Spanende Fertigung im Dentalbereich

Gegenstand des Projekts ist die vollautomatische Fertigung dentaler prothetischer Restaurationen und Implantate. Das Anwendungsgebiet zeichnet sich dabei durch einen sehr hohen Grad an Individualisierung und Autonomie aus, sowie unterscheidet sich insbesondere in diesen Aspekten von der konventionellen spanenden Fertigung. Die Individualisierung spiegelt sich darin wieder, dass keine dentale Restauration einer anderen gleicht, und in Verbindung mit der hohen Vielfalt an Rohmaterial zu individualisierten Fertigungsstrategien führen muss, um eine ökonomische Herstellung zu gewährleisten.

Prozessschritte

Die Autonomie spiegelt sich dagegen im typischen Einsatzszenario in zahnärztlichen Praxen und Laboren - d.h. direkt beim Patienten - wieder, und erfordert die Minimierung des manuellen Aufwands des Zahnarztes oder Zahntechnikers zur Prozessplanung, -durchführung und Nachbearbeitung, um eine geringe Latenz und hohe Auslastung zu ermöglichen. Hardwareseitig kommen in zahnärztlichen Praxen und Laboren vorrangig kostengünstige Tischfräsmaschinen als optimaler Kompromiss zwischen Kosten und Nutzen zum Einsatz. Dies stellt einen Gegensatz zu konventionellen Großmaschinen in externen Fräszentren dar, die einen bedeutend höheren Durchsatz erfordern, um ökonomisch operieren zu können. Für den Praxisalltag bedeutet eine derartige Auslagerung der Fertigung an ein Fräszentrum, abgesehen von ökonomischen Gesichtspunkten, insbesondere eine höhere Latenz und geringere Möglichkeiten der Individualisierung, weshalb die Akzeptanz einer eigenen unmittelbaren und einfachen Fertigung vor Ort stetig steigt. Um jedoch die im Dentalsektor verbreitete Material- und Modellvielfalt mittels kleiner Tischfräsmaschinen bedienen zu können, müssen deren mechanische und thermodynamische Einschränkungen algorithmisch kompensiert werden.

 

Prozessplanung

Bildbasierte Freiflächenextraktion und Verschnitt minimierende Objektanordnung

Die große Material- und Farbvielfalt dentaler Restaurationen erfordert den häufigen Wechsel von Rohlingen, während eine ökonomische Fertigung einen äußerst sparsamen Umgang mit dem teuren Rohmaterial nahelegt. Um eine Wiederverwendung bzw. mehrfache Belegung großer Rohlinge zu ermöglichen, erfolgt sowohl eine datenbankbasierte Protokollierung der Nutzungshistorie, als auch eine bildbasierte Extraktion der freien Rohlingfläche. Auf der freien Rohlingfläche werden die Zielobjekte unter Minimierung des Materialverschnitts als Lösung eines irregulären zweidimensionalen Packproblems angeordnet.

 

Objektanordnung-1 Objektanordnung-2

 

Minimalinvasive Objektfixierung

Die Fertigung erfordert eine Fixierung des Zielobjekts im Rohling mittels Fixierungsstegen, welche jedoch das Zielobjekt verfälschen und eine manuelle Nachbearbeitung erfordern.Haltesteg

Die Optimierung von Position, Radius und Anzahl der Fixierungsstege dient der Minimierung des manuellen Aufwands sowohl zur Auslegung einer geeigneten Objektfixierung als auch zur Nachbearbeitung der Steg-Objekt-Kontaktflächen.

 

Pfadgenerierung

Generierung von 3/4/5-achsigen Werkzeugbahnen für individuelle Prozessschritte wie Schleifen, Schruppen, Schlichten, Polieren.

 

Pfadgenerierung-1 Pfadgenerierung-2 Pfadgenerierung-3

 

Adaptierung der Bahnplanungsstrategie an Oberflächeneigenschaften zur Optimierung des Trade-Off zwischen Bearbeitungsgeschwindigkeit und Oberflächengüte. Dies beinhaltet z.B. eine gröbere und damit schnellere Zerspanung zu verblendender Oberflächenregionen zur Reduktion der Bearbeitungsdauer.

 

Simulation und Vorschuboptimierung

Kostengünstige Tischfräsmaschinen, wie sie in Zahnarztpraxen und -Laboren vorrangig zum Einsatz kommen, weisen bezüglich ihrer Kinematik, Dynamik und Wärmeableitung Einschränkungen auf, welche die klassische einheitliche Bearbeitung metallischer oder glaskeramischer Rohmaterialien erschwert oder gar unmöglich macht. Diese Einschränkungen erfordern deshalb eine umso höhere Anpassung der Werkzeugbahnen an die Fähigkeiten der Maschine. Eine Möglichkeit zur Anpassung stellt die Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit dar, deren Optimierung sowohl prädiktiv im Rahmen einer Offline-Fräsbahnsimulation, als auch reaktiv im Rahmen eines Regelkreises erfolgt.

 

Simulation-1 Simulation-2

 

Die Fräsbahnsimulation basiert auf impliziten Repräsentationen relevanter Geometrien mittels Level-Sets (Materialoberfläche) und analytisch definierter Distanzfunktionen (Fräsereingriff / Swept Volume).

Die Rekonstruktion der Materialoberfläche aus den Fräsbahnen ermöglicht die quantitative Bewertung des Zielobjekts hinsichtlich Approximationsgüte und Glattheit zur adaptiven Generierung weiterer Fertigungsschritte.