DE10215842A1

DE10215842A1 - Fräskopf

Info

Publication number: DE10215842A1
Application number: DE10215842A
Authority: DE
Inventors: Antonius Koester
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-11-06
Also published as: AU2003221557A1; WO2003084713A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fräskopf (1), umfassend ein um eine erste Drehachse (4) in Rotation versetzbares Fräswerkzeug (2) mit wenigstens einer Schneidkante (3), wobei das um die erste Drehachse (4) rotierbare Fräswerkzeug (2) um eine zweite Drehachse (5) rotierbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Materialausfräsungen mittels eines um eine erste Drehachse (4) rotierenden Fräswerkzeuges (2) mit wenigstens einer Schneidkante (3), wobei das rotierende Fräswerkzeug (2) um eine zweite Drehachse (5) rotiert wird, so dass sich die Ausfräsung im Material ergibt durch eine Überlagerung beider Rotationsbewegungen und einer Translation der Schneidkanten (3) des Fräswerkzeuges (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Fräskopf, umfassend ein um eine erste Drehachse in Rotation versetzbares Fräswerkzeug mit wenigstens einer Schneidkante, insbesondere zur Herstellung von halbkugelförmigen Ausfräsungen in beliebigen zu bearbeitenden Materialien, wie z. B. Metall, Holz, Kunststoff, Keramik, Knochensubstanz etc.
Grundsätzlich haben Fräsköpfe mit einem Fräswerkzeug und daran befindlichen Schneidkanten, die mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit um eine (erste) Drehachse rotieren den Nachteil, dass die Geschwindigkeit der Schneidkanten mit dem radialen Abstand von der Drehachse zunimmt und insbesondere direkt auf der Drehachsenmitte Null ist.
Fräsköpfe, die insbesondere zur Herstellung von halbkugelförmigen Ausfräsungen genutzt werden, haben im allgemeinen ein auf das zu bearbeitende Material gerichtetes halbkugelförmig ausgebildetes Ende mit konvex ausgebildeten Schneidkanten, die sich von der Drehachsenmitte bis zum maximalen Radius auf einem Kreisbahnsegment erstrecken, so dass diese Schneidkanten bei einer Rotation um die Drehachse eine Halbkugeloberfläche beschreiben und beim Vortrieb im Material eine entsprechende Halbkugelausfräsung erzeugen.
Aufgrund der Tatsache, dass in Drehachsennähe die Schnittgeschwindigkeit geringer ist als am maximalen Radius des Fräswerkzeuges ist zum einen der Schnittwiderstand am vorderen Ende des Fräswerkzeuges sehr groß, was zu einem erhöhten Verschleiss führt und zum anderen ergibt sich ein Selbstzentrierungseffekt auf der Drehachse, der störend und nachteilig sein kann.
Ein solcher Fräsbohrer mit den genannten Nachteilen ist im Stand der Technik z. B. aus der EP 0 657 239 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es einen Fräskopf und ein Verfahren zum Herstellen von Ausfräsungen zur Verfügung zu stellen, bei denen ein Selbstzentrierungseffekt vermieden wird und mit denen an jedem Ort der Ausfräsung mit einer gleichbleibenden konstanten Schnittgeschwindigkeit gearbeitet wird, so dass Ausfräsungen, insbesondere halbkugelförmige Ausfräsungen mit besonders grosser Präzision herstellbar sind und sich die Standzeiten des Fräswerkzeuges erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit einem Fräskopf gelöst, bei dem das um die erste Drehachse rotierbare Fräswerkzeug um eine zweite Drehachse rotierbar ist. Mit einem solchen Fräskopf ergibt sich die Ausfräsung im Material durch eine Überlagerung beider Rotationsbewegungen der Schneidkanten am Fräswerkzeug und einer Translation der Schneidkanten des Fräswerkzeuges in das auszufräsende Material.
Die Trajektorie der Schneidkanten, die sich durch die Überlagerung der beiden Rotationen ergibt beschreibt dann im wesentlichen die Form der Ausfräsung, die durch Vorschub des Fräskopfes in das Material erreichbar ist.
Durch die Überlagerung der beiden Rotationsbewegungen wird sichergestellt, dass eine Schneidkante immer eine Geschwindigkeit größer Null hat, da sich die effektive Geschwindigkeit einer Schneidkante aus der Summe der Geschwindigkeiten beider Bewegungskomponenten ergibt. Ein Selbstzentrierungseffekt ist hierdurch ausgeschlossen und die Standzeit der Schneidkanten wird erhöht.
In einer besonders bevorzugten Ausführung kann mittels des Verfahrens der beiden Rotationsüberlagerungen eines Fräswerkzeuges, insbesondere mittels des erfindungsgemässen Fräskopfes eine besonders präzise Ausfräsung in beliebigen Materialien in Form einer Halbkugelschale angefertigt werden.
Bei dieser Ausführung sind die beiden Drehachsen in einem Winkel von 45 Grad zueinander angeordnet, wobei die Schneidkante(n) des Fräswerkzeuges in einem vorgegebenen Abstand zur ersten Drehachse um diese im wesentlichen in nur einer Rotationsebene rotierbar ist/sind und die Schneidkante(n) bei Rotation um die erste Drehachse im tiefsten Punkt des Rotationsumlaufes die zweite Drehachse schneidet/schneiden.
Die genannte Ausführung des Fräskopfes beruht auf der Tatsache, dass der Schnitt durch eine Kugel immer einem Kreis entspricht. Das Fräsverfahren zur Herstellung einer Halbkugelschale beruht dementsprechend auf der Grundlage der Überlagerung einer Vielzahl von kreisförmigen Schnitten, die mittels der Schneidkanten am Fräswerkzeug im Material eingebracht werden.
Die Schneidkanten des Fräswerkzeuges der erfindungsgemässen Art, die um die ersten Drehachse rotieren unterscheiden sich von den Schneidkanten der bekannten Kugelfräsköpfe dadurch, dass das erfindungsgemässe Fräswerkzeug bei einer Umdrehung lediglich einen Schnitt auf einer Kreisbahn erzeugt, wohingegen die Schneidkanten des Kugelfräsers nach der EP 0657 239 bei einer Umdrehung bereits die vollständige Halbkugelschale beschreiben.
Bei dem Fräswerkzeug des erfindungsgemässen Fräskopfes rotiert eine Schneide im wesentlichen nur in einer Kreisebene senkrecht zur ersten Drehachse wobei unter dieser Kreisebene nicht eine mathematische Ebene zu verstehen ist, da jede Schneide eine endliche Ausdehnung haben muss, um einen Materialabtrag zu erzeugen.
Ein Fräswerkzeug welches einen solchen lediglich kreisförmigen Schnitt erzeugt kann z. B. im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein, wobei die Schneidkante(n) am äusseren Umfang dieser kreisförmigen Scheibe angeordnet ist/sind. Hierbei kann bevorzugt die dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandte Stirnseite des Fräswerkzeuges konkav ausgebildet sein.
Auch kann es in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Fräswerkzeug eine sich von der Stirnseite vom Werkstück weg koaxial zur ersten Drehachse erstreckende zylindrische Wand aufweist und so einen Topf ausbildet. Dieser Topf kann zur Aufnahme des zerspanten Materials dienen, wozu eine Schneidkante bevorzugt einen Durchbruch zum Inneren des Topfes aufweisen kann.
Bei dem erfindungsgemässen Fräsverfahren wird nun das Fräswerkzeug, welches lediglich kreis- bzw. ringförmige Schnitte erzeugt derart ausgerichtet, dass die Kreisschnittebene bzw. die Normale dieser Ebene, die der ersten Drehachse entspricht unter einem Winkel von 45 Grad zu einer zweiten Drehachse angeordnet ist, wobei die zweite Drehachse den tiefsten Punkt des Schnittringes kreuzt.
In dieser Anordnung rotiert die Kreisebene um den tiefsten Punkt des Kreises den die Schneidkanten beschreiben und um die zweite Drehachse herum, so dass sich für eine Schneidkante insgesamt eine Bahnkurve (Trajektorie) ergibt, die der Oberfläche einer Kugelhalbschale entspricht.
Der Durchmesser der auszufräsenden Kugelschale ergibt sich aus dem Produkt von Wurzel(2) mal dem Durchmesser der Kreisbahn, den eine Schneidkante um die erste Drehachse beschreibt.
In anderen alternativen Ausführungen kann es vorgesehen sein, den Winkel zwischen der ersten Drehachse und der zweiten von 45 Grad verschieden einzustellen. So werden dementsprechend bei kleineren Winkeln Ausfräsungen hergestellt, die flacher sind als der Radius des Schalendurchmessers und bei grösseren Winkeln ergeben sich Ausfräsungen, die tiefer sind als der Schalendurchmesser.
In wiederum einer anderen Ausführung kann es vorgesehen sein, statt schalenförmige Ausfräsungen in einem Material eine konvexe Erhebung herzustellen, also z. B. das Material um eine Kugeloberfläche herum abzutragen.
Auch dies ist erfindungsgemäß durch die Überlagerung zweier Rotationsbewegungen eines Fräswerkzeuges möglich. Z. B. kann eine konvexe Kugel- oder Teilkugeloberfläche hergestellt werden, wenn wie bereits beschrieben der Winkel der beiden Drehachsen zueinander 45 Grad beträgt, jedoch in diesem Fall die um die erste Drehachse rotierenden Schneiden die zweite Drehachse im höchsten Punkt ihrer Rotationsbewegung kreuzen.
In diesem Fall ist am Fräswerkzeug sicherzustellen, dass das Fräswerkzeug zwischen den Schneiden eine Aussparung aufweist, in der das Material welches als Kugeloberfläche beim Zerspanen stehenbleibt, Platz findet.
Ein entsprechendes Fräswerkzeug könnte so ausgebildet sein, dass die Schneidkanten am inneren Durchmesser eines um die erste Drehachse rotierenden Ringes angeordnet sind.
Allgemein lassen sich mit dem erfindungsgemässen Verfahren Gebilde fräsen, deren Oberflächenform sich durch die Überlagerung zweier Rotationsbewegungen von Schneiden ergeben. Diese Gebilde können konkav oder konvex ausgebildet sein. So muss auch nicht notwendigerweise die zweite Drehachse durch den höchsten oder tiefsten Punkt der Kreisbahn einer Schneide um die ersten Drehachse verlaufen.
In einer Ausbildung eines erfindungsgemässen Fräskopfes kann die Rotation des Fräswerkzeuges um jede der beiden Drehachsen unabhängig voneinander durch separate Antriebe erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Rotationsgeschwindigkeiten unabhängig voneinander einstellbar sind. Diese können dementsprechend an das jeweils zu zerspanende Material angepasst werden.
Beispielsweise kann es in einer einfachen konstruktiven Ausgestaltung vorgesehen sein, dass eine erste Antriebswelle koaxial innerhalb einer zweiten Antriebswelle angeordnet ist, wobei durch Rotation einer der Antriebswellen eine Rotation des Fräswerkzeuges um die erste Drehachse und durch eine Rotation der zweiten Antriebswelle eine Rotation des Fräswerkzeuges um die zweite Drehachse erfolgt.
Hierbei kann die innere Welle z. B. die Rotation des Fräswerkzeuges bzw. der Schneiden um die ersten Drehachse bewirken und die äussere Welle die Rotation um die zweite Drehachse oder auch umgekehrt. Beide Wellen sind bevorzugt koaxial zur Richtung der zweiten Drehachse angeordnet.
Die Übertragung der Wellendrehung auf die unter dem Winkel zur zweiten Drehachse angestellte erste Drehachse kann durch beliebige mechanische Umsetzungen erfolgen. Es können z. B. Kardanantriebe, flexible Wellen, Direktantriebe oder Zahn- bzw. Reibradumsetzungen eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausbildung kann es vorgesehen sein, die Drehachsen bzw. Wellen untereinander zu koppeln, so dass die Rotation des Fräswerkzeuges um eine der Drehachsen eine Rotation um die jeweils andere Drehachse bewirkt.
Durch eine solche Ausbildung kann beispielsweise ein separater Antrieb für die jeweils andere Drehachse eingespart werden und es kann vorgesehen sein, durch das Übersetzungsverhältnis der Kopplung die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten einzustellen.
Die Kopplung kann z. B. derart ausgebildet sein, dass das Fräswerkzeug eine zur ersten Drehachse koaxiale erste Verzahnung aufweist, die in eine zur zweiten Drehachse koaxiale korrespondierende zweite Verzahnung eingreift. So kann die erste Verzahnung z. B. als Kegelradverzahnung realisiert sein, wobei dieses Kegelrad in einer kreisförmigen Zahnstange abrollt, welche die zweite korrespondierend Verzahnung darstellt.
Die zweite Verzahnung kann am Fräskopf fest angeordnet sein, so dass sich die Umlaufgeschwindigkeit des Fräswerkzeuges um die zweite Drehachse ergibt aus der Rotationsgeschwindigkeit des Fräswerkzeuges um die erste Drehachse und die Abrollgeschwindigkeit der Kegelverzahnung in der kreisförmigen in sich geschlossenen Zahnstange, die durch das Verhältnis der Zahlanzahl der jeweiligen Verzahnungen gegeben ist.
Bei dieser Ausbildung ist z. B. die zweite Verzahnung des Kopplungsmechanismus, die als kreisförmige Zahnstange ausgebildet ist koaxial zur Antriebswelle angeordnet, die die Rotation um die erste Drehachse bewirkt. Wird ein entsprechender weitere Antriebsmechanismus vorgesehen, mittels dem die kreisförmige Zahnstange um Ihren Mittelpunkt rotierbar ist, so kann durch eine zusätzliche Rotation der kreisförmigen Zahnstange relativ zur Rotation der ersten Antriebswelle eine Erhöhung oder Verringerung der Umlaufgeschwindigkeit erreicht werden und somit eine Anpassung an die Arbeitsbedingungen.
Wie bereits erwähnt besteht die Möglichkeit mittels des erfindungsgemässen Fräskopfes bzw. des erfindungsgemässen Verfahrens beliebige Materialien zu bearbeiten, einschliesslich Knochensubstanz.
Dies ist besonders vorteilhaft, weil sich hierdurch ein medizinisches Anwendungsgebiet erschliesst, nämlich z. B. die Präparation von Gelenkpfannen, z. B. der Hüftgelenkpfanne für eine Endoprothese.
Eine hierfür benötigte halbkugelförmige Ausfräsung in der Knochensubstanz kann mit dem beschriebenen Fräskopf in besonderer Präzision ausgeführt werden. Benötigt wird lediglich ein uniaxialer Vorschub z. B. in Form einer robotergesteuerten Fräseinheit die mit hoher programmierbarer Genauigkeit den erfindungsgemässen Fräskopf an ein programmiertes Ziel im Hüftgelenkknochen führt.
Da weiterhin durch den koaxialen Aufbau der möglichen Antriebswellen der Fräskopf sehr kleinbauend ausgeführt werden kann sind mit einer Fräseinheit und einem erfindungsgemässen Fräskopf auch minimalinvasive Eingriffe möglich, die nicht nur auf den Hüftgelenkbereich beschränkt sind.
Auch können die erfindungsgemässen Fräsköpfe allgemein als Ersatz von Kugelkopifräsern bzw. Vollradiusfräsern z. B. bei 3D-Fräsarbeiten dienen, wo die konstante Schnittgeschwindigkeit von Vorteil ist. So können die Fräsköpfe z. B. bei Kopierfräsarbeiten, wie es bei der Herstellung von Rümpfen im Schiffsbau üblich ist, eingesetzt werden.
Ein Darstellung des Funktionsprinzipes und zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Fräsköpfe zur Herstellung von halbkugelförmigen Ausfräsungen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Fräskopfes mit einem um zwei Drehachsen rotierbaren Fräswerkzeug;
Fig. 2 einen Fräskopf mit einer Kopplung der Rotationsbewegungen des Fräswerkzeuges ohne Fräswerkzeug mit Blick auf die erste Drehachse;
Fig. 3 einen Fräskopf mit einer Kopplung der Rotationsbewegungen des Fräswerkzeuges ohne Fräswerkzeug mit Blick auf die aneinander gekoppelten Zahnräder;
Fig. 4 einen Fräskopf mit einer Kopplung der Rotationsbewegungen des Fräswerkzeuges mit aufgesetztem topfförmigen Fräswerkzeug mit 6 Schneidkanten;
Fig. 5 Simulationsberechnung der Bahnkurven (Trajektorien) der Schneidkanten bei überlagerter Rotationsbewegung;
Fig. 6 ein alternativer Fräskopf mit voneinander unabhängiger Rotation um beiden Drehachsen;
Fig. 7 Prinzip einer Fräseinheit mit erfindungsgemässem Fräskopf.
Die Fig. 1 zeigt die prinzipielle Funktion eines erfindungsgemässen Fräskopfes 1, bei dem das Fräswerkzeug 2 mit mehreren Schneidkanten 3 um eine erste Drehachse 4 und um eine zweite Drehachse 5 rotierbar ist. Die Art des Antriebes ist hier nicht dargestellt und für das prinzipielle Verständnis der Funktion nicht von Belang.
Das Fräswerkzeug 2 ist im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet, wobei die Stirnfläche 2a des Fräswerkzeuges konkav ausgebildet ist. Am äusseren Rand des scheibenförmigen Fräswerkzeuges 2 sind die Schneidkanten 3 angeordnet, die um die Drehachse 4 auf einer Kreisbahn rotieren können und hierbei in einem nicht dargestellten Material an den Kontaktstellen für einen kreisförmigen Schnitt sorgen.
Dieser kreisförmige Schnittring ergibt sich dadurch, dass die Schneidkanten 3 nur eine sehr geringe Ausdehnung haben und daher im wesentlichen nur in einer Ebene E senkrecht zur Drehachse 4 auf einem vorgegebenen Schneidkanten- Kreisdurchmesser S rotieren.
Rotiert nun das um die Drehachse 4 rotierende Fräswerkzeug 2 mit seinen Schneidkanten 3 weiterhin noch um die zweite Drehachse 5, so stellt sich für die Schneidkanten 3 eine Trajektorie ein, die sich aus der Überlagerung der beiden Rotationsbewegungen ergibt und eine Halbkugel beschreibt, die in seitlicher Ansicht der Fig. 1 dargestellt ist.
Diese exakte Halbkugel bildet sich nur dann aus, wenn die beiden Drehachsen 4 und 5 unter einem Winkel von α = 45 Grad angeordnet sind und weiterhin die Schneidkante 3 in ihrer untersten Position 3' der Kreisbewegung die zweite Drehachse 5 schneidet.
Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Durchmesser der Halbkugelschale K von Wurzel (2) mal dem Durchmesser des Kreises, den die Schneidkanten 3 bei der Rotation um die Drehachse 4 beschreiben.
Bei dieser Prinzipdarstellung der Fig. 1 hat das Fräswerkzeug 2 an seinem äusseren Umfang eine zylinderförmige zur ersten Drehachse 4 koaxiale Wand 6, die sich von der Stirnseite 2a von dem zu bearbeitenden Werkstück weg erstreckt.
Durch die Stirnseite 2a und die Wand 6 bildet das Fräswerkzeug 2 insgesamt ein topfförmiges Gehäuse, dessen Inneres 7 zur Aufnahme des zerspanten Materials dienen kann. Hierzu haben die Schneidkanten 3 nicht dargestellte Durchbrüche in Richtung des Inneren 7. Insbesondere für medizinische Anwendungen kann das Innere 7 durch einen hier nicht dargestellten Deckel verschlossen sein, so dass z. B. bei einer Operation am Hüftgelenk zum Ausfräsen einer Hüftgelenkpfanne abgetragene Knochensubstanz im verschlossenen Inneren 7 des Fräskopfes 2 gesammelt wird und nicht in die Operationswunde eindringen kann.
Die Fig. 2 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemässen Fräskopfes 1, bei dem eine Kopplung der Rotationen des hier nicht dargestellten Fräswerkzeuges um die beiden Drehachsen 4 und 5 erfolgen soll. Dargestellt ist eine Aufsicht auf die Welle 7, an der das Fräswerkzeug mit den Schneidkanten befestigbar ist und die eine Rotation um die Drehachse 4 ermöglicht. Die Drehachsen 4 und 5 sind wiederum um den Winkel α = 45 Grad gegeneinander verkippt.
Bei dieser Ausführung wird die Welle 4 angetrieben durch eine nicht dargestellte Welle, die koaxial zur Drehachse 5 verläuft und am unteren Ende z. B. durch einen biegsamen Wellenabschnitt, eine Kegelradumsetzung oder ähnliches in die Welle 4 übergeht.
Um zu erreichen, dass bei einer Rotation des hier nicht dargestellten Fräswerkzeuges um die Drehachse 4 auch eine Rotation um die Drehachse 5 stattfindet ist ein Kopplung des rotierenden Fräswerkzeuges mittels einer Verzahnung vorgesehen. Dargestellt ist in der Fig. 2 lediglich ein am Fräskopf 1 fest angeordnetes Zahnrad 8, welches in Form einer kreisförmigen Zahnstange ausgebildet ist. Dieses Zahnrad 8 ist fest mit einem feststehenden Rohr 9 verbunden, welches koaxial um die Drehachse 5 angeordnet ist.
Koaxial zur Drehachse 5 und zum feststehenden Rohr 9 ist weiterhin ein Rohrabschnitt 10 angeordnet, der die abgewinkelte Welle 4 trägt und mittels eines Lagers 11 um die Drehachse 5 drehbar ist.
Gemäss Fig. 3 kann auf die Welle 7 ein kreisrundes scheibenförmiges Basiselement 13 aufgesetzt werden, welches auf seiner Unterseite, die dem Rohrabschnitt 10 zugewandt ist, eine Zahnrad 12 trägt, dessen Zähne abgewinkelt sind, so dass sich eine Kegelradanordnung ergibt und diese Zähne des Zahnrades 12 in die Zähne des Zahnrades 8 eingreifen.
Rotiert nun das Basiselement 13 um die Drehachse 4, so rotieren gleichzeitig auch die Zähne des Zahnrades 12 und rollen im Zahnrad 8 ab, wodurch sich das Basiselement 13 um die Drehachse 5 dreht. Hierdurch ergibt sich die Kopplung der beiden Rotationen um die Drehachsen 4 und 5. Durch das Verhältnis der Zahnanzahl lässt sich dabei einstellen, wie sich die Rotationsgeschwindigkeiten zueinander verhalten.
Ebenso ist es noch möglich in einer Weiterbildung das Zahnrad 8 anzutreiben, beispielsweise durch Drehung des Rohres 9 mit welchem das Zahnrad 8 fest verbunden ist. Je nach Drehrichtung ergibt sich dann eine Vergrösserung oder Verringerung der Umlaufgeschwindigkeit um die Drehachse 5.
Alternativ kann es bei dieser Konstruktion vorgesehen sein, das Zahnrad 8 durch eine Drehung des Rohres 9 in Rotation zu versetzen und diese Drehung durch die Kopplung auf das Fräswerkzeug zu übertragen.
Fig. 4 zeigt nun das auf das Basiselement 13 aufgesetzte Fräswerkzeug 2 mit sechs Schneidkanten 3. Das Fräswerkzeug ist topfförmig ausgebildet, d. h. hat eine Stirnseite 2a und eine zylindrische Seitenwand 6, so dass sich hier ein nicht dargestelltes Inneres ergibt, das zur Aufnahme des zerspanten Materials dient, welches beim Fräsen durch die Durchbrüche 13 an den Schneidkanten 3 in das Innere eintritt und dort gesammelt wird. Dementsprechend bildet das Basiselement 13 einen Deckel zum Verschluss des topfförmigen Fräswerkzeuges.
Fig. 5 zeigt eine berechnete Simulation der Trajektorien 14, die die Bahnkurven der Schneiden 3 bei der Rotation um die Drehachsen 4 und 5 repräsentieren. Hier zeigt sich dass bei einer Verkippung der Drehachsen um 45 Grad zueinander und einem Durchkreuzen der Schneidkanten 3 durch die Drehachse 5 im tiefsten Punkt der Rotation um die Achse 4 sich genau eine Halbkugelschale K als Oberfläche der Trajektorien ergibt.
Eine solche Halbkugelschale wird dementsprechend bei einer Translation des Fräskopfes in Richtung des Pfeiles P in axialer Richtung der Drehachse 5 in ein zu bearbeitendes Material eingebracht.
Die Fig. 6 zeigt den Aufbau einer alternativen Konstruktion eines Fräskopfes 1 bei dem die Rotationsbewegung des Fräswerkzeuges 2 um die Drehachse 4 durch eine zur Drehachse 5 koaxiale Welle 15 erreicht wird, deren Drehbewegung über eine Kegelradumsetzung mittels des Kegelzahnrades 16 und des Zahnrades 17 auf eine Welle 18 übertragen wird, die koaxial zur Drehachse 4 ist und zur Drehachse 5 um 45 Grad verkippt angeordnet ist.
Innerhalb des Rohres 18, welches einen Lagerkörper 19 trägt ist die Welle 15 drehbar gelagert. Wird nun die Welle 15 durch einen nicht dargestellten Antrieb in Rotation versetzt, so überträgt sich die Rotation auf das Fräswerkzeug 2 mit den hier nicht dargestellten Schneidkanten. Da die Welle 18, die um die Drehachse 4 rotiert in dem Lagerkörper 19 gelagert ist, der wiederum fest mit dem Rohr 18 verbunden ist, besteht die Möglichkeit das rotierende Fräswerkzeug durch einen Antrieb des Rohres 18 unabhängig auch um die Drehachse 5 rotieren zu lassen, wodurch sich die in Fig. 5 dargestellten Trajektorien der Schneidkanten einstellen.
Bei diesem Fräskopf können die Wellen 15 und die Hohlwelle 18 unabhängig voneinander angetrieben werden, so dass die jeweiligen Rotationsgeschwindigkeiten optimal an das jeweilige zu bearbeitenden Material angepasst werden können.
Die Fig. 7 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Fräseinheit mittels der hochpräzise Halbkugelausfräsungen in einem zu bearbeitenden nicht dargestellten Werkstück eingebracht werden können.
Die Fräseinheit 20 umfasst eine Tägerschiene 21 auf der Lagerböcke 22, die einen Antrieb 23 und ein fest eingespanntes Rohr 24 aufnehmen. Innerhalb dieses Rohres 24 verläuft koaxial eine vom Antrieb 23 angetriebene Welle 25, die mit einem Fräskopf gemäß der Ausführung nach Fig. 2 bis 5 verbunden ist und diesen Fräskopf antreibt.
Der Fräskopf 1 selbst ist in einer zylindrischen Schutzabdeckung 26 angeordnet, die sich auf das zu bearbeitende Material auflegt und dieses abdeckt, wenn der Fräskopf in Richtung des Pfeiles 27 translatiert wird.
Bei einer z. B. medizinischen Anwendung wird die gesamte Fräseinheit 20 in die Bearbeitungsposition gebracht, was von Navigationssystemen und Positioniersystemen unterstützt werden kann.
Zur Erzeugung einer Halbkugelschale für eine Hüftgelenkpfanne wird die Fräseinheit so weit an den Bearbeitungsbereich herangeführt, dass die Schutzabdeckung 26 möglichst nah an der Hüftpfanne anliegt und den Operationsbereich abdeckt.
Der Antrieb 23 versetzt die bewegliche Welle 25 in Rotation parallel zur Bearbeitungsrichtung 27 wobei diese Rotation in einer Rotation des Fräswerkzeuges um die Drehachse 4 und durch die Zahnradkopplung auch in einer Rotation um die Drehachse 5 resultiert.
Die Lagerböcke 22 fahren in Bearbeitungsrichtung 27 auf den Knochen zu und der Fräskopf 1 tritt aus der Schutzabdeckung 26 heraus und fräs eine Halbkugelschale in die Knochensubstanz. Nach Erreichen der Sollposition fährt der Fräskopf wieder zurück. Das abgetragenen Knochenmaterial wurde dabei im Fräswerkzeuginneren gesammelt.
Aufgrund der gleichbleibend konstanten Rotationsgeschwindigkeit der Schneidkanten ist der Schnittwiderstand geringer als bei herkömmlichen Kugelkopifräsern, so dass der Einfluss auf den Patienten und die Gefahr einer Lageveränderung geringer ist.
Mit dem beschriebenen Fräskopf sind verschiedene Schneidgeometrien möglich von schälend bis schabend. Wegen des nicht vorhandenen Selbstzentrierungseffektes wird die Werkzeugposition durch einen evtl ungleichmässigen Fräsereingriff nicht beeinflusst. Das Untermaß der ausgefrästen Hüftgelenkpfanne kann aufgrund der hohen Präzision geringer ausfallen, so dass durch die Spreizung des Implantates geringere Spannungen im Hüftknochen entstehen.

Claims

1. Fräskopf (1) umfassend ein um eine erste Drehachse (4) in Rotation versetzbares Fräswerkzeug (2) mit wenigstens einer Schneidkante (3), dadurch gekennzeichnet, dass das um die erste Drehachse (4) rotierbare Fräswerkzeug (2) um eine zweite Drehachse (5) rotierbar ist.

2. Fräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Drehachsen (4, 5) in einem Winkel (α) zueinander angeordnet sind, insbesondere in einem Winkel von 45 Grad.

3. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante(n) (3) des Fräswerkzeuges (2) in einem vorgegebenen Abstand zur ersten Drehachse (4) um diese im wesentlichen in nur einer Rotationsebene rotierbar ist, so dass die Schneidkante(n) (3) in Rotation eine Kreisbahn beschreibt/beschreiben.

4. Fräskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante(n) (3) bei Rotation um die erste Drehachse (4), insbesondere im tiefsten Punkt des Rotationsumlaufes die zweite Drehachse (5) schneidet/schneiden.

5. Fräskopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug (2) im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und die Schneidkante(n) (3) am äusseren Umfang des Fräswerkzeuges (2) angeordnet ist/sind.

6. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandte Stirnseite (2a) des Fräswerkzeuges (2) konkav ausgebildet ist.

7. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug (2) eine sich von der Stirnseite (2a) vom Werkstück weg koaxial zur ersten Drehachse erstreckende zylindrische Wand (6) aufweist und so einen Topf ausbildet.

8. Fräskopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneidkante (3) einen Durchbruch (13) zum Inneren (7) des Topfes aufweist.

9. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Fräswerkzeuges (2) um jede der beiden Drehachsen (4, 5) unabhängig voneinander durch separate Antriebe erfolgt.

10. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Antriebswelle (15) vorgesehen ist, die koaxial innerhalb einer zweiten Antriebswelle (18) angeordnet ist, wobei durch Rotation einer der Antriebswellen (15) eine Rotation des Fräswerkzeuges (2) um die erste Drehachse (4) und durch eine Rotation der zweiten Antriebswelle (18) eine Rotation des Fräswerkzeuges (2) um die zweite Drehachse (5) erfolgt.

11. Fräskopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (4, 5) untereinander gekoppelt sind, so dass die Rotation des Fräswerkzeuges (2) um eine der Drehachsen (4) eine Rotation um die jeweils andere Drehachse (5) bewirkt.

12. Fräskopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fräswerkzeug (2) eine zur ersten Drehachse (4) koaxiale Verzahnung (12) aufweist, die in eine zur zweiten Drehachse (5) koaxiale korrespondierende Verzahnung (8) eingreift.

13. Verfahren zur Herstellung von Materialausfräsungen mittels eines um eine erste Drehachse (4) rotierenden Fräswerkzeuges (2) mit wenigstens einer Schneidkante (3), dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Fräswerkzeug (2) um eine zweite Drehachse (5) rotiert wird, so dass sich die Ausfräsung im Material ergibt durch eine Überlagerung beider Rotationsbewegungen und einer Translation der Schneidkanten (3) des Fräswerkzeuges (2).

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer halbkugelförmigen Ausfräsung die erste Drehachse (4) unter 45 Grad zur zweiten Drehachse (5) eingestellt wird und der Fräskopf (2) derart um die zweite Drehachse (5) rotiert, dass die Schneiden (3) des Fräswerkzeuges (2) im tiefsten Punkt der Rotation um die erste Drehachse (4) die zweite Drehachse (5) durchkreuzen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser (∅K) der auszufräsenden Kugelschale (K) ergibt aus dem Produkt von Wurzel(2) mal dem Durchmesser (∅S) der Kreisbahn, den eine Schneidkante (3) um die erste Drehachse (4) beschreibt.