Open Access

Lukas Reker

• Mit der vorgelegten Arbeit galt es zu klären, inwiefern sich die Konstruktionsart des FFF-3D-Druckers (Fused Filament Fabrication) auf die Exaktheit und Oberflächenbeschaffenheit 3D-gedruckter Zahnbögen auswirkt und ob sich sowohl der kartesische-FFF-3D-Drucker als auch der Delta-FFF-3D-Drucker hinsichtlich der Präzision zur Herstellung von Zahnbögen im Rahmen einer Aligner-Therapie einsetzen lässt. Darüber hinaus war der Einfluss der Slicing-Software auf die Präzision und Oberflächenbeschaffenheit der gedruckten Zahnbögen Schwerpunkt der Untersuchungen. Als Nebenaspekt wurden die Herstellungszeiten der Druckverfahren verglichen sowie die Auswirkungen steigender Druckgeschwindigkeiten auf die Zahnbögen analysiert. Zur Ermittlung des präzisesten Druckverfahrens wurden die Intraoralscans von zehn zufällig ausgewählten Patienten der Universität Greifswald mit beschriebenem kartesischen-FFF-3D-Drucker und Delta-FFF-3D-Drucker der Firma Tevo 3D Electronic Technology Company Ltd., Zhanjiang China hergestellt. Zum Vergleich der verschiedenen Slicing-Software erfolgte die Vorbereitung dieser Dateien auf den 3D-Druck mit drei der bekanntesten Slicing-Software. Neben der kostenpflichtigen Software Simplify3D (Simplify3D, LLC. Cincinnati, USA) wurden die Open Source Slicing-Software Cura (Ultimaker B.V. Udrecht, Niederlande) und Slic3r (entwickelt von Alessandro Ranellucci) genutzt. 132 gedruckte Zahnbögen wurden im Verlauf der Analyse zum einen nach kieferorthopädischen Gesichtspunkten manuell mittels digitaler Schieblehre (SKANTEK GmbH, Erlangen) vermessen. Zum anderen erfolgte zur Ermittlung der mikroskopischen Präzision der 3D-Druckverfahren die Messung von Höckerspitzenabständen ausgewählter Zähne mithilfe des Digitalmikroskops VHX 6000 von Keyence (Keyence Deutschland GmbH, Neu-Isenburg). Nach erneuter Digitalisierung der gedruckten Zahnbögen durch den optischen Oberflächenscanner Zirkonzahn AR600 ARTI (Zirkonzahn, Püstertal, Tirol, It) fand zusätzlich eine digitale Überlagerung von Intraoralscan und gedrucktem Zahnbogen mittels der Software CloudCompare (v. 2.10.2) statt. Hierdurch sollten Abweichungen der Druckverfahren ermittelt werden, welche sich ggf. durch die beschriebenen Messverfahren nicht ermitteln ließen. Zur Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit wurden die Zahnbögen zusätzlich mit dem oben genannten Digitalmikroskop unter 30-facher Vergrößerung untersucht. Nach Durchführung der Untersuchungen lässt sich festhalten, dass sich sowohl der kartesische-FFF- und der Delta-FFF-3D-Drucker als auch die Slicing-Software hinsichtlich ihrer Präzision 3D-gedruckter Zahnbögen unterscheiden. Zudem besteht sowohl ein signifikanter Zusammenhang zwischen der 3D-Drucker Konstruktionsart als auch der Slicing-Software und der Herstellungszeit pro Zahnbogen. Der Delta-FFF-3D-Drucker wies in Bezug auf die Zahnbogenvermessung entlang der Z-Achse die signifikant größten Abweichungen auf. Ebenso wichen die Höckerspitzenabstände der Delta-Zahnbögen am deutlichsten von den CAD-Dateien der Intraoralscans ab. Das insgesamt beste Ergebnis erzielten insbesondere aufgrund der im Vergleich signifikant geringer ausfallenden Abweichungen der Höckerspitzenabstände die mit kartesischem-FFF-3D-Drucker und der Slicing-Software Slic3r gedruckten Zahnbögen. Hinsichtlich der digitalen Überlagerung von Intraoralscan und erneut digitalisierten Zahnbögen ließen sich für die Cura- und Slic3r-Zahnbögen die höchste Übereinstimmung feststellen. Die visuelle Inspektion der Zahnbogenoberfläche bei 30-facher Vergrößerung bekräftigte dieses Ergebnis. Die Oberfläche zeigte sowohl bei den Slic3r-Zahnbögen als auch bei den Cura-Zahnbögen das optisch sauberste Ergebnis. Obgleich der Tatsache, dass der Delta-FFF-3D-Drucker die Zahnbögen in signifikant kürzerer Zeit herstellt, ist aufgrund der größer ausfallenden Abweichungen der Einsatz für die Zahnbogenherstellung im Rahmen einer Aligner-Therapie nach dieser Studie nicht empfehlenswert. Hinsichtlich der Slicing-Software konnten keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die Präzision der Zahnbögen ermittelt werden. Zu erwähnen ist jedoch, dass die mit der Slicing-Software Slic3r auf den 3D-Druck vorbereiteten Zahnbögen die geringsten Abweichungen aufwiesen. Die Verwendung von kostenloser Open-Source Slicing-Software scheint für den klinischen Gebrauch durchaus angemessen. Bezogen auf die Druckzeiten konnte der Delta-FFF-3D-Drucker im Vergleich zu allen Vergleichspartnern die Zahnbögen in kürzester Zeit herstellen. Ebenso wurden die mit der Slicing-Software Simplify3D gedruckten Zahnbögen im Vergleich zu den mit Cura- und Slic3r gedruckten Zahnbögen in signifikant kürzerer Zeit hergestellt. Ein signifikanter Einfluss sowohl der 3D-Drucker Hardware als auch Software auf die Herstellungszeit konnte somit bestätigt werden. Eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit bis 6000mm/min erscheint nach dieser Studie als zumutbar. Aufgrund der Tatsache, dass die Zahnbögen in ihrer Präzision und Oberflächenbeschaffenheit mit steigender Druckgeschwindigkeit an Qualität verlieren, ist von einer weiteren Geschwindigkeitserhöhung abzuraten.
• Summary With the work presented, it was necessary to clarify to what extent the construction type of the FFF-3D-printer (fused filament fabrication) affects the accuracy and surface quality on 3D-printed dental arches and whether the cartesian-FFF-3D-printer and the delta-FFF-3Dprinter can be used to print physical models to fabricate thermoplastic clear orthodontic aligner. In addition, the focus of the investigations was the influence of the slicing software on the precision and surface quality of the printed dental arches. As a side aspect, the production times of the printing processes were compared and the effects of increasing printing speeds on the dental arches were analyzed. To determine the most precise printing method, the intraoral scans of ten randomly selected patients from the University of Greifswald were produced with the described cartesian-FFF3D-printer and delta-FFF-3D-printer (Tevo 3D Electronic Technology Company Ltd., Zhanjiang China). To compare the different slicing software, these files were prepared with three of the most popular software. Simplify3D (Simplify3D, LLC. Cincinnati, USA), Cura (Ultimaker B.V. Udrecht, Netherlands) and Slic3r (developed by Alessandro Ranellucci) were used. In the course of the analysis, 132 printed dental arches were manually measured according to orthodontic aspects using a digital caliper (SKANTEK GmbH, Erlangen). To determine the microscopic precision of the 3D printing process, the cusp tip distances of selected teeth were measured using the digital microscope Keyence VHX 6000 (Keyence Deutschland GmbH, Neu-Isenburg). After digitizing the printed dental arches using the optical surface scanner Zirkonzahn AR600 ARTI (Zirkonzahn, Püstertal, Tirol, It), the intraoral scan and the printed dental arch were also digitally overlaid using CloudCompare (v. 2.10.2). This was intended to determine deviations in the printing process that eventually could not be determined using the described measurement methods. To assess the surface quality, the dental arches were also examined with the above-mentioned digital microscope at 30x magnification. After carrying out the investigations, it can be stated that both the cartesian-FFF and the delta-FFF-3D-printer and the slicing software differ in terms of the precision of 3D printed dental arches. In addition, there is a significant correlation between the 3D printer construction type and the slicing software and the production time. The deltaFFF-3D-printer showed the most significant deviations along the Z-axis in relation to the dental arch measurement. The cusp tip distances of the delta dental arches deviated significantly from the CAD files of the intraoral scans. The best result was achieved with cartesian-FFF-3D-printer and the Slic3r slicing software, in particular due to the significantly lower deviations in the cusp tip distances. With regard to the digital overlay of intraoral scan and re-digitized dental arches, the highest agreement was found for Cura and Slic3r. The Visual inspection of the dental arch surface at 30x magnification confirmed this result. The surface showed the optically best result for both software. Although the delta-FFF-3D-printer produces the dental arches in a significantly shorter time, due to the larger deviations, the use for the dental arch production as part of an aligner therapy is not recommended according to this study. With regard to the slicing software, no significant differences in terms of the precision of the dental arches could be determined. However, it should be mentioned that the dental arches prepared for 3D printing with Slic3r showed the smallest deviations. The use of free, open-source slicing software seems perfectly appropriate for clinical use.In terms of printing times, the delta-FFF-3Dprinter was able to produce the dental arches in the shortest time. The arches printed with the slicing software Simplify3D were produced in significantly less time compared to the arches printed with Cura and Slic3r. A significant influence of the 3D printer hardware and software on the production time could be confirmed.According to this study, an increase in the printing speed of up to 6000 mm/min seems possible. Due to the fact that the dental arches loose precision as the printing speed increases, further increases in speed are not recommended