TITLE: History of CAD/CAM technology

STRESZCZENIE: W artykule przedstawiono ideę systemu CAD/CAM, jego genezę i zastosowanie, a także ukazano rozwój technologii skanowania i projektowania (CAD) oraz wytwarzania uzupełnień (CAM). Niniejsza praca stanowi część pierwszą projektu przedstawiającego historię technologii CAD/CAM od jej początków do czasów współczesnych.

SŁOWA KLUCZOWE: technologia CAD/CAM, projektowanie, narzędzia cyfrowe, drukowanie 3D, skaner laboratoryjny

SUMMARY: The article presents the essence of the CAD/CAM technology, its genesis, applications and development in terms of scanning and design (CAD) as well as manufacturing (CAM) of prosthodontic restorations. The paper is the first part of the article describing the history of CAD/CAM from its origins to modern times.

KEYWORDS: CAD/CAM technology, designing, digital tools, 3D printing, laboratory scanner

Wprowadzenie technologii CAD/CAM (ang. computer-aided design/computer-aided manufacturing) do techniki dentystycznej wywarło duży wpływ na unowocześnienie wykonawstwa prac protetycznych. Powszechny postęp oraz dążenie do wykonywania wytrzymałych, a zarazem estetycznych prac przyczyniły się do wykorzystania tego systemu w stomatologii. W porównaniu z tradycyjnymi metodami, technologia ta wykazuje się większą precyzją i oszczędnością czasu pracy (1). System CAD/CAM łączy komputerowe projektowanie oraz wytwarzanie uzupełnień protetycznych. Najczęściej składa się z trzech głównych części: skanerów, oprogramowania oraz urządzeń frezujących/drukujących (2). Skrót CAD oznacza komputerowe wspomaganie projektowania, dzięki któremu powstaje wizualizacja uzupełnień protetycznych, natomiast CAM jest odpowiedzialny za końcowy etap projektu, wytwarzając pracę za pomocą cyfrowo sterowanej obrabiarki z ruchomą głowicą frezującą lub urządzeniem drukującym (3).

Studenci technik dentystycznych, członkowie Studenckiego Koła Naukowego przy Zakładzie Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego, przystąpili do projektu mającego na celu przedstawienie ewolucji i zastosowanie projektowania w technologii CAD/CAM w technice dentystycznej. Studenci zostali podzieleni na dwie grupy. Pierwsza z nich była odpowiedzialna za zarys historyczny CAD/CAM oraz jej postęp. W drugiej części artykułu pozostali członkowie przedstawią wybrane materiały dostępne na rynku do technologii CAM oraz projekt korony górnego stałego zęba szóstego prawego.

Systemy CAD pierwszej generacji były typowymi programami projektowymi 2D przeznaczonymi głównie do automatyzacji powtarzających się czynności kreślarskich. Doktor Patrick J. Hanratty, określany „ojcem CAD/CAM”, jako pierwszy w 1957 roku wprowadził go pod nazwą PRONTO (4). System miał zastąpić o wiele droższe komputery i przybliżyć wymagania w zakresie budowy maszyn, co doceniły duże firmy lotnicze i samochodowe, które jako pierwsze używały tego oprogramowania (5). W latach 60. Ivan Sutherland opracował innowacyjny system CAD zwany „Sketchpad”. Dzięki możliwości uzyskania interakcji graficznej z komputerem za pomocą pióra czas operacyjny, który sięgał wielu godzin, został zmniejszony do sekund. Na przełomie lat 60. i 70. w Stanach Zjednoczonych i we Francji podejmowano innowacyjne prace nad złożonymi obliczeniami krzywych 3D i geometrii powierzchni. Pionierami zastosowania systemów CAD/CAM w stomatologii byli Matts Anderson, który w 1981 roku wprowadził pierwsze obrabiarki numeryczne dla protetyki oraz Rick Durett, który stworzył system do wykonywania koron protetycznych o kształtach anatomicznych dostosowanych czynnościowo do kształtu przeciwstawnego łuku (4, 7). Co więcej, w latach 70. wdrożył system Sopha. Wydarzenie to miało bezpośredni wpływ na światowy rozwój systemów CAD/CAM przeznaczonych do celów protetycznych (4). Ze względu na złożoność oraz koszt produkcji, mechanizm autorstwa Durreta nie odniósł dużego sukcesu. Pierwszym komercyjnie opłacalnym systemem CAD/CAM był CEREC (Sirona Dental Systems) opracowany przez doktora Wernera Mormanna i doktora Marco Brandestiniego. Próbowali oni wykorzystać nową technologię w gabinecie dentystycznym od strony klinicznej. Za pomocą kamery wewnątrzustnej bezpośrednio skanowali jamę ustną pacjenta, a następnie projektowali i rzeźbili uzupełnienie z bloku ceramicznego za pomocą kompaktowej maszyny (6, 7). Pojawienie się tego systemu umożliwiło wykonywanie uzupełnień ceramicznych jeszcze tego samego dnia. Wieloletnie zaangażowanie i praca doktorów Wernera i Brandestiniego przyczyniły się do stworzenia podstaw technologii CAD/CAM, która jest obecnie coraz szerzej wykorzystywana w stomatologii i protetyce dentystycznej (8).

Poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań dynamicznie się rozwija. Na rynku dostępnych jest coraz więcej produktów ułatwiających pracę zarówno lekarzy dentystów, jak i techników dentystycznych. Ze względu na technologię skanowania można wyróżnić trzy rodzaje urządzeń: skanery kontaktowe, laserowe oraz optyczne (9).

W technice skanowania kontaktowego konieczne jest odlanie modelu gipsowego, który jest następnie umieszczany w uchwycie skanera (10). Proces skanowania jest mechaniczny i polega na odczytywaniu kształtu obiektu za pomocą sondy, która przesuwa się wzdłuż modelu. Zarejestrowane punkty są ze sobą łączone i w ten sposób powstaje cyfrowy model, na którym jest możliwe zaprojektowanie uzupełnienia protetycznego (9).

W przypadku urządzeń laserowych skanowanie odbywa się nie przez fizyczny kontakt sondy z modelem, a przez emisję wiązki lasera, która skanuje powierzchnię punktowo, co wiąże się z koniecznością pokonania znacznego obszaru w celu zeskanowania całego obiektu. Skanery optyczne to nowoczesne systemy, które bazują przede wszystkim na skanowaniu poprzez światło strukturalne – niebieskie, białe lub zielone (fot. 1) (11). Głowica skanująca w tego typu urządzeniach jest wyposażona w diodę LED emitującą światło, które po odbiciu od powierzchni modelu jest rejestrowane przez detektor i w ten sposób powstaje cyfrowy model (10, 12). W przeciwieństwie do skanerów laserowych, w technologii skanowania światłem możliwe jest jednoczesne objęcie dużej powierzchni, co znacznie skraca czas skanowania. Obecnie dostępne na rynku urządzenia skanują pojedynczy punkt w czasie nie dłuższym niż pół minuty, zaś na odwzorowanie całego łuku potrzebują około 1-2 min. Dostępne są również i takie systemy, które skanują pełen łuk w czasie 12 sekund (11). Oprócz krótszego czasu skanowania każde kolejne urządzenie cechuje się większą precyzją. We współczesnych skanerach różnice w dokładności odwzorowywania powierzchni wahają się na poziomie kilku do kilkunastu mikronów w zależności od rozległości skanowanego obszaru (pojedynczy punkt, cały łuk zębowy) (11).

Producenci skanerów przedstawiają nowe możliwości swoich produktów i nieustannie rozwijają zdolności skanowania. Współcześnie dostępne na rynku systemy są w stanie zeskanować pojedyncze modele gipsowe, wewnątrzustne rejestratory zwarcia, wyciski, w tym wyciski dwustronne, a także modele oprawione w artykulatorach. Możliwe jest także skanowanie kilku modeli jednocześnie, co również pozwala zaoszczędzić czas (11). Rozwój systemu CAD/CAM sprawił, że jest on chętnie wykorzystywany nie tylko do projektowania i wytwarzania prac stałych, ale także uzupełnień ruchomych. W efekcie na rynku wiele skanerów posiada zdolność skanowania tekstury, co daje możliwość przeniesienia na przykład projektu protezy szkieletowej wykonanego ołówkiem na modelu przez technika (13). Obecnie na rynku można znaleźć wiele firm oferujących skanery laboratoryjne, takie jak na przykład: 3Shape, Amann Girrbach, Dental Wings, Dentsply Sirona, DOF, DScan 3, Imetric 3D, Medit, PiDental, Zfx czy Zirkonzahn (11).

Oprogramowanie pozwala technikowi na komputerowe zaprojektowanie uzupełnień protetycznych na wirtualnym modelu, a w kolejnym etapie umożliwia obliczenie parametrów frezowania. W skład oprogramowania mogą wchodzić gotowe propozycje różnorodnych kształtów zębów, co ułatwia i przyspiesza pracę. Składa się ono z kilku części. Są to: archiwum, scan i część frezująca.

Jednym z etapów wykonania uzupełnienia protetycznego jest przekazanie danych dotyczących projektu do urządzenia frezującego lub drukującego. We współczesnej protetyce stomatologicznej coraz częściej są wykorzystywane systemy spieku laserowego, maszyny frezujące oraz drukarki 3D.

Komputerowo wspomagane wytwarzanie (CAM) może odbywać się metodami ubytkowymi i addytywnymi. Proces techniki ubytkowej wykorzystuje frezarki, przy pomocy których prefabrykowane bloczki zostają poddane skrawaniu (fot. 2). W ten sposób otrzymujemy uprzednio zaprojektowany element. Niewątpliwą zaletą tej metody jest różnorodność dostępnych materiałów, między innymi: ceramiki szklane i cyrkonowe, wosk, stopy chromo-kobaltowe, tytan oraz polimetakrylan metylu (14). Korzyścią jest również krótki czas wykonania pracy, który wynosi od kilku do kilkunastu minut, w zależności od jej wielkości. Wadami techniki frezowania są wysokie koszty urządzeń i ich eksploatacji oraz generujące koszty materiału.

Alternatywą dla tradycyjnej techniki frezowania jest laserowe spiekanie proszków metali (DMLS) (fot. 3). Ta nowoczesna metoda w przeciwieństwie do tradycyjnych umożliwia wytworzenie skomplikowanych struktur i elementów przestrzennych (fot. 4). Uzupełnienia protetyczne powstające na drodze spieku laserowego cechuje większa wytrzymałość i mikrotwardość. W odróżnieniu od procesu frezowania, DMLS eliminuje również niedoskonałości powodowane drganiami. Technologia Selective Laser Sintering (SLS), w tym Direct Metal Laser Sintering (DMLS), odnajduje szerokie zastosowanie między innymi w implantologii. ,,W metodzie laserowej synteryzacji (SLS) gotowe elementy powstają w wyniku nakładania kolejnych warstw sproszkowanego materiału, który następnie jest łączony poprzez powierzchowne nadtopienie następnej warstwy proszku metalicznego z już istniejącą strukturą” (15). Kolejne warstwy są nakładane na siebie przy pomocy głowicy poruszającej się w poziomie, natomiast stolik z podstawą przemieszcza się w dół w celu nałożenia warstwy proszku metalowego. Aby zapobiec powstawaniu tlenków na powierzchni spiekanych ziaren oraz tworzeniu pęcherzy powietrza wewnątrz struktury spieku, stosowana jest osłona gazów obojętnych (argonu lub azotu). Nadmiar proszku, który zostaje po ukończeniu procesu spiekania, może zostać wykorzystany w następnym cyklu produkcyjnym. Jest to jedna z zalet opisywanej metody, ponieważ umożliwia minimalizację kosztów produkcji oraz powstających odpadów (1).

Kolejną z metod wytwarzania przestrzennych obiektów rzeczywistych jest technika druku 3D (fot. 5). Rozwój technologiczny wpłynął na poszerzanie zakresu zastosowań i produkcji obiektów na podstawie wirtualnego modelu opracowanego w systemie komputerowym typu CAD. Uzyskanie zaprojektowanego wcześniej przedmiotu jest przeprowadzane za pomocą technik przyrostowych, inaczej zwanych addytywnymi, polegających na nanoszeniu materiału budulcowego lub łączeniu przygotowanych wcześniej materiałów. Poprzez nakładanie kolejnych warstw wybranego tworzywa możliwe jest uzyskanie fizycznego modelu zgodnego z projektem. Grubość powłoki budowlanej, wynoszącej średnio ok. 0,1 mm, jest jednym z parametrów opisujących stopień dokładności urządzenia. Do produkcji modeli za pośrednictwem powyższej techniki mogą być wykorzystywane materiały takie jak: stopy metali, polimery, proszki, włókna węglowe i materiały organiczne. Zalety tej metody to: stosunkowo krótki czas otrzymywania modelu, niski koszt produkcji, uniknięcie strat materiału oraz uzyskanie skomplikowanych konstrukcji przy jednoczesnym przyspieszeniu procesu projektowania. Dzięki możliwości elektronicznego przekazu plików wraz z danymi dotyczącymi druku realna staje się współpraca specjalistów na całym świecie. Niewątpliwym atutem drukarek jest ich zdolność do całodobowej pracy, przez siedem dni w tygodniu. Jak każda metoda produkcyjna, druk 3D posiada również swoje wady. Jedną z nich jest dość wysoki koszt samego urządzenia. Problemem może być również dokładność otrzymywanych modeli oraz ich wytrzymałość (16).

Pomimo że systemy CAD/CAM są obecne już od ponad 20 lat, technologia ta nadal dynamicznie się rozwija i umożliwia wykonywanie coraz to nowszych rodzajów prac protetycznych. Chęć rozwoju techników dentystycznych wynikająca z obecnych czasów, w których względy estetyczne i funkcjonalne wykonywanych uzupełnień protetycznych odgrywają dużą rolę, skłania do samorozwoju i poszukiwania nowoczesnych rozwiązań. Działania te mogą usprawnić procedury laboratoryjne oraz poprawić jakość wykonywanych protez, co przekłada się na dobrą współpracę z lekarzem dentystą i usatysfakcjonowanie pacjentów. Zastosowanie technologii CAD/CAM poszerza możliwości laboratoriów protetycznych.

Systemy te również umożliwiają wytworzenie prac protetycznych z szerokiej gamy materiałów, takich jak: materiały ceramiczne, stopy metali, woski, żywice, kompozyty i akryle (17). Technik dentystyczny przy użyciu tej technologii może wykonać: modele protetyczne i ortodontyczne, szyny okluzyjne, protezy ruchome, nakłady, podbudowy woskowe pod korony, również z precyzyjnymi elementami retencyjnymi (zewnątrzkoronowymi i wewnątrzkoronowymi), wkłady koronowo-korzeniowe, półkorony, mosty, licówki (fot. 6).

Technologie CAD/CAM stosuje się również w rehabilitacji pacjentów z nowotworami środkowego piętra twarzy, po zabiegu usunięcia części kostnych twarzoczaszki poprzez wytwarzanie epitez służących do zamknięcia połączenia ustno-nosowego (14). W tym celu są wykorzystywane skanery wewnątrzustne, mające jednak pewne ograniczenia. Przekłada się to na możliwość wykonania niewielkich obturatorów, otoczonych nieruchomą błoną śluzową. Komputerowe wspomaganie projektowania i wytwarzania znajduje zastosowanie także w implantoprotetyce, w której pozwala wytworzyć indywidualne łączniki do implantów i elementy retencyjne. Prace te charakteryzują się większą estetyką w porównaniu do standardowo używanych elementów. Przy użyciu tej techniki są wykonywane również szablony implantologiczne, dzięki nim w bezpieczny sposób można przewidzieć i przeprowadzić skomplikowane zabiegi z zakresu chirurgii implantologicznej (18).

Dodatkowo system CAD/CAM jest wykorzystywany do archiwizowania i cyfrowego transferu danych pomiędzy gabinetem dentystycznym a laboratorium. Sama wymiana informacji przebiega sprawniej i skraca czas potrzebny na wykonanie uzupełnień protetycznych. Jest to również istotny aspekt, gdyż cyfrowe modele w porównaniu do gipsowych nie wymagają miejsca do przechowywania, nie ulegają uszkodzeniu, umożliwiają szybki dostęp oraz ułatwiają utrzymanie porządku w dokumentacjach medycznych.

Podziękowania dla:

• Firmy Denon Dental – w szczególności prezesowi panu Wiesławowi Królikowskiemu, pani Małgorzacie Gabryel i panu Michałowi Dudkowskiemu za pomoc oraz panu Robertowi Pałyska za udostępnienie zdjęć.
• Firmy Silesiadental za udostępnienie zdjęć.

Piśmiennictwo

1. Bębenek K. i wsp.: Zastosowanie technologii CAD/CAM w stomatologii odtwórczej – przegląd piśmiennictwa. „Inżynier i Fizyk Medyczny”, 2016, 2, 5, 99-104.

2. Cywoniuk E., Sierpińska T.: Wykorzystanie technologii cyfrowych w wykonawstwie uzupełnień protetycznych na podstawie piśmiennictwa. „Protet Stomatol”, 2019, 69 (2), 207-216.

3. Majewski S.: Nowe technologie wytwarzania stałych uzupełnień zębowych: galwanoforming, technologia CAD/CAM, obróbka tytanu i współczesne systemy ceramiczne. „Protet Stomatol”, 2007, LVII, 2, 124-131.

4. Bączkowski B., Wojtyńska E., Ziębowicz A.: Ceramika dentystyczna – od czasów prehistorycznych do technologii CAD/CAM. „Dental Forum”, 2016, 1, XLIV, 59-62.

5. CAD software history, 1960s. 2004, CADAZZ.com.

6. http://www.cadazz.com/cad-software-history.html 22.03.2021 r.

7. Jain R. et al.: CAD-CAM the future of digital dentistry: a review. „Annals of Prosthodontics & Restorative Dentistry”. Apr-Jun 2016, 2, (2), 33-36.

8. Miyazaki T., Hotta Y., Kunii J. et al.: A review of dental CAD/CAM: current status and future perspectives from 20 years of experience. „Dental Materials Journal”, 2009, 28 (1), 44-56.

9. Liu P.R. et al.: A Panorama of Dental CAD/CAM Restorative Systems. „Compendium”, Jul 2005, 26, 7, 507-513.

10. Majewski S.W., Pryliński M.: Materiały i technologie współczesnej protetyki stomatologicznej. Zastosowanie technologii CAD/CAM w protetyce stomatologicznej. Wyd. Czelej, Lublin 2013, 143-152.

11. Panek H., Dąbrowa T.: Zastosowanie systemów komputerowych w wybranych procedurach klinicznych i laboratoryjnych wykonania protez stałych. „Dent Med Probl”, 2002, 39, 2, 303-307.

12. Przegląd skanerów laboratoryjnych. „Dental Labor”, 2017, 4, 149-162.

13. Białoskórska K., Szczyrek P.: Skanery wewnątrzustne – możliwości zastosowania w codziennej praktyce. „Protet Sto matol”, 2019, 69, 4, 419-426.

14. Dental System. Wiodąca technika skanowania i rozwiązania CAD. 3shape, 2015, 1-48.

15. Juszczyszyn K., Rolski D., Mierzwińska-Nastalska E.: Wykorzystanie technologii CAD/CAM w rehabilitacji protetycznej pacjentów leczonych z powodu nowotworów środkowego piętra twarzy. „Protet Stomatol”, 2019, 69 (3), 313-321.

16. Borsuk-Nastaj B., Młynarski M.: Zastosowanie technologii selektywnego topienia laserem (SLM) w wykonawstwie stałych uzupełnień protetycznych. „Protet Stomatol”, 2012, LXII, 3, 203-210.

17. Cichoń K., Brykalski A.: Zastosowanie drukarek 3D w przemyśle. „Przegląd Elektrotechniczny”, 2017, 3, 156-158.

18. Material Diversity. Materials for the best solutions. Zirkonzahn Worldwide, wyd. 24.09.2019 r., 5, 39-40, 87, 90-91.

19. Piosik A. i wsp.: Zastosowanie łączników cyrkonowych w leczeniu implantoprotetycznym. Część II – opis przypadków klinicznych. „Protet Stomatol”, 2016, LXVI, 1, 33-40.

mgr Marta Tempińska, mgr Dorota Zelewska-Kryńska, dr n. med. Klaudia Suligowska - Zakład Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia
Gdański Uniwersytet Medyczny Kierownik: dr n. med. Klaudia Suligowska
Wiktoria Jakubiec, Marta Rosiak, Karolina Pasternak, Małgorzata Mateńko, Agnieszka Klassa, Joanna Drzyzguła, Daria Szlugaj, Zuzanna Zalewska, Zuzanna Szczuplińska, Michał Przybyszewski, Anna Brakoniecka, Laura Giczewska, Barbara Majewska, Iga Grzechnik - Studenckie Koło Naukowe przy Zakładzie Technik Dentystycznych i Zaburzeń Czynnościowych Narządu Żucia Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego

fot. archiwum autorów

Fot. 1. Skanery optyczne wykorzystujące różne barwy światła strukturalnego (od lewej: niebieskie, białe, zielone)

Fot. 2. Frezowanie bloku cyrkonu na mokro metodą ubytkową

Fot. 3. Technologia spieku laserowego (SLS)

Fot. 4. Proteza szkieletowa górna wykonana techniką spieku laserowego

Fot. 5a. Modele wykonane techniką druku 3D

Fot. 5b. Model szczęki wykonany techniką druku 3D

Fot. 6a. Model bezzębnej szczęki wykonany techniką druku 3D

Fot. 6b. Proteza całkowita górna wykonana techniką druku 3D

Fot. 6c. Proteza całkowita górna wykonana techniką druku 3D

Fot. 6d. Proteza szkieletowa dolna wykonana techniką druku 3D

Fot. 6e. Proteza szkieletowa oraz model wykonany techniką druku 3D

Fot. 6f. Proteza szkieletowa oraz model wykonany techniką druku 3D

Fot. 6g. Pełnokonturowe korony frezowane w wosku odlewowym

Fot. 6h. Pełnokonturowe korony frezowane w żywicy na modelu wykonanym techniką druku 3D

Fot. 6i. Wkłady korzeniowe z zatrzaskiem kulowym drukowane z żywicy

Fot. 6j. Prace wykonane techniką druku 3D