Modèles en plâtre vs modèles 3D imprimables : comparaison des caractéristiques et facteurs de précision

L’impression 3D est un procédé additif (AM – Additive Manufacturing) qui permet la construction physique de modèles numériques grâce à une impression par couches.

Elle est née en 1986 quand Charles Hull a déposé le premier brevet de stéréolithographie (SLA) basée sur la création d’objets par couches, en faisant solidifier de la résine liquide sensible à la longueur d’ondes de la lumière ultraviolette (400 nm) [1]. Les couches sont ainsi imprimées l’une au-dessus de l’autre afin de créer l’objet 3D.

Depuis lors, le procédé d’impression en fines couches a évolué grâce à des technologies différentes et à une gamme de matériaux de plus en plus divers et performants [2,3].

L’impression 3D dans le secteur dentaire

Avec l’apparition du numérique et des scanners intra-oraux, l’impression 3D a commencé à se diffuser dans le secteur dentaire avec des utilisations diverses [4]. Entre autres, citons la construction de modèles dentaires comme une des principales applications, indispensable pour obtenir un modèle physique à partir d’un fichier STL d’une numérisation intra-orale [5].

Auparavant, la fabrication de modèles en plâtre coulés à partir d’une empreinte dentaire obtenue avec des matériaux spécifiques (polyvinylsiloxane, silicones par condensation, alginates, polyéthers, polysulfures) était l’unique moyen d’obtenir le modèle physique positif de l’arcade du patient [6,7].

Sur ces modèles analogiques, le prothésiste dentaire devait ensuite construire le cadre prothétique ou les produits dentaires/gnathologiques qui étaient insérés dans la bouche du patient [8].

Modèles en plâtre et modèles imprimables

Le flux de travail qui vient d’être décrit reste valable et représente, actuellement, la référence pour diverses applications cliniques [9,10].

En effet, si les scanners intra-oraux ont atteint un niveau d’exactitude et de précision comparable, dans certains, cas, aux matériaux d’empreinte, ce n’est pas le cas pour les modèles imprimés en 3D qui s’avèrent généralement moins précis que ceux en plâtre [11,12].

Les facteurs qui influent sur la précision des modèles imprimés en 3D sont multiples et, à ce jour, ils sont nombreux à être encore en phase d’étude.

Erreurs et facteurs de précision des modèles 3D

Les erreurs introduites par l’impression 3D peuvent découler :

1. de l’acquisition numérique des données ;
2. du traitement des images des tissus durs et mous de la cavité buccale ;
3. du très grand nombre de paramètres d’impression ;
4. du post-traitement effectué pour chaque objet imprimé [5].

Plusieurs études scientifiques affirment en effet que l’épaisseur ou la profondeur de la couche de résine à imprimer, l’espacement entre les différentes couches de polymérisation, la puissance de la lumière, la translucidité de la couleur de la résine utilisée et l’ampleur de la surpolymérisation influencent fortement la précision de l’impression 3D [13,14].

Même l’angle de construction de l’objet, la forme et la configuration des paramètres des supports, toujours nécessaires pour éviter toute déformation des objets imprimés, constituent des facteurs importants [15].

De plus, les modèles obtenus par durcissement de résine liquide sont tous soumis à un effet de contraction pendant la phase de polymérisation [16,17].

La contraction des résines pour impression 3D est généralement élevée en raison de l’absence quasi totale de matériaux de remplissage nécessaires pour faire couler facilement la résine entre la base de la plateforme et le fond de la cuve à chaque cycle d’impression [18]. L’ampleur de la contraction dépend toujours de la quantité de résine utilisée.

Une étude sur des modèles avec dents imprimés en 3D conclut en effet que les modèles 3D avec dents avec un design de la base du modèle vide s’avèrent plus précis par rapport à ceux ayant un design en nid d’abeille ou plein [19].

La faible quantité de matériau de remplissage dans ces résines a également une influence sur les propriétés mécaniques de l’objet, qui sont presque uniquement déterminées par la rigidité structurelle du monomère dont est composée la résine [18,20,21].

Le post-traitement de l’impression 3D

Tout objet imprimé en 3D doit ensuite être traité pour être utilisable.

En effet, immédiatement après l’impression initiale, l’objet sera encore partiellement polymérisé et avec des surfaces irrégulières parsemées de résidus de matière semi-solide.

Les étapes de post-traitement prévoient donc [13] :

1. le retrait physique du dispositif imprimé de la plateforme de construction ;
2. le nettoyage de la surface de l’objet et l’élimination de la résine non polymérisée par immersion dans un solvant organique comme de l’alcool isopropylique (IPA) ;
3. la phase de polymérisation finale pour achever le durcissement du dispositif en utilisant une machine à rayons UV ;
4. le retrait des structures de support avec un appareil de découpe, un disque diamanté ou une pointe à ultrasons.

Pendant ces procédures, l’objet imprimé en 3D peut être manipulé de manière incorrecte par le prothésiste dentaire et subir des altérations qui pourraient détériorer la précision et les propriétés mécaniques finales.

Une solution à ce problème est apportée par Dentsply Sirona avec PrimePrint [22,23] grâce à laquelle l’automatisation du post-traitement permet au technicien/médecin de manipuler l’objet uniquement quand il est complètement polymérisé, pour le retrait des supports.

Les facteurs de précision des modèles en plâtre

Eu égard à toutes les variables décrites ci-dessus, la fabrication de modèles en plâtre s’avère certainement plus normalisée, bien que la précision de ces modèles soit influencée par des facteurs tels que [24,25] :

• les proportions eau/poudre utilisées ;
• le mélange du plâtre (automatique sous vide ou manuel) ;
• le temps de contact entre le matériau d’empreinte et le plâtre ;
• l’exposition du plâtre à des conditions de température et d’humidité pouvant entraîner une conversion du sulfate dihydraté en hémihydraté ;
• l’épaisseur du matériau d’empreinte light qui présente une moindre résistance pendant la phase d’expansion volumétrique du plâtre.

Les coûts des différents modèles

Bien évidemment, une comparaison directe entre les deux types de modèles doit nécessairement prendre en considération les coûts.

Les coûts figurent parmi les inconvénients des technologies d’impression 3D qui, par rapport aux techniques analogiques (plâtres), présentent un coût encore très élevé, non seulement en ce qui concerne les machines/imprimantes mais également en ce qui concerne les matériaux (résines en particulier).

En comparant rapidement avec le fraisage classique à contrôle numérique (CNC), parmi les technologies CAO-TAO, l’impression 3D s’avère certainement plus prometteuse mais encore trop coûteuse.

Par ailleurs, il est très important de prendre également en considération le coût initial du logiciel et la courbe d’apprentissage pour utiliser correctement le slicer (fonction utilisée par le logiciel pour convertir un fichier STL dans les spécifications pour l’impression 3D afin de produire l’objet, y compris sa position dans la plateforme de construction, l’orientation de l’impression et les supports) [13].

En ce sens, l’utilisation du matériau à base de plâtre s’avère très simple et peu coûteuse, rebasable et stable du point de vue dimensionnel même sur de longues périodes [26,27] ; une autre caractéristique pour laquelle les résines 3D présentent des limites significatives, en particulier trois semaines après l’impression [28].

L’application clinique des modèles analogiques et 3D

Parmi les différents modèles pouvant ensuite être reproduits  avec une impression 3D ou avec du plâtre, il faut également prendre en considération leur application clinique ; des modèles dentaires utiles pour l’orthodontie peuvent présenter des écarts jusqu’à 500 µm par rapport au fichier STL correspondant [5].

Des valeurs qui sont inacceptables s’il faut réaliser des prothèses sur des dents naturelles ou des implants [29,30]. Étant données les différences en termes d’exactitude et de précision des imprimantes 3D disponibles dans le commerce, il s’avère fondamental de connaître et de choisir celles qui s’adaptent le plus aux exigences cliniques [5].

Conclusions

Bien que ces nouvelles technologies soient prometteuses et intéressantes du point de vue de l’application clinique, aujourd’hui encore (en 2022), le flux de travail analogique traditionnel avec fabrication des modèles en plâtre reste la référence car elle est prévisible et cliniquement validée depuis des années.

Il sera sans doute intéressant de voir si et comment cela pourrait, à l’avenir, modifier le développement de technologies de plus en plus performantes.

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