DE3803319A1 - Dentalmedizinisches praeparationswerkzeug sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

In der modernen Dentalmedizin werden rotierende Werkzeuge zum Präparieren von Zähnen oder Implantaten zum Bohren, Fräsen oder Schleifen eingesetzt. Diese rotierenden Werk­ zeuge, also Bohrer, Fräser oder Schleifer, werden mit ihrem schaftseitigen Ende in die Werkzeugaufnahme einer Antriebs­ einheit eingesetzt, die der Zahnarzt oder Zahntechniker in der Hand führt. Für die Aufnahme des Werkzeugschaftes in der Antriebseinheit sind sowohl formschlüssige Halterungen, wie beispielsweise die sog. Winkelstückaufnahme, als auch rein kraftschlüssige Aufnahmen, wie etwa das sog. FG-(friction grip) System bekannt, bei welchem der Werkzeugschaft in der Halterung von einer eng am Schaft anliegenden Spiralfeder umschlossen wird, die eine solche Wicklungsrichtung hat, daß sie sich durch die Mitnahme durch das rotierende Werkzeug von selbst enger zu wickeln versucht und somit die Anpressung und Reibung auf den Werkzeugschaft vergrößert.

An Materialien für derartige rotierende Werkzeuge für den Dentalbereich sind sowohl Werkzeugstahl, meist gehärtet, als auch Hartmetall bekannt, wobei dann der Werkzeugkopf, welcher ja durchgehend aus dem Hartmetall bestehen muß, auf den Werkzeugträgerschaft aufgelötet ist. Weiterhin sind auch diamantbeschichtete Bohrer bekannt, die außer der Verschleiß­ festigkeit des Diamantmaterials den Vorteil aufweisen, daß der Kern des Werkzeuges weiterhin aus Stahl besteht und damit relativ elastisch bleibt, während sich die Diamantsplitter in einer galvanisch auf den Stahlschaft aufgebrachten Nickelschicht befinden.

Auch für den Antrieb derartiger rotierender Werkzeuge sind heute verschiedene Möglichkeiten im Gebrauch. Während bei einem Antrieb über Elektromotoren, bei dem auch die Drehzahl relativ gut steuerbar ist, hauptsächlich Werkzeuge aus Stahl und Hartmetall verwendet werden, so werden für die schnellaufenden, druckluftgetriebenen Einheiten hauptsächlich diamantbeschichtete Werkzeuge verwendet. Diese können nämlich ohne weiteres mit Drehzahlen von sogar über 400 000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, weshalb sie sich besonders gut für die sehr schwer oder überhaupt nicht drehzahlregelbaren Druckluftantriebe eignen.

Werkzeuge aus Stahl und Hartmetall dagegen werden mit niedri­ geren Drehzahlen gefahren, hauptsächlich im Bereich zwischen 50 000 und 200 000 Umdrehungen pro Minute.

Obwohl natürlich der Vorteil der diamantbeschichteten Werkzeuge gerade die Möglichkeit dieser genannten sehr hohen Drehzahlen ist, welche einen entsprechend schnellen Materialabtrag ermöglichen, treten bei diesen diamantbe­ schichteten Werkzeugen auch spezielle Schwierigkeiten auf:

Wegen des starken Materialabtrages und der hohen Drehzahl ist der Austrag des abgenommenen Materials aus der Werkzeug­ oberfläche oft ungenügend, d.h. es kommt zu einem Zuschmieren des diamantbeschichteten Werkzeugs. Dieser Materialaustrag aus dem Werkzeug, der insbes. bei langen und schlanken Werkzeug­ köpfen mit unregelmäßiger Schneide kritisch ist, wurde bereits dadurch zu verbessern versucht, daß die Mantelfläche des Werkzeugkopfes, also das werkzeugseitige Ende, mit einer oder mehreren Wendeln versehen wurden, die tiefer liegen als die Mantelfläche des werkzeugseitigen Endes, und eine solche Windungsrichtung aufweisen, daß, bedingt durch die Drehrichtung des Werkzeuges, das abgetragene Material in diesen wendelförmigen Nuten zum schaftseitigen Ende des Werkzeuges hin transportiert wird.

Das andere durch die hohen Drehzahlen auftretende Problem ist die Wärmeentwicklung, die durch die Reibung zwischen Werkzeug und zu bearbeitendem Material entsteht. Während dies bei Implantaten meist unschädlich ist, wird bei Arbeiten an natürlichen Zähnen diese Wärme vom Zahnmaterial abgeleitet. Dies geschieht natürlich auch zum Zahninneren hin, so daß also auch Wärme zum Nerv hin abgeleitet wird. Da die Pulpa jedoch sehr leicht durch Temperaturerhöhungen geschädigt bzw. zerstört werden kann und nicht zuletzt auch deshalb, weil diese Wärmeleitung zum Nerv hin vom Patienten als Schmerz empfunden wird, ist eine Kühlung der Kontakt­ stellen zwischen Werkzeug und Zahnmaterial erforderlich. Dies geschieht bisher fast ausschließlich durch Bespritzen mit Wasser, welches von außen zugeführt wird, nämlich durch Düsen, die sich in dem vorderen Ende der Antriebseinheit, meist seitlich neben der Werkzeugaufnahme, befinden. Dies ist jedoch nicht ganz unproblematisch, da, abhängig von der Anzahl der Düsen, die Wasserversorgung oft unzureichend ist. Dies ist schon dann der Fall, wenn mit einem relativ langen Werkzeug mit der Spitze gebohrt oder gefräst wird, und dabei die gerade Verbindung zwischen der Spitze und einer oder mehreren der Düsen für das Kühlwasser durch dazwischenragende Körper, wie Zahnteile und ähnliches, unterbrochen ist. Damit ist beim Fräsen und Bohren gerade an unzugänglichen Stellen, z.B. an Hinterschneidungen, die Kühlung oft unbemerkterweise unzureichend, was besonders dann zu irreparablen Schädigungen der Pulpa führen kann, wenn der Patient unter örtlicher Betäubung behandelt wird und somit keinen Schmerz aufgrund der sich anbahnenden Pulpaschädigung empfindet.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein in der Anwen­ dung problemloseres rotierendes, dentalmedizinisches Werkzeug zu schaffen.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im allgemeinen wird von einer Kühlwassermenge von 50 ml/min für eine ausreichende Kühlung ausgegangen. Da eine Kühlung bei Zuspritzen von außen nicht in allen Fällen gewährleistet werden kann, erhöht eine zumindest teilweise Kühlung durch Wasserzuführung durch das Werkzeuginnere die Zuverlässigkeit des Kühlvorganges. Dafür ist es also notwendig, wenigstens einen Teil der erforderlichen 50 ml Wasser pro Minute durch das Werkzeuginnere zuzuführen. Dies geschieht dadurch, daß der Schaft des Werkzeuges im wesentlichen hohl ist, mit einer Zuführöffnung auf der schaftseitigen Stirnfläche und einer oder mehreren Austrittsöffnungen auf der Mantelfläche des schaftseitigen Endes des Werkzeuges. Dabei kann die Höhlung des Schaftes über ihre gesamte Länge, einschl. der Austrittsöffnung im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser aufweisen. Auch die Verbindung zwischen der Höhlung und den Austrittsöffnungen einschl. der Austrittsöffnungen selbst können im wesentlichen gleichen Durchmesser aufweisen. Wenn nun die Antriebseinheit mit entsprechenden Zuführein­ richtungen für die zentrale Zuführöffnung des Werkzeuges in der Stirnfläche am schaftseitigen Ende ausgerüstet ist, wird während des Betriebs die Höhlung im Werkzeug über die Zuführöffnung ständig mit Kühlmittel, meist Wasser, versorgt, welches über die Austrittsöffnungen während des Bearbeitungs­ vorganges an die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und zu bearbeitendem Material abgegeben wird. Zusätzlich zu diesem zuverlässigen Kühleffekt bewirkt diese Zuführung von Wasser direkt an die zu bearbeitende Stelle jedoch auch eine Verminderung des Zuschmierens der Werkzeugoberfläche und damit einen verbesserten Austrag des abgenommenen Materials vom Werk­ zeug. Dieser Effekt ist besonders stark bei diamantbe­ schichteten Werkzeugen ausgeprägt, die mit einer oder mehreren wendelförmigen Nuten zum Austrag des abgenommenen Materials in der Werkzeugoberfläche versehen sind. Bei derartigen Werkzeugen ist es insbes. vorteilhaft, die Austrittsöffnungen in den zum Austrag des abgetragenen Materials vorgesehenen Nuten anzuordnen. Dadurch kann das auszutragende Material in den Nuten weniger festgepreßt werden und wird zusätzlich an den Austrittsöffnungen selbst während des Teiles der Rotation, bei dem keine Anlage am zu bearbeitenden Gegen­ stand gegeben ist, vom Werkzeug weggeblasen. Diese Effekte, und dabei besonders die Verhinderung des Festklebens des auszutragenden Materials im Grund der Nuten, kann noch dadurch verstärkt werden, daß der Kanal, der die Austritts­ öffnung mit der Höhlung im Schaft verbindet, nicht radial auf die Längsachse des Schaftes zuläuft, sondern annähernd tangential in den Außenumfang der Höhlung mündet. Dadurch ergibt sich nämlich eine Austrittsrichtung des Kühlwassers schräg zur Bodenfläche der Nut und nicht senkrecht zu dieser, wodurch das zur Kühlung verwendete Wasser eher am Boden der Nut laminar und über eine gewisse Strecke ohne Ablösung entlangströmt, wodurch zumindest über diese Strecke ein Festkleben des auszutragenden Materials in der Nut gänzlich unterbunden wird. Selbstverständlich muß dafür die Schrägstellung des Kanals in Übereinstimmung mit der Rotationsrichtung des Werkzeugs liegen, so daß also der Kanal nicht der Drehrichtung entgegensteht.

Dabei ist es sowohl für das Entlangströmen des Wassers auf den Boden der Nut als auch für das Verhindern des Festklebens von auszutragendem Material aus dem Grund der Nuten wünschens­ wert, wenn die Oberfläche der Nuten möglichst glatt ist. Dies bedeutet, daß nach Möglichkeit verhindert werden muß, daß auch diese Nuten diamantbeschichtet sind. Hierzu wären grundsätzlich zwei Vorgehensweisen denkbar.

Die erste bestünde darin, bereits in den Rohling des Werkzeuges 1, also vor dem Härten, entsprechende Nuten einzuarbeiten, bei welchen dann mittels entsprechender Abdeckmaterialien bei der späteren Diamantbeschichtung eine Annahme des Diamantmaterials im Bereich der Nuten vermieden wird.

Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß allein zur Vermeidung der Diamantbeschichtung im Bereich der Nuten mehrere zeitaufwendige Arbeitsgänge vorzunehmen sind, nämlich zunächst das Nutenfräsen, dann das Abdecken, und zuletzt das Entfernen des Abdeckmaterials. Darüberhinaus ist auch die Bruchgefahr eines solchen Werkzeuges im Arbeitseinsatz aufgrund der Kerbwirkung, die die Nuten im Rohling bewirken, wesentlich größer.

Alle diese Arbeitsschritte können eingespart werden, wenn der Rohling in seiner ursprünglichen Form belassen wird und stattdessen die spätere Diamantbeschichtung in der entsprechenden Wendelform vorgefertigt wird. Das bedeutet, daß wendelförmige bzw. spiralförmige Diamantbänder herge­ stellt werden, die ja aus einer Nickellegierung als Binde- und Trägermaterial bestehen, in die die Diamant­ splitter zu etwa der Hälfte ihres Durchmessers eingebunden sind. Die andere Hälfte des Durchmessers der Diamantkörper, deren Durchmesser in etwa der Dicke der Schicht aus der Nickel­ legierung entspricht, ragt aus dieser Trägerschicht heraus und sie stellen somit die vielen unregelmäßigen Schneiden des Arbeitskopfes 2 dar. Nachdem die Oberfläche des Arbeits­ kopfes 2 entsprechend vorbereitet wurde, etwa durch Beizen zum Zwecke des Säuberns der Oberfläche, werden die wendelförmig vorgefertigten Diamantbänder auf die Mantelfläche des Arbeitskopfes 2 aufgebracht, und dort mittels eines Lötvorganges befestigt. Dabei ist es vorteil­ haft, wenn der Nickelanteil des Lotes in etwa mit dem Nickelanteil der Nickellegierung der Trägerschicht im Diamantband übereinstimmt.

Beispielhafte Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein diamantbeschichtetes Schleifwerkzeug mit zylindrischem werkzeugseitigen Ende in Seitenansicht,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch das Werkzeug der Fig. 1,

Fig. 3 ein Werkzeug ähnlich dem der Fig. 1, jedoch mit beschichtungsfreier, wendelförmiger Nut zur Späneabfuhr,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch das Werkzeug der Fig. 3, geschnitten entlang der Ebene B-B, und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer bekannten, druck­ luftbetriebenen Antriebseinheit.

In Fig. 1 ist ein Werkzeug 1 mit einem Schaft 3 zum Ein­ spannen und einem zylinderförmigen, diamantbeschichteten Arbeitskopf 2 dargestellt. Dieser Arbeitskopf 2 hat wegen der Diamantbeschichtung, die beispielsweise in eine auf dem stählernen Grundkörper aufgebrachte Nickelschicht einge­ bracht ist, einen etwas größeren Durchmesser als der zum Einspannen notwendige Schaft 3. Bereits in Fig. 1 ist die Höhlung 10 zu erkennen, die über die in der Stirnfläche 6 des schaftseitigen Endes 4 angeordnete Zuführöffnungen 8 Verbindung nach außen hat. Diese Höhlung 10 kann, wie hier dargestellt, über ihre gesamte Länge eine gleichmäßige Querschnittsfläche aufweisen, die auch mit der der Zuführ­ öffnung 8 übereinstimmen kann. Diese Höhlung 10 erstreckt sich über die ganze Länge des Schaftes und auch annähernd die ganze Länge des Arbeitskopfes 2, durchbricht jedoch nicht die Stirnfläche 6 am werkzeugseitigen Ende 5.

Über die Mantelfläche des Arbeitskopfes 2 sind sowohl hinsichtlich der Winkellage als auch der axialen Erstreckung verteilt meist mehrere Austrittsöffnungen 9 angeordnet, die über Kanäle 11 mit der Höhlung 10 in Verbindung stehen. Auf diese Weise strömt das Kühlwasser - Versorgung über die Zuführöffnung 8 durch die Antriebs­ einheit, in die das Werkzeug 1 eingesetzt wird vorausge­ setzt - in die Höhlung 10 und von dort aus über die Kanäle 11 zu den Austrittsöffnungen 9, die ja während des Arbeitsvorganges immer wieder die Arbeitsfläche am zu bearbeitenden Material überstreichen.

Dadurch erfolgt zumindest ein Teil der Kühlung durch Benetzen der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und zu bearbei­ tendem Material durch Benetzen mit Kühlflüssigkeit vom Inneren des Bohrers her.

Dabei sind in der Schnittdarstellung gemäß der Linie A-A in Fig. 1, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, sowohl die zentrale Höhlung 10 als auch die zu den einzelnen Austrittsöffnungen 9 führenden Kanäle 11 gut zu erkennen, die sich natürlich nicht nur durch das Material des stählernen Kernes, sondern auch durch die die Diamant­ splitter tragende Schicht 12 hindurcherstrecken müssen.

Selbstverständlich muß bei der Dimensionierung der Höhlung 10 im Vergleich zu den vorhandenen Außendurch­ messern eine ausreichende Wandstärke sichergestellt sein, um die Stabilität des gesamten Werkzeuges 1 aufrechtzuer­ halten. Dabei ist besonders auf Einschnürungen, beispiels­ weise am Übergang von Arbeitskopf 2 und Schaft 3, zu achten, die wegen ihrer Kerbwirkung sehr schnell zum Ausgangspunkt eines durch dynamische Belastungen bedingten Dauerbruches werden können.

In Fig. 3 ist ebenfalls ein Werkzeug 1 mit zylindrischem Arbeitskopf 2 dargestellt, jedoch erstreckt sich hier über die gesamte Mantelfläche des Arbeitskopfes 2 eine wendel­ förmige Nut 7, die frei von Diamanten ist und wegen ihrer dadurch bedingten glatteren Oberfläche bestens zum Austrag des abgenommenen Materials dient. Die Austritts­ öffnungen 9 befinden sich bei dieser Ausführungsform ausnahmslos auf dem Boden der Nut 7, sind aber ansonsten, ebenso wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ beispiel, über Kanäle 11 mit der zentralen Höhlung 10 verbunden.

Ein weiterer Unterschied der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 gegenüber der gemäß Fig. 1 ist in dem in Fig. 4 dargestellten Querschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3 zu entnehmen: Während, wie in Fig. 2 zu erkennen, bei der ersten Ausführungsform die Kanäle 11 radial auf die Symmetrieachse des Werkzeuges 1 zielten, ist in Fig. 4 zu erkennen, daß bei der zweiten Ausführungsform die Kanäle 11 in einer zur Umfangsfläche der zentralen Höhlung 10 etwa tangentialen Richtung verlaufen. Auf diese Weise strömt das aus den Austrittsöffnungen 9 austretende Wasser nicht senkrecht von der Mantelfläche des Arbeitskopfes 2 weg, sondern strömt zumindest für eine gewisse Strecke auf dem Grund der Nut 7 entlang, und verhindert zumindest über diese Strecke zuver­ lässig ein Festpressen von abgetragenem Material auf dem Grunde der Nut 7. Dadurch wird nicht nur die Kühlung der Arbeits­ stelle, sondern auch der Austrag von abgenommenem Material aus dem Werkzeug verbessert, was wiederum der Abtragleistung des Werkzeuges 1 zu Gute kommt.

Obwohl in Fig. 4 die Kanäle 11 mit gleichbleibendem Quer­ schnitt dargestellt sind, ist natürlich auch beispielsweise ein konischer Verlauf mit einer Verbreiterung zur Oberfläche des Arbeitskopfes 2 hin denkbar, was eine Druckverminderung über den Verlauf des Kanals 11 in der Durchströmungsrichtung des Kühlmittels ergibt und somit wiederum ein besseres Entlangströmen auf dem Boden der Nut 9.

In Fig. 5 ist ferner eine herkömmliche Antriebseinheit 15 dargestellt, die zum Betrieb mit Werkzeugen geeignet ist, deren Halterung in der Antriebseinheit 15 nach dem oben beschriebenen "friction grip"-Prinzip funktioniert. Bei der Antriebseinheit 15 der Fig. 5 erfolgt der Antrieb des Werkzeuges 1 über Druckluft, welche über den Treibluftkanal 16 zugeführt wird. Diese Druckluft treibt ein Turbinenrad 19 an, welches mit der Aufnahmehülse 20 für das Werkzeug 1 fest verbunden ist. Diese Aufnahmehülse 20 ist in den Lagern 18 drehbar geführt, so daß bei Zuführung von Druckluft über den Treibluftkanal 16 die Aufnahmehülse 20 und damit das Werkzeug 1 zu rotieren beginnen.

Weiterhin weist die Antriebseinheit 15, die ja vom Benutzer in der Hand gehalten wird, einen Kühlmittelkanal 17 auf, in dem das Kühlmittel, meist Wasser, der bzw. den Düsen 21 zugeführt wird, aus denen das Kühlmittel auf die Kontakt­ stelle zwischen Werkzeug 1 und zu bearbeitendem Material spritzt.

Claims (9)

1. Rotierendes, dentalmedizinisches Werkzeug für Präparationsarbeiten, mit einem werkzeugseitigen Ende und einem schaftseitigen Ende, gekennzeichnet durch

• - eine im wesentlichen über die gesamte Länge des Werkzeuges (1) angeordnete, zentrische Höhlung (10), die über eine Zuführöffnung (8) in der Stirnfläche (6) des schaftseitigen Endes (4) mit der Umgebung in Verbindung steht und bis in die Nähe des werkzeug­ seitigen Endes (5) reicht, und
• - mehrere über den Umfang und/oder die Länge des Arbeitskopfes (2) verteilte Austrittsöffnungen (9), die über jeweils einen Kanal (11) mit der zentralen Höhlung (10) des Werkzeuges (1) in Verbindung stehen.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskopf (2) diamantbeschichtet ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (3) zylindrisch ist und zur Aufnahme in einer Antriebseinheit mit einer Spannvorrichtung nach dem kraftschlüssigen sog. "friction grip"-System dient.

4. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskopf (2) wenigstens eine wendelförmige Nut (7) zum Abführen der Späne aufweist.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Nut keine Diamantbeschichtung aufweist.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (9) in den Nuten (7) angeordnet sind.

7. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (11) sich zur Oberfläche des Arbeitskopfes (2) hin verbreitern.

8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (11) in einer zur Mantelfläche der Höhlung (10) in etwa tangentialen Richtung verlaufen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in den Rohling für das Werkzeug (1) mittels eines Spiralbohrers zuerst von der Stirnfläche (6) des schaftseitigen Endes (4) her die Zuführöffnung (8) sowie die Höhlung (10) und anschließend von der Mantelfläche des Arbeitskopfes (2) her die Austrittsöffnungen (9) mit den zugehörigen Kanälen (11) erzeugt werden, und
• - nach dem Beizen der Oberfläche des Arbeitskopfes (2) wendelförmig vorgefertigte, durch eine Nickellegierung gebundene Diamantbänder auf der Mantelfläche des Arbeits­ kopfes (2) mittels Hartlöten befestigt werden, wobei das Lot einen etwa gleich hohen Nickelanteil aufweist wie die Nickellegierung der Diamantbänder.