3D printen in de tandheelkunde. Waar hebben we het eigenlijk over?

3D printen in de tandheelkunde. Waar hebben we het eigenlijk over?

3D printen heeft een grote impact gehad op de wijze waarop vele maakindustrieën in de wereld hun productieprocessen hebben ingericht of in de nabije toekomst gaan inrichten. Maar wat is 3D printen en hoe werkt het eigenlijk? Prof. dr. Wismeijer legt het uit.

CAM en CAD

Alle 3D-printtechnieken zijn gebaseerd op de algemene term ‘additive manufacturing’ (AM). Deze Computer Aided Manufacturing (CAM) technologie is gebaseerd op het laag voor laag opbouwen van een product uit een materiaal. Zo ontstaat een gestapelde laag materiaal, dat als het in het geheel is opgebouwd een product belichaamt. In de natuur zien we dat in sedimentlagen in gesteente. Door sedimentafzetting of bijvoorbeeld vulkaanuitbarstingen ontstaan de nieuwe volgende lagen in het gesteente. Ook stalagmieten en stalactieten in grotten ontstaan op zo’n manier. Doordat waterdruppels met daarin mineralen jarenlang vallen en de mineralen achterlaten, worden gelaagde structuren opgebouwd.

Bij 3D-printtechnologie is de opbouw van het product niet door de natuur gestuurd, maar door software. In designsoftware (Computer Aided Design of CAD) wordt het product ontworpen. Meestal wordt het ontwerp door de ontwerpsoftware weggeschreven in een Standard Tessellation Language (STL) format. Deze STL-file stuurt de printer aan, die dan selectief het materiaal op bepaalde plaatsen in het te bouwen object neerlegt. Zo wordt het ontworpen object laag voor laag opgebouwd.

3D printtechnologie in de tandheelkunde

Wat zouden we in de tandheelkunde allemaal kunnen gaan maken met 3D-printtechnologie? Eigenlijk bijna alles wat we in de tandheelkunde gebruiken. 3D printen is immers de ideale technologie om producten met hoge precisie in een beperkte oplage te produceren en het liefst in een beperkte tijd. Dat is tandheelkunde ten voeten uit. Te denken valt aan kroon- en brugwerk, de metalen basis voor frames, aligners, modellen, boorsjablonen voor de orale implantologie, tijdelijke voorzieningen, maar ook de gebitsprothese. Op ACTA  gebruiken we  deze technologie om een patiënt specifieke  geprinte tandwortelimplantaat CAD/CAM te maken. Met behulp van 3D-planning en 3D printen wordt het zo vorm specifiek gemaakt dat het exact in het bot  van de patiënt geplaatst kan worden.

We kunnen dus diverse materialen printen. Daarvoor zijn echter verschillende 3D-printtechnologieën nodig.

Stereolithography (SLA)

Eén van de oudste printtechnologieën is Stereolithography (SLA). Dit systeem is in 1986 voor het eerst beschreven door Chuck Hull. Hij wordt internationaal wel gezien als de grondlegger van het 3D printen. Bij SLA gaat een laser over een bak met vloeibaar hars. Doordat het licht langs een specifieke baan wordt gestuurd, worden delen van het hars uitgehard op plaatsen die door de computer zijn bepaald. De bouwplaat zakt dan omlaag over een afstand die de dikte van de volgende laag bepaalt. Vervolgens wordt er opnieuw een dunne laag hars over de bouwplaat uitgerold. Ook deze wordt door de laser belicht en uitgehard. Het CAD-ontwerp wordt zo laagsgewijs gebouwd, waarbij het object dat geprint wordt langzaam in de bak hars omlaag gaat. Deze technologie wordt onder andere gebruikt om grote modellen te maken zoals schedels. Deze kan de MKA-chirurg als set-up voor chirurgische ingrepen gebruiken. Met deze technologie kunnen ook in grote series gebitsmodellen voor de tandheelkunde worden geproduceerd.

Digital Light Processing(DLP)

Een andere in de tandheelkunde vaak gebruikte technologie is Digital Light Processing(DLP). Ook deze technologie werkt met fotopolymeren. Het belichtingsprincipe is echter anders. Hierbij wordt het object van onder belicht door een lichtbron. Door een prisma wordt het licht als het ware gebroken en door een lens naar de printbak gestuurd. Door de lichtbron het object op verschillende plaatsen door de software selectief te laten belichten, wordt het lichtgevoelige kunsthars op verschillende plaatsen belicht. Het te bouwen product gaat dan over de laagdikte in de bak omhoog. Zo wordt de volgende laag belicht en opgebouwd. Met DLP-technologie kan een meer gedetailleerd product worden vervaardigd met minder materiaalverlies dan doorgaans met de SLA-technologie.

Fused deposition modeling (FDM) of Fused Fillament Fabrication (FFF)

Fused deposition modeling (FDM) of Fused Fillament Fabrication (FFF) is een technologie die met een draad werkt. De draad wordt gesmolten, terwijl het de verschillende lagen van het materiaal opbouwt. Het is een extrusietechniek, waarbij de software bepaalt hoe dik de lagen worden en waar de lagen van het te bouwen product worden neergelegd. De kwaliteit van de printer en het materiaal dat wordt gebruikt bepalen de kwaliteit van het product. In de tandheelkunde wordt deze technologie weinig toegepast.

3D-jetting

Het nadeel van de voorgaande technologieën is dat er maar met een materiaal tegelijk kan worden geprint. De producten die uit deze printers komen, hebben dan ook maar een kleur. Producten waaraan esthetisch hoge eisen worden gesteld, zijn met deze technologieën moeilijk of onmogelijk te realiseren.

3D-jetting is een technologie die nu in opkomst is, waarmee wel producten met verschillende kleuren gemaakt kunnen worden. Net als bij inktjetprinters worden hierbij printheads gebruikt om verschillende kleuren te spuiten op een bouwplatform. Elke laag wordt daarbij uitgehard. Zo kunnen verschillende lagen van verschillende kleuren in verschillende dieptes worden opgebouwd. Deze technologie wordt nu doorontwikkeld om multicolor-3D-printing in de tandheelkunde mogelijk te maken. Esthetische werkstukken kunnen zo in de nabije toekomst ook 3D geprint worden.

Selective laser melting (SLM)

Selective laser melting (SLM) bouwt op basis van de CAD-data een 3D-object op door met een laser metaalpoeder samen te smelten. Het poeder wordt volledig samengesmolten tot het te bouwen 3D-object. Het metaalpoeder wordt als het ware als een wat dikke stoflaag op de bouwplaat neergelegd. De hoge-energielaser smelt dan het poeder volgens een door de CAD-software bepaald patroon. Zo ontstaat een vastmetaalobject, dat in het niet-gesmolten materiaal ligt. Een volgende laag metaalstof wordt vervolgens op het al gesmolten materiaal aangebracht en ook met de laser gesmolten.

Zo neemt het volume toe. Deze technologie wordt vaak gebruikt bij het vervaardigen van complexe structuren met kanalen en onderschrijdingen die met conventionele technieken niet kunnen worden vervaardigd. Metalen die bij SLM gebruikt kunnen worden en voor de tandheelkunde relevant zijn, zijn onder andere kobalt, chroom en titanium.

Omvang 3D printen in tandheelkunde

Er wordt in de tandheelkunde al op grote schaal gebruik gemaakt van 3D printen. In een rapport dat in mei 2015 door  Smar Tech is uitgebracht, komt naar voren dat in 2017 printen in de tandheelkunde al ongeveer een bedrag van 780 miljoen dollar vertegenwoordigde. Naar verwachting zal dat in 2020 naar 3,1 Miljard gaan. SmarTech Markets Publishing analyseert de industrie en komt met voorspellingen voor de 3D Printing en Additive Manufacturing Industrie.

Smar Techvoorspelt dat de verkoop van 3D-printers aan tandtechnische laboratoria van 240 miljoen nu naar 480 miljoen in 2020 gaat. Men verwacht dat in 2025 meer dan 60% van de productie van de tandtechniek 3D geprint zal zijn.

Effecten op de dentale industrie

De kosten voor 3D-printers zullen zeker gaan dalen als de vraag naar deze producten toeneemt. Ook de precisie en de productiemogelijkheden zullen stijgen. De productie van een aantal producten zal mogelijk van de tandtechnisch laboratoria verschuiven naar de tandartsenpraktijk. We zagen dit al eerder gebeuren met chairside milling (CEREC). De kosten van een 3D-printer zijn echter aanzienlijk lager dan van een mill en het aantal dat gemaakt kan worden is hoger (productiediversiteit). De drempel om in te stappen zal daarom voor de tandarts lager zijn. Doordat een 3D-printer minder afval produceert dan een mill, is deze ook efficiënter in het gebruik. De materiaalkosten van een provisorische kroon bijvoorbeeld zijn minder dan 50 eurocent. De nieuwste generatie 3D-printers kunnen nu in ongeveer 10-12 minuten een printrun draaien. Dat is een relatief korte tijd om op een voorziening te hoeven wachten. Als een patiënt belt dat zijn prothese is gebroken, kan direct nadat de patiënt heeft opgehangen, begonnen worden om met de bestaande file een nieuwe te printen.

Nieuwe rol tandtechnicus

Nu zullen niet alle tandartspraktijken kunnen en willen investeren in 3D-printers en designsoftware of tijd en geld willen steken in het 3D ontwerpen of het opleiden of inhuren van een medewerker die dit in de praktijk zal gaan doen. Daar komt dan de nieuwe rol voor de tandtechnicus in zicht. Dit zal betekenen dat het TTL naast productielab misschien ook meer als een ‘serviceprovider’ moet gaan functioneren. Kan het lab inderdaad snel het product leveren en tegen een concurrerende prijs? Heeft het lab een ambulante medewerker die bij de tandarts in de praktijk een deel van het ontwerpen komt doen? Hebben we een goede en ‘beveiligde cloud-omgeving’, waarin we informatie kunnen uitwisselen tussen de praktijk en het TTL?

Nieuwe technologieën eigen maken

Wil de tandarts in de toekomt mee blijven doen, dan zal hij of zij zich ook anders moeten gaan ontwikkelen. Leren, ontleren en nieuw leren is het PAOT-credo van de toekomst. Door de snelheid waarmee de techniek zich ontwikkelt moet de tandarts zich steeds vaker nieuwe technologieën eigen gaan maken. Dan gaat het niet alleen om een nieuwe software-update, maar ook over een geheel nieuwe techniek om bijvoorbeeld een kroonafdruk te maken met een intra orale scanner, een gebitsprothese te vervaardigen met digitale technieken of een kroon te ontwerpen en te vervaardigen. Doordat technologie evolueert, verandert de wijze waarop de tandheelkunde wordt uitgeoefend. De tandarts zal zich daaraan moeten aanpassen door zich de nieuwe technologieën eigen te maken.

 

Prof. dr. Daniël Wismeijer rondde zijn studie tandheelkunde af in 1984 aan de KUN en werkte daar in het CBT tot 1994. In 1995 ging hij naar ACTA waar hij promoveerde. Van 1985 tot 2006 heeft hij gewerkt in het CBT van het Amphia Ziekenhuis te Breda. In 2006 is hij benoemd tot Hoogleraar Orale implantologie en Prothetische Tandheelkunde aan ACTA. Speerpunten van het onderzoek zijn CAD/CAM in de implantologie en prothetiek, het stimuleren van botgroei in botdefecten en rondom implantaten, de behandeling van peri-implantitis en het 3D printen van tandheelkundige restauraties, implantaten en botsubstituten. In 1985 is hij de tandartsenpraktijk Ellecom gestart en in 1991 de verwijspraktijk voor Orale Implantologie Veluwezoom. Deze verwijspraktijk is nu ondergebracht in een groepspraktijk in Dieren waar 4 tandartsen werkzaam zijn.

Lees meer over: 3D-printen, Thema A-Z/