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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes, insbesondere eines zahntechnischen Produktes, wie beispielsweise die Herstellung einer Implantatbrücke, einer Teleskopkonstruktion oder dergleichen.
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Zur Herstellung zahnmedizinischer Produkte der eingangs genannten Art gibt es im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit besteht darin, ein Produkt im CAD-CAM-Verfahren ausgehend von einem aus einem gewünschten Material gefertigten Rohling aus dem Vollen zu fräsen. Das Fräsen aus dem Vollen hat allerdings den Nachteil, dass meist viel Material zerspant werden muss, was viel Abfall und damit einhergehend hohe Kosten nach sich zieht. Auch ist es bekannt, ein Produkt unter Verwendung einer 3D-Druckeinrichtung zu drucken. Da die mit derzeit im zahntechnischen Bereich eingesetzten 3D-Druckeinrichtungen erzielbare Oberflächengüte jedoch nicht den Anforderungen genügt, müssen die Oberflächen des gedruckten Produktes mechanisch nachbearbeitet werden. Dies erfolgt normalerweise unter Verwendung eines handgeführten Schleif- und/oder Polierwerkzeugs. Eine solche Nachbearbeitung ist sehr zeitaufwendig und erfordert darüber hinaus handwerkliches Geschick.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Produktes bereitzustellen, mit dem die zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer 3D-Druckeinrichtung; b) Bereitstellen einer Fräseinrichtung umfassend eine Spanneinrichtung und einen an der Spanneinrichtung gehaltenen Passrahmen; c) CAD-unterstütztes Erstellen eines 3D-Produktdatensatzes, wobei der 3D-Produktdatensatz die Geometrie des Produktes repräsentiert, optional mit einem vorbestimmten Übermaß in zumindest einigen Bereichen; d) CAD-unterstütztes Erstellen eines 3D-Bauteildatensatzes, wobei der 3D-Produktdatensatz um eine vorbestimmte Verbindungsstruktur ergänzt wird, die dazu ausgelegt ist, das Bauteil nach seiner Fertigung in Schritt e) an dem Passrahmen der Fräseinrichtung zu befestigen, e) Fertigen des Bauteils auf Basis des 3D-Bauteildatensatzes in der 3D-Druckeinrichtung; f) Einsetzen des gedruckten Bauteils in den Passrahmen der Fräseinrichtung und Befestigen der Verbindungsstruktur an dem Passrahmen; g) spanendes Bearbeiten des Bauteils basierend auf dem 3D-Bauteildatensatz in der Fräseinrichtung, wobei beim spanenden Bearbeiten zumindest eine Oberfläche des Produktes geglättet wird, und Tennen des Produktes von der Verbindungsstruktur. Erfindungsgemäß wird somit das Produkt zunächst additiv in der 3D-Druckeinrichtung gefertigt und anschließend in einer Fräseinrichtung nachbearbeitet, um die Oberflächenqualität des Produktes zu verbessern und ggf. weitere Details zu fertigen, die während des Druckes nicht oder nur unzureichend realisiert werden können. Die Geometrie des Produktes kann hierzu im 3D-Produktdatensatz mit einem vorbestimmten Übermaß versehen werden, so dass an dem gedruckten Bauteil hinreichend Material für die sich anschließende spanende Bearbeitung vorhanden ist, um ein gutes Arbeitsergebnis zu gewährleisten. Zur Erzielung einer guten Positionierung des Produktes in der Fräseinrichtung wird das Produkt gemeinsam mit einer Verbindungsstruktur als einteiliges Bauteil gedruckt. Die Form und die Abmessungen der Verbindungsstruktur sind dabei derart auf die des in der Fräseinrichtung positionierten Passrahmens abgestimmt, dass sich die Verbindungsstruktur formschlüssig in den Passrahmen einsetzen und an diesem befestigen lässt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vor allem durch einen geringen Materialeinsatz und den hohen Automatisierungsgrad aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Produkt um ein zahntechnisches Produkt, wie beispielsweise um eine Implantatbrücke, eine Teleskopkonstruktion oder dergleichen.
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Bevorzugt wird zur Erstellung des 3D-Produktdatensatzes zunächst ein 3D-Mundraumdatensatz erstellt, der die Anatomie zumindest desjenigen Mundraumbereiches eines Patienten repräsentiert, in den das Produkt eingesetzt werden soll, und dann basierend auf dem 3D-Mundraumdatensatz der 3D-Produktdatensatz erstellt. Auf diese Weise kann das Produkt unter Berücksichtigung der individuellen Anatomie eines Patienten gefertigt werden.
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Vorteilhaft wird der 3D-Mundraumdatensatz unter Verwendung eines Intraoralscanners erstellt.
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Alternativ wird für die Erstellung des 3D-Mundraumdatensatzs zunächst ein physisches Modell oder ein Abdruck der Anatomie des Mundraumbereiches gefertigt, woraufhin das Modell oder der Abdruck zur Erstellung des 3D-Mundraumdatensatzs gescannt wird.
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Der Passrahmen wird bevorzugt in der Fräseinrichtung spanend bearbeitet, bevor ein Bauteil an diesem befestigt wird. Diese spanende Bearbeitung, bei der in erster Linie nur diejenigen Kontaktflächen bearbeitet werden, mit denen später das Bauteil in Kontakt kommt, dient dazu, die Geometrie des Spannrahmens mit den Positionskoordinaten des Fräswerkzeugs bzw. der Fräsmaschine in Einklang zu bringen. Entsprechend können Fertigungsungenauigkeiten aufgrund von Ausrichtungsfehlern des Passrahmens vermieden werden.
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Die Fertigung des in Schritt b) bereitgestellten Passrahmens erfolgt vorteilhaft in einer 3D-Druckeinrichtung. Entsprechend kann der Passrahmen jederzeit vor Ort neu hergestellt und ausgetauscht werden. Dies kann insbesondere dann häufiger erforderlich sein, wenn der Passrahmen regelmäßig aus der Fräseinrichtung entfernt werden muss, beispielsweise um andere Produkte aus dem Vollen zu fräsen. Denn bei jedem neuen Einsetzen des Passrahmens in die Fräseinrichtung sollte eine spanende Bearbeitung desselben erfolgen, was mit einem entsprechenden Verschleiß einhergeht.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbindungsstruktur in Schritt f) formschlüssig an dem Passrahmen befestigt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindungsstruktur in Schritt f) klebend und/oder schraubend an dem Passrahmen befestigt werden.
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Bevorzugt weist die Verbindungsstruktur eine Vielzahl von Verbindungsstäben auf, deren freien Enden einerseits fest mit dem Produkt und andererseits fest mit einem Verbindungsstrukturrahmen verbunden sind, der in Schritt f) in den Passrahmen eingesetzt wird. Auf diese Weise wird eine filigrane Verbindungsstruktur erzielt, die keinen hohen Materialeinsatz nach sich zieht.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der in Schritt b) bereitgestellte Passrahmen in eine an einer Zwischenhalterung vorgesehene Durchgangsöffnung eingesetzt, die wiederum an der Spanneinrichtung gehalten ist.
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Vorteilhaft erfolgt das Trennen des Produktes von der Verbindungsstruktur zumindest teilweise in der Fräseinrichtung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist
- 1 eine Draufsicht eines Teilbereiches einer Fräsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in deren Spanneinrichtung eine Zwischenhalterung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingespannt ist, an der wiederum ein Passrahmen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt ist;
- 2 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Zwischenhalterung von schräg oben betrachtet;
- 3 eine perspektivische Ansicht der Zwischenhalterung von schräg unten betrachtet;
- 4 eine Draufsicht der Zwischenhalterung;
- 5 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Passrahmens von schräg oben betrachtet;
- 6 eine weitere perspektivische Draufsicht des Passrahmens;
- 7 eine Draufsicht des Passrahmens;
- 8 eine perspektivische Ansicht eines zu fertigenden Produktes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von schräg oben betrachtet;
- 9 eine perspektivische Ansicht des Produktes von schräg unten betrachtet;
- 10 eine perspektivische Ansicht einer Verbindungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von schräg oben betrachtet,
- 11 eine perspektivische Ansicht der Verbindungsstruktur von schräg unten betrachtet;
- 12 eine Draufsicht der Verbindungsstruktur;
- 13 eine perspektivische Ansicht eines Bauteils von schräg oben betrachtet, wobei das Bauteil die Verbindungsstruktur und das in diese Verbindungsstruktur eingepasste Produkt umfasst;
- 14 eine perspektivische Ansicht des in 13 gezeigten Bauteils von schräg unten betrachtet;
- 15 eine Draufsicht des Bauteils; und
- 16 eine Draufsicht der in 1 gezeigten Anordnung, wobei an dem Passrahmen das in den 13 bis 15 gezeigte Bauteil befestigt ist.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, das dazu dient, das in den 8 und 9 dargestellte Produkt 1 herzustellen. Bei dem Produkt 1 handelt es sich vorliegend um ein zahntechnisches Produkt, genauer gesagt um ein Konstruktionsteil eines Zahnersatzes, das beispielsweise aus Metall, PMMA, einem Hochleistungspolymer wie Peek, Ultem oder dergleichen gefertigt wird. Ebenso können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch andere Produkte aus verschiedensten Kunststoffen und Metallen bzw. metallischen Legierungen hergestellt werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens werden zunächst eine nicht näher dargestellte 3D-Druckeinrichtung und eine Fräseinrichtung 2 bereitgestellt, vorliegend in einem zahntechnischen Labor. Als 3D-Druckeinrichtung kommt grundsätzlich jede auf dem Handel erhältliche 3D-Druckeinrichtung in Frage, die zur additiven Fertigung des Bauteils 1 aus dem gewünschten Material geeignet ist. Die Fräseinrichtung 2 umfasst, wie es in 1 gezeigt ist, eine Spanneinrichtung 3, die vorliegend im Wesentlichen kreisringsegmentförmig ausgebildet und zur Aufnahme scheibenförmiger Rohlinge ausgelegt ist. In der Spanneinrichtung 3 ist eine Zwischenhalterung 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingespannt, an der wiederum ein Passrahmen 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt ist.
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Die in den 2 bis 4 dargestellte Zwischenhalterung 4 ist vorliegend aus Metall gefertigt, wobei grundsätzlich auch andere Werkstoffe möglich sind. Ihre Außenabmessungen entsprechen denen eines Rohlings, zu dessen Aufnahme die Spanneinrichtung 3 der Fräseinrichtung 2 ausgelegt ist. Am Außenumfang sind drei sich in Längsrichtung L der Zwischenhalterung 4 erstreckende Einkerbungen versehen, die beim Einspannen der Zwischenhalterung 4 mit entsprechenden, vorliegend nicht näher dargestellten Vorsprüngen der Spanneinrichtung 3 in Eingriff kommen, wodurch die Zwischenhalterung 4 relativ zur Spanneinrichtung 3 ausgerichtet wird. Die Zwischenhalterung 4 umfasst eine Durchgangsöffnung 6, die vorliegend einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist. In die Durchgangsöffnung 6 ragen kleinere Auflagesprünge 7, die sich vorliegend im unteren Bereich der Durchgangsöffnung 6 ausgehend von den Eckbereichen des Trapezes einwärts erstrecken. Ein weiterer größerer, zungenartig ausgebildeter Auflagevorsprung 8 ragt im unteren Bereich der Durchgangsöffnung 6 ausgehend von der längsten Kante des Trapezes mittig in die Durchgangsöffnung hinein. Dieser größere Auflagevorsprung 8 ist mit einer Durchgangsbohrung 9 versehen und wird vorliegend durch ein lösbar befestigtes bzw. angeschraubtes Bauteil gebildet, das sich durch anders geformte Bauteile ersetzen lässt, um die Form des größeren Auflagevorsprungs 8 an die Art des zu fertigenden Produktes 1 anpassen zu können. Alternativ kann die gesamte Zwischenhalterung 4 aber auch einteilig ausgeführt sein. Ferner ist die Zwischenhalterung 4 vorliegend mit drei Rastaussparungen 10 versehen, die verteilt entlang des Umfangs der Durchgangsöffnung an deren unterer Kante ausgebildet sind.
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Der Passrahmen, der in den 5 bis 7 dargestellt und bevorzugt auf der 3D-Druckeinrichtung additiv gefertigt ist, ist derart ausgelegt, dass er sich von oben formschlüssig in die Zwischenhalterung 4 einsetzen lässt. Er ist wie die Zwischenhalterung 4 im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. An denjenigen Positionen, an denen bei der Zwischenhalterung 4 die Auflagevorsprünge 7 und 8 ausgebildet sind, ist die Umfangswand des Passrahmens 5 einwärts gewölbt und bildet kappenartige, nach unten offenen Abdeckungen 11 und 12, deren Innenflächen nach dem Einsetzen des Passrahmens 5 in die Zwischenhalterung 4 im Wesentlichen formschlüssig auf den Auflagevorsprüngen 7 und 8 der Zwischenhalterung 4 aufliegen. Von dem Außenumfang des Passrahmens stehen Rastvorsprünge 13 vor, die derart positioniert und ausgebildet sind, dass sie am Ende des Einsetzvorgangs in die Rastaussparungen 10 der Zwischenhalterung 4 einrasten. Entlang des Innenumfangs des Passrahmens sind umfänglich verteilt einwärts vorstehende Vorsprünge 14 ausgebildet, die jeweils mit einem von oben zugänglichen Steckloch 15 versehen sind. Weitere von oben zugängliche Stecklöcher 15 sind im Bereich der Abdeckungen 11 und 12 ausgebildet.
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Nach dem Bereitstellen der 3D-Druckeinrichtung und der in 1 gezeigten Fräseinrichtung 2 werden in einem weiteren Schritt Innenflächen des Passrahmens 5 in der Fräseinrichtung 2 bevorzugt derart unter Verwendung eines vorab gespeicherten Bearbeitungsprogramms spanend bearbeitet, dass die Innenflächen mit dem Koordinatensystem der Fräseinrichtung 2 in Einklang gebracht werden.
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Anschließend wird am Computer unter Verwendung eines geeignet eingerichteten Computerprogramms CAD-unterstützt (CAD: Computer Aided Design) ein 3D-Produktdatensatz erstellt, wobei der 3D-Produktdatensatz die Geometrie des in den 8 und 9 dargestellten Produktes repräsentiert. Die Geometrie des Produktes 1 kann im 3D-Produktdatensatz in zumindest einigen Bereichen optional mit einem vorbestimmten Übermaß versehen werden, worauf nachfolgend nochmals eingegangen wird. Da es sich bei dem Produkt 1 um ein zahntechnisches Produkt handelt, das später im Mundraum eines Patienten angeordnet wird, wird zur Erzeugung des 3D-Produktdatensatzes zunächst ein 3D-Mundraumdatensatz erstellt, der die Anatomie zumindest desjenigen Mundraumbereiches des Patienten repräsentiert, in den das Produkt 1 später eingesetzt werden soll. Anschließend kann dann basierend auf dem 3D-Mundraumdatensatz in grundsätzlich bekannter Weise der 3D-Produktdatensatz erstellt werden. Der 3D-Mundraumdatensatz wird normalerweise unter Verwendung eines Intraoralscanners generiert, sofern ein solcher Intraoralscanner in der Zahnarztpraxis zur Verfügung steht. Ist dies nicht der Fall, so kann für die Erstellung des 3D-Mundraumdatensatzs zunächst ein physisches Modell oder ein Abdruck der Anatomie des Mundraumbereiches gefertigt werden, woraufhin das Modell oder der Abdruck gescannt wird.
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In einem sich anschließenden Schritt wird ebenfalls CAD-unterstützt ein 3D-Bauteildatensatzes erstellt. Hierbei wird der 3D-Produktdatensatz um eine in den 10 bis 12 dargestellte Verbindungsstruktur 16 ergänzt. Vorliegend ist diese Verbindungsstruktur 16 bereits als Verbindungsstrukturdatensatz vorprogrammiert im Computerprogramm hinterlegt, so dass der Produktdatensatz lediglich in den Verbindungsstrukturdatensatz eingepasst werden muss, um die Produktdaten und die Verbindungsstrukturdaten datentechnisch zu einem in den 13 bis 16 dargestellten Bauteil 17 zu verschmelzen. Die Verbindungsstruktur 16 ist dazu ausgelegt, das Bauteil 17 nach seiner additiven Fertigung in den in den 5 bis 7 dargestellten Passrahmen 5 zu befestigen, wie es nachfolgend noch näher beschrieben ist. Die Verbindungsstruktur 2 umfasst vorliegend eine Vielzahl von Verbindungsstäben 18, deren freien Enden einerseits fest mit dem Produkt 1 und andererseits fest mit einem Verbindungsstrukturrahmen 19 verbunden sind. Die Form des Verbindungsstrukturrahmens 19 ist an die Trapezform des Passrahmens 5 angepasst, so dass sich der Verbindungsstrukturrahmen 19 von oben im Wesentlichen formschlüssig in den Passrahmen 5 einsetzen lässt. Dort, wo der Passrahmen die Abdeckungen 11 und 12 aufweist, ist der Verbindungsstrukturrahmen mit entsprechenden Auflageabschnitten 20 versehen, die derart geformt sind, dass sich ihre Unterseiten beim Einsetzen des Verbindungsstrukturrahmens 19 in den Passrahmen im Wesentlichen formschlüssig an die Oberseiten der Abdeckungen 11 und 12 anlegen. An denjenigen Positionen an denen der Passrahmen 5 mit den Stecklöchern 15 versehen ist, weist der Verbindungsstrukturrahmen 19 abwärts vorstehende Steckstifte 21 auf, die sich in die Stecklöcher 15 einführen lassen und vorliegend mit Durchgangslöchern 22 versehen sind.
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Der 3D-Bauteildatensatz wird nunmehr an die 3D-Druckeinrichtung übermittelt, in der dann das Bauteil 17 additiv gefertigt wird.
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Das gedruckte Bauteil 17 wird nunmehr von oben in den an der Fräseinrichtung 2 positionierten Passrahmen 5 eingesetzt und an diesem befestigt. Die Befestigung erfolgt über das Einsetzen der Steckstifte 21 des Verbindungsstrukturrahmens 19 des Bauteils 17 in die zugeordneten Stecklöcher 15 des Passrahmens 5. Eine zusätzliche Fixierung des Bauteils 17 an dem Passrahmen 5 kann unter Verwendung nicht dargestellter Befestigungsschrauben erfolgen, die von oben in die Durchgangslöcher 22 eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können das Bauteil 17 und der Passrahmen 5 auch miteinander verklebt werden.
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In einem weiteren Schritt wird das Bauteil 17 basierend auf dem 3D-Bauteildatensatz in der Fräseinrichtung 2 spanend bearbeitet, wobei beim spanenden Bearbeiten zumindest eine Oberfläche des Produktes 1 geglättet wird.
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Schließlich wird das Produkt 1 von der Verbindungsstruktur getrennt, wobei die Trennung bevorzugt zumindest teilweise innerhalb der Fräseinrichtung 2 durch das Bearbeitungswerkzeug erfolgt.
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Das nunmehr gefertigte Produkt 1 ist qualitativ mit einem aus dem Vollen gefrästen Produkt vergleichbar. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der Materialeinsatz bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich geringer ist.
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Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich als Beispiel dient und nicht als einschränkend zu verstehen ist. Vielmehr sind Modifikationen und Änderungen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Produkt
- 2
- Fräseinrichtung
- 3
- Spanneinrichtung
- 4
- Zwischenhalterung
- 5
- Passrahmen
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- Auflagevorsprung
- 8
- Auflagevorsprung
- 9
- Durchgangsbohrung
- 10
- Rastaussparung
- 11
- Abdeckung
- 12
- Abdeckung
- 13
- Rastvorsprung
- 14
- Vorsprung
- 15
- Steckloch
- 16
- Verbindungsstruktur
- 17
- Bauteil
- 18
- Verbindungsstab
- 19
- Verbindungsstrukturrahmen
- 20
- Auflageabschnitt
- 21
- Steckstift
- 22
- Durchgangsloch
- L
- Längsrichtung
