1.2 Material Extrusion – FFF / FDM

Grundprinzip

Die Materialextrusion (engl. Material Extrusion, MEX) ist ein technisch vergleichsweise einfaches, zugleich jedoch eines der vielseitigsten additiven Fertigungsverfahren. Im dentalen Kontext wird sie meist als Fused Filament Fabrication (FFF) oder Fused Deposition Modeling (FDM) bezeichnet. Das Grundprinzip ist klar definiert: Ein thermoplastisches Material in Form eines auf Spulen gewickelten Filaments wird in einem beheizten Extruder knapp oberhalb seines Schmelzpunktes aufgeschmolzen und durch eine feine Düse schichtweise auf das Druckbett aufgetragen (Ozen et al. 2021). Die Temperatur des Druckbettes liegt dabei deutlich unter der Düsentemperatur, sodass das extrudierte Material unmittelbar erstarrt und so schrittweise der dreidimensionale Körper aufgebaut wird (Lümkemann et al. 2023; Gmeiner et al. 2025; Mayinger et al. 2024). Ein wesentlicher Vorteil der Materialextrusion gegenüber der VAT-Polymerisation besteht darin, dass die gedruckten Objekte unmittelbar nach dem Druck verwendet werden können, da – zumindest bei polymerbasierten Werkstoffen – aufwendige Postprocessing-Schritte entfallen. Die hierbei eingesetzten polymerbasierten Filamente sind Thermoplaste, die während des Druckprozesses keine toxischen Dämpfe freisetzen und monomerfrei sind, was zu ihrer Biokompatibilität beiträgt (Charasseangpaisarn et al. 2023).

Materialien und Systeme

Filamente bestehen aus schmelzfähigen Thermoplasten. Je nach Schmelztemperatur unterscheidet man zwischen:

Niedrigtemperatur-Filamenten (bis 300 °C)

→ Polylactid (PLA), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylenterephthalat-Glykol (PET-G), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA)

→ Für Modelle, Alignerformen, Provisorien, Prothesenbasen, Teilprothesen, Hilfsteile

PLA ist ein amorphes Material mit einer Glasübergangstemperatur unter 60 °C und einem Schmelztemperaturbereich von 175–220 °C und wird häufig als Modellfilament eingesetzt (Lümkemann et al. 2023).

PETG weist eine Glasübergangstemperatur von 80–85 °C sowie einen Schmelztemperaturbereich von 200–255 °C auf (Ozen et al. 2021; Lümkemann et al. 2023). Der Zusatz von Glykol trägt dazu bei, den amorphen Zustand des PET während der Abkühlung nach dem Druck zu erhalten und eine Kristallisation zu verhindern (Petrov et al. 2021). Dieses Filamentmaterial wird bevorzugt für Modelle, Provisorien, Teilprothesen und Totalprothesenbasen eingesetzt.

ABS ist ein sogenanntes Terpolymer, bestehend aus Acrylnitril, Butadien und Styrol. Es zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität, eine gute Haftung zwischen den gedruckten Schichten sowie eine geringe Verformbarkeit aus (Dias Goncalves et al. 2024).

Ein weiteres niedrigschmelzendes Material für den FFF-Druck ist PMMA. Dieses Material ist aus der Totalprothetik seit 1935 (Synthese von MMA) bekannt und wird dort seit Jahrzehnten eingesetzt. Aus PMMA lassen sich mittels FFF sowohl Langzeitprovisorien (Gmeiner et al. 2026) als auch Totalprothesenbasen herstellen.

Hochtemperatur-Filamenten (über 300 °C) – haben sich in der Zahnheilkunde noch nicht durchgesetzt und werden nicht eingesetzt

→ Polyetheretherketon (PEEK), Polyaryletherketon (PAEK), Polyphenylsulfon (PPSU)

→ Für Funktionsprototypen, Gerüstteile, Kronen und Brücken, medizintechnische Bauteile

PEEK und PPSU gelten als biokompatibel, chemisch inert und zeichnen sich durch eine hohe Temperatur- und Hydrolysebeständigkeit aus. PEEK ist ein teilkristalliner Werkstoff, der sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche aufweist, mit einem Schmelzpunkt von 343 °C. Diese Temperatur muss während des Druckprozesses erreicht und konstant aufrechterhalten werden. Zudem ist eine präzise kontrollierte Abkühlung erforderlich, um einen möglichst hohen kristallinen Anteil auszubilden und damit optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen (Prechtel et al. 2020a; Prechtel et al. 2020b). Im Gegensatz dazu ist PPSU vollständig amorph, sodass im 3D-Druck ein weniger anspruchsvoller Abkühlprozess erforderlich ist (Schönhoff LM et al. 2021; Schönhoff LM et al. 2022; Mayinger et al. 2023; Mayinger et al. 2024). Für beide Werkstoffe – PAEK/PEEK und PPSU – ist die Maß- und Passgenauigkeit der gedruckten Objekte für dentale Anwendungen zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht ausreichend (Gmeiner et al. 2025).

Drucksysteme:

Niedrigtemperaturdrucker – Tischgeräte, kompakt, kostengünstig

Hochtemperaturdrucker – geschlossener, beheizter Bauraum (>130 °C), meist industriell

Keramische Anwendungen der Materialextrusion

Neben klassischen Thermoplasten werden auch polymerbasierte Filamente oder Pasten mit hohem anorganischem Keramikanteil, beispielsweise Zirkonoxid, eingesetzt (Cano et al. 2019). Mit steigendem Anteil an anorganischen Partikeln (Keramik) nehmen die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Objekte zu (Notzel et al. 2021). Diese polymerbasierten keramischen Materialien werden in der Fachliteratur als Feedstocks bezeichnet (Notzel et al. 2021).

Die Feedstocks werden zu Filamenten extrudiert und enthalten in der Regel mehr als 50 Vol.-% Keramik, beispielsweise Zirkonoxid (Özden et al. 2021). Das Zirkonoxid-Filament wird im FFF-Druckprozess bei Temperaturen von etwa 190–230 °C schichtweise aufgetragen und erstarrt durch Abkühlung zu sogenannten Grünkörpern (Özden et al. 2021). Im Anschluss ist eine Entbinderung, entweder chemisch und/oder thermisch, erforderlich. Darauf folgt die Sinterung, wie sie auch aus der subtraktiven Herstellung keramischer Restaurationen bekannt ist. Zirkonoxid ist derzeit das am häufigsten untersuchte keramische Material im FFF-Druck.

Diese Verfahren – meist unter den Bezeichnungen Keramik-FDM oder Robocasting geführt – befinden sich aktuell noch im Forschungsstadium, zeigen jedoch ein hohes Potenzial für die Herstellung hochpräziser und ressourceneffizienter keramischer Restaurationen.

Anwendungen in der Zahnmedizin

Die Materialextrusion ist im dentalen Bereich noch relativ jung, gewinnt jedoch an Bedeutung – insbesondere für:

Modelle (Diagnostik, Planung, Aligner)

Funktionslöffel und Basen für Abformungen (individuell anpassbar im Wasserbad)

Bohrschablonen in der Implantologie

Provisorische Apparaturen (KFO, funktionsdiagnostische Hilfen)

Laborequipment (Haltesysteme, Vorrichtungen, Modelle mit Stützstrukturen)

Temporäre Restaurationen

In Pilotstudien wurde FFF auch für Kronen- und Brückengerüste aus Hochleistungspolymeren (z. B. PPSU, PEEK) getestet – mit ersten positiven mechanischen Ergebnissen (Mayinger et al. 2024). Ein bedeutendes Anwendungsgebiet sowohl in der Kieferorthopädie als auch in der allgemeinen Zahnarztpraxis ist die Modellherstellung als sinnvolle Alternative zu klassischen Gipsmodellen (Krey et al. 2022). Der FFF-Druck eignet sich insbesondere zur Herstellung von Modellen für die Alignerproduktion, da diese beim Tiefziehen – abhängig von Temperatur und Folienstärke – keine Verformungen zeigen (Lümkemann et al. 2023). Dabei sind jedoch die vom Hersteller vorgegebenen Druckparameter einzuhalten.

Hinsichtlich der Genauigkeit wurde gezeigt, dass bei FFF-gefertigten Modellen Abweichungen oberhalb des akzeptablen Bereichs von 120 µm auftreten können. Entsprechend wurde bislang keine klare Empfehlung für den Einsatz solcher Modelle als Meistermodelle zur definitiven Zahnersatzherstellung ausgesprochen (Nemeth et al. 2023).

Neben der Modellherstellung können individuelle Funktionslöffel und Bissschablonen für die Herstellung von Totalprothesen mittels FFF gefertigt werden (Lüchtenborg et al. 2021). Für die Basisplattenherstellung kann ein temperaturempfindlicheres Filamentmaterial eingesetzt werden, das nach dem Druck im Wasserbad erhitzt und zur Individualisierung im Patientenmund verwendet werden kann.

Auch individuelle Abformlöffel nach Implantation oder nach erfolgter Präparation lassen sich mittels FFF herstellen und stellen eine Alternative zu konfektionierten Abformlöffeln dar (Rues et al. 2024). Bei Bohrschablonen in der Implantologie spielen neben wirtschaftlichen Aspekten insbesondere Detailtreue, Sterilisierbarkeit und Biokompatibilität eine entscheidende Rolle (Rues et al. 2024). FFF-gefertigte Schablonen zeigen bei der Implantatinsertion eine vergleichbare Genauigkeit zu SLA-gefertigten Schablonen, sind jedoch kostengünstiger und zeiteffizienter (Pieralli et al. 2020). Neuere Untersuchungen weisen allerdings darauf hin, dass DLP-gefertigte Schablonen eine höhere Genauigkeit aufweisen als solche aus dem FFF-Druck (Schutz et al. 2025).

Eine weitere Anwendung des FFF-Drucks wurde für klammerfreie Interimsprothesen bei kleinen Lücken und kurzer Verweildauer aus Polyamidfilamenten beschrieben (Spintzyk et al. 2021). Aufgrund der spezifischen Materialeigenschaften ist in diesem Zusammenhang jedoch die Polierbarkeit eingeschränkt.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Herstellung von Übungsmodellen für den studentischen Ausbildungs- und Weiterbildungsbereich, die eine flexible und kosteneffiziente Alternative zu konventionellen Lehrmodellen darstellen (Krey et al. 2022; Schulz et al. 2025).

Vorteile und Chancen

Einfacher, sicherer Prozess: kein flüssiges Harz, keine chemische Reinigung

Kein Nachhärten nötig – direkt verwendbare Druckobjekte

Hohe Materialeffizienz – kaum Abfall, kein Lösungsmittel

Kostengünstig: Drucker ab 500 €, Filamentrollen 30–150 €

Ökologischer Vorteil: PLA & PET-G sind biologisch abbaubar bzw. recycelbar

Gute Arbeitssicherheit: keine Dämpfe toxischer Monomere

FFF gilt damit als ressourcenschonende und wirtschaftliche Ergänzung zu den harzbasierten Verfahren (Gmeiner et al. 2025).

Grenzen und Risiken

Genauigkeit: Maßabweichungen können 100-200 µm betragen – nicht geeignet als Meistermodell für definitive Prothetik (Gmeiner et al. 2025).

Schichtlinien und Anisotropie: senkrechte Schichtorientierung führt zu geringerer Biege- und Zugfestigkeit.

Oberflächenqualität: raue, sichtbare Schichtstrukturen; Nachbearbeitung durch Schleifen oder Beschichtung nötig.

Begrenzte Farboptionen und Ästhetik: für finale Versorgungen nur bedingt geeignet.

Temperaturabhängigkeit: Dimensionsänderungen durch Temperaturschwankungen (insbesondere PLA).

Prozessparameter und deren Einfluss

Der FFF-Prozess ist parameterabhängig. Kleine Änderungen beeinflussen Präzision, Haftung, Festigkeit und Verzug. Der Anwender muss sich intensiv mit den Druckparametern auseinandersetzen. Ein wesentlicher Parameter ist die kontrollierte Abkühlung der aufgetragenen Schicht während des Druckprozesses sowie die Temperatur im Drucker und die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur während des gesamten Druckvorgangs (Gmeiner et al. 2025). Außerdem ist die exakte Nivellierung des Druckbettes für eine gute Präzision und Reproduzierbarkeit unerlässlich.

Darüber hinaus können während des Druckprozesses verschiedene Effekte und Herausforderungen auftreten:

Warping: Verformungen, die auf die thermische Schrumpfung des Materials während des Abkühlens sowie auf daraus resultierende innere Spannungen zurückzuführen sind.

Geringe Haftung auf dem Druckbett, insbesondere bei unzureichender Haftvermittlung oder ungeeigneten Druckbettparametern.

Stringing: Bildung dünner Kunststofffäden, die entstehen, wenn flüssiges Filament während der Bewegung des Druckkopfes nachläuft (Krey et al. 2022).

Der Düsendurchmesser muss strikt auf die Druckgeschwindigkeit abgestimmt sein, da andernfalls Präzision und Reproduzierbarkeit negativ beeinflusst werden.

Die Druckrichtung kann die Qualität des gedruckten Objekts ebenfalls negativ beeinflussen.

Extrusionsdruck und Düsendurchmesser (0,15–0,6 mm) wirken sich auf die mechanische Stabilität des Objekts aus (Moby et al. 2022).

Die Infill-Strategie kann zwischen 0 % (hohl) und 100 % variieren und beeinflusst maßgeblich die Stabilität des Objekts (Syrlybyev et al. 2021).

Extrusionstemperatur, Schichtstärke und Druckgeschwindigkeit haben einen direkten Einfluss auf die Qualität der gedruckten Objekte (Sonaye et al. 2022; Wang et al. 2021).

Die Oberflächengüte lässt sich durch die gewählte Schichtstärke sowie durch die Bauteilorientierung während des Drucks gezielt beeinflussen (Wang et al. 2021).

Maßhaltigkeit und Genauigkeit

Eine Metaanalyse von elf Studien zur FFF-Modellpräzision zeigt:

Gesamtabweichungen: Ø ≈ 190 µm (Grenze für prothetische Meistermodelle: ≤ 120 µm)

Präzision bei Schichtdicke > 50 µm: ≈ 74 µm

Richtigkeit (Trueness): ≈ 169 µm (Nemeth et al. 2023)

Damit ist FFF für Diagnostik-, Aligner- und Studienmodelle sehr gut geeignet.

Beispiele aus der Praxis

Alignerherstellung:
FFF-Modelle eignen sich für das Tiefziehen von Alignerfolien; bei 0,5 mm Folienstärke zeigen sie keine relevanten Deformationen, wenn Druckparameter präzise eingehalten werden.
Wichtig: glatte Schichtoberfläche und ausreichende Betthaftung (Lümkemann et al. 2023).

Bohrschablonen:
Studien zeigen vergleichbare Insertionsgenauigkeiten zu SLA-gedruckten Schablonen bei deutlich geringeren Kosten und kürzerer Produktionszeit (Gmeiner et al. 2025).

Individuelle Abformlöffel:

FFF-Löffel aus thermosensitivem Filament (z. B. Modellanpassung im 60 °C-Wasserbad) – geringes Risiko für Bruch, gute Reproduzierbarkeit.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanische Performance hängt stark von Material, Schichtaufbau und Druckstrategie ab:

Schichtstärke: 0,1 mm → teils höhere Biegefestigkeit als 0,3 mm (Sonaye et al. 2022).

Eine gut ausgewählte Kombination aus dem Düsendurchmesser, Düsentemperatur, Druckbetttemperatur, Drucktraumtemperatur und der Druckgeschwindigkeit ist für die Stabilität des Objektes entscheidend (Wang et al. 2021; Sonaye et al. 2022).

Orientierung: Horizontal gedruckte Objekte: bis zu 20 % höhere Biege- und Zugfestigkeitswerte.

Nachhaltigkeit und Arbeitssicherheit

Ein großer Vorteil der FFF-Technologie liegt im umwelt- und anwenderfreundlichen Prozess:

Kein Harz, keine Lösungsmittel → kein Gefahrstoffhandling

Geringer Energieverbrauch

PLA ist biobasiert und CO₂-neutral herstellbar

Druckabfälle sind recycelbar

Geräuschemission und Geruchsbelastung sehr gering

Perspektive: Hochleistungspolymere und hybride Anwendungen

Die Kombination aus Hochtemperaturfilamenten (PEEK, PPSU) und präzisionsoptimierten Druckstrategien ermöglicht perspektivisch:

langlebige festsitzende Restaurationen,

Provisorien mit hohem Elastizitätsmodul,

gerüstfreie CAD/AM-Komponenten in der KFO und Implantologie.

Darüber hinaus entstehen erste Hybrid-Workflows, bei denen FFF für stabile Basen verwendet und kritische Zonen nachträglich mit lichthärtenden Materialien überdruckt werden – ein Schritt in Richtung multimaterialer additiver Fertigung.

Kurzüberblick

Literatur

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