CAD/CAM технологии в ортопедической стоматологии

к.м.н., стоматолог-ортопед Ервандян Арутюн Гегамович

Дата публикации — 4.10.2015

С момента изобретения человеком компьютера настала новая эра в науке, технике и просто в жизни человека. В то время как большинство людей способны использовать компьютерную технику максимум для общения в социальных сетях, скайпе и совершения онлайн покупок, другие уже давно используют компьютеры для совершения сложнейших математических измерений, 3D проектирования, программирования, изучения сопротивления материалов и усталостных нагрузок, а также в области CAD/CAM технологий. CAD/CAM — это аббревиатура, которая расшифровывается как computer-aided design/drafting и computer-aided manufacturing, что дословно переводится как компьютерная помощь в дизайне, разработке и компьютерная помощь в производстве, а по смыслу — это автоматизация производства и системы автоматизированного проектирования / разработки.

С развитием технологий, ортопедическая стоматология также прошла эволюция от времён бронзового человека, когда привязывались искусственные зубы золотой проволокой к соседним зубам, до современного человека, который использует технологию CAD/CAM. В момент появления CAD/CAM, основными технологиями изготовления коронок и мостовидных протезов были старая и имеющая много недостатков технология штамповки и пайки, более перспективная и передовая технология литья и менее распространённые технологии, также лишённые недостатков штамповки и пайки, сверхпластичная формовка и спекание. С другой стороны, две последние технологии можно применять для очень ограниченного количества материалов, например, сверхпластичную формовку только для титана. CAD/CAM технология лишена всех недостатков, присущих технологиям литья, например, усадки, деформации, в том числе и при извлечении отлитых коронок, мостовидных протезов или их каркасов. Отсутствует опасность нарушения технологии, например, перегрева металла при литье или повторное использование литников, что приводит к изменению состава сплава. Отсутствует усадка каркаса после нанесения керамической облицовки, возможная деформация при снятии восковых колпачков с гипсовой модели, поры и раковины при литье, непролитые участки и т.д.. Основным недостатком технологии CAD/CAM является высокая себестоимость, что не позволяет широко внедриться этой технологии в ортопедическую стоматологию. Первоначальная технология CAD/CAM представляла из себя компьютер с необходимым программным обеспечением на котором производилось трёхмерное моделирование несъёмного протеза с последующим компьютерным фрезерованием с точностью до 0.8 микрон из цельного металлического или керамического блока.

Соответственно, расходными материалами для данной процедуры становились дорогостоящие блоки и фрезы, в основном твёрдосплавные. Благодаря дальнейшей эволюции CAD/CAM технологии, на смену компьютерному фрезерованию пришла технология 3D печати, которая позволила уменьшить себестоимость и дала возможность изготавливать объекты любой формы и сложности, которые невозможно было произвести до этого ни одной из существующих технологий. Например, благодаря 3D печати можно изготовить цельный полый объект с любой формой внутренней поверхности. Применительно к ортопедической стоматологии, можно изготовить полое тело протеза, что позволит не уменьшая прочности конструкции уменьшить его вес. Уникальность технологии 3D печати можно увидеть на видео.

1. Печать воском
2. Печать пластмассой
3. Печать металлом
4. Печать гипсом/керамикой

Первая ветвь — это 3D печать воском. Она относится к технологии термопечати, т.е. воск нагреваясь переходит в жидкое состояния, и соответственно в таком состоянии покапельно наносится. После нанесения остывает и переходит в твёрдое состояние. Фактически этот способ является более совершенной технологией моделирования конструкций протезов с присущими ей всеми недостатками литья. Т.е. можно смоделировать на компьютере и напечатать из воска идеальный каркас, но при литье опять столкнуться со всеми проблемами присущими литью. Таким образом данная технология устраняет все недостатки моделирования каркаса из воска, но не устраняет недостатки технологии литья.

Вторая ветвь — это 3D печать пластмассой. Данная технология позволяет получить как разборные модели челюстей, каркасы из беззольной пластмассы для литья, так и готовые протезы, например, коронки или мостовидные протезы из композита, а также напечатать съёмные протезы.

3D печать модели челюстей

В свою очередь существует два метода 3D печати пластмассой:

1. Терпомечать
2. Светополимеризационная печать

Термопечать можно использовать для 3D печати термопластами, например, съёмных протезов или же для печати беззольной пластмассой. Светополимеризационную печать можно использовать для печати как коронок из композитов, так и каркасов из беззольной пластмассы, съёмных протезов из акрилатов и полиуретана.

Технология термопечати воска и пластмассы схожи и чем-то похожи на принцип печати обычного цветного струйного принтера. Материал разогревается до температуры плавления и микрокаплями наносится, но в отличии от цветного струйного принтера, который печатает только в одной плоскости, 3D принтер печатает в трёх плоскостях и соответственно не краской, а твёрдыми материалами. Благодаря нанесению материала микрокаплями достигается полная компенсация усадки материала. Кроме этого существует ещё один способ термопечати пластмассой, при котором пластмассовая проволока нагревается и непрерывно подаётся на поверхность печатаемого объекта (FDM 3D печать). Такая технология самая дешёвая и распространённая в мире, но в стоматологии не нашла широкого распространения, так как не обладает высокой точностью.

Более совершенным методом термопечати является технология выборочного термического спекания «SHS» (Selective Heat Sintering). Подробное описание метода представлено в разделе «3D печать металлом».

Фотополимерная печать

Существует 2 способа фотополимерной 3D печати пластмассой в стоматологии:

1. Струйная фотополимерная 3D печать (MJM)
2. Стереолитографическая 3D печать (SLA)

Струйная фотополимерная 3D печать (MJM)

Светополимеризационная (фотополимерная) печать похожа на термопечать и отличается только тем, что материал не нужно разогревать, так как он уже жидкий, а затвердевание т.е. полимеризация происходит под действием света синего спектра 455-470 нм.

Стереолитографическая печать (SLA)

Кардинально другой принцип используется в технологии стереолитографической печати. Суть метода заключается в печати в ванне наполненной фотополимерной пластмассой или композитом. В отличие от остальных методов печати при этом методе печать производится сверху вниз и печатаемый объект находится в перевёрнутом состоянии. У многих читателей возникнет вопрос, а как же можно печатать в ванне наполненной фотополимерным материалом, так как должно произойти отверждение всего материала, находящегося в ванне. Всё до гениальности просто. Дело в том, что платформа на которой начинается выращивание печатаемого объекта погружается в толщу фотополимерного композита, не доходя 6-20 мкм до дна (зависит от принтера), т.е. остаётся прослойка фотополимерного материала толщиной 6-20 мкм и соответственно в нужных местах отверждается только эта прослойка. После отверждения платформа поднимается вверх, отрывая отвердевший полимер от дна ванны, затем повторно погружается не доходя 6-20 мкм полимеризованной частью до дна. Таким образом опять создаётся прослойка неотверждённого фотополирмерного материала между дном ванны и уже напечатанным слоем. Процесс повторяется столько раз, сколько слоёв необходимо напечатать для полной готовности объекта.

Преимуществами технологии стереолитографической печати являются:

1. Высокая точность;
2. Высокая разрешающая способность;
3. Гладкая поверхность.

Недостатками стереолитографической печати являются:

1. Возможность печати только одним цветом;
2. Фоновая засветка фотополимера, так как небольшая мощность светового излучения рассеивается в общей массе фотополимера. Таким образом часть фотополимерного материала портится, что приводит к увеличению себестоимости печати;
3. Ограниченный ресурс ванной. Из-за того, что полимер должен постоянно отрываться от дна ванны, её изготавливают из силикона или аналогичного материала, и со временем она выходит из строя, соответственно требует замены;
4. Ограниченный ресурс дорогостоящего лазера.

Третья ветвь – 3D печать металлом. Суть метода заключается в точечном оплавление металлического порошка лучом до получения однородной структуры. Существует несколько способов 3D печати металлом:

1. DMD «прямое осаждение металла» (Direct Metal Deposition);
2. LDT «технология лазерного напыления» (Laser Deposition Technology);
3. LCT «технология лазерного наплавления» (Laser Cladding Technology);
4. LFMT «технология лазерного свободноформенного производства» (Laser Freeform Manufacturing Technology);
5. LMD «лазерное осаждение металла» (Laser Metal Deposition);
6. LMF «лазерное сплавление металла» (Laser Metal Fusion);
7. SLS «выборочное лазерное спекание» (Selective Laser Sintering);
8. DMLS «прямое лазерное спекание металлов» (Direct Metal Laser Sintering);
9. SLM «выборочное лазерное плавление» (Selective Laser Melting);
10. LC «лазерная фокусировка» (LaserCusing);
11. EBM «электронно-лучевое плавление» (Electron Beam Melting);
12. SHS «выборочное термическое спекание» (Selective Heat Sintering).

Технология выборочного лазерного спекания (SLS) была изобретена Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Университета Техаса (Остин, США) в середине 1980-х.
Технология выборочного лазерного плавления (SLM) была изобретена Вильгельмом Майнерсом и Конрадом Виссенбахом из Института лазерной техники (ILT) Общества Фраунгофера (Ахене, Германия) совместно с Дитером Шварце и Маттиасом Фокеле из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH (Падерборн, Германия) в 1995 году.

Все эти методы можно использовать в стоматологии. Условно их можно разделить на две группы, отличающиеся только методом нанесения порошка металла. К первой группе относятся методы подачи порошка с одновременной микросваркой. Ко второй группе относятся методы нанесения слоя порошка с последующей микросваркой порошка.

I группа методов 3D печати металлом.

Метод 3D печати методом прямого осаждения металла (DMD) очень похож на методику лазерной сварки с применением порошка. Суть метода представлена на схеме.

Принцип лазерной сварки

DMD, LFMT, LMD, LDT и LCT методы ничем не отличаются, единственное отличие в том, что LDT и LCT методы применяются для реставрации повреждённых объектов, например, при истирании.

II группа методов 3D печати металлом.

При послойном методе производится нанесении слоя металлического порошка, имеющего микроскопическую толщину (10-50 мкм), на подложку и спекание или точнее микросварка лазером в среде инертного газа микроскопических зёрен металла в необходимых участках слоя. После этого наносится сверху ещё один слой порошка металла, и производится микросварка лазером микрозёрен металла уже не только между собой, но и с нижним слоем.

Таким образом, послойно печатается трёхмерный объект из металла. После завершения печати готовый металлический объект извлекается из порошка. Оставшийся порошок можно использовать повторно. Данная технология представляет из себя безотходное производство, которое в конечном счёте приводит к уменьшению себестоимости конструкции. А благодаря применению компьютерных технологий достигается высокие качество и точность порядка 1-10 микрон. Точность метода ограниченна только диаметром лазерного луча и размером микрозёрен печатаемого материала. Но необходимо помнить, что чем выше точность печати, тем медленнее производиться печать. Предлагаем вашему вниманию видеоролик о 3D печати металлом в стоматологии.

Отличием SLS (выборочное лазерное спекание) от DMLS (прямое лазерное спекание металлов) заключается в том, что второй метод можно применяется только для печати металлом. А методом SLS можно применять для печати любым термопластом. SLS от SLM отличается только тем, что в первом случае производится спекание, а во втором — плавление порошка. Данное отличие является условным, так как при спекании также происходит плавление металла, а отличие названия и описания метода связано с коммерческими моментами. Тоже касается и метода LC и LMF. Поэтому разделение всех этих методов является надуманным, хотя по данным создателей технологий SLS и DMLS плотность печатаемого объекта может регулироваться при использовании этих методов печати.
Электронно-лучевое плавление (EBM) отличается от остальных методов тем, что вместо лазерного луча применяется электронный луч (пучок) высокой мощности, а сама печать производится в условиях вакуума.
Выборочное термическое спекание (SHS) отличается от остальных методов тем, что вместо лазерного или электронного луча используется термоголовка. Благодаря этой технологии возможно создание 3D принтеров маленького размера. Но недостатком технологии является низкая температура печати и поэтому она может быть применена только для печати легкоплавкими металлами и термопластами.

Четвёртая ветвь – 3D печать гипсом/керамикой. Принцип печати гипсом похож на технологию SLS, только вместо лазера используется связующий агент, так называемый клей, соединяющий частички гипса или керамики. Однако печать гипсом не нашла применения в стоматологии, так как модели начали печатать из пластмассы. Печать керамикой является перспективной и позволит печатать каркасы или готовые конструкции коронок и мостовидных протезов.

Использование статьи в библиографическом списке «Ервандян, А.Г. CAD/CAM технологии в ортопедической стоматологии [Электронный ресурс] / Арутюн Гегамович Ервандян, 4.10.2015. – Режим доступа : https://www.dr.arut.ru/nauchnaya-rabota/cad-cam-tehnologii-v-ortopedicheskoy-stomatologii/, свободный. – Загл. с экрана.»