Aus Gesprächen mit Fachleuten der Zahnmedizin haben sich zwei wesentliche Erkenntnisse ergeben: Erstens gibt es keine allgemein gültige Norm, die die klinisch akzeptable Genauigkeit für Modelle definiert; zweitens werden traditionelle Gipsmodelle weithin als Goldstandard betrachtet.

Im Jahr 1984 griff die Internationale Organisation für Normung (ISO) ein, um in der Dentalbranche für dringend benötigte Einheitlichkeit zu sorgen, insbesondere in Bezug auf Gips. Zuvor herrschte starke Uneinigkeit darüber, was der richtige Genauigkeitsgrad für ein zahnmedizinisches Modell ist. Faktoren wie regionale Praktiken, die individuelle Ausbildung und praktische Erfahrung beeinflussten die unterschiedlichen Ansichten. Die ISO löste dieses Problem durch die Einführung der Norm ISO 6873 [11]. Die letzte Revision aus dem Jahr 2013 enthält klare Anforderungen und Methoden zum Testen von zahnmedizinischem Gips. Bevor jedoch auf die Einzelheiten eingegangen wird, muss zunächst die Genauigkeit der Abformung des Patientengebisses und der oralen Anatomie geprüft werden, da diese die Datengrundlage für die Fertigung des Modells bilden.

Die Genauigkeit ist unter anderem von folgenden Faktoren abhängig:

• Art des Abformlöffels (individuell oder standardisiert)
• Abformmaterial (PVS, Polyether, Alginat)
• Erfahrung der Person, die die Abformung nimmt
• Patientenanatomie
• Patientenbewegungen / mangelnde Kooperation
• Luftfeuchtigkeit während der Abformung
• Einphasige und zweiphasige Abformtechniken

Die Qualität der Abformung kann sehr unterschiedlich ausfallen. Laut des Beitrags „Accuracy of different materials used in impressions for fixed partial dentures“ von Dr. Farhat Jabeen, Dr. Pratibha Sharma und Dr. Paritosh Sharma [8] bieten traditionelle Abformungen eine mittlere Genauigkeit von 0,25 mm (im Durchschnitt aus verschiedenen Abformmaterialien, wobei Polyether am präzisesten und Kondensationssilikon am wenigsten präzise ist). Beim Vergleich der Genauigkeit von Dentalmodellen, die mit konventionellen Verfahren und mit additiver Fertigung hergestellt wurden, müssen daher die Arbeitsabläufe und die Erfolgsquote der einzelnen Verfahren berücksichtigt werden.

Der Typ IV nach ISO 6873 für harte Gipsmodelle basiert auf traditionellen Abformungen. Auf der Grundlage von Studien wie der von Dr. Farhat Jabeen et al. [8] lässt sich für die Genauigkeit von mit diesem Arbeitsablauf erstellten Modellen die kumulative mittlere absolute Abweichung berechnen. Wird der Fokus auf 3D-gedruckte Modelle gelegt, weicht der Arbeitsablauf erheblich ab. Zwar gibt es hybride Methoden, die traditionelle Abformungen mit digitaler Modellierung verbinden, doch ein direkter Vergleich zwischen konventionellen und vollständig digitalen Arbeitsabläufen erfordert eine Untersuchung der Genauigkeit der Ausgangsdaten. In vollständig digitalen Prozessen stammen diese Daten von einem Intraoralscanner.

Die Forschungsartikel von Kernen, Schlager et al. [9] und Winkler et al. [10] geben Aufschluss über das unterschiedliche Maß an Genauigkeit in diesem Bereich. Die Studie von Kernen, Schlager et al. [9] bewertet die Maßgenauigkeit und Präzision von Vollbogen-In-vivo-Scans unter Verwendung verschiedener Scanner-Modelle. Eine merkliche Diskrepanz ergibt sich beim Vergleich der Genauigkeit von Vollbogen-Scans mit kleineren Abschnitten, was eine bekannte Herausforderung von Intraoralscans unterstreicht. Das begrenzte Sichtfeld von Intraoralscannern erfordert Stitching-Algorithmen, um mehrere kleinere Aufnahmen zu einem umfassenden Modell zusammenzusetzen. Dies führt häufig zu einer geringeren Genauigkeit bei größeren Aufnahmen.

Die Studie von Winkler und Gkantidis [10] stellt eine gegensätzliche Perspektive dar und zeigt eine bemerkenswerte Genauigkeit beim Scannen kleinerer Abschnitte (z. B. der Frontzähne des oberen Zahnbogens) im Vergleich zu einem Scan des gesamten Bogens. Bei der Bewertung von Vollbögen nimmt die Genauigkeit jedoch ab. Zum Beispiel bleibt die Genauigket der Scans des TRIOS 3 mit einer mittleren absoluten Abweichung (MAD) von 0,065 mm hinter der Leistung von Abformungen mit Polyvinylsiloxan (PVS) zurück, die in der Studie [8] eine MAD von 0,02 mm erreichten.

Obwohl diese Ergebnisse noch aus dem Jahr 2020 stammen und die Technologie und die Algorithmen intraoraler Kameras ständig verbessert wurden, sind diese Daten nach wie vor von zentraler Bedeutung bei der Gegenüberstellung digitaler zahnmedizinischer Prozesse mit konventionellen Verfahren.

Die ISO 6873 gibt eine Definition für hohe Genauigkeit, insbesondere für Gipsmodelle des Typs III und Typ IV. Es gibt vielerlei Arten von Dentalmodellen, die jeweils auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind und je nach Verwendungszweck unterschiedliche Anforderungen an die Genauigkeit stellen. Dies ist eine unvollständige Liste, geordnet von der geringsten bis zur höchsten Anforderung an die Genauigkeit:

• Studienmodelle
• Modelle zur Dokumentation
• Modelle für schnelle Restaurationen
• Modelle für manuelle Wax-ups
• Modelle zum Thermoformen dentaler Anwendungen
• Modelle für prothetische Arbeiten
• Modelle für Implantate einzelner Zähne
• Modelle für Implantate mehrerer Zähne

Im Bereich der prothetischen Zahnheilkunde sind Gipse vom Typ III und IV die am häufigsten verwendeten Materialien. Gips des Typs III wird in erster Linie für Anwendungen mit Acrylglas, wie z. B. Zahnprothesen, verwendet, während Typ IV als Goldstandard für Zahnersatzmodelle und Implantatmodelle gilt. Da wir uns auf prothetische Modelle konzentrieren, hat Typ IV hier die größte Relevanz.

Im Zusammenhang mit der Norm ISO 6873 sind zwei wesentliche Aspekte dieser Gipse hervorzuheben:

1. Abbindeexpansion: Einer der kritischen Faktoren, die in der Norm definiert sind, ist die Abbindeexpansion. Beim Abbinden des Gipses kommt es zu einer dimensionalen Expansion, weshalb sich die Norm ausschließlich auf die Expansionswerte konzentriert. Kontraktion oder Schrumpfung ist bei zahnmedizinischem Gips im Allgemeinen nicht von Belang, weshalb in der Norm keine Kontraktionswerte angegeben sind.

2. Messung der zulässigen Varianz: Die Norm legt die zulässige Varianz für die Expansion in Prozent fest, die linear gemessen wird. Das bedeutet, dass die zulässige Expansion proportional zur Größe des Objekts ist, es handelt sich also um ein relatives Maß.

Diese Spezifikationen stellen jedoch eine Herausforderung dar, wenn sie auf 3D-gedruckte Modelle aus Kunstharz angewendet werden. Im Gegensatz zu zahnmedizinischem Gips, der sich gleichmäßig ausdehnt, kann der 3D-Druck sowohl zu positiven als auch zu negativen Abweichungen in der Genauigkeit führen. Bei der Beurteilung eines 3D-gedruckten Modells müssen daher mögliche Abweichungen in beide Richtungen berücksichtigt werden. Dies steht im Gegensatz zu zahnmedizinischem Gips, bei dem negative Abweichungen (Kontraktion) in der Regel nicht vorkommen. Dieser Unterschied unterstreicht die Schwierigkeit, diese Normen direkt auf 3D-gedruckte Modelle zu übertragen, welche einen mehrdimensionalen Ansatz für die Qualitätskontrolle erfordern.

Bei der Bewertung der Präzision von Gipsmodellen des Typs IV gegenüber der Genauigkeit 3D-gedruckter Modelle ist es wichtig, den Fokus darauf zu legen, welches Modell das Nennmaß konsistenter einhält. In diesem Zusammenhang ist die mittlere absolute Abweichung (MAD) eine nützliche Kennzahl, da sie die Größe der Abweichung unabhängig von ihrer Richtung misst. Ein niedrigerer MAD-Wert bei einem Modell im Vergleich zu einem anderen zeigt an, dass das Modell den vorgesehenen Abmessungen besser entspricht und somit genauer ist.

Nehmen wir z. B. einen Zahnbogen mit einer sagittalen Tiefe von 67 mm, die sich aus der durchschnittlichen Länge mehrerer Zahnbögen ergibt. Für ein Gipsmodell, das die Kriterien des Typs IV erfüllt, würde sich die maximal zulässige Abweichung (die in diesem Fall ausschließlich positiv ist) wie folgt berechnen:

• Modellgröße: 67 mm
• Zulässige lineare Expansion: 0,15 %
• Toleranzbereich: 67 mm × 0,15 % / 100 = 0,1005 mm

Für das Gipsmodell wird die MAD folgendermaßen berechnet:

• Minimale Abweichung (bei 67 mm): |67 - 67| = 0 mm
• Maximale Abweichung (bei 67,1 mm): |67,1 - 67| = 0,1 mm
• MAD = (0 + 0,1) / 2 = 0,05 mm

Unter der Annahme, dass ein 3D-gedrucktes Modell eine ähnliche Abweichungsspanne aufweist, jedoch in beide Richtungen, wäre eine ähnliche MAD zu erwarten, wenn das Modell dieselbe Genauigkeit erzielt. Bei einer Abweichungsspanne von ±0,05 mm (67 mm ±0,05 mm):

• Minimale Abweichung (bei 66,95 mm): |66,95 - 67| = 0,05 mm

• Maximale Abweichung (bei 67,05 mm): |67,05 - 67| = 0,05 mm

• MAD = (0,05 + 0,05) / 2 = 0,05 mm

Hinsichtlich der Genauigkeit von 3D-gedruckten Modellen ist es interessant zu betrachten, wie diese bei Formlabs gehandhabt wird. Die Genauigkeit wird in der Regel wie folgt beschrieben: „X % der Modelloberfläche liegen innerhalb eines Bereichs von ±Y mm zum Nennmaß.“ Übertragen auf das vorangegangene Beispiel würde dies bedeuten: „100 % der Oberfläche des gedruckten Modells liegen innerhalb von ± 0,05 mm (50 µm) zum Nennmaß.“ Dieser Ansatz ist zwar vereinfacht, bietet aber eine praktische und informative Möglichkeit, die Präzision der verschiedenen Techniken zur Fertigung von Zahnmodellen zu messen und zu vergleichen.

Eine Norm, die auf der maximalen linearen Expansion basiert (wie jene für Gipsmodelle), auf den Bereich des 3D-Drucks zu übertragen, ist jedoch nicht ganz einfach. Es muss eine vergleichende Kennzahl festgelegt werden, die die inhärenten Grenzen und Eigenschaften der 3D-Drucktechnologie berücksichtigt. Dieser Vergleich soll eine Brücke zwischen den verschiedenen Fertigungsverfahren schlagen und eine gemeinsame Grundlage für die Bewertung ihrer Genauigkeit bieten. Gleichzeitig wird berücksichtigt, dass jedes Verfahren individuelle Eigenschaften und Einschränkungen hat.

Die Vorstellungen darüber, was klinisch akzeptabel ist, gehen weit auseinander, und es gibt keinen allgemein anerkannten Standard. Aus einer systematischen Analye von Etemad-Shahidi et al. [12] geht hervor, dass die klinische Akzeptanz von unter 0,1 mm bis unter 0,5 mm reicht. Den höchsten Genauigkeitsstandard von weniger als 100 µm zu erreichen ist sowohl für Gipsmodelle als auch für digitale Arbeitsabläufe eine Herausforderung. Beim digitalen Arbeitsablauf sind die Einschränkungen von Intraoralscannern und die Modellgenauigkeit wichtige Faktoren. Ein Modellmaterial, bei dem 100 % der Oberfläche mit einer Genauigkeit von ±0,05 mm gedruckt werden, wäre ein bedeutender Fortschritt. Dies würde jedoch nur die von einigen bestimmten Studien gesetzten Maßstäbe erfüllen [12].

Es ist wichtig zu beachten, dass ein Modellkunstharz, das eine 100-prozentige Genauigkeit von ±100 µm erreicht, dennoch ungenauer ist als herkömmlicher Gips vom Typ IV konform nach ISO 6873. Mit einer Präzision von ±50 µm kämen mit Formlabs-Technologie 3D-gedruckte Zahnmodelle nach diesen Standards herkömmlichen Gipsmodellen gleich.

Die Erstellung eines klinisch akzeptablen Dentalmodells ist ein umfassender Prozess, der drei wichtige Aspekte umfasst:

• Die Genauigkeit der ursprünglichen Daten oder Eingaben

• Die Präzision des Fertigungsverfahrens

• Die Genauigkeit des endgültigen Modells im Vergleich zu den Eingabedaten

Es ist wichtig zu beachten, dass jeder dieser Aspekte seine eigene Fehlerspanne hat, die kumulativ zur Genauigkeit des endgültigen Modells beiträgt. Die in diesem Beitrag untersuchten und zitierten Artikel befassen sich mit der Genauigkeit verschiedener traditioneller Abformmaterialien und der Präzision verschiedener additiver Fertigungsverfahren im Hinblick auf Dentalmodelle [siehe Anhang].

Die Formel zur Bestimmung der absoluten Genauigkeit des endgültigen Zahnmodells lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Angenommen wird ein Gipsmodell des Typs IV, das auf einer PVS-Abformung basiert und für das ein individueller Abformlöffel und Gips verwendet werden, der in einem Vakuummischer nach den Anweisungen des Herstellers angemischt wird. Dieses Szenario könnte zu folgendem Ergebnis führen:

0,2 mm Fehler bei der Abformung + 0 mm Präzisionsfehler des vakuumgemischten Gipses + 0,05 mm Genauigkeitsfehler des Gipses vom Typ IV = absolute Genauigkeit von 0,25 mm

• Fehler bei der Abformung von 0,2 mm (MAD) + # [7]

• Für ein Modell mit einer Länge von 67 mm wird in der ISO-Norm ein maximaler Fehler von 0,05 mm (MAD) gefordert

• Für das Mischen von Gips mit einem Vakuummischer gehen wir von einem Präzisionsfehler von 0 aus

In diesem Fall trägt der Abformungsprozess wesentlich zur Fehlerentstehung bei, was die Genauigkeit des Modellmaterials aufwiegt.

In Bezug auf 3D-Druck sind vergleichbare Daten zur Genauigkeit moderner Intraoralscanner in verschiedenen Forschungsartikeln zu finden [9], [10]. Zusätzlich zu Scanfehlern kommt die Variabilität zwischen den Druckvorgängen hinzu.

Formlabs' 3D-Drucker des Typs Form 4B liefert wiederholbare Ergebnisse und unübertroffene Genauigkeit. Auch hier bezieht sich die Berechnung auf ein Vollbogenmodell mit einer Tiefe von 67 mm, das mit Precision Model Resin mit einer Schichthöhe von 50 µm gedruckt wurde.

Die Fehlerberechnung für ein auf dem Form 4B gedrucktes Modell könnte wie folgt ausfallen:

0,147 mm Scanfehler + 0 mm Präzisionsfehler + 0,1 mm Genauigkeitsfehler = absolute Genauigkeit von 0,25 mm

• Der Wert für den Scanfehler wurde von Kernen, Schlager et al. [9] übernommen (3Shape TRIOS)

• Ähnlich wie bei der Gleichung für Gipsmodelle gehen wir für den Form 4B von einem Präzisionsfehler von Null aus

• Modellgenauigkeit von ca. 0,1 mm (≥ 95 % bei 50 µm Schichthöhe mit Precision Model Resin)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Anforderungen an die Präzision von 3D-gedruckten Dentalmodellen ein Feld darstellen, in dem sich traditionelle Praktiken und moderne Technologien überschneiden, was häufig zu komplexen Ergebnissen führt. Trotz der weiten Verbreitung des 3D-Drucks in der Zahnmedizin gibt es nach wie vor keinen allgemeingültigen Maßstab dafür, was eine klinisch akzeptable Genauigkeit ist. Traditionelle, mit ISO 6873 konforme Gipsmodelle sind seit langem der Maßstab, doch ihr direkter Vergleich mit 3D-gedruckten Modellen ist nicht einfach und es existieren bisher keine Richtlinien dafür.

Die Genauigkeit herkömmlicher Abformungen wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, darunter die Wahl der Materialien und Techniken, die Erfahrung des Behandlungspersonals und patientenspezifische Variablen. Bei 3D-gedruckten Modellen ergeben sich andere Herausforderungen, vor allem aufgrund möglicher Maßabweichungen während des Druckvorgangs. Durch die Verwendung der mittleren absoluten Abweichung (MAD) wird versucht, die Präzision zu messen und die Nuancen der einzelnen Methoden hervorzuheben.

Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Analyse ist die Anerkennung der Leistung des Form 4B beim Druck mit Precision Model Resin. Obwohl stetig Fortschritte erreicht werden, ist es eine ständige Herausforderung für den 3D-Druck, die hohen Genauigkeitsstandards der traditionellen Methoden zu erreichen. Mit dem Form 4B und Precision Model Resin erfüllen die 3D-Drucker von Formlabs Dental die Branchenstandards, die für konventionelle Verfahren gelten.

Dieses Dokument unterstreicht die Bedeutung einer vielseitigen Herangehensweise an die Genauigkeit von Dentalmodellen. Dabei ist nicht nur das Endergebnis zu berücksichtigen, sondern auch die Genauigkeit der Ausgangsdaten und die Präzision des Herstellungsprozesses. Während wir die Grenzen des Machbaren immer weiter ausdehnen, ist es wichtig, uns vor Augen zu halten, dass das endgültige Ziel dasselbe bleibt: sicherzustellen, dass Dentalmodelle, ob traditionell hergestellt oder 3D-gedruckt, die hohen Standards für den klinischen Einsatz erfüllen.

1. Über Precision Model Resin

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8. Dr. Farhat Jabeen, Dr. Pratibha Sharma, Dr. Paritosh Sharma. Accuracy of different materials used in impressions for fixed partial dentures. Int J Appl Dent Sci 2022;8(1):113-115. https://doi.org/10.22271/oral.2022.v8.i1b.1581

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11. ISO 6873:1984, ISO 6873:2013

12. Etemad-Shahidi, Y., Qallandar, O. B., Evenden, J., Alifui-Segbaya, F., & Ahmed, K. E. (2020). Accuracy of 3-Dimensionally Printed Full-Arch Dental Models: A Systematic Review. Journal of clinical medicine, 9(10), 3357. https://doi.org/10.3390/jcm9103357