DE4342078A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sonotroden für die Ultraschallbearbeitung z. B. keramischer Werkstücke, insbesondere für Zahnersatz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sonotroden für die Ultraschallbearbeitung z. B. keramischer Werkstücke, insbesondere für Zahnersatz

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Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Ultraschallbearbei­ tung von Werkstücken zur Herstellung von Formteilen, insbe­ sondere zur Herstellung keramischen Zahnersatzes, wie z. B. Verblendschalen, Einlagefüllungen, Kronen oder Brücken aus keramischen Werkstücken, insbesondere Hochleistungskeramiken und Einkristallen, sowie mit der Herstellung hierfür geeigne­ ter Werkzeuge. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit ei­ nem Verfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 14 bzw. einer Vorrichtung dafür.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in der DE 39 28 684 und der DE 42 32 023 beschrieben.
Die DE 42 32 023 beschreibt darüber hinaus ein Verfah­ ren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Präsonotroden, z. B. durch Befestigung einer Kunststoffpräsonotrodenkrone an einer vorgefertigten Sekundärsonotrode, und ein Phantommodell einer Ultraschallbearbeitungsmaschine. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf diese Patentanmeldung sowie den darin genannten Stand der Technik ausdrücklich verwiesen und dessen gesamte Offenbarung ergänzend zum Gegenstand der Offenbarung vorliegender Patentanmeldung gemacht.
Die DE 41 38 803 und die DE 42 09 289 offenbaren Ver­ fahren zur Herstellung von Zahnersatzteilen, bei dem Sonotro­ denkronen von einem Gipsmodell des Zahnstumpfes angefertigt werden.
Die vorbekannten Verfahren weisen den Nachteil auf, daß die Genauigkeit der Bearbeitung mit zunehmender Bearbeitungs­ tiefe durch Verschleiß der Sonotrodenkronen abnimmt. Um die­ sen Verschleiß so gering wie möglich zu halten, wird der Werkzeugvorschub gering gehalten, was zu einer erheblichen Bearbeitungsdauer führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. Vorrichtung derartig zu verbessern, daß sich eine verbesserte Fertigungsgenauigkeit sowie eine schnellere Bearbeitung und Herstellung des Werk­ stücks, vorzugsweise des Zahnersatzteils ergibt.
Sie löst dieses Problem hinsichtlich des Verfahrens durch die in den Patentansprüchen 1 und 14 angegebenen Merk­ male, hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände erlauben eine deutli­ che Beschleunigung des Fertigungsprozesses bei gleichzeitiger Verbesserung der Paßgenauigkeit der mechanischen Kennwerte und der Oberflächenparameter des bearbeiteten Werkstückes durch Bearbeitung des Werkstückes zunächst mit einer Vorbear­ beitungssonotrode und anschließende Endbearbeitung mit der Originalsonotrode.
So beschreiben die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 14 Kopien der Originalsonotroden und deren räumliche Re­ lation zur Bearbeitungslängsachse. Dadurch ist es möglich, die Ultraschallbearbeitung einer oder beider Oberflächenhälf­ ten des zu fertigenden Werkstückes in (jeweils) zwei aufein­ anderfolgenden Arbeitsschritten vorzunehmen.
Zunächst erfolgt die Einsenkung der Vorbearbeitungsso­ notroden in das Werkstück bis kurz vor die Solleinsenktiefe, z. B. mit Hilfe der in der DE 42 32 023 beschriebenen Ultra­ schallbearbeitungsmaschine. Dabei können ein grobkörniger Slurry, höhere Amplituden, höhere Leistungen und größere An­ preßdrücke verwendet werden, um aus dem Werkstück zunächst eine grobe Form als Negativ der Vorbearbeitungssonotrode herauszuarbeiten, was zu einer deutlichen Beschleunigung des Prozesses führt.
In einem darauf folgenden Arbeitsschritt, dem Finier­ schritt, wird die Vorbearbeitungssonotrode aus der Ultra­ schallbearbeitungsmaschine entfernt, die Originalsonotrode eingebracht und in Formeingriff mit dem bereits vorbearbeite­ ten Werkstück gebracht oder das Werkstück in Relation zur Originalsonotrode ausgerichtet und bis zur Solleinsenktiefe nachbearbeitet. Insbesondere eignen sich für diesen Arbeits­ gang zur Erzielung optimaler Oberflächenzustände "gedämpfte" Prozeßgrößen, wie z. B. feinkörniger Slurry, geringe Amplitu­ den und Anpreßdrücke. Ferner kann dadurch der Verschleiß der Sonotrodenoberfläche verringert werden, was zur Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit führt.
Zur weiteren Optimierung des Verschleißverhaltens kann die Oberfläche der Originalsonotrodenkrone und/oder der Vorbearbeitungssonotrodenkrone bzw. deren o.g. Metalläquiva­ lente definiert, z. B. thermisch, nachbehandelt und/oder mit geeigneten Substanzen, z. B. Kobalt, Chrom oder Silizium in­ filtriert und/oder in Dünnschichttechnik beschichtet werden.
Zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit werden die Origi­ nalsonotroden und/oder die Vorbearbeitungssonotroden oder zu­ mindest deren Sonotrodenkronen bevorzugt in Metall umgeformt. Hierzu wird z. B. die Originalsonotrode und/oder die Vorberei­ tungssonotrode nach dem Prinzip der verlorenen Form in Metall gegossen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen und den beigefügten rein schematischen Zeichnungen (Fig. 1 und Fig. 2) näher beschrieben:
Die Herstellung von Originalen von Sonotroden oder le­ diglich Sonotrodenkronen erfolgt grundsätzlich wie in der DE 42 32 023 beschrieben. Die danach gefertigten Sonotroden oder Sonotrodenkronen dienen als Vorlagen für eine (nachstehend beschriebene) Herstellung von Vorbearbeitungssonotroden oder deren Kronen und anschließend in einem (ebenfalls nachstehend beschriebenen) Finierschritt als Finiersonotroden zur Ultraschallbearbeitung eines Werkstückes.
In Fig. 1 ist die Abformung der Originalsonotrodenkro­ nen dargestellt:
Die Erfindung beruht auf der Abformung einer oder beider Originalsonotrodenkronen 54 einer Sonotrode 18, 22 mit Hilfe einer geeigneten Dublieraufnahme 60, die auf der Sonotrodenkrone 54 zugewandten Seite oder beidseitig mit Ausnehmungen zur Aufnahme einer plastischen und später erhärtenden oder härtbaren Masse, wie z. B. einer Präzisionsabform- oder Dubliermasse 62 ausgebildet ist. Die Dublieraufnahme 60 kann beliebig ausgebildet sein und reproduzierbar in der oder den Führungsschienen 38 einer Ausrichtvorrichtung 31 angebracht und - z. B. mit Hilfe eines Spannbügels 28 oder magnetisch - fixiert werden. Die Verwendung der Vorrichtung 31, das z. B. aus einer Grundplatte 32, den Führungsschienen 38 und den Sonotrodenaufnahmen 40, 41 bestehen kann, ist von der Herstellung der Sonotroden 18, 22 - wie in der DE 42 32 023 beschrieben - bekannt und erleichtert die räumliche Zuordnung der Originalsonotrodenkronen 54, der Negativhohlform 64, der Sonotrodenkörper 18, 23 und z. B. der Kunststoffmasse 66.
Vorzugsweise werden die Originalsonotrodenkronen 54 ei­ ner Sonotrode 18, 22 einzeln, zeitlich nacheinander oder gleichzeitig in den Sonotrodenaufnahmen 40, 41 der Ausricht­ vorrichtung 31 fixiert und durch relatives Aufeinanderbewegen der Sonotrodenaufnahmen 40, 41 und der mit plastischer Abformmasse 62 aufgefüllten Dublieraufnahme 60 parallel zur virtuellen Bearbeitungslängsachse 26 einseitig oder beidsei­ tig aufeinanderzu bewegt bis die Originalsonotrodenkronen 54 vollständig mit der Dublier- oder Abformmasse 62 umgeben sind. Zur Erzielung einer genauen Abformung werden vorzugs­ weise Präzisionsabformmassen wie z. B. additionsvernetzte Si­ likone oder Polyether verwendet.
Nach Erhärten der Abformmasse 62 werden die Originalso­ notrodenkronen 54, respektive die Sonotroden 18, 22 einzeln, zeitlich nacheinander oder gleichzeitig aus der Negativform 64 und den Sonotrodenaufnahmen 40, 41 entfernt und eine oder zwei formal äquivalente Sonotrodenkörper 19, 23 in den korrespondierenden Sonotrodenaufnahmen 40, 41 fixiert.
Daran anschließend werden - wie in Fig. 2 dargestellt - die Negativformen 64 einzeln, zeitlich nacheinander oder gleichzeitig, außerhalb oder in der Vorrichtung 31 mit einer plastisch verarbeitbaren und später härtenden oder härtbaren Masse 66, wie z. B. Kunststoff oder Wachs aufgefüllt und die Sekundärsonotrodenkörper 19, 23 einzeln, zeitlich nacheinan­ der oder gleichzeitig in direkten Formeingriff mit der pla­ stischen Masse 66 in der in den Führungsschienen 38 der Vor­ richtung 31 reponierten Dublieraufnahme 60 gebracht und bis zur Erhärtung der plastischen Masse 66 parallel zur Bearbei­ tungslängsachse 26 fixiert. Falls die Überführung der So­ notroden in Metall durch Gießen vorgesehen ist, wird zweckmä­ ßigerweise ein Kunststoff oder Wachs gewählt, welches rück­ standsfrei verbrennbar ist. Anschließend können die Kopien der Originalsonotroden 18, 22 aus der Vorrichtung entfernt werden. Zur einfacheren Zuordnung der Originalsonotroden 18, 22 und des Werkstückes während der Ultraschallbearbeitung werden die Originalsonotrodenkronen 54 vor deren Abformung am größten Durchmesser ihrer Außenfläche vorzugsweise mit einer Markierung , wie z. B. einer kleinen Kerbe oder Erhebung ver­ sehen, und nach der Abformung ihr Außenumfang geringfügig re­ duziert (beschliffen).
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Grundge­ danke auch durch Abformung der bereits in Metall übergeführ­ ten Originalsonotroden oder deren Kronen erfolgen.
Bei Durchführung des Gußverfahrens empfiehlt es sich jedoch zur Vermeidung relativer Gußungenauigkeiten verschie­ dener Gußvorgänge die Originalsonotroden zusammen mit den Vorbearbeitungssonotroden in eine feuerfeste Form einzubetten und die Sonotrodenkronen 54, 66 in Metall an die Sonotroden­ körper 19, 23 anzugießen. Der Verbund zwischen Sonotrodenkör­ per und Sonotrodenkrone kann z. B. durch eine zusätzliche Ver­ klebung oder Löt- oder Schweißverbindung verbessert werden.
Zur Herstellung des eigentlichen, insbesondere kerami­ schen Formteiles wird in einem ersten Arbeitsschritt zunächst die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Vorbear­ beitungssonotrode in die in der DE 42 32 023 beschriebene Ul­ traschallbearbeitungsmaschine eingesetzt, mit dem Ultra­ schallwandler verbunden und mit Hilfe der Ultraschallenergie bis kurz vor die Solleinsenktiefe in das Werkstück einge­ senkt. Die Vorwahl der Prozeßgrößen ist auf optimale Zeitspanvolumina ausgerichtet. Vorzugsweise wird mit hoher Leistungsaufnahme, großem Anpreßdruck und Amplitude sowie einer grobkörnigen Hartkornsuspension, wie z. B. einer wäßrigen Diamant- oder Borkarbidsuspension gearbeitet.
In einem anschließenden zweiten Arbeitsschritt wird die Vorbearbeitungssonotrode aus der Ultraschallbearbeitungsma­ schine entfernt und durch die korrespondierende Originalso­ notrode ersetzt. Die relative Ausrichtung des vorbearbeiteten Werkstückes gelingt durch die Formkongruenz der Sonotroden­ krone und wird durch die o.g. Markierung sowie die Reduktion des äußeren Umfangs der Originalsonotrode erleichtert.
Nach der Fixierung der räumlichen Beziehung zwischen dem vorbearbeiteten Werkstück und der Originalsonotrode er­ folgt die Fertigbearbeitung des Werkstückes bis zur Sollein­ senktiefe. Die Prozeßgrößen der Ultraschallbearbeitung wer­ den diesem "Finierschritt" vorzugsweise angepaßt, z. B. durch Vorwahl geringer Anpressdrücke, geringer Amplituden und redu­ zierter Leistungsaufnahme.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer Vorbearbeitungssonotrode für die Ultraschallbe­ arbeitung eines mittels mindestens einer Ultraschallsonotrode gefertigten Werkstücks, bei dem von der Sonotrodenkrone (54) der Ultraschallsonotrode (18, 22) eine Negativhohl­ form (64) abgeformt wird und von dieser Negativhohlform (64) die Sonotrodenkrone (66) der Vorbearbeitungssonotrode (66+19, 66+23) abgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Abformmasse (62) versehene Dublieraufnahme (60) relativ gegen die Ultraschallsonotrode (18, 22) bewegt wird, wodurch in der Abformmasse (62) eine Negativhohlform (64) der So­ notrodenkrone (54) der Ultraschallsonotrode (18, 22) gebildet wird, und nach Erhärten der Abformmasse (62) die gebildete Negativhohlform (64) mit einer Kunststoffmasse (66) ausgefüllt wird, die von der offenen Seite der Negativhohlform (64) aus in Form­ eingriff mit einem Sonotrodenkörper (19, 23) gebracht wird, wobei die Kunststoffmasse (66) nach dem Aushärten zusammen mit dem Sonotrodenkörper (19, 23) die Vorbearbei­ tungssonotrode bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Dublieraufnahme (60) und der Ultraschallsonotrode (18, 22) entlang einer vorgesehenen Bearbeitungsachse (26) der Ultraschallsonotrode (18, 22) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - die Ultraschallsonotrode (18, 22) wird in einer Sonotrodenaufnahme (40, 41) arretiert;
  • - die mit Abformmasse (62) gefüllte Dublieraufnahme (60) wird in einer vorgesehenen Bearbeitungsachse (26) der Ultraschallsonotrode (18, 22) ausgerichtet;
  • - es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Sonotrodenaufnahme (40, 41) und Dublier­ aufnahme (60) derartig, daß die Sonotrodenkrone (54) der Ultraschallsonotrode (18, 22) in die Abformmasse (62) eindringt und dadurch die Negativhohlform (64) ausbildet;
  • - die Ultraschallsonotrode (18, 22) wird nach Aushärten der Abformmasse (62) wieder von der Dublieraufnahme (60) getrennt;
  • - die gebildete Negativhohlform (64) wird mit einem härtbaren Kunststoff (66) ausge­ füllt;
  • - die in der Sonotrodenaufnahme (40, 41) befindliche Ultraschallsonotrode (18, 22) wird durch einen Sonotrodenkörper (19, 23) ersetzt;
  • - es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Sonotrodenaufnahme (40, 41) und Dublier­ aufnahme (60) derartig, daß der Sonotrodenkörper (19, 23) in die Kunststoffmasse (66) eindringt, so daß die Kunststoffmasse (66) nach dem Aushärten die Sonotrodenkrone (66), und diese zusammen mit dem Sonotrodenkörper (19, 23) die Vorbearbeitungsso­ notrode (66, 19) bildet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dublieraufnahme (60) verwendet wird, bei der beidseitig Abformmassen (62) vorgesehen werden können, so daß gleichzeitig oder nacheinander zwei Ultraschallso­ notroden (18, 22) kopiert werden können.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsonotrode (18, 22) nach dem Kopiervorgang durch zirkuläres Be­ schleifen des größten Außendurchmessers verkleinert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenkrone (54) der Ultraschallsonotrode (18, 22) und/oder die Sonotro­ denkrone (66) der Vorbearbeitungssonotrode, insbesondere durch Gießen in Metall um­ geformt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Sonotrodenkronen (54, 66) wenigstens teilweise nachbehandelt und/oder mit Substanzen infiltriert und/oder in Dünnschichttechnik beschichtet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsonotrode (18, 22) aus einem Sonotrodenkörper (19, 23) und einer Sonotrodenkrone (54) besteht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Herstellung von keramischem Zahnersatz, insbesondere Verblendschalen, Einlagefüllungen, Kronen und Brücken verwendet wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Sonotrodenaufnahme (40, 41) zur Fixierung ei­ ner Ultraschallsonotrode (18, 22) oder eines Sonotrodenkörpers (19, 23), sowie eine Dublieraufnahme (60) zur Aufnahme von Abformmasse (62), wobei die Sonotrodenauf­ nahme (40, 41) und die Dublieraufnahme (60) relativ zueinander bewegbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander ge­ genüberliegende Sonotrodenaufnahmen (40, 41) sowie eine dazwischen angeordnete beidseitig mit Abformmasse (62) versehene Dublieraufnahme (60) auf einer Grundplatte (32) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenauf­ nahmen (40, 41) und die Dublieraufnahme (60) auf einem gemeinsamen Führungsschie­ nenpaar (38) angeordnet sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstücks mittels Ultraschallbe­ arbeitung durch mindestens eine gegen das Werkstück bewegbare Ultraschallsonotrode, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
von der Sonotrodenkrone (54) der Ultraschallsonotrode (18, 22) wird eine Nega­ tivform (64) abgeformt;
von dieser Negativform (64) wird eine Sonotrodenkrone (66) einer Vorbearbei­ tungssonotrode (66+19, 66+23) abgeformt;
mittels mindestens einer Vorbearbeitungssonotrode (66+19, 66+23) wird das Werkstück bis kurz vor die endgültige Solleinsenktiefe mittels Ultraschall vorbearbeitet;
die Vorbearbeitungssonotrode (66+19, 66+23) wird durch die korrespondierende Ultraschallsonotrode (18, 22) ersetzt und die Bearbeitung des Werkstücks mittels Ultra­ schall fertiggestellt.
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