DE19651909A1

DE19651909A1 - Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Gebilde

Info

Publication number: DE19651909A1
Application number: DE19651909A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Schlegelmilch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gebilden der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Die Beschreibung des Standes der Technik erfolgt am Beispiel der Prothetik in der Dentaltechnik:
Hat der Zahnarzt entschieden, dem Patienten einen Zahnersatz in Form von fixen Kronen oder Brücken zu verordnen gilt zur Zeit folgender prinzipieller Ablauf:

Schritt 1 - Präparation der Zahnstümpfe

Der Zahnarzt schleift den Zahnstumpf ab. Das abgeschliffene Zahnmaterial soll durch eine Metall/Keramik-Prothese oder Keramik/Keramik-Prothese ersetzt werden.

Schritt 2 - Abdruck des Gebisses

Der Patient beißt in einen mit Abdruckmasse gefüllten Abdrucklöffel. Es entsteht eine Negativform des Gebisses.

Schritt 3 - Ausgießen des Abdruckes

Die Negativform wird mit einer Masse (spez. Gips, Kunststoff . . .) ausgegossen. Es entsteht eine Positivform, auf welcher eine Prothese aufgebaut werden kann.

Schritt 4 - Herstellung eines Kronen- oder Brückenmetallunterbaues

Für die Herstellung des tragenden Unterbaues stehen zur Zeit mehrere technologische Verfahren zur Verfügung.
Gießen
Der Zahntechniker stellt meist ein Wachsmodell her, welches danach mit Metall ausgegossen wird.
Pressen
Fräsen
Die Positivform wird mit geeigneten Messeinrichtungen abgetastet. Man erhält eine Z-Matrix. Dieser Z-Matrix folgend kann man mit einer 3D-Fräse den Metallunterbau aus einem Metallklotz ausfräsen.

Schritt 5 - Zahntechnische Gestaltung der Kronen oder Brücken

Der so vorgefertigte Metallunterbau wird mit mehreren Keramikschichten manuell überzogen. Der Zahntechniker kann die für den Patienten in Form und Farbe perfekte Prothese herstellen.

Schritt 6 - Verkleben der Kronen oder Brücken auf den Zahnstümpfen

Der Zahnarzt verklebt die Prothese mit den von ihm präparierten Zahnstümpfen mit einem speziellen Zement.

Die Schritte 2 und 3 verursachen verfahrenstechnisch bedingte Genauigkeitsprobleme. Die relevante Kontur für den perfekten und dauerhaften Sitz der Krone oder Brücke ist die Innenseite des Metall- oder Keramikunterbaues.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gebilden zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Das Verfahren zeichnet sich durch folgende Vorteile aus, daß es:

- nur die Materialmenge verbraucht welche für das Gebilde benötigt wird,
- rechnergesteuert, automatisiert abläuft,
- hochgenau arbeitet,
- beliebige thermisch bildbare Materialien verarbeiten kann,
- Verarbeitungstechnologien von Trocknen über Sintern bis Schmelzen verwirklichen kann,
- geschlossene Hohlkörper erzeugen kann,
- die Gebilde keiner Nachbearbeitung bedürfen,
- geringen Personalaufwand erfordert,
- kostengünstige Einzelstückfertigung ermöglicht,
- die Herstellung von Verbundmaterialien durch Einsatz mehrerer Spender ohne Sedimentierungsprobleme durchführbar ist,
- schnell eine Kopie eines 3D Gebildes oder Teile davon erzeugen kann
- und schnell arbeitet.

Weitere vorteilhafte Gestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Das Verfahren gliedert sich in die zwei Teile, Vermessung und Fertigung.

Um die Genauigkeitsprobleme zu vermindern, ist die günstigere Möglichkeit das Gebiß (oder jedes andere Objekt) direkt zu vermessen.

1. Vermessung

Die beiden genauigkeitskritischen Schritte 2 und 3 werden ersetzt.

Die Mundhöhle (7) wird mit den Referenzstrahlen (4) und strukturiertem Licht (3) ausgeleuchtet welches auf die zu vermessende dreidimensionale Kontur (5) trifft und mit dem Bildaufnehmer (1) werden einem Bildverarbeitungssystem, welches sich im Steuerrechner (20) befindet laufend Bilder angeboten. Aus den aufgenommenen Bildern wählt der Steuerrechner (20) die für die Weiterverarbeitung nötigen Bilder aus. Der Operateur, welcher den Bildaufnehmer (1) mit der Hand führt wird über den Kontrollbildschirm und/oder akustisch aufgefordert bestimmte Bereiche der Mundhöhle (7) auszuleuchten.

Der Steuerrechner (20) positioniert dabei wenn erforderlich die Lichtquelle (2) in ihrem Schwenkbereich (9) um alle Oberflächenbereiche zu erfassen, wobei der Beleuchtungs winkel (24) immer konstant ist.

Der Vorgang läuft solange, bis im Steuerrechner (20) ein vollständiges 3D Bild vorhanden ist. Das heißt, der Bildaufnehmer (1) muß jeden Punkt der Oberfläche mindestens einmal gesehen haben.

Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, liegt im Steuerrechner (20) ein datentechnisches 3D-Abbild des relevanten Bereiches der Mundhöhle vor. Mit einem entsprechendes Programmpaket kann das 3D-Abbild mit Hilfe des Steuerrechners (20) wie gewünscht manipuliert werden (Schichtdicken, Abmessungen, Konturveränderungen, Zahnlückenauffüllungen, Begrenzungsfestlegungen, Präparationslinienfestlegungen und Veränderungen . . .).

2. Fertigung

Der Aufbau der Fertigungseinrichtung besteht aus einer 5-achsigen Steuerung, welche vom Steuerrechner (20) gesteuert wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt sind drei translatorische Achsen zu einem dreiachsigen Tisch (15) zusammengefaßt.

Der Spender (10) und die Energiequelle (11) können innerhalb der Rotationsbereiche (12) um deren gemeinsamen räumlichen Drehpunkt (22) bewegt werden.

Die Fertigung des Gebildes erfolgt portionsweise aufbauend mit punktueller termischer Bearbeitung.

Der Steuerrechner (20) bringt den dreidimensionalen Tisch (15) und den Rotationskopf (13) in die Anfangsposition.

S1. Aus dem Spender (10) wird eine kleine Portion (18) des Materials raumpositionsgenau auf den dreidimensionalen Tisch (15) aus raumtangentialer Richtung (23) abgegeben.
S2. Diese Portion (18) wird mit dem Energiestrahl (19) aus der Energiequelle (11) getroffen und thermisch behandelt.
S3. Das Gebilde ist dann in diesem Teilbereich fertiggestellt.
S4. Mit der Meßeinrichtung (17) wird der Fortschritt der Aufbaues kontrolliert.
S5. Danach wird vom Steuerrechner (20) der dreidimensionale Tisch (15) und der Rotationskopf (13) neu positioniert, daß die nächste Portion (18) aus raumtangentialer Richtung (23) abgegeben werden kann.

Die Schritte S1-S5 werden solange wiederholt, bis das Gebilde fertiggestellt ist.

Das Material zur Herstellung des Gebildes (16) kann jedes Material sein, welches thermisch formbar und verbindbar ist.

Das Material kann beispielweise sein:

- Thermoplast, Wachs
- Metalle, Legierungen
- Keramik, Glas . . .

Die Gestaltung des Spenders (10) ist abhängig von der Gestaltung des Ausgangsmaterials.

Portion (18)
Spender (10)
Tropfen@	Das Material liegt in Pulverform vor	Rechnergesteuerte Micropipette
Körnung < 25 µm@	Das Pulver wird mit einer Flüssigkeit gemischt und aus der Pipette unter Druck tropfenweise (max. 2000 Tropfen/sec) abgeben.@	(min. Tropfendurchmesser 100 µm)@	Paste@	Das Material liegt in Pulverform vor	Rechnergesteuerte Dosierpumpe
Körnung < 100 µm@	Das Pulver wird mit einer Flüssigkeit gemischt und auf die Oberfläche der schon gebildeten Kontur gebracht.@	Draht@	Bei Draht ist nur die thermische Behandlung- Schmelzen - möglich.	Rechnergesteuerte Abwickelvorrichtung
Der Draht liegt im gewünschten Durchmesser vor.@	Vom Draht werden entsprechende Portionen dicht über der schon gebildeten Kontur abge schmolzen und mit dem Gebilde verschmolzen.

Es zeigen:

Fig. 1 Die gesamte Anlage,

Fig. 2 Vermessung der Mundhöhle (7),

Fig. 3 Prinzipdarstellung des Bildaufnehmers (1) mit Lichtquelle (2),

Fig. 4 Prinzipdarstellung der Strahlengänge des Bildaufnehmers (1) und der Lichtquelle (2),

Fig. 5 Prinzipdarstellung des Verarbeitungsvorganges,

Fig. 6 Prinzipdarstellung der Fertigungseinrichtung.

Bezugszeichenliste

1

Bildaufnehmer

2

Lichtquelle

3

strukturiertes Licht

4

parallele Referenzstrahlen mit bekanntem Abstand

5

zu vermessende dreidimensionale Struktur des Gebildes

6

Haken

7

Mundhöhle

8

zu messendes Objekt

9

Schwenkbereich der Lichtquelle

10

Spender

11

Energiequelle

12

Rotationsbereiche, zwei Achsen

13

Rotationskopf mit rechnergesteuerten Antrieben und Materialvorratsbehälter

14

rechnergesteuerte Antriebe

15

dreiachsiger Tisch

16

zu fertigendes dreidimensionales Gebilde

17

Meßeinrichtung

18

Materialtropfen

19

Energiestrahl

20

Steuerrechner

21

Elektronik und Leistungsteil

22

räumlicher Rotationsachsendrehpunkt

23

Raumtangente an die Raumkontur im aktuellen Bearbeitungspunkt des Gebildes

24

Beleuchtungswinkel

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gebilden durch Zusammenfügen einzelner, mittels eines Materialspenders bereitstellbarer kleiner Portionen, welche durch eine Energiequelle thermisch punktuell behandelt und somit verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Portion (18) aus dem Materialspender (10) ein Tropfen ist, welcher nach Auftreffen auf die durch die 5-achsige Steuerung im Raum definierte Stelle entsprechend der gewünschten Technologie von der Energiequelle (11) thermisch behandelt wird und durch das Aneinanderfügen der Portionen sich das Gebilde ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 5-achsige Steuerung aus einem dreidimensionalen Tisch (15) mit drei translatorischen Achsen auf dem das Gebilde (16) entsteht und zwei rotatorischen Achsen (12) mit gemeinsamen Raumdrehpunkt (22) zur Aufnahme des Spenders (10), der Energiequelle (11) und der Meßeinrichtung (17) besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Verbundmaterialien der Rotationskopf (13) mit mehreren Spendern (10) ausgerüstet ist, welche mit unterschiedlichen Materialien befüllt sind und rechnergesteuert wahlweise einsetzbar sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle (11) ein leistungssteuerbarer Laser ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gestaltbildungsfortschritt des Gebildes (16) während des Fertigungsvorganges mit der Meßeinrichtung (17) überwacht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im Spender eine Paste ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im Spender ein Draht ist.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Zahnersatz, insbesondere von künstlichen Zahnkronen, Brücken, Geschieben und Halterungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnersatz entsprechend einem im Steuerrechner (21) gespeicherten und verarbeiteten dreidimensionalen Abbild des relevanten Bereiches der Mundhöhle des Patienten hergestellt wird.

10. Anwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale Abbild der Mundhöhle (7) von einem an den Steuerrechner (20) angeschlossenen Bildaufnehmer (1) erzeugt wird, welcher aus einer mit einem Endoskop verbundenen elektronischen Kamera welche zur Messung erforderliche parallele Referenzstrahlen mit bekanntem Abstand (4) ausendet, einer rechnersteuerbaren Lichtquelle (2) zur Abstrahlung von strukturiertem Licht (3) besteht und daß dieser laufend dem Bildverarbeitungssystem Bilder zum Aufbau des vollständigen dreidimensionalen Abbildes in Form einer geeigneten Datei anbietet.

11. Anwendung aus 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des vollständigen dreidimensionalen Abbildes des relevanten Bereiches der Mundhöhle (7), vom Steuerrechner (20) visuell über Bildschirm des Steuerrechners (20) und/oder auch akustisch vom Steuerrechner (20) für die Bedienperson des Bildaufnehmers (1), unterstützt wird.