Het productieproces van selectief laser smelten (SLM) en de tandheelkundige toepassingen

Transcriptie

1 1 Tom Lambrechts Het productieproces van selectief laser smelten (SLM) en de tandheelkundige toepassingen Introductie De jongste jaren is de interesse voor 3D printen aanzienlijk toegenomen. Dit blijkt onder meer uit de vele berichten die recentelijk in de media verschenen. Zo werd er enkele weken geleden melding gemaakt van een Britse man met zware verminkingen in het aangezicht ten gevolge van een motorongeluk. Aangezien de conventionele therapieën geen soelaas brachten, werd er geopteerd voor een reconstructie met op maat geprinte prothesen. De operatie bleek na afloop zeer succesvol te zijn. Additive manufacturing (AM) is een overkoepelende term voor de vele technieken waarbij materiaal laagsgewijs wordt opgebouwd om uiteindelijk een gewenste applicatie te bekomen. De grote tegenhanger van deze technologie is het frezen van werkstukken met behulp van CNC machines. 3D printen geniet echter een aantal voordelen in vergijking met deze laatstgenoemde techniek. Zo wordt het materiaal bij 3D printen efficiënter gebruikt. Bij het freesproces dient er een grote hoeveelheid materiaal weggenomen te worden. Bij het printen daarentegen wordt enkel het materiaal gebruikt dat nodig is om de gewenste applicatie op te bouwen. Doch hier vindt tevens een kleine verspilling plaats ten gevolge van de ondersteunende structuren die mogelijks voorzien moeten worden. Bovendien kunnen er door middel van AM applicaties vervaardigd worden met een zeer complexe vormgeving. De geperforeerde structuur van 3D geprinte scaffolds bijvoorbeeld kan onmogelijk door frezen verkregen worden. Additive manufacturing kan onderverdeeld worden in verscheidene technieken naar gelang het soort materiaal dat men wenst te printen. Zo zijn er verscheidene metaallegeringen en kunststoffen voorhanden die gebruikt kunnen worden voor deze technologie. Een aantal van deze technieken worden summier beschreven in deze uiteenzetting. De focus in deze paper zal zich echter voornamelijk toespitsen op het printen van tandheelkundige toepassingen door middel van selectief laser smelten. In eerste instantie worden de verschillende stappen van het productieproces toegelicht. In een tweede luik worden een aantal tandheelkundige toepassingen besproken die zowel uit metaal legeringen als uit kunststof vervaardigd worden. Het productieproces van SLM Additive manufacturing is een innovatieve technologie waarbij allerhande applicaties vervaardigd worden doormiddel van het gestructureerd opbouwen van laagjes materiaal. Er zijn verscheidene technieken voorhanden naar gelang men werkstukken wenst te printen uit kunststof dan wel uit metaallegeringen. Het laagsgewijs opbouwen uitgaande van poeder kan voor beide materiaalsoorten toegepast worden. Gedurende het printproces wordt er telkens een uniforme laag poeder over het bouwplatform verspreid door een schraper die herhaaldelijk heen en weer beweegt over het

2 2 bouwplatform. Het afgezette poeder wordt dan door middel van een laser aan de reeds geprinte structuur gesmolten. Een andere techniek voor het vervaardigen van metalen toepassingen is Electron Beam Melting (EBM). Bij deze methode wordt de kinetische energie van elektronen gebruikt voor het metaalpoeder te smelten. De elektronenbundel wordt hierbij gestuurd door middel van magnetische velden. Uiteraard dient deze procedure onder een volledig vacuüm uitgevoerd te worden opdat de elektronen geen hinder zouden ondervinden van de aanwezige gasdeeltjes. Voor het printen van applicaties in kunststof zijn er naast het smelten van poeder nog andere technieken voor handen. Één van deze methoden steunt op hetzelfde principe als een conventionele inkjet printer. Het vervaardigen van de werkstukken gebeurt hier door het druppelsgewijs deponeren van vloeibaar kunsthars. Het grote voordeel van deze techniek is dat er in één batch verschillende soorten kunststof gebruikt kunnen worden. Bij nog een ander procedé wordt het bouwplatvorm ondergedompeld in een reservoir met vloeibaar kunsthars. Hier treden er onder invloed van Uvstraling polymerisatiereacties op in het materiaal waardoor het uithardt. Het procedé voor het printen van tandheelkundige toepassingen vangt aan met het ontwerp van een digitaal model. Dit kan op twee verschillende manieren verwezenlijkt worden. Een eerste methode bestaat erin een afdruk te nemen van de resterende dentitie van de patiënt. Dit gebeurt door een lepel met afdrukpasta over de tanden te plaatsen. Wanneer het materiaal uitgehard is, kan de lepel verwijderd worden. Vervolgens wordt met behulp van deze afdruk een gipsen model gegoten. Dit model wordt uiteindelijk in een scanner geplaatst die het in de computer inleest. Een tweede techniek berust op intra-orale beeldvorming. Door middel van een intra-orale camera worden er opnames gemaakt van de dentale weefsels. Vervolgens stelt de computer een digitaal model samen aan de hand van het verzamelde beeldmateriaal. De volgende stap in het proces behelst het ontwerp van een gepaste applicatie op basis van het digitale model. In eerste instantie gaat de computer een mogelijke design uitwerken. Dit kan nadien naar believen aangepast worden om een zo optimaal mogelijke interactie tussen de applicatie en de omgevende weefsels te bewerkstelligen. De data wordt opgeslagen onder de vorm van een stl-bestand. Wanneer de vormgeving van de applicatie op punt staat, moet deze gepositioneerd worden op een basisplaat. Ook dit gebeurt met behulp van software. Men dient er op toe te zien dat de contouren van de eerste lagen volledig op het bouwplatvorm gelegen zijn. Anders zal er geprint worden in het poederbed waardoor er geen goede hechting gevormd wordt tussen het werkstuk en de plaat. Tevens zal hier de warmte die ontstaat bij het printen minder goed afgevoerd worden waardoor er mogelijks een verschillende microstructuur bekomen wordt tussen de delen waarvan de warmte via de basisplaat afgevoerd wordt en deze die hun warmte via het poeder dienen kwijt te spelen. Uiteraard verloopt de warmtegeleiding beter in de metalen plaat dan in het poederbed. Nadat de applicatie gepositioneerd werd op het bouwplatvorm, dient het ontwerp voldoende ondersteunt te worden. Hiertoe worden er supportstructuren aangebracht die de applicatie verankeren met de basisplaat. Deze structuren zorgen ervoor dat de geproduceerde warmte efficiënt afgevoerd wordt naar de plaat. De krimpspanning die optreedt in het metaal ten gevolge van het stollingsproces kan de geprinte onderdelen vervormen wanneer deze onvoldoende ondersteund worden. Hierdoor zullen er mogelijks fouten optreden bij het printen van de bovenliggende lagen en ook de schraper kan hierdoor beschadigd worden. De data van de supportstructuur wordt in een apart bestand bewaard. Het printproces wordt gestuurd door middel van een aantal parameters die men dient in te stellen. De parameterinstellingen verschillen naar gelang het materiaal dat men wenst te printen.

3 3 De parameters bij selectief laser smelten omvatten de laagdikte van het poeder, het laservermogen, de scansnelheid en de spoorafstand. De laagdikte duidt op de hoeveelheid poeder die per keer over het bouwplatvorm verspreid wordt. Hoe dikker deze laag gekozen wordt, hoe sneller het proces zal verlopen. Een dikker laag poeder houdt tevens in dat de applicaties een lagere densiteit kunnen hebben. Het laservermogen bepaalt de hoeveelheid energie die de laserstraal produceert. Zo zal er voor een dikkere laag te smelten een hoger laservermogen benodigd zijn. De scansnelheid houdt de snelheid in waarmee de laserstraal zich voortbeweegt over het bouwplatvorm. Voor het smelten van een laag dient de laser een traject bestaande uit parallel naast elkaar gelegen banen te volgen. De spoorafstand duidt op de minimale afstand tussen twee van deze banen. Na het afronden van het CAD proces wordt het bestand van de parameterinstellingen samen met de bestanden van het ontwerp en de supportstructuur doorgestuurd naar een printer. De basisplaat wordt in de machine vastgeschroefd en het poeder wordt in het daartoe voorziene reservoir gegoten. Vervolgens wordt het poederbed op de juiste positie geplaatst ten opzichte van de bouwplaat. Na het afsluiten van de printer wordt de productieruimte vacuüm getrokken en gevuld met argon. Het printproces zelf wordt voorafgegaan door een power-burn. De laser gaat hierbij een eerste laag poeder versmelten met de basisplaat. Dit gebeurt met een zeer hoog laservermogen. De bedoeling van deze handeling is om een goede hechting te bewerkstelligen tussen de plaat en de geprinte structuur. Vervolgens wordt de applicatie laagje na laagje opgebouwd. Na afloop van het printproces wordt de basisplaat met het werkstuk onderworpen aan een warmte behandeling om de interne spanningen in het materiaal te elimineren. Tot slot wordt de supportstructuur weg gefreesd en wordt de applicatie gezandstraald om de oxide laag die zich onder invloed van de hoge temperatuur gevormd heeft, te verwijderen. De overtollige poederdeeltjes worden weggespoeld door onderdompeling in een ultrasoon bad. Tandheelkundige toepassingen Tandheelkundige toepassingen worden zowel in metaal als in kunststof geprint naar gelang hun functionaliteit. Een eerste applicatie die in kobalt-chroom vervaardigd wordt, behelst het geraamte van een dentale skeletprothese. De haakjes en steunstructuren van het metalen geraamte zorgen voor een adequate verankering van de prothese met de resterende tanden. De zadels van de metalen structuur fungeren als drager voor de vervangtanden dewelke voorhanden zijn in kunststof of porselein. Kobalt-chroom leent zich uitstekend voor deze toepassing omwille van de veerkrachtigheid van het metaal en de hoge weerstand tegen corrosie en slijtage. De haakjes moeten meermaals per dag over de contour van de tanden bewegen bij het inzetten en uitnemen van de prothese. Deze vervorming dient uiteraard in het elastische gebied plaats te vinden, hetgeen de nood aan een ductiel materiaal verklaart. Anders zouden de haakjes blijven openstaan of zelfs afbreken met als gevolg dat de prothese niet meer op zijn plaats blijft zitten. Andere tandheelkundige toepassingen zijn titanium kapjes voor kroon- en brugwerk en implantaat supra structuren. In het geval dat een tand zwaar aangetast is door tandbederf, dient het ongezonde weefsel verwijderd te worden. Wanneer er echter te weinig tandmateriaal overblijft voor het vullingsmateriaal aan vast te hechten, kan er geopteerd worden om een kroon te plaatsen. Deze kan zowel uit kunststof als uit porselein vervaardigd worden. Bij een porseleinen kroon moet er eerst een metalen kapje gemaakt worden waarop het porselein vervolgens opgebakken kan worden. Naast het conventionele gietproces kan dit onderdeel tevens geprint worden. Een brug omvat hetzelfde principe als een kroon, maar bestaat uit meerder elementen die met elkaar in verbinding staan. Een dentaal

4 4 implantaat is een soort schroef die in het kaakbot verankerd wordt. Deze schroef fungeert als draagstructuur voor restauraties die ontbrekende tanden vervangen. Deze restauraties kunnen wederom geprint worden. Enkele voorbeelden zijn de implantaat gedragen baar waarop een prothese wordt vastgeklikt en de implantaat gedragen brugstructuur waarop porselein opgebakken wordt. De tandheelkundige toepassingen die in kunststof geprint worden zijn minder talrijk. Op esthetisch vlak genieten deze materialen de voorkeur, maar ze zijn niet in staat om gedurende langere tijd weerstand te bieden aan de kauwkrachten. Een eerste applicatie die in kunststof vervaardigd worden zijn boormallen voor implantaten. De mallen worden op de resterende dentitie gepositioneerd en ze bevatten enkele boorgaten die de positie alsook de richting van de boor bepalen. Deze hulpmiddelen zijn van groot praktisch belang wanneer er weinig bot aanwezig is. De positie van de implantaten wordt op voorhand bepaald met behulp van software. Een andere toepassing is de implantaat gedragen voorlopige brug. Deze kan onmiddellijk na het plaatsen van de implantaten bevestigd worden om de tijdsperiode tussen de chirurgische ingreep en het vervaardigen van een definitieve restauratie te overbruggen. Mijn mening 3D printen biedt naar mijn mening vele voordelen voor het vervaardigen van medische en tandheelkundige toepassingen. Deze applicaties zijn immers altijd patiënt-specifiek en ze dienen steeds in een zo kort mogelijke tijdspanne geproduceerd en geleverd te worden. Afhankelijk van de omvang van de toepassing kan deze na enkele dagen reeds afgeleverd worden. Het ontwerp van de werkstukken gebeurt steeds aan de hand van een digitaal model dat de situatie bij de patiënt weergeeft. Hierdoor kan er voor elke patiënt een applicatie vervaardigd worden die perfect compatibel is met de omgevende weefsels. De vormgeving van heup- of schouderprothese s is minder complex zodat deze perfect gefreesd kunnen worden. Wanneer men echter meer complexe botstructuren wenst te vervangen zoals de beenderen van het aangezicht, dan bekomt men door middel van 3D printen wellicht betere resultaten. Een andere applicatie waarvoor deze technologie zijn nut bewezen heeft, zijn de frames van dentale skeletprothese. Aanvankelijk werden deze door het tandtechnisch labo geproduceerd door middel van een conventioneel gietproces. Wanneer er meerdere frames gemaakt moesten worden, nam dit zeer veel tijd in beslag. Één enkele 3D printer daarentegen is in staat om in enkele uren tijd tientallen frames te produceren. Deze technologie kent echter ook een aantal nadelen. Het poeder dat gebruikt wordt is zeer duur. De prijs voor een heupprothese bedraagt dan ook gemakkelijk enkele duizenden euro s. Een tweede nadeel is dat voor elke soort applicatie de juiste printparameters geselecteerd moeten worden. Hierdoor wordt er doorgaans veel materiaal verspild voordat men een werkstuk bekomt dat aan de nodige kwaliteitsnormen voldoet. Op de dag van vandaag kunnen er al vele spectaculaire applicaties vervaardigd worden door middel van 3D printen en ik denk dat er voor deze technologie nog een mooie toekomst is weggelegd. Conclusie

5 5 3D printen is een innovatieve technologie die enkele decennia geleden ontwikkeld werd. Tot op de dag van vandaag is er veel onderzoek verricht naar het optimaliseren van het productieproces en het uitbreiden van het materialengamma dat compatibel is met dit concept. Naast de vele industriële toepassingen leent 3D printen zich uitstekend voor het vervaardigen van medische en tandheelkundige applicaties op maat van elke patiënt. Vooral de complexe vormgeving die aan de hand van deze technologie gerealiseerd kan worden, biedt een groot voordeel ten opzichte van het frezen via CNC machines. Het printprocedé van tandheelkundige toepassingen vangt aan met een digitaal model. Op basis van dit model wordt er een gepaste applicatie ontworpen. Voornamelijk voor kroon- en brugwerk, maar ook voor implantaat gedragen restauraties is het van essentieel belang om het ontwerp met de hoogst mogelijke precisie te printen. Door middel van selectief laser smelten is het mogelijk om werkstukken te printen met een nauwkeurigheid van enkele tientallen micrometers. Recente berichtgevingen uit de media tonen aan dat er momenteel een grote belangstelling is voor dit concept en in de toekomst zal de interesse voor deze technologie naar alle waarschijnlijkheid nog verder toenemen.