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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Bein- oder Fußprothese durch spanende Bearbeitung eines Rohteils mit einem Bearbeitungswerkzeug, insbesondere durch eine Fünf-Achsen oder Sechs-Achsen-Fräsbearbeitung.
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Die Herstellung von Bein- oder Fuß-Prothesen durch spanende Bearbeitung ist häufig ein zeitaufwändiger Vorgang, da für die spanende Bearbeitung bisher in der Regel mehrere Bearbeitungsphasen mit unterschiedlichen Bearbeitungspfaden erforderlich sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Bein- oder Fußprothese durch spanende Bearbeitung anzugeben, das eine kürzere Bearbeitungszeit bei gleichbleibender Präzision ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird zunächst ein dreidimensionales Oberflächenmodell der herzustellenden Prothese bereitgestellt oder erzeugt. Anhand dieses Oberflächenmodells wird dann eine Vielzahl von entlang einer Leitkurve (spine) beabstandeten Schnittflächen durch das Oberflächenmodell der Prothese generiert. Dies erfolgt derart, dass sich die Schnittflächen weder auf dem Oberflächenmodell noch innerhalb des vom Oberflächenmodell eingeschlossenen Volumens schneiden und dass sie auf der Leitkurve einen maximalen Abstand zueinander aufweisen, der kleiner als ein Viertel des Durchmessers des Bearbeitungswerkzeuges ist. Der Durchmesser des Bearbeitungswerkzeuges wird dabei in der Ebene senkrecht zur Achse des Bearbeitungswerkzeuges gemessen. Bei einem Fräswerkzeug mit halbkugelförmiger Bearbeitungsspitze entspricht der halbe Durchmesser dem Radius der Spitze. Die Leitkurve durch das Oberflächenmodell wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren entweder vorgegeben oder so aus dem Oberflächenmodell berechnet, dass sie an den beiden Enden der Prothese zumindest annähernd zentral beginnt oder endet. Nach dem Generieren der Schnittflächen wird entweder das Oberflächenmodell der Prothese selbst oder ein um den halben Durchmesser des Bearbeitungswerkzeugs senkrecht zur Oberfläche des Oberflächenmodells vergrößertes Oberflächenmodell auf Basis der Schnittflächen parametrisiert, so dass eine parametrisierte zweidimensionale Oberfläche in einem UV-Koordinatensystem erhalten wird. Ein derartiges UV-Koordinatensystem ist aus dem Gebiet des CAD (Computer Aided Design) bekannt und wird beim sog. UV-Mapping verwendet, dem geometrischen Modellierungsprozess der Herstellung eines 2D-Bilds, welches ein 3D-Modell repräsentiert. Auf dieser parametrisierten zweidimensionalen Oberfläche wird dann ein bezüglich des Oberflächenmodells der Prothese spiralförmiger Bearbeitungspfad für das Bearbeitungswerkzeug erzeugt. Die Bearbeitung des Rohteils erfolgt mit dem Bearbeitungswerkzeug entlang diesem spiralförmigen Bearbeitungspfad.
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Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer Bein- oder Fußprothese aus einem Rohteil in nur einem Bearbeitungsschritt, bei dem mit dem Bearbeitungswerkzeug das Material vom Rohteil entlang der spiralförmigen Bearbeitungsbahn entfernt wird, um die Prothese zu erhalten. Das Verfahren geht dabei von einem Rohteil aus, das dem Volumen der Prothese bereits angenähert ist, beispielsweise von einem entsprechend zylindrischen geformten Rohteil. Das Rohteil besteht dabei vorzugsweise aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoff oder Styropor. Durch das Verfahren wird der Abtrag des Materials in nur einem Bearbeitungsschritt ermöglicht, bei dem das Bearbeitungswerkzeug an einem Ende des Rohteils mit der Bearbeitung beginnt und nach Durchlaufen des spiralförmigen Bearbeitungspfades und Erreichen des anderen Endes die Prothese fertiggestellt ist. Damit lässt sich eine Bein- oder Fußprothese in kurzer Zeit mit ausreichend hoher Präzision herstellen. Vorzugsweise erfolgt die Führung des Bearbeitungswerkzeuges hierbei mit einer Fünf-Achsen- oder Sechs-Achsen-Bearbeitungsmaschine, beispielsweise einem Sechs-Achsen-Roboter. Es ist jedoch auch möglich, andere Typen von CNC-Maschinen für die Bearbeitung einzusetzen. Vorzugsweise erfolgt die spanende Bearbeitung mit einem Fräswerkzeug durch Fräsbearbeitung.
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Die Schnittflächen werden vorzugsweise derart generiert, dass sie beginnend von einem Ende der Leitkurve durch das Oberflächenmodell der Prothese nacheinander zunächst senkrecht zur Leitkurve generiert werden, wobei im weiteren Verlauf von der senkrechten Orientierung der Schnittflächen zur Leitkurve abgewichen wird, falls sich durch die senkrechte Orientierung die Schnittflächen auf dem Oberflächenmodell, also der Oberfläche des Oberflächenmodells, oder innerhalb des vom Oberflächenmodell eingeschlossenen Volumens schneiden würden. Im Anfangsstadium der Generierung der Schnittflächen werden die Schnittflächen dabei vorzugsweise so generiert, dass jeweils benachbarte Schnittflächen auf der Leitkurve einen zumindest annähernd konstanten Abstand zueinander aufweisen.
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Die Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges bei der Bearbeitung des Rohteils erfolgt vorzugsweise je nach Position jeweils parallel zu der Schnittfläche, an deren Position sich das Bearbeitungswerkzeug gerade befindet, oder - falls sich das Bearbeitungswerkzeug zwischen zwei Schnittflächen befindet - parallel zu einer entsprechend zwischen den nächstliegenden Schnittflächen interpolierten Fläche. Nur zur Vermeidung von Kollisionen wird von dieser Orientierung abgewichen.
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Das vorgeschlagene Verfahren weist zwei Alternativen auf. Bei der ersten Alternative erfolgt das Parametrisieren des Oberflächenmodells der Prothese auf Basis des ursprünglichen Oberflächenmodells. Bei der zweiten bevorzugten Alternative wird das ursprüngliche Oberflächenmodell um den halben Durchmesser des Bearbeitungswerkzeugs senkrecht zur Oberfläche des Oberflächenmodells vergrößert und die Parametrisierung erfolgt mit diesem vergrößerten Oberflächenmodell. Im letztgenannten Fall wird dann der Bearbeitungspfad bezüglich des Zentrums des Bearbeitungswerkzeuges (TCP: Tool Center Point) erzeugt. Unter dem Zentrum des Bearbeitungswerkzeuges ist dabei in bekannter Weise ein Punkt innerhalb des Bearbeitungswerkzeuges zu verstehen, der einen halben Durchmesser von der Spitze und von den Seiten des Bearbeitungswerkzeuges beabstandet ist.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm für das vorgeschlagene Verfahren;
- 2 einen Schnitt durch das Oberflächenmodell einer Beinprothese mit der darin angedeuteten Leitkurve;
- 3 einen Schnitt durch ein um den halben Durchmesser des Bearbeitungswerkzeuges vergrößertes Oberflächenmodell einer Beinprothese;
- 4 ein Beispiel für eine Wahl der Schnittflächen durch das vergrößerte Oberflächenmodell der Beinprothese der 3;
- 5 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der parametrisierten Oberfläche des Oberflächenmodells in einem UV-Koordinatensystem;
- 6 ein Beispiel für einen spiralförmigen Bearbeitungspfad auf Basis des vergrößerten Oberflächenmodells;
- 7 ein Beispiel für die Orientierung des Bearbeitungswerkzeuges zur Leitkurve und zu den Schnittflächen bei der Führung des Bearbeitungswerkzeuges auf dem Bearbeitungspfad; und
- 8 ein Beispiel für verschiedene Orientierungen des Bearbeitungswerkzeuges bei der Führung auf dem spiralförmigen Bearbeitungspfad.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Der prinzipielle Verfahrensablauf des vorgeschlagenen Verfahrens ist anhand des Ablaufdiagrammes der 1 nochmals schematisch dargestellt. Hierbei werden in einem ersten Schritt die Bearbeitungsvorgaben eingelesen, insbesondere das STL-Netz des Oberflächenmodells, die Leitkurve sowie der maximale Bahnvorsatz. In einem zweiten Schritt wird dann das eingelesene STL-Netz des Oberflächenmodells entlang der Leitkurve in einzelne sich nicht überschneidende Schnittflächen unterteilt. Die Netzoberfläche wird dann auf Basis der Schnittflächen parametrisiert, um eine zweidimensionale parametrisierte Oberfläche im UV-Raum zu erhalten. Anschließend wird auf der parametrisierten Oberfläche ein bezüglich des Oberflächenmodells spiralförmiger Bearbeitungspfad erzeugt. Im letzten Schritt werden in diesem Beispiel mögliche Kollisionen detektiert und durch Anpassung des Bearbeitungspfades vermieden und der Bearbeitungspfad verbunden.
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Im Folgenden wird auf die einzelnen Schritte nochmals näher eingegangen. So zeigt 2 ein Beispiel für einen Schnitt durch das Oberflächenmodell 1 der Prothese, das als STL-Netz vorliegt. In diesem zentralen Schnitt durch das Oberflächenmodell ist auch die vorgegebene Leitkurve 2 eingezeichnet, die zentral an beiden Enden des Oberflächenmodells beginnt bzw. endet. Diese Leitkurve wird in der Regel zusammen mit dem Oberflächenmodell vorgegeben, kann jedoch auch auf Basis des Oberflächenmodells generiert werden.
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Im vorliegenden Beispiel wird ein Fräswerkzeug mit einer halbkugelförmigen Werkzeugspitze mit dem Radius R für die Bearbeitung eingesetzt. Für die Generierung des Bearbeitungspfades wird hierbei das Zentrum des Bearbeitungswerkzeuges (TCP) genutzt, das dem Mittelpunkt der halbkugelförmigen Spitze entspricht, also einem Abstand zur Spitze und zu den Seiten des Bearbeitungswerkzeuges aufweist, der dem Radius R der halbkugelförmigen Spitze entspricht. Hierzu wird das Oberflächenmodell 1 der Prothese zunächst senkrecht zur Oberfläche um diesen Radius R vergrößert, um ein vergrößertes Oberflächenmodell 3 zu erhalten, wie dies in 3 beispielhaft im Schnitt durch das vergrößerte Oberflächenmodell 3 dargestellt ist. In dieser Darstellung sind auch das ursprüngliche Oberflächenmodell 1 und die Leitkurve 2 gestrichelt dargestellt.
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Auf Basis dieses vergrößerten Oberflächenmodells 3 und der Leitkurve 2 werden dann entlang der Leitkurve 2 Schnittflächen 4 durch das vergrößerte Oberflächenmodell 3 erzeugt. Dies erfolgt im vorliegenden Beispiel beginnend von dem im Bild unteren Ende des Oberflächenmodells 3 zum oberen Ende hin. Zunächst werden die Schnittflächen 4 hierbei senkrecht zur Leitkurve 2 erzeugt. Im oberen Bereich ist jedoch eine Abweichung von diesem senkrechten Verlauf erforderlich, damit sich die Schnittflächen 4 weder innerhalb des Oberflächenmodells 3 noch auf der Oberfläche dieses Oberflächenmodells 3 schneiden. Die hierdurch generierten Schnittflächen 4 sind in 4 gestrichelt angedeutet.
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Die einzelnen Schnittflächen 4 werden hierbei beginnend vom unteren Ende des Oberflächenmodells 3 vorzugsweise äquidistant auf der Leitkurve 2 gewählt. Dies ist jedoch kein zwingendes Erfordernis. Der Abstand der Schnittflächen 4 sollte jedoch so klein sein, dass sie auf der Leitkurve 2 maximal den halben Radius R des Bearbeitungswerkzeuges voneinander entfernt liegen. 4 zeigt hierbei lediglich eine schematische Darstellung der Wahl dieser Schnittflächen 4. In der Realität werden die Schnittflächen 4 deutlich enger beieinander liegen, um eine ausreichend hohe Präzision bei der Oberflächenbearbeitung erreichen zu können. Je größer die Anzahl der Schnittflächen 4 entlang der Leitkurve 2 ist, desto präziser kann die spätere Bearbeitung der gewünschten Form der Prothese erfolgen. Zur Vermeidung von Überschneidungen der Schnittflächen 4 innerhalb des vergrößerten Oberflächenmodells 3 oder auf dessen Oberfläche passt der für die Generierung der Schnittflächen 4 genutzte Algorithmus dynamisch die Lage der jeweiligen Schnittfläche 4 zur Leitkurve 2 an, um eine Überschneidung mit der jeweils vorangehend erzeugten Schnittfläche 4 zu vermeiden. Dies führt im vorliegenden Beispiel dazu, dass die Schnittflächen 4 im unteren Teil des dargestellten Oberflächenmodells 3 annähernd senkrecht zur Leitkurve 2 liegen, während sie im weiteren Verlauf zum oberen Ende hin stärker von dieser senkrechten Orientierung zur Leitkurve 2 abweichen.
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Auf Basis dieser durch das Oberflächenmodell 3 generierten Schnittflächen 4 wird das vergrößerte Oberflächenmodell 3 dann parametrisiert, d.h. in ein UV-Koordinatensystem transformiert. Diese Parametrisierung ermöglicht die Erzeugung des Bearbeitungspfades mit einer gewünschten Form und einem gewünschten Bahnversatz. Der Bearbeitungspfad wird auf der entsprechend parametrisierten Oberfläche so erzeugt, dass sich ein spiralförmiger Bearbeitungspfad um das Oberflächenmodell 3 herum ergibt. 5 zeigt hierzu beispielhaft einen Ausschnitt aus der entsprechend parametrisierten Oberfläche, in dem die U- und V-Koordinaten bzw. -Parameter beispielhaft angegeben sind. Die U-Parameter ändern sich entlang der Leitkurve 2 von unten nach oben im Bereich [0,1]. Die V-Parameter ändern sich entlang jeder Schnittfläche 4 von 0 bis 1, wie dies in der Darstellung der 5 angedeutet ist.
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6 zeigt das Ergebnis der Generierung eines spiralförmigen Bearbeitungspfades 5 um das vergrößerte Oberflächenmodell 3 herum. Der Bearbeitungspfad 5 beginnt am unteren Ende des Oberflächenmodells 3 und endet an dessen oberen Ende, d.h. an der Fußspitze.
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Das Fräswerkzeug, das auf diesem Bearbeitungspfad 5 bei der Bearbeitung des Rohteils später geführt wird, ist im ersten Teil des Bearbeitungspfades 5 an jedem Punkt annähernd senkrecht zur Leitkurve 2 ausgerichtet. Hierbei wird gleichzeitig ein kollisionsfreier Betrieb sichergestellt. Bei einer Kollisionsgefahr wird die Orientierung automatisch geändert, um eine Kollision zu vermeiden. Entsprechende Algorithmen zur Kollisionsvermeidung sind dem Fachmann bekannt.
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Da der Bearbeitungspfad 5 auf Basis des um den Radius R des Fräswerkzeugs 8 vergrößerten Oberflächenmodells 3 erstellt wurde und die Werkzeugspitze 9 entsprechend sphärisch ist, liegt die Spitze des Werkzeugs 8 an jedem Punkt des Bearbeitungspfades 5 auf der Oberfläche des ursprünglichen Oberflächenmodells 1. An jedem Punkt des spiralförmigen Bearbeitungspfades 5 ist die Werkzeugachse 7 so orientiert, dass sie parallel zur entsprechenden Schnittfläche 4 zur Leitkurve 2 hin gerichtet ist oder auf einer Fläche 6 liegt, die zwischen zwei aufeinander folgenden Schnittflächen 4 interpoliert wurde. Dies ist in dem Ausschnitt der 7 zu erkennen, der die Schnittflächen 4 sowie eine entsprechend interpolierte Fläche 6, die Achse 7 des Bearbeitungswerkzeuges 8 sowie den TCP 9 zeigt. Wie aus dieser Darstellung zu erkennen ist, liegt der TCP 9 auf dem vergrößerten Oberflächenmodell 3, während die Spitze des Werkzeuges 8 auf dem ursprünglichen Oberflächenmodell 1 liegt. 8 zeigt noch beispielhaft einen Überblick über verschiedene Werkzeugorientierungen an unterschiedlichen Stellen des Bearbeitungspfades 5, die die vorangehenden Erläuterungen illustrieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oberflächenmodell
- 2
- Leitkurve
- 3
- vergrößertes Oberflächenmodell
- 4
- Schnittflächen
- 5
- spiralförmiger Bearbeitungspfad
- 6
- interpolierte Fläche
- 7
- Werkzeugachse
- 8
- Werkzeug
- 9
- TCP
