Das CAD-CAM-Verfahren: Eine unentbehrliche Methode der modernen Zahnheilkunde

Einführung: Historischer Überblick

Das CAD-CAM-Verfahren entstand in den 60er-Jahren in der Luft- und Raumfahrttechnik und in der Automobilindustrie, mit dem Ziel, die Herstellung wiederkehrender Formen zu standardisieren. Seine Anwendung in der Zahnheilkunde stellte ein ehrgeiziges bzw. nahezu utopisches Projekt dar, da jede prothetische Komponente einzigartig und individuell auf den betreffenden Patienten abgestimmt ist. 

François DURET hatte 1973 die Idee, dieses Konzept auf die Herstellung von Zahnersatz zu übertragen und wurde schließlich zum Erfinder des dentalen CAD-CAM-Verfahrens, dessen Grundlagen er in seiner Dissertation „Die optische Abformung“ geschaffen hat.

Dank der Veröffentlichungen von F. Duret erblickte das dentale CAD-CAM-Verfahren das Licht der Welt und revolutionierte die Zahnheilkunde.

Seither hat sich diese Technologie in der Zahnheilkunde unermüdlich weiter entwickelt und perfektioniert, um sich schließlich als unentbehrliches Arbeitstool des digitalen Zeitalters durchzusetzen.  

Dieser Artikel über das dentale CAD-CAM-Verfahren befasst sich im ersten Teil mit der Definition der CAD-CAM-Prozesskette, ihren verschiedenen Schritten und deren Merkmalen. Anschließend werden wir die unterschiedlichen Konzepte der dentalen CAD-CAM-Prozesskette darlegen und ihre Anwendungsgebiete, Vorteile und Grenzen erläutern.

Definition

Die dentale CAD-CAM-Prozesskette (Computer Assisted Design / Computer Assisted Manufacturing oder Computerunterstütztes Design und Computerunterstützte Fertigung) stellt einen Vorgang aus koordinierten technologischen Methoden (CAD, CAM) dar, der die Aufzeichnung (Erfassung) analoger klinischer Daten in digitaler Form, die virtuelle Modellierung (CAD) und anschließend die materielle Herstellung (CAM) eines maßgefertigten Medizingeräts ermöglicht.

Sie betrifft folglich alle Fachgebiete der Zahnheilkunde, in denen maßgefertigte Medizingeräte zum Einsatz kommen.

Digitaler Workflow und Glieder der dentalen CAD-CAM-Prozesskette

Eine vollständige dentale CAD-CAM-Prozesskette besteht aus 4 Gliedern, die durch Schnittstellen getrennt sind:

1. Prozesskettenglied: Die Datenerfassung

Die Erfassung besteht in der Digitalisierung der klinischen Daten und in einem anschließenden Verarbeitungsschritt. Sie kann entweder direkt im Mund durch eine Intraoralkamera oder durch Scannen von Gipsmodellen oder Abdrücken erfolgen. 

Abbildung 1: Optische Intraoralkamera

2. Prozesskettenglied: Das CAD-Verfahren

Das CAD-Verfahren (Computerunterstütztes Design) ist ein Prozess zur Erstellung virtueller Gegenstände in Form einer graphischen Darstellung. Vor dem Entwurf des Zahnersatzes erfolgt ein Schritt mit der Bezeichnung „Nachbearbeitung“, der in der Optimierung der während der Erfassung durch optische Abformung erhaltenen Punkte besteht. Nach Abschluss dieses Schrittes erhält man das virtuelle Modell, das nach der Digitalisierung auf dem Monitor angezeigt wird.

3. Prozesskettenglied: Das CAM-Verfahren

Das CAM-Verfahren (Computerunterstützte Fertigung) ist ein Prozess zur Herstellung von Gegenständen, d. h. es handelt sich um eine physische Materialisierung eines (im CAD-Verfahren erstellten) virtuellen Gegenstandes. Sie ermöglicht die Generierung der Bearbeitungspfade durch eine spezifische Software, welche die Positionen der Werkzeuge während des Herstellungsprozesses bestimmt.

4. Prozesskettenglied: Die CNC-Maschine (Computerized Numerical Control / Werkzeugmaschine mit digitaler Steuerung) 

Hierbei handelt es sich um das vierte und letzte Glied der dentalen CAD-CAM-Prozesskette, das für die Herstellung zuständig ist. Eine programmierbare Werkzeugmaschine, die mit einer digitalen Steuerung ausgestattet ist, kommt zum Einsatz.

Bei der Herstellung wird eine der beiden folgenden Methoden angewandt: 

• Subtraktion (Abtragung von Material): Als subtraktive Fertigung bezeichnet man hauptsächlich die Herstellung durch Fräsen. 

• Addition (Hinzufügung von Material): Man spricht von additiver Fertigung, die besser bekannt ist unter der Bezeichnung 3D-Druck. Zu den wichtigsten Verfahren der additiven Fertigung zur Formgebung gehören: Stereolithographie (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM), Mikrolaserschmelzen (SLM) und Lasersintern (SLS). 

Abbildung 2: 3D-Drucker (SLA-Technik)

SLA	FDM	SLM	SLS
Die Stereolithographie durch Photopolymerisation (Stereolithography Apparatus)	Fused Deposition Modeling	Selektives Mikrolaserschmelzen (Selective Laser Melting)	Lasersintern (Selective Laser Sintering)
Chemisches Verfahren   Allmähliche Polymerisation eines sensiblen Spezialharzes durch einen Laserstrahl Wenn die Schicht erstarrt ist, fährt der Laser weiter über das flüssige Harzbad hinweg und erwärmt es, um sie zu polymerisieren und auszuhärten, bis sich der vollständige Gegenstand durch aufeinander folgende Schichten geformt hat.	Physikalisches Verfahren  Ein thermo-plastisches Polymerfila-ment, das auf die Temperatur seiner Formbarkeit erwärmt wurde, wird schichtweise durch eine Düse aufgetragen, um den gewünschten Gegenstand zu formen.	Physikalisches Verfahren  Aufeinander folgende Schichten werden aufgetragen, während ein Laser über ein Metallpulverbett fährt, um es zum Schmelzen zu bringen, bis sich das metallische Werkstück geformt hat.	Physikalisches Verfahren  Aufeinander folgende Schichten werden aufgetragen, während ein Laser über jede Schicht hinweg fährt, um ihre Sinterung zu ermöglichen, bis das gewünschte Modell entstanden ist.

Direktes, semidirektes oder indirektes CAD-CAM-Verfahren?

Angesichts der Entwicklung des CAD-CAM-Verfahrens können wir 3 verschiedene Methoden unterscheiden: 

Das direkte CAD-CAM-Verfahren

Es ermöglicht dem Zahnarzt die Herstellung einer Prothese in einer einzigen Sitzung. Alle Schritte werden innerhalb der Praxis durchgeführt. Die intraorale optische Abformung wird bis zur Anfertigung der Versorgung vor Ort verarbeitet: Inlay, Onlay, Keramikveneer, Einzelkrone oder provisorische Brücke.

Das semidirekte CAD-CAM-Verfahren

Mindestens ein Schritt erfolgt in der Zahnarztpraxis. Die vom Zahnarzt erfassten Daten können entweder in der Praxis im Rahmen des CAD-Verfahrens verarbeitet werden oder in Echtzeit online an ein Labor oder Fräszentrum weitergeleitet werden, was eine unmittelbare Interaktion mit dem Hersteller in Bezug auf die Anfertigung des Grundgerüstes sowie der Verblendkeramik ermöglicht. 

Das indirekte CAD-CAM-Verfahren 

Hier fertigt der Zahnarzt einen herkömmlichen chemisch-manuellen Abdruck an, den er an den Zahntechniker oder an das Fräszentrum weiterleitet. In diesem Fall werden alle Schritte der Prozesskette ausgelagert.  

Bei der semidirekten und indirekten Vorgehensweise werden Labore oder Fräszentren beauftragt, wenn die Ausführung sehr komplexer Versorgungen oder die Verarbeitung der entsprechenden Werkstoffe für die Zahnarztpraxis zu aufwändig wäre.  

Offene versus geschlossene Prozesskette   

Dieser Begriff beschreibt die Möglichkeit, in ein Glied der CAD-CAM-Prozesskette einzugreifen bzw. es innerhalb eines Workflows zu verändern.

Geschlossenes System oder „geschlossene“ CAD-CAM-Prozesskette

In diesem ersten Fall sind alle Glieder der Prozesskette vom Hersteller vorgeschrieben. Wenn die Erfassung erfolgt ist, kann die Prozesskette nicht mehr verlassen werden, d. h. ein Datenexport ist nicht möglich, abgesehen von der Endfertigung.

Offenes System oder „offene“ CAD-CAM-Prozesskette

Hier hat der Zahnarzt die Möglichkeit, die verschiedenen Prozesskettenglieder entsprechend seinem Bedarf und den spezifischen Merkmalen der einzelnen Schritte bei unterschiedlichen Herstellern zu erwerben. Nach jedem Schritt ist das Verlassen der Prozesskette möglich und ebenso der Export von Dateien. Diese Systemart ermöglicht die Änderung eines gesamten Prozesskettengliedes oder einzelner Parameter sowie den Zugriff auf die erhobenen Daten. 

Begriff der Kompatibilität

Die „Kompatibilität“ zwischen den ausgewählten verschiedenen Prozesskettengliedern bezeichnet die Fähigkeit von zwei digitalen Systemen (Software oder Hardware) zum Datenaustausch ohne Beeinträchtigung der Informationen. Dies ist die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Integration von zwei aufeinander folgenden digitalen Systemen in denselben digitalen Workflow. Bei der Auswahl der CAD-CAM-Prozesskette stellt sie deshalb ein entscheidendes Kriterium dar.

Welche Werkstoffe kommen beim CAD-CAM-Verfahren zum Einsatz?

Im Vergleich mit den herkömmlichen Methoden bietet das CAD-CAM-Verfahren eine breitere Palette an Werkstoffen, sodass es allen Arten von Versorgungen gerecht wird. Welche Werkstoffe verwendet werden, hängt vom gewählten Fertigungsverfahren ab (subtraktive oder additive Fertigung). Hauptsächlich kommen Werkstoffe mit ästhetischen Eigenschaften zum Einsatz: Harze, alle Arten von Keramik (Feldspatkeramik, Glaskeramik, Aluminiumoxid-Keramik, kristalline Keramik auf Aluminiumoxid- oder Zirkoniumdioxidbasis) und Hybridwerkstoffe. 

Heute stehen dem Zahnarzt nicht nur Vollton-Werkstoffblöcke zur Verfügung, sondern auch Blöcke mit Farbverlauf in einer Richtung (Empress CAD Multi usw.) oder mehreren Richtungen (MkII Real Life), sowie Blöcke mit variabler Lichtdurchlässigkeit (Empress CAD Multi und eMax CAD). Außerdem bieten die Hersteller eingefärbte kristalline Keramikblöcke an.

Auf diese Weise ermöglichte das CAD-CAM-Verfahren die Durchsetzung anderer Werkstoffe gegenüber den Metalllegierungen und sonstigen in der traditionellen Technik verwendeten Produkten, was zu einer zunehmenden Verbreitung vollkeramischer Versorgungen führte. 

Wofür wird das CAD-CAM-Verfahren angewandt?

Die Anwendung der CAD-CAM-Technologie führte zur Verbesserung der bestehenden therapeutischen Lösungen und ebnete den Weg für neue Lösungen. 

Die Anwendungsgebiete des CAD-CAM-Verfahrens reichen von der restaurativen und prothetischen Zahnheilkunde über die Implantologie und Oralchirurgie bis zur Kieferorthopädie. 

Diese Technik ermöglicht die Herstellung von indirekten Versorgungen (Inlays, Onlays), festsitzenden Einzelzahnversorgungen oder Verbundbrücken, Stiftkronen, Veneers, festsitzenden, (geklebten oder verschraubten) implantatgestützten Prothesen und sogar von Interimsprothesen. 

Ebenso kommt sie bei herausnehmbarem Zahnersatz und implantatgetragenen, herausnehmbaren Prothesen zum Einsatz. 

Bei herausnehmbaren Prothesen sind die spezifischen Softwareprogramme in der Lage, Vollprothesensattel und metallische Verbindungselemente für Teilprothesen zu entwerfen und die Okklusionsstellung des Patienten auf dem virtuellen Artikulator zu simulieren. 

Außerdem wird das CAD-CAM-Verfahren zur Herstellung von Gesichtsprothesen angewandt. Bei jeder Anwendung kommen ein eigenes Fertigungsverfahren und andere Werkstoffe zum Einsatz, doch der digitale Workflow bleibt im Wesentlichen unverändert.

In der Implantologie dient das CAD-CAM-Verfahren zur Herstellung von individuell abgestimmten Abutments, maßgefertigten Implantatstegen und Bohrschablonen zur Unterstützung des Zahnarztes beim Einsetzen von Implantaten. 

In der Kieferorthopädie schuf das CAD-CAM-Verfahren die Voraussetzungen für die Entwicklung einer neuen Behandlungsmethode zur Korrektor von Zahnfelhlstellungen durch sogenannte unsichtbare Aligner, die eine Alternative zur konventionellen kieferorthopädischen Therapie darstellt. Unter den Softwarelösungen für das CAD-CAM-Verfahren in der Kieferorthopädie können wir Invisalign® erwähnen. Diese Softwareprogramme ermöglichen die Archivierung der durch optische Abformung erzielten digitalen Modelle, die Planung der Behandlungsmaßnahmen durch Setups und die Verwertung von Fernröntgen-Daten. 

Abbildung 3: Unsichtbarer Aligner

Dank des CAD-CAM-Verfahrens wurde der Klebevorgang durch die Anfertigung von Transferschienen für die indirekte Klebetechnik optimiert. Diese ermöglichen eine exakte und schnelle Übertragung der Position der kieferorthopädischen Brackets auf die Zähne des Patienten. Außerdem ermöglicht das CAD-CAM-Verfahren die Anfertigung von Osteotomie- und Repositionsschablonen (bei kieferchirurgischen Operationen von Lefort-Frakturen, Unterkieferrekonstruktionen), sowie von kieferorthopädischen Orthesen, Zahnspangen und Modellen usw.

Abbildung 4: Kieferorthopädische Transferschiene für die indirekte Klebetechnik 

Welche Vorteile bietet das CAD-CAM-Verfahren?

Die unzähligen Vorteile dieses Verfahrens nützen nicht nur dem Zahnarzt, sondern auch dem Patienten und dem Zahntechniker.

Vorteile für den Zahnarzt:

Schnelligkeit, Zeitgewinn und höherer Komfort:

Die Nutzung optischer Abformungen macht mehrere Schritte der prothetischen Prozesskette überflüssig. Das ermöglicht eine schnelle und effiziente Umsetzung und folglich einen erheblichen Zeitgewinn sowie einen standardisierten Ablauf mit geringerem Nachbesserungsbedarf der Versorgungen bei gleichzeitiger Gewährleistung der Verlässlichkeit.

Gewinn an Produktivität und Rentabilität: 

Abgesehen von der Optimierung der Produktivität in der Zahnarztpraxis dank der Verkürzung der Herstellungsfristen verringert sich beim direkten CAD-CAM-Verfahren die Anzahl der Sitzungen auf eine einzige Sitzung. Das stellt eine Garantie für die tägliche Rentabilität der Praxis dar.

Gewinn an Präzision, Gleichmäßigkeit und Rückverfolgbarkeit:

Der Ablauf des CAD-CAM-Verfahrens, der aufgrund der Verringerung der Schritte der prothetischen Prozesskette und folglich der Fehlerrisiken überschaubar ist, verbessert die Präzision der Versorgungen. 

Darüber hinaus gewährleistet die Digitalität die Gleichmäßigkeit der Medizinprodukte und die Optimierung ihrer Rückverfolgbarkeit.

Erweiterung des therapeutischen Spektrums:

Dem Zahnarzt stehen neue Werkstoffe und Verfahren zur Verfügung, unter anderem der 3D-Druck, was ihm die Diversifikation der täglich durchgeführten Eingriffe und Behandlungsmaßnahmen ermöglicht. Das Beherrschen der digitalen Technik setzt eine Lernphase voraus, die sich auch auf den Umgang mit den neuen Werkstoffen und die Kenntnis ihrer spezifischen Eigenschaften, Indikationen und Grenzen bezieht, sowie auf die neuen Arbeitsinstrumente, von der Intraoralkamera oder dem Abdruck-Scanner (Silikon oder Alginat), über die CAD-CAM-Software bis zur digital gesteuerten Werkzeugmaschine. Das trägt zur täglichen Weiterentwicklung des Zahnarztes bei.

Verbessertes Praxisimage:

Die breit gefächerte Auswahl an Werkstoffen und die neuen therapeutischen Lösungen des CAD-CAM-Verfahrens stellen einen Wettbewerbsvorteil für den Zahnarzt dar, da er seinen Patienten dank seiner innovativen Arbeitsmethoden und Praxisausstattungen eine modernere Zahnheilkunde bieten kann.

Vorteile für den Patienten

Bessere Behandlungsqualität:

Dank des CAD-CAM-Verfahrens profitieren die Patienten heute von Versorgungen, die nicht nur ästhetischer, biomimetischer und biokompatibler sind, sondern auch präziser.  

Die Entmaterialisierung der Vorgänge entlang der gesamten prothetischen Prozesskette vermeidet die Häufung von Ungenauigkeiten, welche die traditionellen Methoden mit sich brachten. Das Aufkommen neuer, innovativer Werkstoffe machte die schnelle Ausarbeitung von Sicherheits- und Qualitätsnormen für das Endprodukt erforderlich, was die tadellose Qualität der durch CAD-CAM-Verfahren ausgearbeiteten Versorgungen garantiert.

Patientenkomfort:

Der Wegfall der physikalischen Abdrucknahme (Alginat oder Silikon), die von den Patienten häufig als zu aggressiv empfunden wurde, ist sehr zu begrüßen. Weitere nicht zu unterschätzende Vorteile bestehen darin, dass dem Patienten die Interimsprothese und die zweite Betäubung erspart bleiben. Außerdem sind die Sitzungen kürzer und komfortabler, und ihre Anzahl ist geringer. Manche Behandlungen können dank des direkten CAD-CAM-Verfahrens einschließlich der Präparation in einer einzigen Sitzung erfolgen. 

Kosteneinsparung

Die Verkürzung der Fristen und die Verringerung der für die Fertigung der Versorgungen erforderlichen Arbeitszeit im CAD-CAM-Verfahren in Kombination mit der Marktentwicklung äußern sich in einer Kostensenkung.

Vorteile für den Zahntechniker 

Von den Vorteilen der Praxis profitiert das Labor ebenso. Der Zahntechniker erhält unmittelbar eine digitale Abformung von hoher Präzision, was die mitunter auf subjektive Interpretationen zurückzuführenden Fehlerquellen verringert und eine Erhöhung der Ausführungsgeschwindigkeit und der Produktivität zulässt.

Optimierung der Kommunikation zwischen den drei Beteiligten: Patient-Zahnarzt-Zahntechniker: 

Zahnarzt-Zahntechniker  

Beim semidirekten und indirekten CAD-CAM-Verfahren kommuniziert der Zahnarzt über das Internet in Echtzeit mit dem spezialisierten Labor, was zu einem interessanten Austausch zwischen den beiden Parteien in ihren Fachgebieten führt. 

Patient-Zahnarzt

Die Patientenkommunikation wird dank des digitalen Datenflusses erleichtert, denn diese Technologien bieten eine Fülle an Austausch- und Informationsschnittstellen. Tatsächlich liefert ein präzises visuelles Erklärungstool unkomplizierte Begründungen für die ausgewählte Therapie und den Behandlungsplan mithilfe von Bildern, die auf dem Monitor angezeigt werden. Dabei haben die Patienten die Möglichkeit, mit dem Zahnarzt den Farbton und die Form der Zähne sowie die angewandte Methode zu erörtern. Wenn auf die medizinische Fachsprache verzichtet wird, können sich die Patienten das Endergebnis ihrer Behandlung besser vorstellen, sodass sie in Bezug auf die Qualität zuversichtlich sind. Auf diese Weise gewinnt die Praxis an Glaubwürdigkeit, und ein Vertrauensverhältnis zwischen Patient und Zahnarzt wird aufgebaut.

Ökologischer Vorteil 

Die Verringerung der im Rahmen konventioneller Methoden verwendeten Werkstoff- und Abfallmengen, insbesondere dank der digitalen Abformungen und der additiven Fertigung, wirkt sich zweifellos positiv auf die Umwelt aus.

Die Grenzen der CAD-CAM-Technik 

Trotz der oben erwähnten zahlreichen Vorteile zögern viele Zahnärzte, das CAD-CAM-Verfahren in ihre tägliche Arbeit zu integrieren. Folgende Gründe könnten dabei eine Rolle spielen:

• Hohe Investitions- und Wartungskosten, vor allem für junge Zahnärzte oder kleine Praxen. Doch die Marktentwicklung wird langfristig zu einer Verringerung dieser Kosten führen.
• Nicht ausgestatteter Partner-Zahntechniker
• Nichtvorhandensein des Interesses und der Zeit, die für die Aneignung der CAD-CAM-Technik erforderlich sind 
• Das ästhetische Erscheinungsbild der durchgefärbten Schleifkeramik, das im Vergleich mit der Presskeramik der traditionellen Technik häufig als unterlegen eingestuft wird 
• Begrenzte Anzahl klinischer Indikationen 

Fazit

Das Aufkommen des CAD-CAM-Verfahrens hat die zahnmedizinische Fachwelt revolutioniert und neuen therapeutischen Möglichkeiten sowie der Entwicklung neuer Materialien der Weg geebnet. 

Trotz des beträchtlichen Aufschwungs, den es erlebt hat, bleibt die Anzahl der damit ausgestatteten Zahnärzte in Frankreich gering. Für manche bedeutet der Wechsel eine gewaltige Umstellung, die ihre Arbeitsmethoden sprengen würde.  

Doch der nicht zu unterschätzende Gewinn an Präzision, Zeit und Komfort, der für den Patienten ebenso attraktiv ist wie für den Zahnarzt, stellt einen Anreiz dar, der immer mehr Zahnärzte veranlassen dürfte, den Schritt zu einer digitalen Zahnheilkunde zu wagen.

Beim Erwerb einer dentalen CAD-CAM-Prozesskette muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass die ausgewählte Ausstattung die gewünschte Leistungsfähigkeit und Ergonomie und vor allem die erforderliche Kompatibilität aufweist.