WO2000061026A1 - Verfahren zur herstellung endodontischer instrumente - Google Patents

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Michael Knee
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    • B23C3/32—Milling helical grooves, e.g. in making twist-drills
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    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C5/00—Filling or capping teeth
    • A61C5/40—Implements for surgical treatment of the roots or nerves of the teeth; Nerve needles; Methods or instruments for medication of the roots
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    • Y10T409/305656—Milling including means to infeed work to cutter with work holder including means to support work for rotation during operation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing endodontic instruments from a rod-shaped or wire-shaped blank.
  • Endodontic instruments are used particularly in dental root canal treatment.
  • the diseased root canal is prepared with them.
  • These instruments can be, for example, small broaches, drills and files in a wide variety of geometric shapes and designs.
  • Endodontic instruments are usually made from rod-shaped or wire-shaped blanks with a diameter of approximately 0.3 to 3 mm.
  • the manufacture of these instruments is relatively complex and is carried out using complex grinding processes. Attempts are made to achieve satisfactory results by using grinding wheels that are complicated to match the process with specially defined parameters.
  • HSC milling high-speed cutting milling
  • the invention has for its object to produce high quality endodontic instruments in an economical manner.
  • this object is achieved by providing a method as described in the claims.
  • the endodontic instruments are manufactured here by milling processes using milling cutters with a geometrically defined cutting edge and cutting removal, in particular by high-speed cutting milling.
  • microcracks in the processed material that are frequently observed during grinding can essentially be avoided when using the present method.
  • the wire or blank is preferably guided in a special holder and can be held in an optimal position for the cutting edges of the milling cutter by means of a support device.
  • This holder preferably comprises a pinhole for the defined guidance of the wire.
  • the milling cutter is preferably positioned slightly off-center to prevent poor quality removal in the area of low cutting speed in the center of the milling cutter.
  • the support device preferably has a block with a groove adapted to the diameter of the blank or workpiece.
  • the blank is preferably guided and supported in this channel during processing so that it cannot avoid the milling cutter.
  • the block can be adjusted radially by a spring, by an actuator, hydraulically or pneumatically in order to compensate for any reduction in diameter that could be caused by milling.
  • the support device is expediently adjusted elastically and radially to the rod-shaped or wire-shaped blank.
  • the surface quality in the micro range is very high, since the notching in the material is greatly reduced by the cutting processing. As a result, exact, defined, sharp cutting edges can be generated without chipping, which results in a quality that is positive for the user in terms of sharpness and cutting performance.
  • the method according to the invention enables the realization of unexpectedly high feed speeds of the workpiece of up to 2000 mm / min, as a result of which the production time per instrument can be greatly reduced. Feed speeds in the range from 20 mm / min to 1000 mm / min have proven to be advantageous.
  • CNC Computer Numerik Control
  • HSC milling in particular, also enables super-elastic nickel-titanium alloys to be cut quickly and unexpectedly at high cutting speeds exact machining.
  • the method is also suitable for processing tensile, possibly also hardened materials, such as steel and graphite.
  • Suitable milling tools are designed, for example, as double cutters with standard cutting edges and are preferably coated with, for example, titanium nitride (TIN), titanium carbonitride (TICN), titanium aluminum nitride (TIALN), CBN and polycrystalline diamond (PCD).
  • a common diameter of a suitable end mill is in the range 0.3 to 3 mm, preferably in the range 0.5 to 2 mm.
  • the cross section of the rod-shaped or wire-shaped blank can be rounded (circular or elliptical) or angular (square, rectangular or triangular).
  • Fig. 1 a side view of an HSC milling system, the processing of a
  • Blanks are made by means of a centrally arranged milling cutter;
  • Fig. 2 The HSC milling system of Figure 1 in plan view.
  • Fig. 4 The HSC milling system of Figure 3 in plan view.
  • Fig. 5 in a detailed view of Fig. 4, the milling area including router and
  • Fig. 6 a side view of an HSC milling system, the processing of a
  • Blanks are made using angled milling cutter;
  • Fig. 7 The HSC milling system of Figure 6 in plan view.
  • Fig. 8 a side view of an HSC milling system, the machining of a
  • Blanks are made by means of a milling cutter employed as a milling cutter;
  • Fig. 9 The HSC milling system of Fig. 8 in plan view.
  • a rod-shaped blank 7 made of a superelastic nickel-titanium alloy is machined in a milling system by means of an HSC milling cutter 4.
  • the milling system has a base plate 6 on which a guide receptacle 3 with an integrated cutting device 8 and with a continuous support device 5 for guiding the blank 7 and a conventional feed unit consisting of chuck 1 and counter holder 2 are accommodated.
  • the milling cutter 4 is carried by a conventional milling spindle, which is not shown. He has his work area exactly in the area of the support device 5.
  • the blank 7 shown on the left is drawn between the chuck 1 and the counterholder 2 over an entire machining length.
  • the counter holder 2 opens and the rotatably mounted chuck 1 then pushes the blank 7 into the working area of the milling cutter 4, which provides the end of the rotating blank 7 with the desired geometry.
  • the desired surface geometry is then introduced into the blank 7.
  • the milling path is generated by a rotary movement of the chuck 1, combined with a linear feed movement. To ensure high precision, the machining takes place in one pass.
  • the workpiece can be cut off with the milling cutter 4 or a cutting device 8. With different milling cutter geometries and positions relative to the workpiece or different starting angles of the milling cutter 4, different geometries can be introduced into the blank 7.
  • the variations enable the cutting edge geometry of the endodontic instrument to be manufactured to be optimized.
  • the milling cutter is set at right angles and in the center of the blank 7.
  • the cutting speed is very low in the middle of the milling cutter 4, so that microcracks can occur in the material of the blank 7 here.
  • microcracks may be tolerable on some instruments.
  • the area of such microcracks can also be revised in a second pass.
  • the milling cutter is set at right angles and off-center.
  • the central region of the milling cutter 4 therefore does not touch the blank, so that the cutting edges of the milling cutter 4 always have a high cutting speed at the points of contact with the blank 7.
  • the milling cutter 4 is positioned in the center and at an angle.
  • the milling cutter positions in FIGS. 1 to 7 are particularly suitable for making grooves. 8 and 9, a milling cutter 4 is used. With this arrangement, in particular, material can be removed on the circumference. This is also possible in the arrangements of FIGS. 1 to 5 by using an end mill.

Abstract

Zur Bearbeitung und Fertigung endodontischer Instrumente wird zur Formgebung ein Fräsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide und schneidendem Abtrag verwendet. Mittels des Verfahrens können endodontische Instrumente, insbesondere aus stab- oder drahtförmigen Rohlingen (7) aus super-elastischen Nickel-Titan-Legierungen gefertigt werden.

Description

Ve-fahren zur Herstellunα endodontischer Instrumente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen endodontischer Instrumente aus einem Stab- oder drahtförmigen Rohling.
Endodontische Instrumente werden insbesondere bei einer dentalen Wurzelkanalbehandlung eingesetzt. Mit ihnen wird der erkrankte Wurzelkanal aufbereitet. Diese Instrumente können beispielsweise kleine Räumer, Bohrer und Feilen in unterschiedlichsten geometrischen Formen und Ausführungen sein.
Endodontische Instrumente werden üblicherweise aus Stab- oder drahtförmigen Rohlingen mit einem Durchmesser von etwa 0,3 bis 3 mm gefertigt. Die Herstellung dieser Instrumente ist relativ komplex und erfolgt durch aufwendige schleifende Verfahren. Es wird versucht, durch Verwendung von kompliziert auf den Prozess abgestimmten Schleifscheiben mit speziell definierten Parametern zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.
Aus US-A-5 655 950 ist bekannt, endodontische Instrumente aus einer Metalllegierung aus Nickel- und Titananteilen durch Schleifen zu fertigen. Parameter, wie der relativ geringer Vorschub von beispielsweise bis 250 mm/min bei exakt einzuhaltender Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe, erfordern einen hohen Fertigungsaufwand pro Instrument. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass bedingt durch die Superelastizität der Nickel-Titan-Legierungen leicht Mikrorisse entstehen. Die Bildung von Mikrorissen wird auch dadurch begünstigt, dass die Schleifkörner keine regelmäßige Geometrie aufweisen und mit hoher Schleifgeschwindigkeit gearbeitet wird. Die Bearbeitung von Metall-Rohlingen mit größeren Abmessungen als einigen Millimetern durch spanende Formgebung mit geometrisch bestimmter Schneide und schneidendem Abtrag, beispielsweise Fräsen, Bohren, Schneiden, Drehen, ist auf anderen Gebieten der Technik bekannt. Der Erfolg von spanabhebender Bearbeitung von Metall-Rohlingen durch Fräsen ist hierbei allerdings abhängig von den Materialeigenschaften des Metall-Rohlings.
Bekannt ist auch die Bearbeitung von Metall-Rohlingen durch High-speed-cutting- Fräsen (HSC-Fräsen). Dieses Fräsverfahren zeichnet sich durch eine hohe Schnittgeschwindigkeit aus, die die Wärmeabfuhr über die abgehobenen Späne erlaubt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, endodontische Instrumente hoher Qualität in wirtschaftlicher Weise herzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens gelöst, wie es in den Ansprüchen beschrieben ist.
Die endodontischen Instrumente werden hierbei durch Fräsverfahren unter Verwendung von Fräsern mit geometrisch bestimmter Schneide und schneidendem Abtrag, insbesondere durch High-Speed-Cutting-Fräsen hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei folgende Vorteile auf:
Während sich bei dem bekannten Fertigen endodontischer Instrumente durch Schleifen die Schleifscheiben durch schabenden Materialabtrag zusetzen, setzen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den schneidenden Materialabtrag die Schneiden der Fräser nicht mit Spänen zu. Dies ermöglicht die exakte und definierte Herstellung und Bearbeitung einer Vielzahl endodontischer Instrumente ohne Reinigung und/oder Auswechslung der Fräser. Bei der Verwendung von beispielsweise Titan-beschichteten Hartmetallfräsern kann eine besonders hohe Standzeit bei gleichbleibender Schnittqualität erreicht werden. Dies führt zu einer Minimierung der Werkzeugkosten während des Fertigungsprozesses.
Vorteilhaft ist auch, dass die beim Schleifen häufig beobachteten Mikrorisse im bearbeiteten Material bei Anwendung des vorliegenden Verfahrens im wesentlichen vermieden werden können.
Der Draht oder Rohling wird vorzugsweise in einer speziellen Halterung geführt und kann über eine Stützeinrichtung in optimaler Position zu den Schneiden des Fräsers gehalten werden. Diese Halterung umfasst vorzugsweise eine Lochblende zur definierten Führung des Drahtes. Dabei setzt der Fräser vorzugsweise leicht außermittig an, um qualitativ schlechten Abtrag im Bereich niedriger Schneidengeschwindigkeit in der Fräsermitte zu verhindern. Die Stützeinrichtung weist vorzugsweise einen Block mit einer dem Durchmesser des Rohlings oder Werkstücks angepassten Rinne auf. Der Rohling wird vorzugsweise während der Bearbeitung in dieser Rinne geführt und gestützt, so dass er dem Fräser nicht ausweichen kann. Der Block kann durch eine Feder, durch einen Stellmotor, hydraulisch oder pneumatisch radial nachgeführt werden, um eine eventuelle Durchmesserverringerung auszugleichen, die durch das Fräsen bewirkt werden könnte. Die Nachführung der Stützeinrichtung erfolgt zweckmäßigerweise elastisch und radial zum stab- oder drahtförmigen Rohling.
Selbst bei hohen Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von 10 bis 300 m/min, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 200 m/min und damit verbunden schnellen Vorschüben ist der Wärmeeintrag in den Werkstoff gering, da durch das Fräsverfahren die entstehende Wärme über den Span abgeführt wird. Dadurch sind die Gefügeänderungen im Werkstoff trotz hoher und wirtschaftlicher Abtragsraten sehr gering und führen somit nicht zu einer Verschlechterung der ursprünglichen Werkstoffeigenschaften. Die vom Anwender gewünschte Superelastizität des endodontischen Instruments bleibt in vollem Umfang erhalten.
Ferner ist die Oberflächengüte im Mikrobereich sehr hochwertig, da durch die schneidende Bearbeitung die Kerbbildung im Material stark reduziert ist. Dadurch lassen sich exakte, definiert scharfe Schneidkanten ohne das Auftreten von Ausbrüchen generieren, wodurch eine für den Anwender positive Qualität hinsichtlich Schärfe und Schnittleistung resultiert.
Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Realisierung von unerwartet hohen Vorschubgeschwindigkeiten des Werkstückes von bis zu 2000 mm/min, wodurch die Herstellungszeitdauer pro Instrument stark reduziert werden kann. Als vorteilhaft haben sich Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich von 20 mm/min bis 1000 mm/min erwiesen.
Zusätzlich ist der gesamte Tiefenabtrag zur Ausformung des Schaftes oder der Nuten innerhalb eines Vorschubvorganges möglich, so dass nicht wie bei schleifenden Verfahren häufig üblich, zwei- oder dreimal über dieselbe Rohlingsbzw. Drahtstelle gefahren werden muss. Die mögliche Jahresstückzahl pro Anlage ist aus diesen Gründen um einen Faktor von bis zu fünf größer, als bei üblichen schleifenden Verfahren, obwohl die Maschineninvestitionskosten auf vergleichbarem Niveau liegen.
Bei der Verwendung CNC-gesteuerter Fräsmaschinen (CNC = Computer Numerik Control) ist durch einfache Programmänderung jede erdenkliche Form von endodontischen Instrumenten mit einem Maschinentyp realisierbar. Durch leichten Eingriff in die Fertigungsparameter (Programmänderung) entfallen kostenaufwendige, maschinenspezifische Umbauten.
Durch HSC-Fräsen lassen sich insbesondere auch superelastische Nickel-Titan- Legierungen in unerwarteter Weise mit hohen Schnittgeschwindigkeiten rasch und exakt zerspanen. Das Verfahren eignet sich aber auch zum Bearbeiten von zugfesten, gegebenenfalls auch gehärteten Materialien, wie Stahl und Graphit.
Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind die leichte Erstellung auch komplexer Geometrien in einem stabförmigen Rohling oder Draht durch flexible Positionierung des Fräsers. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich alle sinnvollen Oberflächengeometrien, wie Nuten, Schäfte und Wendeln fräsen.
Geeignete Fräswerkzeuge sind beispielsweise als Zweischneider mit Standard- schneiden ausgebildet und sind vorzugsweise beschichtet mit beispielsweise Titannitrit (TIN), Titancarbonitrid (TICN), Titanaluminiumnitrid (TIALN), CBN und polykristalliner Diamant (PKD). Ein üblicher Durchmesser von einem geeigneten Stirnfräser liegt im Bereich 0,3 bis 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2 mm. Ein Anstellwinkel der Fräswerkzeuge im Bereich von 5 bis 30°, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20° hat sich als günstig erwiesen.
Der Querschnitt des stab- oder drahtförmigen Rohlings kann dabei abgerundet (kreisförmig oder eliptisch) oder eckig (quadratisch, rechteckig oder dreieckig) sein.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele erläutert, ohne dass sie durch diese beschränkt sein soll.
Es zeigen:
Fig. 1 : in einer Seitenansicht eine HSC-Fräsanlage, wobei die Bearbeitung eines
Rohlings mittels zentrisch angeordnetem Fräser erfolgt; Fig. 2: die HSC-Fräsanlage von Fig. 1 in Draufsicht;
Fig. 3: in einer Seitenansicht eine HSC-Fräsanlage, wobei die Bearbeitung eines Rohlings mittels außermittig angeordnetem Fräser erfolgt;
Fig. 4: die HSC-Fräsanlage von Fig. 3 in Draufsicht; Fig. 5: in einer Detailansicht von Fig. 4 den Fräsbereich incl. Fräser und
Stützeinrichtung; Fig. 6: in einer Seitenansicht eine HSC-Fräsanlage, wobei die Bearbeitung eines
Rohlings mittels winkelig angestelltem Fräser erfolgt; Fig. 7: die HSC-Fräsanlage von Fig. 6 in Draufsicht;
Fig. 8: in einer Seitenansicht eine HSC-Fräsanlage, wobei die Bearbeitung eines
Rohlings mittels eines als Walzenfräser angestellten Fräsers erfolgt; Fig. 9: die HSC-Fräsanlage von Fig. 8 in Draufsicht.
Bei den in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen wird ein stabförmiger Rohling 7 aus einer superelastischen Nickel-Titan-Legierung in einer Fräsanlage mittels eines HSC-Fräsers 4 bearbeitet. Die Fräsanlage weist eine Grundplatte 6 auf, auf der eine Führungsaufnahme 3 mit einer integrierten Schneideinrichtung 8 und mit einer kontinuierlichen Stützeinrichtung 5 zur Führung des Rohlings 7 sowie eine übliche Vorschubeinheit bestehend aus Spannfutter 1 und Gegenhalter 2 untergebracht sind. Der Fräser 4 wird von einer üblichen Frässpindel getragen, die nicht dargestellt ist. Er hat seinen Arbeitsbereich genau im Bereich der Stützeinrichtung 5.
Bei der Bearbeitung wird der links dargestellte Rohling 7 zwischen dem Spannfutter 1 und dem Gegenhalter 2 über eine gesamte Bearbeitungslänge nachgezogen. Der Gegenhalter 2 öffnet und das drehbar gelagerte Spannfutter 1 schiebt den Rohling 7 dann bis in den Arbeitsbereich des Fräsers 4, der das Ende des rotierenden Rohlings 7 mit der gewünschten Geometrie versieht. Anschließend wird in den Rohling 7 die gewünschte Oberflächengeometrie eingebracht. Hierbei wird unter einer Drehbewegung des Spannfutters 1 , kombiniert mit einer linearen Vorschubbewegung, die Fräsbahn generiert. Um eine hohe Präzision zu gewährleisten, findet die Bearbeitung in einem Durchgang statt. Ist die Bearbeitung abgeschlossen, kann mit dem Fräser 4 oder einer Schneideinrichtung 8 das Werkstück abgetrennt werden. Mit verschiedenen Fräsergeometrien und Positionen relativ zum Werkstück oder unterschiedlichen Ansatzwinkeln des Fräsers 4 können unterschiedliche Geometrien in den Rohling 7 eingebracht werden. Die Variationen ermöglichen eine Optimierung der Schneidengeometrie des zu fertigenden endodontischen Instruments.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist der Fräser rechtwinklig und mittig an den Rohling 7 angesetzt. In der Mitte des Fräsers 4 ist die Schnittgeschwindigkeit sehr klein, so dass hier Mikrorisse im Material des Rohlings 7 auftreten können. Bei manchen Instrumenten können solche Mikrorisse tolerierbar sein. Der Bereich solcher Mikrorisse kann auch in einem zweiten Durchgang überarbeitet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 bis 5 ist der Fräser rechtwinklig und außermittig angesetzt. Der zentrumsnahe Bereich des Fräsers 4 berührt daher den Rohling nicht, so dass die Schneiden des Fräsers 4 an den Berührungspunkten mit dem Rohling 7 immer eine hohe Schnittgeschwindigkeit haben.
In den Fig. 6 und 7 ist der Fräser 4 mittig und unter einem Winkel angestellt.
Die Fräserpositionen der Fig. 1 bis 7 eignen sich vor allem zum Einbringen von Nuten. In Fig. 8 und 9 wird ein Walzenfräser 4 verwendet. Mit dieser Anordnung kann insbesondere ein Materialabtrag auf dem Umfang realisiert werden. Ebenso ist dies bei den Anordnungen der Figur 1 bis 5 durch Verwendung eines Stirnschaftfräsers möglich.
Für die Bearbeitung haben sich folgende Parameter als praktikabel erwiesen: In
Abhängigkeit von der Fräsergröße kann die Schnittgeschwindigkeit Vc zwischen
20 und 200 m/min gewählt werden, der Vorschub fz pro Zahn oder Schneide des Fräser liegt zweckmäßig zwischen 0,5 und 100 μm/Zahn (kombinierte Bewegung aus linearem Vorschub und Drehung des Rohlings), wobei die Vorzugswerte für Vc = 50 m/min und fz ~ 5 μm sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung und/oder Fertigung endodontischer Instrumente aus einem Stab- oder drahtförmigen Rohling, wobei zur Formgebung ein Fräsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide und schneidendem
Abtrag verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei ein High-Speed-Cutting-Fräsverfahren eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schnittgeschwindigkeit Vc im Bereich von 10 m/min bis 300 m/min liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Werkstoff eine Nickel- Titan-Legierung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fräser außermittig über der Werkstücklängsachse angesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Rohling (7) auf der dem Fräser (4) gegenüberliegenden Seite abgestützt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Abstützung des Rohlings (7) elastisch erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Abstützung des Rohlings (7) eine seitliche Führung umfasst.
9. Verwendung eines Fräsverfahrens zur Bearbeitung und/oder Fertigung endodontischer Instrumente.
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