschichtung durch Abscheidung eines Aerosols auf dem Gerüst hergestellt wird.