Laser-assisted melt printing: Glas und Keramik direkt aus dem Drucker

Eine begleitende Studie wurde gemeinsam mit der damaligen Doktorandin Dr. Isabell-Sophie Teegen durchgeführt, die die Ergebnisse später als Erstautorin in Dental Materials veröffentlichte.² Dr. Siebert betonte, dass dieses Projekt einen wichtigen Meilenstein darstellte und eine grundlegende Frage aufwarf: Wie lässt sich der energieintensive Sinterprozess vermeiden?

„Die gedruckten Proben mussten über mehr als sieben Stunden bei 1.700 °C im Ofen gesintert werden – ein erheblicher Zeit- und Energieaufwand“, erinnerte sich Dr. Siebert. Erste Versuche, Zirkonoxid direkt mit Hochleistungslasern aufzuschmelzen, waren vielversprechend. Bei den extrem hohen Schmelztemperaturen ließ sich jedoch nicht in Echtzeit feststellen, ob das Bauteil vollständig verdichtet war oder ob innere Porositäten verblieben.

Glas als Modellsystem

Glas erwies sich als geeignetes Modellmaterial, da es bei niedrigeren Temperaturen schmilzt und aufgrund seiner Transparenz eine direkte visuelle Kontrolle des Schmelzprozesses ermöglicht. „Wir brauchten ein System, bei dem wir unmittelbar sehen konnten, ob das Aufschmelzen wie vorgesehen abläuft“, erklärte Dr. Siebert. Diese Eigenschaften machten Glas zu einem geeigneten Material, um die Laserparameter gezielt zu untersuchen.

Mithilfe einer speziell entwickelten Silikatpartikel-Tinte brachte das Team dünne Schichten auf und schmolz jede einzelne mit hochenergetischen Laserpulsen. „Die ersten 3D-Proben waren faszinierend – vor allem, wenn man teilweise durch sie hindurchsehen konnte“, sagte Dr. Siebert. In diesem Moment wurde deutlich, dass das Konzept erhebliches Potenzial besitzt.

Das Prinzip von LAMP ist einfach, die technische Umsetzung jedoch anspruchsvoll. Während der additiven Fertigung schmelzen Laserpulse die Partikel selektiv auf, verbinden jede Schicht miteinander und verdichten das Material unmittelbar. Ein nachgelagerter Sinterprozess ist nicht erforderlich. Mikroskopische und spektroskopische Analysen bestätigten bei optimierten Parametern eine vollständige Verdichtung und geringe Porosität – ein klarer Unterschied zu vielen bisherigen Ansätzen des Glas-3D-Drucks.

„Mit LAMP lassen sich physikalische Eigenschaften wie Dichte, Glätte, Farbe und Transparenz direkt während des Drucks steuern“, sagte Dr. Siebert. Durch Anpassung von Laserleistung und Scangeschwindigkeit können Oberflächenqualität und Materialeigenschaften gezielt eingestellt werden. Für die additive Fertigung bedeutet dies eine direkte Verknüpfung zwischen Prozessparametern und Materialmikrostruktur.

Relevanz für die dentale Fertigung

In der dentalen Produktion führt das Fräsen keramischer Implantate und Restaurationen aus vorgesinterten Rohlingen zu erheblichem Materialverlust. „Bis zu 90 Prozent des Rohlings können als Fräsabfall anfallen – dennoch wird dieses Verfahren eingesetzt, weil jede Restauration ein Unikat ist“, sagte Dr. Siebert.

Additive Fertigung reduziert zwar den Materialverlust erheblich, erfordert jedoch in der Regel weiterhin ein nachgelagertes Sintern im Ofen. „Mit unserem Verfahren könnte ein vollständig fertiges dentales Implantat direkt aus dem Drucker entstehen – möglicherweise noch mit anschließender Politur, ansonsten aber komplett“, erklärte er. Der Wegfall des Ofens reduziert nicht nur den Energieverbrauch, sondern verkürzt auch den gesamten Workflow.

Dr. Siebert skizzierte ein mögliches Zukunftsszenario: „Mit diesem Verfahren könnte ein dentales Implantat innerhalb weniger Stunden fertiggestellt werden.“ Aus materialwissenschaftlicher Sicht erscheint ein Workflow mit intraoralem Scan am Morgen und fertiger Versorgung am selben Tag grundsätzlich denkbar.

Mechanik neu gedacht: Elastische Mikrostrukturen

Neben Zeit- und Energieaspekten betonte Dr. Siebert die konstruktive Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung. „Mit konventionellen Ofenprozessen lassen sich zwar akzeptable mechanische Eigenschaften erzielen“, sagte er. „Der 3D-Druck eröffnet jedoch zusätzlich die Möglichkeit, elastische Strukturen zu integrieren.“

Ein Implantat könnte eine harte Oberfläche besitzen, gleichzeitig aber eine insgesamt elastischere Architektur aufweisen – näher am biomechanischen Verhalten natürlicher Zähne. „Aktuelle Implantate sind sehr starr, was langfristig zum Verschleiß antagonistischer natürlicher Zähne beitragen kann“, erklärte er. Additive Fertigung könnte interne Gitterstrukturen integrieren, die die Steifigkeit reduzieren und Kräfte ähnlich wie natürliche Zähne verteilen.

Optische Eigenschaften als Designparameter

Nach Angaben von Dr. Siebert ermöglicht LAMP auch ästhetische Individualisierung. Durch Anpassung der Laserparameter lassen sich Transparenz und Oberflächenbeschaffenheit gezielt verändern. Das Team integrierte zudem Gold- und Silberionen in die Drucktinte, die während des Laserschmelzens metallische Nanopartikel bilden.

„Diese Nanopartikel wirken wie winzige optische Filter. Sie lassen bestimmte Wellenlängen passieren und blockieren andere“, sagte Dr. Siebert. Dadurch lässt sich die Farbwahrnehmung über Art, Größe und Verteilung der Partikel beeinflussen. Die Veröffentlichung in Materials and Design zeigt, wie optische Eigenschaften gezielt eingestellt werden können.

In der Zahnmedizin könnte dies langfristig patientenspezifische Anpassungen ermöglichen, um Restaurationen zu schaffen, die visuell nicht von natürlicher Zahnhartsubstanz zu unterscheiden sind. „Langfristig könnte es sogar möglich sein, mehrere keramische Pasten zu kombinieren, um Farbe und Transluzenz exakt einzustellen“, so Dr. Siebert.

Funktionelle Additive und neue Materialien

Die Flexibilität der Pastenformulierung eröffnet weitere Möglichkeiten. „Wir können antibakterielle Wirkstoffe wie Zinkoxid in die Paste integrieren“, sagte Dr. Siebert. In geringen Konzentrationen könnten solche Zusätze in das Implantat eingebracht und nach der Implantation oberflächennah freigesetzt werden.

Darüber hinaus sieht er die Technologie als wertvolles Werkzeug für die Materialforschung. „Einige Materialien werden derzeit nicht eingesetzt, weil die langsame Abkühlung im Ofen problematisch ist“, erklärte er. Die schnellen Heiz- und Abkühlraten des Laserprozesses könnten neue Materialzusammensetzungen ermöglichen. „Gerade für die dentale Materialforschung ist das besonders spannend“, sagte Dr. Siebert.

Eine Schlüsseltechnologie

Bislang wurde LAMP mit Glas demonstriert, doch das Ziel bleibt die Übertragung auf Hochleistungskeramiken wie Zirkonoxid oder Lithiumdisilikat. „Glas war der logischste Ausgangspunkt für die Entwicklung des Verfahrens“, sagte Dr. Siebert.

Es bestehen weiterhin erhebliche materialtechnische Herausforderungen. Dennoch besitzt der Ansatz das Potenzial einer Plattformtechnologie: Er kann den Energieverbrauch reduzieren und funktionelle Eigenschaften direkt in das Material integrieren. Für die dentale Fertigung könnte dies bedeuten, dass Form, Mechanik, Optik und möglicherweise sogar biologische Eigenschaften in einem einzigen Prozessschritt gestaltet werden.

„Was mich von Anfang an fasziniert hat, war die Möglichkeit, ein Material wie Glas – das allgemein als schwierig und fragil gilt – direkt zu drucken und zu verschmelzen“, sagte Dr. Siebert. Für die dentale Materialforschung und Fertigung könnte dieser Ansatz neue klinische und technologische Perspektiven eröffnen.