Mgr.Inż. Michał Pluta ZINTEGROWANE SYSTEMY CAD/CAM Inwestycja w system CAD/CAM staje się koniecznością, coraz więcej pracowni protetycznych staje przed dylematem jaki zakupić system do frezowania. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że oferta rynku jest szeroka i zróżnicowana. Wbrew pozorom wybór nie jest tak duży jak mogło by się wydawać po wizycie na stronach internetowych. W Europie i Polsce, dominują produkty czterech największych dostawców zintegrowanych systemów CAD/CAM: Cercon, Arcadia, Ceramill, Zirkonzahn. Ponadto można znaleźć kilka systemów alternatywnych, jednak ze względu na unifikację technologii CAD/CAM, korzystają one z rozwiązań identycznych jak leaderzy rynku dlatego trudno oceniać je oddzielnie. Oczywiście systemy różnią się miedzy sobą ale różnice w sferze technologicznej są nieznaczne, najczęściej dotyczą designu i techniki CNC czyli frezowania. W dziedzinie projektowania 3D trudno wykazać wymierne różnice, ponieważ wszystkie systemy używają podobnego oprogramowania CAD, na przykład: Arcadia, Ceramill, Zirkonzahn niemieckiego: Exocad, Cercon duńskiego: 3Shape. Jak zatem wybrać system optymalny i nie wpaść w marketingowe pułapki zastawione przez profesjonalnych handlowców? Odpowiedź na takie pytanie nigdy nie jest łatwa ponieważ przy zakupie równie ważne jak parametry, są emocje związane z zakupem jak i znajomość czy postrzeganie marki producenta. W technologii CAD/CAM ten drugi czynnik, czyli nazwa producenta często bywa złudny. Większość producentów, tak zwanych systemów zintegrowanych, korzysta z gotowych wyrobów dostarczanych przez zewnętrznych dostawców, zmieniając jedynie obudowę lub ograniczając się do naklejenia własnego logo. Sytuacja ta jest spowodowana jest zarówno względami technologicznymi jak i ekonomicznymi. Łatwiej jest wykorzystać gotowe, działające rozwiązanie niż tworzyć je od podstaw. W efekcie na rynku dentystycznym oferowanych jest kilkadziesiąt systemów ale wszystkie korzystają np. ze skanerów dostarczanych przez 6 producentów. W przypadku oprogramowania CAD rynek jest zawężony do zaledwie 3 realnych dostawców. Aby w gąszczu informacji marketingowych wybrać system najlepiej dopasowany do potrzeb należy zrozumieć, że każdy system CAD/CAM składa się z pięciu niezależnych elementów, które mogą pracować zarówno oddzielnie jak i w kooperacji: skanera 3D, oprogramowania projektowego CAD, frezarki z oprogramowaniem CAM, pieca do synteryzacji oraz materiałów. Do tego dochodzą urządzenia peryferyjne jak lampy do wstępnego utwardzania czy wyciągi.
SKANER 3D Skanery 3D to urządzenia, które przetwarzają fizyczny kształt na trójwymiarowy, cyfrowy obraz. Do niedawna skanery dzieliły się na laserowe i optyczne, aktualnie w stomatologii wykorzystuje się skanery optyczne. Parametry które są najważniejsze to precyzja oraz szybkość pracy. Precyzja skanera określa dokładność pomiaru linii obrazu czyli rozdzielczość, im mniejsza wartość tym pomiar jest dokładniejszy, ideałem byłby pomiar z dokładności do 1 mikrona. Aktualnym standardem jest dokładność do 20 mikronów, która jest wystarczająca do większości aplikacji. Jednak rozwój technologiczny nakazuje dążyć do doskonałości i dwóm producentom udało się osiągnąć już dokładność do 10 mikronów co jest istotne dla ostatecznej jakości protezy. Szybkość pracy ma znaczenie praktyczne ale drugorzędne ponieważ w dużej mierze zależy od oprogramowania i sprawności operatora. Efektem pracy skanera jest cyfrowy plik z rozszerzeniem STL, który można zaimportować do oprogramowania do projektowania konstrukcji CAD. OPROGRAMOWANIE CAD Program CAD jest właściwym narzędziem pracy technika dentystycznego, tutaj powstaje kształt i rozmiar pracy protetycznej. Możliwości nowoczesnych programów CAD są praktycznie nieograniczone, można zaprojektować korony, mosty, wkłady i nakłady koronowe, łączniki implantologiczne, protezy szkieletowe a ostatnio pojawiły się aplikacje do protez ruchomych. Programy CAM od poszczególnych producentów są podobne, różnice dotyczą drobiazgów jak kolor, funkcje klawiszy itp. nie wpływają na jakość i komfort pracy. Specjalistyczne oprogramowanie CAD do protetyki tworzy dzisiaj 6 firm, z czego trzy są w czołówce: duńska, niemiecka i kanadyjska, ich produkty napędzają zdecydowaną większość systemów. Efektem Pracy oprogramowania CAD jest wirtualny, trójwymiarowy kształt przyszłej protezy w postaci cyfrowego pliku STL, który należy zaimportować do frezarki lub innego urządzenia np. drukarki 3D czy maszyny do spiekania laserem gdzie zostanie fizycznie wykonany. Warto zwrócić uwagę, że niektórzy dostawcy systemów na tym etapie modyfikują plik STL w taki sposób aby można go było otworzyć i np. wyfrezować wyłącznie na materiale i urządzeniu danego producenta. W ten sposób powstają tak zwane systemy zamknięte.
PIECE DO SYNTERYZACJI Piece do synteryzacji są najmniej docenianym elementem systemów CAD/CAM, tymczasem ich praca ma dominujący wpływ na jakość wykonywanej protezy z tlenku cyrkonu. Cóż z tego, że będziemy dysponować najlepszą frezarką i najdokładniejszym skanerem, jeżeli podczas procesu synteryzacji nasza praca się zdeformuje lub w wyniku niedokładności zmniejszy się jej wytrzymałość mechaniczna i pęknie podczas eksploatacji u pacjenta. Różnice dotyczą ilości oraz typu elementu grzejnego i maksymalnej temperatury osiąganej przez piec. W tym miejscu warto zwrócić uwagę, że analogicznie jak ma to miejsce z ceramiką dentystyczną, nowoczesne cyrkony mają niższą temperaturę wypalania niż ich poprzednicy, dzięki czemu do optymalnej synteryzacji wystarczy temperatura max 1450 C - 1500 C a nie jak jeszcze niedawno 1600 C. O klasie pieca do synteryzacji decyduje jakość użytych elementów grzejnych oraz precyzja sterownika. Analizując te kryteria piece tego typu możemy podzielić na dwa rodzaje: piece pierwszej i drugiej generacji. Piece I generacji były dostosowane do synteryzacji starszych tlenków cyrkonu i ze względu na wysokie wahania amplitudy temperatury, dochodzące do 20 C 30 C przebieg realizowanego w nich procesu synteryzacji jest nieprecyzyjny i nie zapewnia wymaganej jakości dla nowoczesnych materiałów. Piece II generacji są wyposażone w układy pomiarowe zapewniające dokładność do 5 C czyli są 4 x dokładniejsze od swoich poprzedników. Gwarantują precyzyjne wypalanie wszystkich rodzajów aktualnie produkowanych tlenków cyrkonu. Większość dostępnych na rynku pieców do synteryzacji jest II generacji, jednak w ofertach niektórych firm można spotkać urządzenia starsze. Niestety nie wszyscy producenci rzetelnie informują o klasie oferowanych pieców. Z tego powodu przed zakupem warto dokonać dokładnej kontroli aby uniknąć problemów w przyszłości. Jednym z parametrów oceny może kryterium cenowe, starsze konstrukcje oferowane są w cenach ok. 4000 EUR, ceny pieców II generacji zaczynają się od ok. 7000 EUR. W tym przypadku różnica w cenie jest uzasadniona i należy mieć świadomość, że ewentualne oszczędności mogą okazać się pozorne. Wykresy temperatur pieców I i II generacji wykonane w komorach niezależnym przyrządem pomiarowym -------------- piec I generacji, ------------- piec II generacji
FREZARKA I OPROGRAMOWANIE CAM Najpopularniejszym urządzeniem przetwarzającym wirtualny kształt w fizyczny produkt jest frezarka CNC. Wybór frezarek jest o wiele większy niż skanerów czy programów CAD, większe są też różnice pomiędzy poszczególnymi maszynami. Frezarki dentystyczne można podzielić ze względu na : zastosowanie, ilość osi i rodzaj wrzeciona. ZASTOSOWANIE Generalnie frezarki dentystyczne mogą wykonywać prace w: materiałach twardych jak stopy stali lub metali szlachetnych lub materiałach miękkich presynteryzowany tlenek cyrkonu, PMMA, kompozyty, wosk, prasowany granulat stali, ceramika. Frezarki do stali Frezarki do materiałów twardych charakteryzują się zwartą, mocną konstrukcją, specjalistycznymi podzespołami i co za tym idzie bardzo wysoką ceną powyżej 100.000 EUR. W dzisiejszych czasach ich zastosowanie jest ekonomicznie uzasadnione wyłącznie w centrach frezowania gdzie wykonuje się prace ze stali w ilościach kilku tysięcy punktów miesięcznie. Frezarki uniwersalne Frezarki uniwersalne systematycznie stają się podstawowym urządzeniem pracy technika dentystycznego. W wyniku spadku cen bloczków z tlenku cyrkonu do poziomu 20 zł za punkt, wykonywanie prac w technologii CAD/CAM jest tańsze niż tradycyjna technologia odlewania metalu i opłacalne ekonomicznie nawet dla małych, lokalnych pracowni. Ceny frezarek uniwersalnych są przystępne i zaczynają się od ok. 15.000 EUR. Najnowsze konstrukcje frezarek uniwersalnych oferują możliwość frezowania w bloczkach z litej stali CoCr. Możliwość wykonywania uzupełnień z innych materiałów dodatkowo poszerza ofertę prawie na wszystkie rodzaje protez.
ILOŚĆ OSI Ilość osi w jakich pracuje frezarka determinuje możliwości produkcyjne maszyny. Liczba osi oznacza linie ruchu frezu w stosunku do obrabianego materiału. Frezarki 3 osiowe. Najprostsze urządzenia pracują w 3 osiach najczęściej jest to oś obrotu bloczka oraz 2 osie pracy frezu. Możliwości wytwórcze są ograniczone do małych prac typu inleye, korony i małe mosty. Ten system jest popularny w starszych konstrukcjach i we frezarkach dla gabinetów dentystycznych. Obrabiane bloczki mają kształt małych prostopadłościanów lub walców. Frezarki 4 osiowe są najczęściej stosowane w technice dentystycznej. Cztery osie w większości przypadków oznaczają linie posuwu frezu w systemie osi XYZ oraz oś obrotu stolika o 180 stopni. Takie parametry zapewniają możliwość wykonania 99 % uzupełnień protetycznych. Oprogramowanie CAM w urządzeniach tego typu jest nieskomplikowane i nie powinno generować problemów dla niewykwalifikowanego operatora. Aktualnie jedynym ograniczeniem wytwórczym jest wykonywanie indywidualnych łączników implantologicznych oraz niektórych specjalistycznych uzupełnień. Obrabiane bloczki maja kształt plastra ( okrągłego lub innego kształtu) o średnicy ok. 100 mm i grubości od 8 do 25 mm. lub małych prostopadłościanów. Propozycją wartą rozważenia, są frezarki 4 +1 które potrafią wykonać frezowanie kątowe co znacznie poszerza spektrum prac i pozwala na znaczne oszczędności materiałowe. Frezarki 5 osiowe umożliwiają wykonanie każdego, najbardziej skomplikowanego kształtu. W przypadku technologii dentystycznej do standardowych 3 osi pracy frezu : XYZ dodane są 2 osie obrotu stolika. Frezarki pięcioosiowe mogą wykonać otwory w powierzchniach kątowych dzięki czemu umożliwiają wyfrezowanie łączników implantologicznych pod dowolnym kątem. Ich największą wadą jest skomplikowane oprogramowanie CAM, którego zadaniem jest kontrola ruchów wszystkich 5 osi symultanicznie ( w czasie rzeczywistym). W efekcie zwiększa się cena urządzenia. Dobre oprogramowanie CAM do obsługi frezarek 5 osiowych osiąga cenę do 10.000 EUR co niekiedy stanowi połowę wartości całej frezarki. Warto wiedzieć, że frezarkę można nazwać mianem 5 osiowej wyłącznie kiedy pracuje ona w trybie symultanicznym. Niektóre firmy proponują urządzenia nazywane 5 osiowymi, które nie mają możliwości pracy symultanicznej, ich funkcjonalność jest zbliżona do frezarek 4+1. W tym przypadku nazwa frezarka 5 osiowa jest jedynie chwytem marketingowym. W różnych reklamowych publikacjach można znaleźć frezarki 5+1 lub o 6 i więcej osiach. Najczęściej są to dodatkowe linie pracy, które nie mają wpływu na zwiększenie możliwości wytwórczych. Niektórzy producenci za dodatkowa oś uważają ruchy ramienia zmieniarki bloczków, zmiany kolejnego wrzeciona w urządzeniach wielowrzecionowych lub nawet oś obrotu wiertła, wszystko w celu zwiększenia atrakcyjności produktu dla niezorientowanego klienta. RODZAJ WRZECIONA Sercem każdej frezarki numerycznej jest wrzeciono czyli podzespół, którego zadaniem jest wykonanie obrotów ( 30 do 100 tys/ obr min) oraz utrzymanie i wymiana narzędzia roboczego- frezu, diamentu. Wrzeciono jest elementem skomplikowanym i drogim ( od 3000 do kilku tysięcy EUR) ale niezwykle trwałym i precyzyjnym. Zasada jest prosta: wysoka jakość wrzeciona = wysoka jakość frezarki.
Mikrosilniki protetyczne Niektórzy producenci frezarek dla stomatologii, dążąc do minimalizacji kosztów stosują rozwiązania najtańsze, do użycia zwykłych mikrosilników protetycznych włącznie. Jak zwykle bywa tanie rozwiązania zawsze obarczone są ryzykiem. Wrzeciono standard Nazwą wrzeciono standardowe można określić różnego typu profesjonalne wrzeciona stosowane we frezarkach dla stomatologii, które nie są mikrosilnikami protetycznymi. Wrzeciona takie charakteryzują się większą precyzją i trwałością pracy, drgania wiertła są minimalne i mieszczą się w normach. Głowica frezująca HF W profesjonalnych frezarkach stosowane są specjalistyczne głowice frezerskie o wysokiej mocy typu Jäger, wyposażone w ceramiczne łożyska oraz automatyczny system wymiany narzędzia roboczego. Gwarantują one stabilną i co niezwykle ważne przy obróbce tlenku cyrkonu i ceramiki bezdrganiową pracę frezu. Są odporne na przegrzanie i przystosowane do pracy ciągłej w trybie 24h/24h a należy pamiętać, że frezowanie pełnego bloku ( ok. 30 punktów) może trwać nawet 8 godzin nieustającej pracy frezarki. Reasumując; wybierając frezarkę do swojego laboratorium należy poszukiwać urządzenia uniwersalnego, o 4 lub ewentualnie 5 osiach pracy i co najważniejsze wyposażonej we wrzeciono wysokiej jakości: najlepiej głowicę frezującą HF. CAD/CAM OTWARTY I ZAMKNIĘTY W związku z niepodważalną unifikacją techniki CAD, dla użytkownika systemu CAD/CAM najważniejsza jest jakość i możliwości produkcyjne frezarki oraz kwestie finansowe, dotyczące opłacalności inwestycji. Tutaj rządzą twarde prawa biznesu : NIE WAŻNE JAKI JEST KOSZT INWESTYCJI, WAŻNE ILE NA NIEJ MOŻNA ZAROBIĆ. Dlatego przed zakupem systemu warto rozważyć czy wybrany system ma architekturę otwarta czy zamkniętą. SYSTEM OTWARTY Przez okres 10 lat swojego rozwoju firmy tworzące technikę CAD/CAM w branży stomatologicznej dopracowały standardy umożliwiające nieograniczoną komunikację systemową i unifikację technologii. Podczas procesu skanowania, projektowania oraz obróbki automatycznej, ogólnoświatowym standardem są pliki w formacie STL. W dziedzinie materiałowej wypracowano uniwersalny kształt bloczka do obróbki we frezarkach CNC plaster o średnicy 98mm i grubości od 8mm do 25 mm. Systemy CAD/CAM używające tych standardowych elementów są nazywane systemami otwartymi. System jest otwarty wyłącznie wtedy, kiedy zaprojektowane pliki w programie CAD jednego producenta można wysłać do frezarki innego producenta oraz zainstalować we frezarce standardowy bloczek materiału. Użytkownicy pracujący na takich systemach maja możliwość transferu projektów CAD między sobą bez ograniczeń, limitów i granic. Bloczki uniwersalne są produkowane przez kilkadziesiąt firm na całym świecie, dlatego użytkownicy systemów otwartych mogą korzystać z dobrodziejstwa konkurencji i dokonywać zakupu
u producenta spełniającego ich wymogi pod względem kosztów i jakości. Systemy otwarte dają pełną swobodę wyboru dostawcy programów i materiałów. SYSTEM ZAMKNIETY MECHANICZNIE Mechaniczne zamknięcie systemu CAD/CAM polega na takiej modyfikacji kształtu bloczka materiału aby uniemożliwić stosowanie bloczków o kształcie standardowym. Użytkownicy systemów zamkniętych mechanicznie maja co prawda możliwość importu i eksportu plików STL, jednak są zobligowani do zakupu materiału tylko od jednej firmy. Jest to o tyle niebezpieczne, że w przypadku podniesienia ceny bloczka przez jedynego dostawcę użytkownik nie ma możliwości zakupu materiału u konkurencji i jest skazany na monopol jedynego dostawcy, który dyktuje warunki współpracy. Warto zauważyć, że bloczki materiału w systemach zamkniętych są zazwyczaj droższe i mniejsze (mniej wydajne)niż bloczki uniwersalne. Tym samym koszt wykonania jednego punktu w systemach zamkniętych może być nawet trzykrotnie wyższy. SYSTEM ZAMKNIETY INFORMATYCZNIE I MECHANICZNIE Podwójnie zamknięty system CAD/CAM jest dla użytkownika najmniej korzystny ponieważ nierozerwalnie wiąże go z jednym dostawcą. Zamknięcie informatyczne polega na zamierzonej modyfikacji pliku STL w programie projektowym CAD, tak aby mógł on zostać odczytany wyłącznie przez frezarkę od danego dostawcy. Warto pamiętać, że zamkniecie systemu następuje na etapie projektu CAD. Skaner o architekturze otwartej nie czyni z systemu zamkniętego systemu otwartego. W systemie zamkniętym informatycznie, nie można przyjmować prac do zaprojektowania lub wyfrezowania na własnej frezarce oraz nie można wysyłać projektów dla innych techników którzy nie posiadają systemu danej firmy. Zmodyfikowane w ten sposób projekty nie mogą być wyfrezowane (zsynteryzowne, spieczone, spolimeryzowane itd.) w zewnętrznym centrum frezowania. Architektura systemu uniemożliwia instalację programów projektowych stworzonych przez inne firmy. W powiązaniu z zamknięciem mechanicznym powstaje system umożliwiający pracę wyłącznie na oprogramowaniu i materiałach jednego dostawcy przez cały okres eksploatacji.
DECYZJA Czym należy kierować się przy wyborze systemu CAD/CAM dla swojego laboratorium? Na to pytanie każdy powinien odpowiedzieć sobie sam kierując się swoimi potrzebami. Przed dokonaniem tak drogiej i długoterminowej inwestycji jaką jest zakup systemu CAD/CAM, warto sprawdzić jego rzeczywiste możliwości i z kalkulatorem w ręku wyliczyć realną stopę zwrotu inwestycji oraz całkowite koszty eksploatacji w przyszłości. TECHNOLOGIA Warto rozważyć czy inwestować w drogi i skomplikowany 5 osiowy system z chłodzeniem wodnym jeżeli nie wykonujemy kilkudziesięciu łączników implantologicznych lub licówek czy wkładów typu inlay/onlay miesięcznie. Zapewne korzystniej będzie sporadycznie wysłać je do wyspecjalizowanego centrum frezowania. PARAMETRY Zawsze należy sprawdzić parametry techniczne systemu, skaner o większej precyzji pomiaru czy frezarka z profesjonalnym wrzecionem może stanowić lepszą przyszłościowo inwestycję, nawet kosztem nieco wyższej ceny. OTWARTY CZY ZAMKNIĘTY Istotnym jest uważne sprawdzenie czy system jest otwarty czy zamknięty, zamknięte ograniczają możliwość eksportu projektów i w większości wymagają stosowania materiałów od jednego dostawcy. W przypadku systemu otwartego nie mamy ograniczeń w imporcie i eksporcie plików oraz możemy stosować materiały od dowolnych dostawców ( czytaj tańszych). ERGONOMIA I WYDAJNOŚĆ Są istotne różnice w kosztach frezów, wydajności koron z bloczka a na końcu kwestie estetyczne; starsze systemy charakteryzowały się dużymi gabarytami ( pierwsze frezarki były wielkości szafy), najnowsza generacja systemów CAD/CAM dla techniki dentystycznej to eleganckie urządzenia wielkości pieca do porcelany. Mgr.Inz Michał Pluta jest absolwentem Politechniki wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki. Od 2010 roku specjalizuje się w integracji technik CNC z technologia stomatologiczną. Jest, jednym z nielicznych w Polsce, specjalistą w zakresie obsługi i konstrukcji specjalistycznych urządzeń do obróbki skrawaniem dla branży techniki dentystycznej.