1 Einleitung und historischer Überblick

Ursprünglich in den 1960er Jahren in der Luftfahrt- und Automobilindustrie entwickelt, um die Herstellung repetitiver Formen zu standardisieren, war die Anwendung des CAD/CAM in der Zahnheilkunde ein ambitioniertes, ja fast illusorisches Projekt, da jedes gefertigte prothetische Werkstück einzigartig und patientenspezifisch ist.

François DURET war es, der 1973 die Idee hatte, dieses Konzept auf die Herstellung von Zahnprothesen zu übertragen, und wurde damit zum Erfinder des dentalen CAD/CAM, dessen Grundlagen er in seiner Dissertation „Die optische Abformung" legte.

Dank der Arbeiten von F. Duret wurde das CAD/CAM ins Leben gerufen und hat die Welt der Zahnheilkunde revolutioniert.

Seither hat sich diese Technologie im Bereich der Zahnmedizin stetig weiterentwickelt und vervollkommnet, um sich im digitalen Zeitalter als unverzichtbares Arbeitsinstrument zu etablieren.

Definition

Die dentale CAD/CAM-Kette (Computer Assisted Design / Computer Assisted Manufacturing, rechnergestützte Konstruktion und Fertigung) ist ein Zusammenspiel koordinierter Technologien (CAD, CAM), das die digitale Erfassung (Akquisition) analoger klinischer Daten, die virtuelle Modellierung (CAD) und anschließend die materielle Herstellung (CAM) eines maßgeschneiderten Medizinprodukts ermöglicht.

Es betrifft somit alle Fachgebiete der Zahnheilkunde, die maßgeschneiderte Medizinprodukte umfassen.

2 Digitaler Workflow und Komponenten der CAD/CAM-Kette

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

1. Glied: Die Datenerfassung

Die Erfassung besteht in der Digitalisierung der klinischen Daten, gefolgt von einem Verarbeitungsschritt. Sie kann direkt im Mund mittels Intraoralkamera oder durch Scannen der Gipsmodelle oder der Abformungen erfolgen.

Abbildung 1 — Optische Intraoralkamera

2. Glied: Die CAD

Die CAD (Computer Assisted Design, rechnergestützte Konstruktion) ist ein Prozess zur Erstellung virtueller Objekte mittels grafischer Darstellung. Sie umfasst einen der Prothesenkonstruktion vorgeschalteten Schritt, die sogenannte „Nachbearbeitung" der bei der Erfassung durch optische Abformung gewonnenen Punkte. Am Ende dieses Schrittes erhält man das virtuelle Modell, das nach der Digitalisierung auf dem Bildschirm angezeigt wird.

3. Glied: Die CAM

Die CAM (Computer Assisted Manufacturing, rechnergestützte Fertigung) ist ein Prozess zur Herstellung von Objekten, also zur physischen Materialisierung eines virtuellen Objekts (durch CAD erstellt). Sie ermöglicht die Generierung der Bearbeitungspfade durch eine dedizierte Software, die die Positionen der Werkzeuge während der Fertigung festlegt.

4. Glied: Die CNC-Maschine

Dies ist die 4. und letzte Komponente der dentalen CAD/CAM-Kette, zuständig für die Fertigung. Es handelt sich um eine programmierbare computergesteuerte Werkzeugmaschine (CNC).

Das Fertigungsverfahren erfolgt entweder:

• Subtraktiv (durch Materialabtrag): Man spricht von subtraktiver Fertigung, hauptsächlich dem Fräsen.
• Additiv (durch Materialauftrag): Man spricht von additiver Fertigung, besser bekannt unter dem Namen 3D-Druck. Die wichtigsten additiven Formgebungsverfahren sind: Stereolithografie (SLA), Fused Deposition Modeling (FDM), Laserschmelzen (SLM) und Lasersintern (SLS).

Abbildung 2 — 3D-Drucker (SLA-Technik)

SLA	FDM	SLM	SLS
Stereolithografie durch Fotopolymerisation	Fused Deposition Modeling	Selektives Laserschmelzen	Lasersintern
Chemisches Verfahren — Fortschreitende Polymerisation eines speziellen lichtempfindlichen Harzes durch einen Laserstrahl. Sobald die Schicht verfestigt ist, tastet der Laser weiterhin das flüssige Harzbad ab, um es bis zur Aushärtung zu polymerisieren, bis das vollständige Objekt Schicht für Schicht geformt ist.	Physikalisches Verfahren — Auftragen eines thermoplastischen Polymerfilaments, das auf seine Plastizitätstemperatur erhitzt wird, Schicht für Schicht durch eine Düse zur Formung des gewünschten Objekts.	Physikalisches Verfahren — Auftragen aufeinanderfolgender Schichten, kombiniert mit einem Laser, der ein Metallpulverbett abtastet und aufschmilzt, bis zur Bildung des Metallwerkstücks.	Physikalisches Verfahren — Auftragen aufeinanderfolgender Schichten, kombiniert mit einem Laser, der jede Schicht abtastet, um deren Sinterung bis zum Erhalt des gewünschten Modells zu ermöglichen.

3 Direktes, halbdirektes oder indirektes CAD/CAM

Die Entwicklung des CAD/CAM erlaubt die Unterscheidung von 3 verschiedenen Methoden:

Das direkte CAD/CAM

Ermöglicht es dem Behandler, eine Prothese in einer einzigen Sitzung anzufertigen. Alle Schritte werden innerhalb der Zahnarztpraxis durchgeführt. Die intraorale optische Abformung wird vor Ort bis zur Herstellung der Restauration verarbeitet – Inlay, Onlay, Keramikveneer, Einzelkrone oder auch provisorische Brücke.

Das halbdirekte CAD/CAM

Es durchläuft mindestens einen Schritt in der Zahnarztpraxis: Die vom Behandler durchgeführte Erfassung kann in der Praxis für die CAD verarbeitet oder in Echtzeit an ein Labor oder ein Online-Fräszentrum übermittelt werden, was eine sofortige Interaktion mit dem Hersteller für die Fertigung des Gerüsts sowie der Verblendung ermöglicht.

Das indirekte CAD/CAM

Der Behandler nimmt eine klassische chemisch-manuelle Abformung, die er an den Zahntechniker oder das Fräszentrum übermittelt. Alle Schritte der Kette werden somit ausgelagert.

Abbildung 3 — Direktes, halbdirektes und indirektes CAD/CAM

Die halbdirekten und indirekten Techniken greifen für die Ausarbeitung komplexerer Restaurationen mit Materialien, die in der Praxis schwieriger zu verarbeiten sind, auf Labore oder Fräszentren zurück.

Offenes versus geschlossenes System

Dieser Begriff definiert die Möglichkeit, in ein Glied der CAD/CAM-Kette einzugreifen oder es in einem digitalen Workflow auszutauschen.

Geschlossenes System: Alle Komponenten der Kette sind vom Hersteller vorgegeben. Sobald die Erfassung erfolgt ist, ist kein Ausstieg aus der Kette und damit kein Datenexport möglich, abgesehen von der endgültigen Fertigung.

Offenes System: Der Behandler hat die Wahl, die verschiedenen Glieder von unterschiedlichen Herstellern je nach seinen Bedürfnissen und den spezifischen Eigenschaften jeder Komponente zu erwerben. Der Ausstieg aus der Kette ist nach jedem Schritt möglich, ebenso der Export von Dateien. Dieser Systemtyp ermöglicht es, ein Glied vollständig oder bestimmte Parameter zu ändern und auf die gewonnenen Daten zuzugreifen.

Begriff der Kompatibilität

Es ist die „Kompatibilität" zwischen den verschiedenen gewählten Gliedern der Kette, die die Fähigkeit zweier digitaler Systeme (Software oder Hardware) bezeichnet, Daten ohne Informationsverfälschung auszutauschen. Dies stellt das Mindestmaß dar, das erforderlich ist, damit die Integration zweier aufeinanderfolgender digitaler Systeme in denselben digitalen Workflow möglich ist. Sie ist ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der CAD/CAM-Kette.

4 Materialien in der CAD/CAM-Technik

Im Vergleich zu den klassischen Techniken bietet das CAD/CAM eine breitere Palette an Materialien, um allen Arten von Restaurationen gerecht zu werden. Die verwendeten Materialien hängen vom gewählten Fertigungsverfahren – subtraktiv oder additiv – ab und sind hauptsächlich ästhetische Materialien: Harze, Keramiken aller Art (Feldspatkeramiken, Glaskeramiken, Aluminiumkeramiken, kristalline Keramiken auf Aluminium- oder Zirkonoxidbasis) und Hybridmaterialien.

Heute verfügt der Behandler über Blöcke aus Materialien in Volltönen, aber auch über in eine Richtung (Empress CAD Multi...) oder in mehrere Richtungen (MkII Real Life) abgestufte Blöcke oder über Blöcke mit variabler Transluzenz (Empress CAD und eMax CAD). Die Hersteller bieten auch getönte kristalline Keramikblöcke an.

Auf diese Weise hat das CAD/CAM andere Materialien als die in der traditionellen Technik verwendeten Metalllegierungen und Produkte in den Vordergrund gerückt, was dazu geführt hat, dass Vollkeramikrestaurationen zur Selbstverständlichkeit wurden.

5 Anwendungen des CAD/CAM

Der Einsatz der CAD/CAM-Technologie hat zur Verbesserung bestehender therapeutischer Lösungen geführt und den Weg für neue Lösungen geebnet.

Die Anwendungsgebiete des CAD/CAM reichen von der restaurativen Zahnheilkunde über die Prothetik und Implantologie bis zur oralen Chirurgie und auch zur Kieferorthopädie.

Festsitzende Prothetik und Restaurationen

Diese Technik ermöglicht die Herstellung indirekter Restaurationen (Inlays, Onlays), festsitzender Einzel- und Mehrfachprothesen, Stiftaufbauten, Veneers, festsitzender implantatgetragener Prothesen (verklebt oder verschraubt) und sogar provisorischer Prothesen.

Herausnehmbare Prothetik

Sie findet auch Anwendung bei herausnehmbaren Prothesen und herausnehmbaren Prothesen auf Implantaten. In der herausnehmbaren Prothetik können die dedizierten Softwares die Basen von Totalprothesen, die Metallgerüste in der Teilprothetik konzipieren und die Okklusion des Patienten auf einem virtuellen Artikulator simulieren.

Sie wird auch zur Herstellung maxillofazialer Prothesen eingesetzt. Für jede Anwendung unterscheiden sich die Fertigungsverfahren und die Materialien, aber der digitale Workflow bleibt weitgehend derselbe.

Implantologie

In der Implantologie ermöglicht das CAD/CAM die Herstellung individualisierter Abutments, maßgeschneiderter Implantatstege und implantologischer Bohrschablonen zur Führung des chirurgischen Eingriffs bei der Implantatinsertion.

Kieferorthopädie

In der Kieferorthopädie hat das CAD/CAM die Entwicklung einer neuen Behandlung zur Korrektur von Malokklusionen mittels sogenannter unsichtbarer Aligner-Schienen ermöglicht, die eine Alternative zur konventionellen kieferorthopädischen Behandlung darstellen. Diese Softwares ermöglichen es, die durch optische Abformung gewonnenen digitalen Modelle zu archivieren, die Behandlungen durch Set-ups zu planen und die kephalometrischen Daten auszuwerten.

Abbildung 4 — Unsichtbare Aligner-Schiene

Dank des CAD/CAM wird der Klebeschritt durch die Herstellung einer Schiene für indirektes Kleben optimiert, die es ermöglicht, die Position der kieferorthopädischen Brackets originalgetreu und schnell auf die Zähne des Patienten zu übertragen. Das CAD/CAM ermöglicht auch die Herstellung von Osteotomie- und Repositionsschablonen, kieferorthopädischen Orthesen, Frühinterventionsgeräten und Modellen.

Abbildung 5 — Schiene für indirektes kieferorthopädisches Kleben

6 Vorteile des CAD/CAM

Für den Behandler

Schnelligkeit, Zeitersparnis und Komfort: Der Einsatz optischer Abformungen eliminiert eine Reihe von Schritten der prothetischen Kette. Das ermöglicht eine schnelle und effiziente Umsetzung und damit eine erhebliche Zeitersparnis und ein standardisiertes Protokoll mit geringerem Nacharbeitungsbedarf bei den Restaurationen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Produktivitäts- und Rentabilitätsgewinne: Neben der Produktivität in der Praxis, die dank der verkürzten Fertigungszeiten optimiert wird, reduziert sich die Anzahl der Sitzungen auf eine einzige im direkten CAD/CAM. Dies ist eine tägliche Rentabilitätsgarantie für die Praxis.

Präzisionsgewinn, Regelmäßigkeit und Rückverfolgbarkeit: Das rationale Protokoll, das das CAD/CAM durch die Reduzierung der Schritte der prothetischen Kette und damit der Fehlerrisiken bietet, verbessert die Präzision der Restaurationen. Darüber hinaus ermöglicht das Digitale die Sicherstellung der Regelmäßigkeit der Medizinprodukte und die Optimierung ihrer Rückverfolgbarkeit.

Erweitertes therapeutisches Arsenal: Der Behandler verfügt über neue Materialien und Verfahren, unter anderem den 3D-Druck, was ihm die Diversifizierung der durchgeführten Behandlungen und täglich erbrachten Versorgungen ermöglicht.

Verbessertes Markenimage: Die breite Materialpalette und die neuen therapeutischen Lösungen, die das CAD/CAM bietet, ermöglichen es dem Behandler, sich zu differenzieren, indem er seine Arbeit und die technische Ausstattung seiner Praxis aufwertet und seinen Patienten eine modernere Zahnheilkunde anbietet.

Für den Patienten

Behandlungen höherer Qualität: Dank der CAD/CAM-Technik profitieren die Patienten heute von Restaurationen, die nicht nur ästhetischer, biomimetischer und biokompatibler, sondern auch präziser sind. Die Entmaterialisierung der Aufgaben entlang der gesamten prothetischen Kette verhindert die Akkumulation von Ungenauigkeiten, die den traditionellen Techniken innewohnen.

Patientenkomfort: Die Eliminierung des physischen Abformschritts (Alginat oder Silikon), der von Patienten in der CAD/CAM-Technik häufig als zu unangenehm empfunden wird, ist sehr angenehm. Der Rückgriff auf eine einzige Anästhesie statt zwei, der Wegfall des Provisoriums sind unbestreitbare Vorteile. Die Sitzungen sind kürzer und komfortabler und ihre Anzahl reduziert sich; manche Behandlungen können dank des direkten CAD/CAM in einer einzigen Sitzung einschließlich der Präparation erfolgen.

Reduzierte Kosten: Die Verkürzung der Fristen und die Verringerung der für die Herstellung der Restaurationen durch CAD/CAM erforderlichen menschlichen Ressourcen, verbunden mit der Marktentwicklung, schlagen sich in einer Senkung ihrer Kosten nieder.

Für den Zahntechniker

Die Vorteile der Praxis werden zu denen des Labors. Der Zahntechniker erhält sofort eine digitale Abformung hoher Präzision, was die Fehlerquellen reduziert, die manchmal auf subjektiven Interpretationen beruhen, was die Steigerung der Ausführungsgeschwindigkeit und Produktivität ermöglicht.

Kommunikation Patient-Behandler-Zahntechniker

Behandler-Zahntechniker: Im halbdirekten und indirekten CAD/CAM kommuniziert der Behandler mit dem spezialisierten Labor in Echtzeit über das Internet, woraus sich ein interessanter Austausch beider Parteien in ihren Expertisebereichen ergibt.

Patient-Behandler: Die Kommunikation mit dem Patienten wird durch den digitalen Datenfluss erleichtert. Die therapeutische Entscheidung und der vorgeschlagene Behandlungsplan werden durch präzise visuelle Erklärungen mit auf dem Bildschirm angezeigten Bildern untermauert. Die Patienten haben dann die Möglichkeit, die Zahnfarbe und -form sowie die angewandte Technik mit dem Behandler zu besprechen. Indem sie sich vom medizinischen Fachjargon lösen, können sich die Patienten das Endergebnis ihrer Behandlung virtuell besser vorstellen und sind hinsichtlich deren Qualität beruhigt.

Ökologischer Nutzen

Die Verringerung der in der konventionellen Technik verwendeten Materialmengen und Abfälle, insbesondere dank des Einsatzes optischer Abformungen und der additiven Fertigung, hat eine unbestreitbar positive Auswirkung auf die Umwelt.

7 Grenzen der CAD/CAM-Technik

Trotz der zahlreichen zuvor genannten Vorteile bleiben viele Behandler dennoch zurückhaltend, das CAD/CAM in ihrer täglichen Praxis einzuführen. Dies lässt sich durch folgende Gründe erklären:

• Hohe Investitions- und Wartungskosten, insbesondere für junge Behandler oder kleine Praxen. Die Marktentwicklung wird jedoch langfristig zu einer Senkung dieser Kosten führen.
• Partnerlabor nicht ausgestattet
• Mangel an Interesse und der für das Erlernen der CAD/CAM-Technik erforderlichen Zeit
• Ästhetisches Erscheinungsbild der bemalten gefrästen Keramik, das häufig als minderwertig gegenüber der nach traditioneller Technik geschichteten Keramik beurteilt wird
• Begrenzte klinische Indikationen

8 Fazit

Das Aufkommen des CAD/CAM hat die Welt der Zahnheilkunde revolutioniert. Diese Technologie hat den Weg zu neuen therapeutischen Möglichkeiten sowie zur Entwicklung neuer Materialien geebnet. Trotz des beträchtlichen Aufschwungs, den sie erlebt hat, bleibt die Zahl der in Deutschland mit CAD/CAM ausgerüsteten Zahnärzte gering. Für manche stellt die Umstellung einen wichtigen Übergang dar, der ihre Praktiken umwälzen wird.

Die unbestreitbaren Gewinne an Präzision, Zeit und Komfort für den Behandler und den Patienten sind Gründe, die immer mehr Zahnärzte dazu bewegen sollten, den Schritt zu einer digitalen Zahnheilkunde zu wagen. Bei der Anschaffung einer dentalen CAD/CAM-Kette muss darauf geachtet werden, eine Ausrüstung auszuwählen, die in Bezug auf Leistung, Ergonomie und vor allem Kompatibilität angepasst ist.