Stampa 3D di Setup Ortodontici: attenzione all’accuratezza della stampante. Guida Pratica.

L’accuratezza di una stampante 3D è la sua capacità di stampare modelli che abbiano dimensioni identiche o quanto più possibili vicine al modello 3D che vediamo a schermo.

Con ciò intendiamo dire che una stampante è molto accurata quando riesce a stampare modelli dentali che non presentano sostanziali differenze dimensionali rispetto al modello progetto al CAD, sia esso una scansione intraorale, una scansione di un modello in gesso o qualsiasi altro manufatto CAD digitale per il settore dentale.

Se volessimo essere molto molto precisi e pignoli dobbiamo scomodare la normativa ISO 5725-1:1994 che definisce l’accuratezza come una misura prevalentemente qualitativa avente però al suo interno due “controparti” quantitative che sono la trueness e la precisione.

In particolare:

la trueness esprime quanto le dimensioni di una serie di modelli tutti uguali stampati in 3D si avvicinano alle dimensioni reali del modello digitale.

la precisione invece esprime quanto le dimensioni di una serie di modelli tutti uguali stampati in 3D siano vicine tra di loro.

Quindi mentre la trueness confronta le dimensioni dei modelli stampati con il modello digitale originale la precisione confronta le dimensioni dei modelli stampati tra di loro

N.B.: Per semplicità da questo momento in poi noi stabiliremo che la trueness rappresenta l’accuratezza, trascurando il concetto di precisione perchè meno impattante dal punto di vista clinico in odontoiatria.

In alcune applicazioni specifiche il fatto che una stampante sia altamente accurata può essere un aspetto non di fondamentale importanza. Pensiamo ad esempio alle dime chirurgiche per chirurgia guidata: è evidente che maggiore è l’accuratezza e migliore sarà l’attendibilità del risultato finale. Tuttavia in questa applicazione, considerando gli ampi margini di sicurezza nella distanza da strutture sensibili che l’operatore è abituato a mantenere, 0,1 o 0,15mm in più o in meno rispetto al modello CAD non fanno una sostanziale differenza.

Nel caso di Applicazioni Ortodontiche invece? Qual’è l’impatto dell’accuratezza in questa applicazione?

ACCURATEZZA DI STAMPA 3D NEGLI ALLINEATORI INVISIBILI

Directly printed aligners - Deltaface
Da: https://deltaface.com/directly-printed-aligners/

Come sappiamo l’ortodonzia digitale è oggi una disciplina a tutti gli effetti entrata a far parte del bagaglio del medico ortodontista unitamente all’utilizzo sempre più diffuso di stampanti 3D sia all’interno dello stesso studio odontoiatrico sia all’interno dei laboratori odontotecnici.

Tramite stampanti 3D oggi vengono stampati i modelli seriali del setup ortodontico digitale per la successiva termoformatura degli allineatori invisibili. E’ evidente che l’accuratezza con cui tali modelli vengono stampati influisce non poco sugli steps sequenziali del setup ortodontico.

In linea del tutto generale le stampanti 3D di qualità (cioè le più diffuse e consolidate sul mercato dentale) hanno una accuratezza che va dai 50 ai 70 micron. Ciò significa che, rispetto al modello che stiamo vedendo sullo schermo, queste stampanti possono stampare modelli con dimensioni che vanno da 0,05mm a 0,07mm in eccesso o in difetto rispetto al modello CAD.

Consapevoli di questo “limite” è fondamentale tarare la quantità di spostamento da impostare sul software di pianificazione ortodontica.

La letteratura scientifica (Ref , Ref , Ref) ha tentato di stabilire nel tempo quali sono i limiti “accettabili” di accuratezza per la produzione di modelli ortodontici per allineatori dentali. I valori al di sotto dei quali l’errore è considerato “clinicamente irrilevante” vanno da 0.16mm a 0.30mm.

Questo stabilisce, di fatto, anche l’accuratezza che dovremmo ricercare nelle stampanti 3D che usiamo per la produzione di dispositivi di allineamento ortodontico. Prendendo ad esempio un valore medio di errore clinicamente accettabile pari a 0.25mm (Ref) abbiamo di fatto stabilito che tutte le stampanti con valori di accuratezza inferiori a 0.25mm sono adeguate per la produzione dei nostri modelli ortodontici.

Dopo una ricerca di letteratura si può concludere infatti che il valore di 0.25mm è considerato quasi uno “standard” nel definire qual’è l’errore che si può clinicamente tollerare.

LA POCA CHIAREZZA DI ALCUNI PRODUTTORI DI STAMPANTI 3D

Analizzando alcune schede tecniche delle stampanti 3D più diffuse nel settore dentale salta subito all’occhio una mancanza di chiarezza da parte dei produttori circa il parametro dell’accuratezza.

La maggior parte delle schede tecniche delle stampanti 3D per il settore dentale NON riporta dati sull’accuratezza. I dati riportati su questo parametri inoltre sono frutto di test interni non del tutto imparziali perchè non verificati da organismi esterni, università o centri di ricerca tranne che in alcuni studi che prendono in esame stampanti 3D commerciali.

Il motivo di questa mancata chiarezza risiede nella difficoltà di stabilire l’accuratezza effettiva di una stampante 3D la quale dipende da una moltitudine di fattori tra cui, per esempio, la tipologia di resina usata, le condizioni ambientali di stampa, le condizioni del piatto di stampa.

Per stabilire l’accuratezza di un modello stampato in 3D in effetti è necessario:

  1. Avere un modello di base con dimensioni note da usare come modello di riferimento;
  2. Scansione tale modello tramite uno scanner 3D;
  3. Stampare in 3D tale scansione con la stampante 3D a disposizione;
  4. Scansionare il modello stampato in 3D con lo stesso Scanner usato al punto 2;
  5. Sovraimporre i due modelli in software di analisi metrica cercando di limitare al minimo gli errori di sovraimposizione e co-registrazione dei due modelli;
  6. Ripetere i punti 3, 4, 5 un numero di volte statisticamente sufficiente a garantire una certa ripetibilità del dato.

E’ evidente che l’analisi dell’accuratezza per un produttore di stampanti 3D è un processo faticoso e non banale. Questo è il motivo per cui questo dato viene troppo spesso omesso o non sufficientemente chiarito.

Non esiste ad oggi un lavoro o un documento tecnico che paragoni tra di loro le stampanti 3D in termini di accuratezza. Esiste però una discreta produzione scientifica che ci da informazioni altrettanto interessanti.

In particolare faccio riferimento ad una revisione sistematica della letteratura (Ref) che si è posta l’obiettivo di confrontare l’accuratezza nella stampa 3D di modelli dentali full-arch con diversi modelli di stampanti 3D commerciali.

Frammento di tabella Da: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33092047/

Di grande interesse è la Tabella 2 di questo lavoro scientifico di revisione che mostra l’accuratezza (colonna “Trueness) in micron dei modelli analizzati corredata da preziose informazioni sulla tipologia di modello, la tipologia di scanner utilizzato per l’analisi dell’accuratezza e anche il modello e marchio di stampante utilizzata.

CONSIDERAZIONE N.1

Sui 22 lavori analizzati dei quali è stato possibile stabilire l’accuratezza di stampa sono stati testati ben 47 modelli di stampanti 3D di cui 42 hanno mostrato una accuratezza clinicamente accettabile per modelli ortodontici ossia inferiore a 0.25mm.

CONSIDERAZIONE N.2

Nella figura sotto (Fig. 2 della revisione) si possono vedere i valori di accuratezza (trueness) per ogni stampante analizzata divisi per tipo di tecnologia. In verde sono riportate le stampanti MultiJet (molto costose, ingombranti e poco usate nel dentale). In arancione sono riportate le stampanti DLP e in Blu sono riportate le stampanti SLA.

Si nota subito che la tecnologie DLP e SLA presentano i migliori valori di accuratezza.

In particolare la stampante più performante in termini di accuratezza si è dimostrata la SLA P30 con una trueness pari a soli 3 micron . Nella categoria DLP la stampante più performante è la ASIGA MAX UV con una trueness pari a 16 micron.


Da: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33092047/

CONSIDERAZIONE N.3

Le stampanti a filamento mostrano livelli di accuratezza molto alti con la stampante Ultimaker 2+ che mostra una trueness di soli 12 micron! Tuttavia la finitura superficiale dei modelli stampati con il filamento (ABS o PLA) risulta di gran lunga inferiore alle tecnologie SLA, DLP e Multijet.

CONSIDERAZIONE N.4

Le stampanti 3D analizzate nella revisione di cui sopra sono tutte stampanti 3D di fascia medio-alta frequentemente utilizzate nel settore dentale. Nessuna delle stampanti analizzate era una stampante low-cost o di tipo “amatoriale”.

Il risultato eccellente venuto fuori dalla meta analisi (ossia che 42 stampanti su 47 hanno errori dimensioni inferiori a 250 micron) non sarebbe stato possibile se si fossero considerate solo stampanti low-cost le cui prestazioni sono decisamente scarse e non in linea con quanto richiesto dall’ambito ortodontico in termini di risoluzione e accuratezza.

ACCURATEZZA E RISOLUZIONE DELLE STAMPANTI: DUE PARAMETRI SLEGATI TRA DI LORO

La risoluzione di una stampante 3D è la più piccola parte che la stampante riesce a produrre fisicamente sul piatto di stampa. Questa dipende da numerosi fattori tra cui il diametro del raggio laser che fotopolimerizza la resina (in caso di stampanti SLA) oppure dalla risoluzione del proiettore (in caso di stampanti DLP).

Ogni stampante 3D dispone di due risoluzioni distinte:

  • La risoluzione sull’asse Z: si tratta dello spessore degli strati con cui la stampante costruisce il modello;
  • La risoluzione sul piano xy: si tratta della misura più piccola che la stampante riesce a stampare sul piatto di stampa.

Entrambe queste risoluzioni contribuiscono alla qualità della stampa finale intesa, soprattutto, in termini di finitura superficiale e di superfici smussate.

Attenzione però.

Non bisogna pensare che una stampante con un’alta risoluzione è anche una stampante altamente accurata. Questo non è vero per un motivo molto semplice.

Hiding the Layer Lines on Production 3D printed Parts? - Slant 3D  Production 3D Printing Service
Da: https://www.instructables.com/5-Settings-to-Improve-Your-SLADLPLCD-3D-Print-Qual/

La foto qui sopra mostra un modello 3D semisferico stampato con due risoluzioni Z diverse. Il modello di sinistra, più grossolano, è stato stampato con una risoluzione più bassa rispetto al modello di destra che invece si presenta più liscio e smussato.

Noi sappiamo che l’accuratezza di una stampante 3D è la sommatoria degli errori metrici di stampa che si accumulano durante il processo di stampa e che conducono ad ottenere un oggetto diverso da quello che vedevamo al software CAD sullo schermo.

Nel modello di sinistra che ha risoluzione più bassa, paradossalmente, la stampante avrà stampato meno strati e quindi avrà “commesso” meno errori rispetto al modello di destra che è composto da un numero di strati almeno doppio.

CONCLUSIONI e TAKE HOME MESSAGES

  1. La stampa 3D di modelli per la termoformatura di allineatori ortodontici deve essere realizzata con stampanti di certificata qualità, ovvero stampanti 3D comunemente commercializzate nel settore dentale;
  2. Ogni produttore di stampanti 3D professionali dovrebbe fornire sempre con chiarezza i valori numerici di: risoluzione, accuratezza e precisione.
  3. Quando si crea un setup ortodontico è fondamentale conoscere il valore dell’accuratezza della propria stampante per adeguare l’entità dello spostamento dentale tra un allineatore e l’altro e prevedendo in questo valore anche l’eventuale errore della stampante 3D.
    Ogni software 3D che consente di effettuare setup ortodontici dovrebbe consentire anche di governare con estrema precisione la quantità (in mm) di spostamento da imporre ai singoli elementi dentali tra un allineatore e l’altro.

Relativamente al punto (3) posso confermare con assoluta certezza e cognizione di causa che il software 3D gratuito “BlueSkyPlan“, modulo Ortodontico, consente di creare setup ortodontici per allineatori invisibili gestendo in maniera decisamente accurata l’entità (quantità in mm) di spostamenti da imporre ai singoli elementi dentali tra un allineatore e l’altro.

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