DE102020131103A1

DE102020131103A1 - Spanabhebendes Werkzeug für die Dentalbehandlung, insbesondere Endodontie-Feile, sowie Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeuges

Info

Publication number: DE102020131103A1
Application number: DE102020131103.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Hoff; Niklas Gerdes
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2022-05-25
Also published as: EP4251091A1; WO2022111769A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug für die Dentalbehandlung, insbesondere Endodontie-Feile, mit einem mittels eines additiven, laserlithographischen Verfahrens erzeugten Grundkörper mit einer am Grundkörper angebrachten Strukturierung, wobei die Strukturierung mittels eines Lasers aufgeprägt ist. Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeuges, insbesondere einer Endodontie-Feile, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug für die Dentalbehandlung, insbesondere eine Endodontie-Feile, mit einem mittels eines additiven, insbesondere Laser-Sinter-Verfahrens erzeugten Grundkörper mit einer am Grundkörper angebrachten Strukturierung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeuges, insbesondere der genannten Art, mittels eines additiven, insbesondere Laser-Sinter-Verfahrens aus einem pulverförmigen Halbzeug.
Es sind unterschiedliche spanabhebende Werkzeuge für die Dentalbehandlung bekannt. Insbesondere sind hier sogenannte Endodontie-Feilen für die Behandlung eines Wurzelkanals oder anderer innenliegender Bereiche eines Zahnes bekannt. Solche Endodontie-Feilen werden üblicherweise aus einem Edelstahl oder aus Titan oder auch einer Nickel-Titan-Legierung hergestellt. Aktuell unterliegen solche Endodontie-Feilen aufgrund deren Herstellung mittels spanender Fertigung einer Größenbeschränkung.
Weiterhin ist es aktuell nicht möglich, bei Endodontie-Feilen bestimmter Größen, nämlich wenn diese sehr klein sind, innenliegende Spülkanäle zu realisieren.
Alternativ zu einer spanenden Fertigung können insbesondere rotierende Nickel-Titan-Instrumente mittels Funkenerosion hergestellt werden. Hierbei unterliegt das entsprechende Instrument jedoch geometrischen Restriktionen durch das Fertigungsverfahren.
Auch weisen solche Endodontie-Feilen derzeit oberflächliche Strukturierungen wie Schneidflächen oder Reibflächen auf, welche auf Grund der genannten Herstellungsverfahren deutlichen Restriktionen in Größe und Ausgestaltung unterliegen. So ist es beispielsweise bei Unterschreiten einer bestimmten Größe von Endodontie-Feilen nicht möglich, positive Schnittwinkel zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein spanabhebendes Werkzeug für die Dentalbehandlung, insbesondere eine Endodontie-Feile, mit einem mittels eines additiven, insbesondere Laser-Sinter-Verfahrens erzeugten Grundkörper mit einer am Grundkörper angebrachten Strukturierung, wobei die Strukturierung mittels eines Lasers aufgeprägt ist.
Durch ein Aufprägen der Strukturierung mittels eines Lasers wird es insbesondere für sogenannte 3D-gedruckte, also beispielsweise mittels Laser-Sintern hergestellte, Endodontie-Feilen ermöglicht, nahezu freie Geometrien zu wählen und zu erzeugen und das entsprechende Werkzeug, nämlich die Endodontie-Feile, mit einer entsprechend nutzbaren Strukturierung an deren Oberfläche oder auch innerhalb der Endodontie-Feile auszustatten.
Folgende Begriffe seien an dieser Stelle erläutert:
Eine „Dentalbehandlung“ ist jede Behandlung, insbesondere heilwirksame Behandlung, eines Zahnes oder des Kieferknochens. Dabei kann insbesondere die Behandlung eines menschlichen Zahnes, jedoch auch die Behandlung von tierischen Zähnen umfasst sein. Insbesondere ist eine solche Dentalbehandlung mit einem spanabhebenden Werkzeug ein Schleifen, Fräsen, Sägen, Schälen oder Polieren eines Zahnes und/oder eines entsprechend mit dem Zahn verbundenen Kieferknochens.
Eine „Endodontie-Feile“ kann jedes spanabhebende Werkzeug sein, welches geeignet ist, innerhalb eines Zahnes oder insbesondere in einem Wurzelkanal eines Zahnes mechanisch eine Behandlung durchzuführen. Insbesondere ist eine solche Endodontie-Feile ein schlangenförmig oder länglich ausgebildetes mechanisches Werkzeug mit einer oder mehreren Schneid- oder Schleifoberfläche oder -Oberflächen, wobei eine solche Endodontie-Feile auch flexibel ausgestaltet sein kann. Weiterhin kann eine Endodontie-Feile Zusatzfunktionen oder zusätzliche nutzbare Geometrien oder Strukturen aufweisen.
Ein „additives“ Verfahren ist ein auch als 3D-Druck oder generatives Fertigungsverfahren bekanntes Herstellungsverfahren für massive oder teilmassive Körper. Insbesondere beim Herstellen eines Körpers mittels Laser-Sintern wird ein Pulver, welches ein Kunststoffpulver oder auch ein Metallpulver sein kann, mittels eines Lasers lokal aufgeschmolzen und dabei durch das anschließende Erstarren nach Ausschalten des Lasers zu einem Festkörper verschmolzen. Dieser Festkörper bildet dann nach und nach durch weiteres Aufschmelzen und Erstarren von weiterem Pulver das zu erzeugende Werkstück, nämlich durch „Addition“ von weiteren Schichten.
Dabei kann der Laser sowohl direkt auf das Pulver gerichtet sein oder aber auch mittels optischer Bauteile wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, auf das Pulver gelenkt werden. Eine Umlenkung des Lasers kann beispielsweise mittels eines sogenannten Galvo-Scanners, also mittels eines gesteuerten Spiegels, erfolgen.
Ein „Grundkörper“ ist der Bereich eines spanabhebenden Werkzeugs oder auch eine Endodontie-Feile, an welchem eine Strukturierung, wie beispielsweise Zähne oder Schneidflächen oder eine zum Bearbeiten eines Zahnes geeignete Oberfläche aufgebracht ist. Weiterhin kann der Grundkörper auch weitere Strukturierungen, beispielsweise in seinem Inneren, aufweisen.
Eine „Strukturierung“ ist beispielsweise das Vorhandensein einer Struktur im Inneren des Grundkörpers oder auch auf dessen Oberfläche. Beispielsweise ist eine Strukturierung eine Abfolge von Schneidflächen auf dem Grundkörper oder auch eine Kavität im Inneren des Grundkörpers.
Ein „Laser“ bezeichnet sowohl den physikalischen Effekt als auch ein entsprechendes Gerät, mit welchem Laserstrahlen erzeugt werden. Laserstrahlen (kurz auch „Laser“ genannt) sind elektromagnetische Wellen, insbesondere Lichtwellen, welche mittels einer scharfen Bündelung eines entsprechenden Lichtstrahls parallelisiert und damit stark fokussiert werden können. Solche Laser weisen insbesondere eine hohe Energiedichte je bestrahlter Fläche auf, sodass mittels eines Lasers einerseits bei vergleichsweise geringer Leistung eine punktgenaue Beleuchtung ermöglicht ist, andererseits allerdings bei entsprechend hoher Leistung auch eine Materialbearbeitung mit vergleichsweise wenig Energieaufwand durchgeführt werden kann.
Um den Grundkörper und insbesondere Randbereiche des Grundkörpers mittels des Lasers zielgenau strukturieren zu können und gleichzeitig einen geringen Wärmeeinfluss in die Oberfläche und/oder das Volumen des Grundkörpers einzubringen, ist die Strukturierung mittels eines Kurzpuls-Lasers mit einer Pulslänge von weniger als 30 ps, insbesondere weniger als 20 ps, aufgeprägt.
Insbesondere die kurzzeitige Bestrahlung mittels eines solchen Kurzpuls-Lasers mit einer Pulslänge von weniger als 30 ps oder weniger als 20 ps führt dazu, dass nur eine oberste Schicht oder außenliegende Bereiche des Grundkörpers mittels des Kurzpuls-Lasers bearbeitet werden. Damit werden eine besonders gleichmäßige Strukturierung und eine hohe Qualität der Strukturierung erreicht.
Ein „Kurzpuls-Laser“ bezeichnet hierbei einen Laser, welcher kurzzeitig eingeschaltet und dann wieder ausgeschaltet wird, sodass ein sehr kurzer Beleuchtungsimpuls erzeugt wird. Ein solcher Kurzpuls-Laser kann dabei in einer wiederholten Frequenz mit einer entsprechenden Abfolge von Beleuchtungsimpulsen betrieben werden, also einer Wiederholungsrate oder auch „Repetitionsrate“.
Ein Kern der Erfindung ist insbesondere, dass nach dem Aufschmelzen des pulverförmigen Materials im 3D-Druck eine zusätzliche Laserstrukturierung erfolgt, welche insbesondere mittels eines Kurzpuls-Lasers durchgeführt wird. Damit können besonders die Randbereiche und/oder Oberflächen des bereits gedruckten Materials geglättet und/oder konturiert werden, sodass scharfe Kanten und Ränder im Micro-Maßstab ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform ist die Strukturierung als Schneidfläche ausgebildet, wobei die Schneidfläche insbesondere einen Schneidenradius von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 25 µm, insbesondere weniger als 10 µm aufweist.
Eine solche Schneidfläche kann als Strukturierung mittels den genannten Ausführungsformen eines additiven, laserlithographischen Verfahrens zuverlässig und besonders scharf abgegrenzt an den Grundkörper angebracht und/oder auf den Grundkörper aufgebracht werden. Es hat sich zudem überraschend gezeigt, dass mittels eines solchen Herstellungsweges ein besonders scharfer Schneidenradius im Vergleich zu anderen additiven Verfahren erzeugbar ist.
Eine „Schneidfläche“ kann jede zur direkten spanenden Bearbeitung eines Zahnes ausgebildete Fläche am Grundkörper sein. Insbesondere ist eine solche Schneidfläche eine scharfe, flankenartige Fläche, welche in einem Winkel zur zu bearbeitenden Oberfläche eines Zahnes steht. Eine solche Schneidfläche wirkt damit bei einem Einsatz des spanabhebenden Werkzeuges beispielsweise analog zu einem Zahn eines Sägeblattes.
Ein „Schneidenradius“ beschreibt den Radius der Verrundung einer Schneidkante an einer Schneidfläche. Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieser Schneidenradius besonders klein ausgebildet ist, da damit eine sehr scharfkantige Schneidfläche ermöglicht wird. Die Schneidkante ist dabei die Kante, welche im Kontakt mit dem zu spanenden Werkstück steht und den gewünschten Materialabtrag verursacht.
Um das spanabhebende Werkzeug besonders sicher führen und einsetzen zu können und unerwünschte Vibrationen bei der Bearbeitung eines Zahnes zu verhindern, weist die Schneidfläche einen positiven Spanwinkel und/oder einen positiven Schnittwinkel auf.
Ein „Spanwinkel“ ist der Winkel, welcher zwischen zu bearbeitender Oberfläche, beispielsweise der Oberfläche eines Zahnes, und der entsprechend schneidend ausgebildeten Flanke und/oder Oberfläche des spanabhebenden Werkzeuges eingestellt ist. Dieser Spanwinkel ist ein konstruktives Merkmal des jeweiligen Werkzeuges und muss daher bei der Herstellung des entsprechenden spanabhebenden Werkzeuges sachdienlich und an das zu bearbeitende Material angepasst vorgesehen sein.
Ein „Schnittwinkel“ ist jener Winkel, welcher sich aus dem Spanwinkel und einem dazu überlagerten Bewegungsprofil des entsprechenden spanabhebenden Werkzeugs ergibt. Bei einem parallel zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks geführten Werkzeug entspricht der Spanwinkel in der Regel dem Schnittwinkel. Bei rotierenden Werkzeugen oder anderweitig geometrisch geführten Werkzeugen können Spanwinkel und Schnittwinkel voneinander abweichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Strukturierung als innerhalb des Grundkörpers, insbesondere entlang einer Längsachse, angeordneter erster Spülkanal ausgebildet, wobei der erste Spülkanal insbesondere einen Durchmesser von weniger als 0,5 mm und/oder einen Querschnitt von weniger als 0,2 mm² aufweist.
Ein solcher erster Spülkanal kann mittels der Strukturierung mit einem Laser besonders fein und gleichmäßig, auch innerhalb des Grundkörpers, ausgebildet werden. Insbesondere die Randbereiche des jeweiligen Spülkanals werden damit sehr glatt und ebenmäßig ausgebildet.
Insbesondere für kleine Endodontie-Feilen war es bisher nicht möglich, Spülkanäle zu realisieren. Im herkömmlichen laserlithographischen Verfahren oder auch dem Laser-SinterVerfahren war eine Ausbildung der Spülkanäle nicht klar und fein genug möglich, mittels spanender Verfahren sogar ausdrücklich nicht realisierbar.
Eine „Längsachse“ ist dabei eine Achse, welche entlang einer Längenausdehnung des Grundkörpers verläuft. Insbesondere ist diese Längenausdehnung die größte Ausdehnung des spanabhebenden Werkzeuges und/oder des Grundkörpers. Eine solche Längsachse kann dabei von einer mathematisch exakten Schwerpunkts- oder Mittelpunktsachse abweichen, beispielsweise um bis zu -10° bis +10°.
Ein „Spülkanal“ kann jede für beispielsweise Flüssigkeiten durchlässige Röhre oder andere Kavität innerhalb des Grundkörpers sein, durch welche beispielsweise eine Spülflüssigkeit während eines Einsatzes des spanabhebenden Werkzeuges geleitet werden kann. Mittels eines solchen Spülkanals kann dann die Spülflüssigkeit an die Wirkstelle des entsprechenden Werkzeuges geleitet werden, sodass beispielsweise bei der Bearbeitung eines Zahnes im menschlichen Kiefer entsprechende Späne oder Flüssigkeiten von der Bearbeitungsstelle weggespült werden. Insbesondere kann ein solcher Spülkanal für die Durchleitung und Zuleitung von Desinfektionslösung genutzt werden.
Um entsprechende Flüssigkeiten zuverlässig und auch redundant und in bestimmten Austrittsrichtungen an eine Bearbeitungsstelle bringen zu können, ist oder sind dem ersten Spülkanal ein weiterer Spülkanal oder weitere Spülkanäle zugeordnet, wobei insbesondere der erste Spülkanal und der zweite Spülkanal oder der erste Spülkanal, der zweite Spülkanal und die weiteren Spülkanäle spiralförmig ineinandergreifend angeordnet sind.
Mit dieser Anordnung ist es ermöglicht, beispielsweise durch die spiralförmige Führung mehrerer Spülkanäle aneinander innerhalb des Grundkörpers deren Austrittsöffnungen abweichend von der Längsachse des Grundkörpers auszugestalten. Damit können die Spülkanäle frei innerhalb des Grundkörpers angeordnet werden.
Insbesondere durch die Herstellung des spanabhebenden Werkzeuges mittels des laserlithographischen Verfahrens und die Aufbringung der Strukturierung mittels eines Lasers nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen können sehr klar begrenzte Spülkanäle erzeugt werden. Damit ist auch eine miteinander verdrehte oder spiralförmig ineinander verschlungene Struktur der unterschiedlichen Spülkanäle möglich.
Insbesondere wird die Strukturierung dabei in jeder Schicht während der laserlithographischen Erzeugung des spanabhebenden Werkzeuges aufgebracht, sodass insbesondere Randbereiche von Schneidflächen, Spülkanälen oder anderen Strukturierungen in übereinanderliegenden Schichten sehr klar abgegrenzt sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist das spanabhebende Werkzeug einen Edelstahl und/oder eine Nickel-Titan-Legierung auf.
Sowohl Edelstähle als auch Titan- oder Nickel-Titan-Legierungen lassen sich mittels eines laserlithographischen Verfahrens zuverlässig und qualitätsgesichert verarbeiten. Dabei weist ein Edelstahl gegenüber einer Nickel-Titan-Legierung unterschiedliche Eigenschaften auf, sodass beispielsweise mittles eines spanabhebenden Werkzeuges aus einer Nickel-Titan-Legierung eine erhöhte Flexibilität des spanabhebenden Werkzeuges ermöglicht werden kann. Ein weiteres Kriterium für die Auswahl desjeweiligen Werkstoffs können hygienische Aspekte, wie beispielsweise die Reinigung des entsprechenden spanabhebenden Werkzeuges, sein.
Für die genannten Ausführungsformen beträgt die Wellenlänge eines entsprechenden Lasers bei der Herstellung des spanabhebenden Werkzeuges zwischen 150 nm und 1.100 nm. Somit kann ein Infrator-Laser mit einer Wellenlänge zwischen 1.100 nm und 780 nm verwendet werden. Weiterhin kann der Laser ein Lasers im sichtbaren Spektrum von beispielsweise 780nm bis 380 nm oder im ultravioletten Spektrum von 380 nm bis 150 nm sein. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen zur Abgrenzung von Infrarot zu sichtbarem Licht und von sichtbarem Licht zu ultraviolettem Licht können hierbei je nach Quelle und Anwendungsbereich mit einer Toleranz von etwa 50 nm behaftet sein und dienen lediglich als Orientierung.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeuges, insbesondere eines spanabhebenden Werkzeuges gemäß einer der oben genannten Ausführungsformen, mittels eines additiven, insbesondere Laser-Sinter-Verfahrens aus einem pulverförmigen Halbzeug, umfassend folgende Schritte:

i. Aufbringen einer Schicht des pulverförmigen Halbzeuges auf einen Werkstückträger,
ii. Aufschmelzen und Erstarren des pulverförmigen Halbzeuges zu einem Festkörper mittels eines zeitlich begrenzten Einsatzes eines Lasers an einem Ort oder Bereich, welcher einen Teilbereich des herzustellenden spanabhebenden Werkzeuges bildet, sodass eine Ebene des herzustellenden spanabhebenden Werkzeuges vorliegt,
iii. Nachbehandeln eines Randbereiches der Ebene mittels eines Lasers, derart, dass pulverförmiges und/oder aufgeschmolzenes und erstarrtes Halbzeug abgetragen und/oder erneut aufgeschmolzen wird, sodass die Randschärfe des Randbereiches verbessert ist,
iv. Wiederholen der Schritte i., ii., und/oder iii. für mehrere Schichten, sodass das spanabhebende Werkzeug mit verbesserter Randschärfe aus mehreren Ebenen hergestellt ist.

Bei einem derart hergestellten spanabhebenden Werkzeug kann damit in jeder durch das additive, insbesondere Laser-Sinter-Verfahren aufgebrachten Ebene ein Nachbehandeln eines Randbereiches jeder Ebene oder einzelnen Ebenen mittels eines Lasers erfolgen. Somit können auch bei eingeschlossenen oder hinterschnittenen Geometrien und anderweitigen Schikane-Stellen präzise Randbereiche der jeweiligen Ebene und damit eine präzise Begrenzung des spanabhebenden Werkzeuges erzeugt werden. Insbesondere erfolgt dabei das Nachbehandeln eines Randbereiches derart, dass sowohl pulverförmiges und/oder aufgeschmolzenes und erstarrtes Halbzeug abgetragen und/oder erneut aufgeschmolzen wird.
Dabei kann ein „Laser“ für das erfindungsgemäße Verfahren auch je ein separater Laser für das Aufschmelzen und das Nachbehandeln sein, welche dann jeweils mit unterschiedlichen Parametern betrieben werden. In einer Alternativen kann jedoch auch ein einzelner Laser mit gleichen oder unterschiedlichen Betriebsparametern für das Aufschmelzen und das Nachbehandeln eingesetzt werden.
Ein „Randbereich“ bezeichnet dabei insbesondere jenen Bereich der jeweiligen Ebene, welcher im vollständig gefertigten spanabhebenden Werkzeug die Begrenzung zu einer Peripherie oder der Umgebung darstellt oder als Kante oder Rand des spanabhebenden Werkzeuges vorliegt. Dies kann sowohl eine „Kante“ im Sinne einer Schneidfläche oder einer Schneidkante als auch eine Fläche im Sinne einer Oberfläche sein. Weiterhin ist ein „Randbereich“ beispielsweise die Begrenzungsfläche einer im spanabhebenden Werkzeug liegenden Kavität oder aber auch die einer jeweilige in Herstellung befindlichen Ebene liegende Begrenzung im späteren spanabhebenden Werkzeug.
Der Randbereich umfasst dabei beispielsweise einige 1/10mm oder einige 1/100mm in die Tiefe des jeweiligen Materials oder er umfasst bis zu 10%, beispielsweise 5% der Materialstärke eines jeweiligen Querschnitts der jeweiligen Ebene des spanabhebenden Werkzeugs.
In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „pulverförmiges“ insbesondere auf solche noch vollständig oder teilweise pulverförmige Bestandteile des pulverförmigen Halbzeuges, welche an oder mit aufgeschmolzenen und erstarrten Bereichen des Halbzeuges zusammenhängen oder beispielsweise mit diesen verklebt sind. In diesem Zusammenhang sei ebenfalls erwähnt, dass die Trennschärfe hier nicht klar gegeben sein kann, sondern ein fließender Übergang entsteht. Insbesondere bezieht sich hier das Nachbehandeln auf die Randbereiche, welche die geometrische Begrenzung des hergestellten spanabhebenden Werkzeuges bilden. Das Nachbehandeln hat hierbei ein Glätten der Randbereich zum Ziel, sodass verbleibende Bestandteile des Halbzeuges, welche noch pulverförmig sind, auch mit in bestehendes aufgeschmolzenes und erstarrtes Halbzeug verschmolzen werden können. Im Übrigen dient das Nachbehandeln dazu, unscharfe Randbereiche mittels eines Verdampfens von pulverförmigem oder verschmolzenem Halbzeug abzutragen.
Das Wiederholen der genannten Schritte führt dazu, dass aus mehreren Schichten dann das spanabhebende Werkzeug im Sinne eines 3D-Drucks nach und nach entsteht.
Um die Randbereiche besonders zuverlässig und gleichmäßig nachbehandeln zu können, erfolgt das Nachbehandeln mittels eines Kurzpuls-Lasers, insbesondere mit einer Wiederholungsrate > 10 kHz oder > 350 kHz, insbesondere > 500 kHz. Insbesondere liegt eine Obergrenze für eine Wiederholungsrate bei 1 MHz.
Ein Kurzpuls-Laser ist dabei insbesondere ein Laser wie oben beschrieben, nämlich ein Laser, welcher eine jeweilige Einsatzzeit von weniger als 30 ps oder weniger als 20ps je Puls aufweist.
In einer Ausführungsform erfolgt das Aufschmelzen und das Nachbehandeln des pulverförmigen Halbzeugs mittels eines Kurzpuls-Lasers, wobei insbesondere das Aufschmelzen des pulverförmigen Halbzeugs mit einer Wiederholungsrate von mehr als 5 MHz, insbesondere mehr als 10 MHz, insbesondere mehr als 25 MHz, erfolgt.
Es hat sich herausgestellt, dass für das Aufschmelzen des pulverförmigen Halbzeuges mittels eines Kurzpuls-Lasers eine besonders hohe Anzahl von Pulsen, also ein besonders hoher Energieeintrag, erforderlich ist, sodass im Vergleich zum Nachbehandeln des pulverförmigen Halbzeuges eine sehr hohe Wiederholungsrate angewendet wird. Damit kann dann der gesamte 3D-Druck-Prozess mittels eines einzigen Lasers mit unterschiedlichen Betriebsmodi ausgeführt werden.
Eine „Wiederholungsrate“ oder auch „Repetitionsrate“ ist dabei die Zeit- oder Frequenzangabe, welche die Anzahl oder auch zeitliche Abfolge von entsprechenden Pulsen eines kurzpuls-Lasers beschreibt. Diese Wiederholungsrate kann beispielsweise in Hz, kHz oder MHz, also einer Frequenz oder aber auch als Zeitabstand zwischen zwei Pulsen in einem Zeitintervall, beispielsweise in einem Bruchteil von Sekunden, angegeben sein.
Beispielsweise wird der Laser zum Aufschmelzen des pulverförmigen Materials mit einer Repetitionsrate von mehr als 10 MHz, beispielsweise 15 MHz oder 20MHz betreiben, wohingegen der Laser zum Nachbearbeiten mit einer Repetitionsrate von etwa 500 kHz betreiben wird. Demnach sendet der Laser zum Aufschmelzen beispielsweise 10 Millionen, 15 Millionen oder 20 Millionen Pulse je Sekunde aus, der Laser zum Nachbehandeln hingegen etwa 500.000 Pulse je Sekunde.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Endodontie-Feile in einer isometrischen Ansicht,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Kopfes der Endodontie-Feile der 1 in einer Seitenansicht,
3 ein Querschnitt der Endodontie-Feile der 1 in einer Draufsicht,
4 eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrens für eine Schicht einer Endodontie-Feile,
5 eine Kennlinie für die Steuerung zweier Laser während des Herstellungsverfahrens der 4, sowie
6 eine alternative Kennlinie für die Steuerung zweier Laser währende des Herstellungsverfahrens der 4.

Eine Endodontie-Feile 101 weist einen Kopf 103 und einen Schaft 105 auf. Der Kopf 103 trägt dabei eine Vielzahl von Schneidflächen 107 und dient der Bearbeitung eines Wurzelkanals eines menschlichen Zahnes.
Der Schaft 105 ist der Teil der Endodontie-Feile, welcher in einem motorischen Werkzeugträger eingespannt wird, um dann mittels des motorischen Werkzeugträgers die Endodontie-Feile 101 in Rotation zu versetzen. Somit kann mit der Endodontie-Feile 101 ein Wurzelkanal bearbeitet werden. Die Endodontie-Feile 101 ist flexibel, deren Geometrie kann also in gewissen Grenzen durch Biegen an eine Geometrie eines Wurzelkanals angepasst werden.
In ihrem Inneren weist die Endodontie-Feile 101 zwei Spülkanäle 109 auf, welche durch den Schaft 105 und den Kopf 103 verlaufen. An einer Spitze 110 des Kopfes 103 treten die Spülkanäle 109 aus dem Kopf 103 aus. Durch die Spülkanäle 109 kann so beispielsweise Desinfektionslösung während des Benutzens der Endodontie-Feile 101 in den Wurzelkanal eingebracht werden.
Die Schneidflächen 107 sind rund um den Kopf 103 der Endodontie-Feile 101 eingebracht, und zwar als Schneidflächen 107 mit einem positiven Spanwinkel 111. Die Spülkanäle 109 verlaufen spiralförmig im Inneren der Endodontie-Feile 101, sodass deren Austrittsöffnungen im Bereich der Spitze 110 schräg gegenüber einer Längsachse 123 verlaufen. Der Kopf 103 der Endodontie-Feile 101 weist einen Durchmesser 121 auf, welcher im gezeigten Beispiel 0,8 mm beträgt. Die Spülkanäle weisen damit einen Durchmesser von etwa 0,15 mm auf.
Die Endodontie-Feile 101 ist mittels eines 3D-Druckverfahrens, nämlich eines additiven Laser-Sinter-Verfahrens aus einer Nickel-Titan-Legierung in einer Vielzahl von Schichten hergestellt (nicht detailliert dargestellt). Hierbei sind insbesondere die feinen Konturen entlang der Schneidflächen 107 und die Begrenzungen der Spülkanäle 109 entsprechend bearbeitet, im Folgenden soll das dazu verwendete Verfahren detailliert erläutert werden:
Auf einem Werkstückhalter 401 ist Nickel-Titan-Pulver 403 aufgebracht. Dieses Nickel-Titan-Pulver 403 wird mittels eines Lasers 421, welcher einen Laserstrahl 422 aussendet, aufgeschmolzen und damit zu einer Schicht 405 konsolidiert. Der Laser 421 arbeitet dabei als sogenannter CW-Laser (continuous wave), sendet also den Laserstrahl 422 während der Bearbeitung ohne Unterbrechung aus. Die Schicht 405 besteht damit aus einer aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Nickel-Titan-Legierung. Die Schicht 405 weist an ihrer Oberfläche Unebenheiten 406 auf, welche als Randbegrenzung beispielsweise eines Spülkanals 109 zu grob und damit ungeeignet wären.
Die Schicht 405 wird daher mittles eines Lasers 423, welcher einen Laserstrahl 424 aussendet, nachbehandelt. Bei dem Laser 423 handelt es sich dabei um einen Kurzpuls-Laser mit einer Pulsdauer von 20 ps. Mittels dieses Laserstrahls 424 wird mit den entsprechend kurzen Laserpulsen nur eine Oberflächenschicht 411, welche der Schicht mit den Unebenheiten 406 entspricht, kurzzeitig erneut erhitzt und damit teilweise aufgeschmolzen und aber auch in Teilen verdampft.
Während die Schicht 405 mittels des Lasers 421 vollständig durchdrungen und vollständig aufgeschmolzen wurde, wird nur die Oberflächenschicht 411 der Schicht 407 angeschmolzen und weitere Unebenheiten 406 verdampft und die Oberflächenschicht 411 damit geglättet. Die Glättung erfolgt dabei auch in der flüssigen Phase unter dem Einfluss der Oberflächenspannung des entstehenden lokalen Schmelzbades, der Schwerkraft und andren Faktoren. Es verbleibt durch die sehr kurze jeweilige Einwirkzeit des Laser 423 lediglich eine Wärmeeinflusszone 409 auf der Schicht 407, welche im Vergleich zur Schicht 407 sehr dünn ist. Weitere Wärme wird durch das Verdampfen von Bestandteilen entzogen und abgeführt.
Dieser Ablauf läuft entlang einer Vorschubrichtung 430 ab, entlang welcher der Laser 421 sowie der Laser 423 über den Werkstückhalter bewegt werden (4).
Im Ergebnis wurde damit das Nickel-Titan-Pulver 403 zunächst mit dem Laser 421 zu einer Schicht 405 aufgeschmolzen und dann mittels des Lasers 423 an der Oberfläche geglättet, sodass die Schicht 407 mit der Oberflächenschicht 411 entsteht. Die so entstandene Oberflächenschicht 411 ist beispielsweise für die geometrische Begrenzung einer Schneidfläche 107 oder die Begrenzung eines Spülkanals 109 fein und glatt genug und damit für diesen Einsatz geeignet. Die Endodontie-Feile 101 besteht aus einer Vielzahl von entsprechend bearbeiteten Schichten, sodass im Ergebnis eine Endodontie-Feile 101 mit scharfen Schneidflächen 107 und gleichmäßig ausgeformten Spülkanälen 109 entsteht.
Ein Diagramm 501 zeigt entsprechende Kennlinien für den Betrieb der jeweiligen Laser. Eine Zeitachse 503 sowie eine Magnitudenachse 505 zeigen den zeitlichen Verlauf des Einsatzes der jeweiligen Laser, wobei auf der Magnitudenachse 505 die Leistung des jeweiligen Lasers aufgetragen ist (Darstellung qualitativ). Eine Kennlinie 521 zeigt dabei den dauerhaften Einsatz des Lasers 421, eine Kennlinie 523 die entsprechend kurzen Pulse des Lasers 423 zum Glätten der Oberfläche.
In einer Alternativen kann sowohl der Laser 421 als auch der Laser 423 als Kurzpuls-Laser betrieben werden. Ein entsprechendes Diagramm 601 zeigt die dazugehörigen Kennlinien. Es ist ebenfalls eine Zeitachse 603 sowie eine Magnitudenachse 605 analog zur Zeitachse 503 und der Magnitudenachse 505 aufgetragen. Die Kennlinie 621 zeigt dabei vergleichsweise kurze Zeitabfolgen der Pulse des Lasers 421, welche im Bereich von einer Betriebsfrequenz von 10 MHz liegen. Demgegenüber wird der Laser 423 gemäß der Kennlinie 623 mit einer Frequenz von 350 kHz gepulst, um Randbereiche der jeweilig zu erzeugenden Schicht zu glätten.
Bezugszeichenliste

101: Endodontie-Feile
103: Kopf
105: Schaft
107: Schneidfläche
109: Spülkanal
110: Spitze
111: Spanwinkel
121: Durchmesser
123: Längsachse
401: Werkstückhalter
403: Nickel-Titan-Pulver
405: Schicht
406: Unebenheit
407: Schicht
409: Wärmeeinflusszone
411: Oberflächenschicht
421: Laser
422: Laserstrahl
423: Laser
424: Laserstrahl
430: Vorschubrichtung
501: Diagramm
503: Zeitachse
505: Magnitudenachse
521: Kennlinie
523: Kennlinie
601: Diagramm
603: Zeitachse
605: Magnitudenachse
621: Kennlinie
623: Kennlinie

Claims

Spanabhebendes Werkzeug (101) für die Dentalbehandlung, insbesondere Endodontie-Feile (101), mit einem mittels eines additiven, insbesondere Laser-Sinter-Verfahrens erzeugten Grundkörper (103) mit einer am Grundkörper (103) angebrachten Strukturierung (107, 109), dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (107, 109) mittels eines Lasers (423) aufgeprägt ist.
Spanabhebendes Werkzeug gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung(107, 109) mittels eines Kurzpuls-Lasers (423) mit einer Pulslänge von weniger als 30ps, insbesondere weniger als 20ps aufgeprägt ist.
Spanabhebendes Werkzeug gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (107, 109) als Schneidfläche (107) ausgebildet ist, wobei die Schneidfläche (107) insbesondere einen Schneidenradius von weniges als 100 µm, insbesondere weniger als 25 µm, insbesondere weniger als 10 µm aufweist.
Spanabhebendes Werkzeug gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidfläche (107) einen positiven Spanwinkel (111) und/oder einen positiven Schnittwinkel aufweist.
Spanabhebendes Werkzeug gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (107, 109) als innerhalb des Grundkörpers (103, 105), insbesondere entlang einer Längsachse (123), angeordneter erster Spülkanal (109) ausgebildet ist, wobei der erste Spülkanal (109) insbesondere einen Durchmesser von weniger als 0,5 mm und/oder einen Querschnitt von weniger als 0,2 mm² aufweist.
Spanabhebendes Werkzeug gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Spülkanal (109) ein zweiter Spülkanal (109) oder weitere Spülkanäle (109) zugeordnet ist oder sind, wobei insbesondere der ersten Spülkanal (109) und der zweite Spülkanal (109) oder der erste Spülkanal (109), der zweite Spülkanal (109) und die weiteren Spülkanäle (109) spiralförmig ineinandergreifend angeordnet sind.
Spanabhebendes Werkzeug gemäße einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Edelstahl und/oder eine Nickel-Titan-Legierung.
Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeuges, insbesondere eines spanabhebenden Werkzeugs (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mittels eines, additiven Verfahrens aus einem pulverförmigen Halbzeug (403), umfassend folgende Schritte: i. Aufbringen einer Schicht (403) des pulverförmigen Halbzeuges auf einen Werkstückträger (401), ii. Aufschmelzen und Erstarren des pulverförmigen Halbzeuges zu einem Festkörper (405) mittels eines zeitlich begrenzten Einsatzes eines Lasers (421) an einem Ort oder Bereich, welcher einen Teilbereich des herzustellenden spanabhebenden Werkzeuges (101) bildet, sodass eine Ebene des herzustellenden spanabhebenden Werkzeuges (101) vorliegt, iii. Nachbehandeln eines Randbereiches der Ebene mittels eines Lasers (423), derart, dass pulverförmiges und/oder aufgeschmolzenes und erstarrtes Halbzeug (405) abgetragen und/oder erneut aufgeschmolzen wird, sodass die Randschärfe des Randbereiches verbessert ist, iv. Wiederholen der Schritte i., ii., und/oder iii. für mehrere Schichten, sodass das spanabhebende Werkzeug (101) mit verbesserter Randschärfe aus mehreren Ebenen hergestellt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbehandeln mittels eines Kurzpulslasers (423) erfolgt, insbesondere mit einer Wiederholungsrate größer als 10kHz oder größer als 350kHz, insbesondere größer als 500kHz.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen und das Nachbehandeln des pulverförmigen Halbzeuges mittels eines Kurzpulslasers erfolgt, wobei insbesondere das Aufschmelzen des pulverförmigen Halbzeuges mit einer Wiederholungsrate von mehr als 5 MHz, insbesondere mehr als 10MHz, insbesondere mehr als 25 MHz erfolgt.