KMU-innovativ Entwicklung einer Prozesskette zur additiven Fertigung von dentalen Gerüststrukturen über Binder Jetting und Plasma-elektrolytisches Polieren (ProDentAM)

Problemstellung
Bei der Herstellung metallischer Gerüststrukturen für herausnehmbaren Zahnersatz (Klammerprothesen) aus Kobalt-Chrom ist nach wie vor ein hoher Anteil manueller Arbeitsschritte notwendig. Eine innovative Prozesskette unter Nutzung von additiver Fertigung und umweltschonender Nachbehandlungsverfahren soll zukünftig eine optimierte und schnelle Versorgung mit derartigen Klammerprothesen und eine verbesserte Arbeitssicherheit und Umweltverträglichkeit bei deren Herstellung ermöglichen. Das Potenzial besteht im sogenannten Metal Binder Jetting (MBJ) Verfahren, bei dem ein flüssiger Binder selektiv auf Pulverpartikel aufgebracht wird und dieses so schichtweise zu einem filigranen Bauteil aufbaut. Die anschließende säurefreie Nachbearbeitung mit dem sogenannten plasma-elektrolytischen Polieren (PeP) bietet die Chance, Umwelt- und Gesundheitsbelastungen auf ein Minimum zu beschränken. Bislang war es nicht möglich, dies auf filigrane Strukturen anzuwenden, um Produkte mit hoher Maß- und Formgenauigkeit sowie Oberflächengüte zu erhalten.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projekts ProDentAM ist es, den Anteil an manuellen Arbeitsschritten bei der Herstellung metallischer Klammerprothesen zu reduzieren und gleichzeitig Nachhaltigkeit und Gesundheitsschutz zu fördern. Dazu soll eine neue Prozesskette unter Nutzung des Metal Binder Jettings (MBJ) mit einer anschließenden Nachbearbeitung über Plasma-elektrolytisches Polieren (PeP) entwickelt werden. Dabei ist das Zusammenspiel von Werkstoff, Design, additiver Fertigung und Nachbearbeitung ganzheitlich zu betrachten.

Vorgehensweise
Eingangs werden geeignete, robuste Fertigungsparameter für das MBJ und das Sintern der Legierung ermittelt. Zur Gewährleistung der Passfähigkeit derartig hergestellter Klammerprothesen werden verfügbare Softwarelösungen für die Verzugs- und Schwindungskompensation beim Sintern filigraner Strukturen angepasst und anhand vorab definierter, für Zahnprothesen typischer kritischer Geometrieelemente validiert. Um eine anforderungsgerechte hohe Oberflächenqualität der Klammerprothesen zu erzielen, wird eine geeignete, umweltfreundliche Nachbearbeitungsstrategie erarbeitet. Begleitet werden die Untersuchungen durch die Charakterisierung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften und der Biokompatibilität der erzeugten Strukturen. Darüber hinaus sind die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der neuen Prozesskette prototypisch zu evaluieren.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Nach erfolgreicher Umsetzung führt das Projekt zu einer neuartigen Prozesskette zur Fertigung von metallischen Gerüststrukturen für Dentalprothesen. Die Verknüpfung der Verfahren steigert die Digitalisierung und Automatisierung bei der Herstellung zahnmedizinischer Produkte bei Einhaltung hoher medizinischer Qualitätsstandards, verbesserter Nachhaltigkeit und gleichzeitiger Kostenreduzierung. Es besteht die Möglichkeit, das Verfahren auf die Herstellung kieferorthopädischer Apparaturen und Komponenten für weitere Formen herausnehmbaren Zahnersatzes zu übertragen. Die Erweiterung der Prozesskette auf vergleichbare Materialsysteme, wie bspw. Titanlegierungen und deren Anwendung beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, ist zudem denkbar.

• AMtopus GmbH & Co. KG
• Dentales Service Zentrum GmbH & Co. KG
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• H + E Produktentwicklung GmbH
• Technische Universität Dresden