Kronen/Brücken

Dentales Feinwerk – Teil 1

Die CAM-Herstellung prothetischer Restaurationen


Vor einigen Jahren schieden sich beim Thema „computergestützte Fertigung“ die Geister. Die Digitalisierung in der Dentalbranche stand damals noch am Anfang. Heutzutage gehört die CAD/CAM-gestützte Fertigung fast zum Laboralltag und ist den Kinderschuhen entwachsen. Die Systeme haben eine anwendergerechte Marktreife, und auch das Indikationsspektrum erweitert sich sukzessive. Die ständigen Neuerungen auf dem Gebiet lassen „Wissen“ für jeden Zahntechniker zu einer wichtigen Ressource werden. Die Autoren schreiben in diesem Artikel über das CAM-Modul AnyCAM (REITEL Feinwerktechnik GmbH) und geben Einblicke in Probleme sowie komplexe Lösungsansätze bei der Entwicklung dentaler CAM-Technik.

Mit der CAD/CAM-gestützten Fertigung hat sich das Berufsbild „Zahntechnik“ gewandelt. Die Frage, ob Zahntechniker das gut finden oder nicht ist überflüssig. Um als Labor in Deutschland konkurrenzfähig zu bleiben, ist es überlebenswichtig, kostenintensive Arbeiten zu automatisieren. Einige Materialien können nur durch die industrielle Fertigung qualitativ hochwertig verarbeitet werden. Mit der effizienten Herstellung bestimmter Strukturen, z.B. „Gerüst“, bleiben dem Zahntechniker Zeit und Spielraum, sich auf andere wesentliche Aspekte des Laboralltages zu konzentrieren. Das können zum Beispiel die individuelle Beratung des Zahnarztes/Patienten (Dienstleistung) oder ästhetische Fragestellungen sein. Hier ist nach wie vor die Persönlichkeit des Zahntechnikers gefragt und unentbehrlich, denn die Grenze der Automatisierungstechnik liegt genau da, wo kreative Entscheidungen und individuelle Gestaltung gefragt sind.

CAM-Modul für die dentale Anwendung

Vergleichbar zur Automatisierung in der Industrie streben die Entwickler auch in der Dentaltechnologie danach, Prozesse zu automatisieren. Ein dominanter Faktor dafür ist die effiziente Gestaltung des Arbeitsalltages. Außerdem verspricht die computergestützte Fertigung von Zahnersatz eine hundertprozentig werkstoffgerechte Verarbeitung industriell hergestellter Rohlinge. Noch vor wenigen Jahrzehnten beschränkte sich die Automatisierung auf die Großserienproduktion (Fließband) und war somit der Industrie vorbehalten. Durch den Einsatz flexiblerer Anlagen ist es heutzutage jedoch möglich, auch die Produktion von Kleinserien zu automatisieren. Hochtechnisierte und rechnergestützte Fertigungsprozesse erlauben dadurch eine kosteneffektive Herstellung individueller, prothetischer Restaurationen. Diese bietet gegenüber der konventionellen Fertigung zahlreiche Vorteile, wie zum Beispiel:

  • exakte Reproduzierbarkeit,
  • effiziente Ausnutzung von Rohmaterial (Verschnittminimierung),
  • kurze Fertigungszeiten,
  • effiziente Auslastung durch parallel ausgeführte Arbeitsschritte,
  • einheitlicher Arbeitsablauf für eine Vielfalt an Formen und Materialien,
  • geringere Fertigungskosten.

Um diese Vorteile in der Praxis und im Labor voll ausschöpfen zu können, bedarf es rechnergestützter CAM-Systeme, die neben den üblichen technischen Anforderungen auch benutzerergonomische Kriterien erfüllen. Zu den technischen Anforderungen eines CAM-Moduls für die dentale Fertigung gehören zum Beispiel die Einhaltung vordefinierter Genauigkeiten, die Minimierung von Berechnungs- und Bearbeitungszeit sowie die Fehlerrobustheit. Zu den benutzerergonomischen Anforderungen zählen ein klarer und intuitiver Bedienablauf, die Minimierung von Interaktionszwängen sowie die modulare und offene Gestaltung des Fertigungsablaufes. Die Entwickler haben bereits einige Hürden überwunden. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen einen typischen rechnergestützten Fertigungsablauf zahntechnischer Restaurationen [6]. Für eine Übersicht zur allgemeinen Fräsbahngenerierung sei auf die Arbeiten von Boogert, Lasemi und Marshall [2, 3, 4] verwiesen.

  • Abb. 1: Prozessablauf zur Erstellung dentaler Restaurationen.
  • Abb. 2: Konzeptionelle Teilkomponenten des Moduls zur fräsenden Fertigung.
  • Abb. 1: Prozessablauf zur Erstellung dentaler Restaurationen.
  • Abb. 2: Konzeptionelle Teilkomponenten des Moduls zur fräsenden Fertigung.

Doch wortwörtlich „automatisch“ geht die Fertigung einer Restauration auch mit einem CAD/CAM-System nicht. Vor allem bei CAD sind Fachwissen und Sachverstand des Zahntechnikers gefordert. Die Erarbeitung basiert auf dem zahntechnischen Basiswissen und erfordert eine entsprechende Qualifikation. Hingegen ist CAM durch automatische Abläufe definiert. Die konstruierten Daten werden auf eine CNC-Maschine übertragen und gefertigt. Durchdachte, automatische Abläufe garantieren eine Reproduzierbarkeit und Genauigkeit, die mit konventioneller „Handarbeit“ nicht zu erreichen ist.

 

Das CAM-Modul setzt die Informationen der CADKonstruktion in Fräsdaten (Maschinensprache) um. Dieses Format wird von einem sogenannten Postprozessor aus Koordinaten (z.B. x, y, z) erzeugt und in numerische Befehle (NC-Daten) umgewandelt. Aus einer Vielzahl konzeptioneller Teilkomponenten (Werkzeuge, Rohlinge, Maschinensteuerung) muss das CAM-Modul indikationsgerecht und sinnvoll programmiert sein. Gerade in der Dentalbranche gibt es hierbei spezifische Anforderungen, die bedacht werden müssen. Der vorliegende Artikel beschäftigt sich mit der technischen Umsetzung des dentalen CAMModuls AnyCAM der Firma REITEL Feinwerktechnik GmbH und gibt einen Einblick in die Problemstellung sowie in diverse Lösungsansätze.

Materialsparende Fertigung – Positionierung des Fräsgutes

Eine Prämisse kennt jeder Zahntechniker aus der konventionellen Gusstechnik: Die Wachsmodellation muss materialsparend für den Guss vorbereitet werden. Auch bei der CAD/CAM-gestützten Fertigung ist diese Forderung zu erfüllen. Hier nennt man es „Verschnittminimierung“. Mit einer optimalen Ausnutzung des Platzes können mehrere Einheiten in einer Materialrunde erarbeitet und somit Material sowie Zeit gespart werden. Eine verschnittminimierende Positionierung der Fräseinheiten ist Voraussetzung für eine effiziente Fertigung. Die Positionierung bei dem hier beschriebenen System erfolgt primär automatisch, kann jedoch auch manuell vorgenommen beziehungsweise korrigiert werden. Jedes Fräsgut wird in seiner x/y-Richtung auf dem Rohling so aufgesetzt, dass es durch eine konturgenaue Begrenzung (Hüllpolygon) zu keiner Überlagerung der Einzelkomponenten kommen kann. Dadurch verringert sich der Verschnitt, wie in Abbildung 3a zu sehen ist.

Die drei Freiheitsgrade der Fräsgut- Positionierung sind:

  • Translation (x/y-Achse): Jeder Punkt wird auf einen um einen konstanten Vektor verschobenen Punkt abgebildet (Parallelverschiebung).
  • Rotation: Drehung um die z-Achse.

Die Positionierung erfolgt durch eine Projektion der Fräseinheit auf die x/y-Ebene und die Erfassung durch ein zweidimensionales Hüllpolygon. Dieses Hüllpolygon begrenzt den durch einen Fräser tangierten Bereich (CCR). Im einfachen Fall ist dies die konvexe Hülle der Fräseinheit (Abb. 3a). Doch um den Verschnitt zu minimieren, muss eine Approximation (Näherung) der Kontur erreicht werden, welche auch Konkavitäten erlaubt (Abb. 3b).

  • Abb. 3a: Definition eines zweidimensionalen Bearbeitungsbereiches auf der x/y-Ebene mittels Hüllpolygone. Der Bearbeitungsbereich untergliedert sich in den Fräserbewegungsbereich (CLR) und Fräserkontaktbereich (CCR).
  • Abb. 3b: Automatische Anordnung von Modellen im Rohling anhand ihrer Hüllpolygone.
  • Abb. 3a: Definition eines zweidimensionalen Bearbeitungsbereiches auf der x/y-Ebene mittels Hüllpolygone. Der Bearbeitungsbereich untergliedert sich in den Fräserbewegungsbereich (CLR) und Fräserkontaktbereich (CCR).
  • Abb. 3b: Automatische Anordnung von Modellen im Rohling anhand ihrer Hüllpolygone.

Die automatische Positionierung mehrerer Einheiten auf einem Rohling erfordert die Lösung eines zweidimensionalen Packproblems und ist prinzipiell nicht effizient exakt lösbar. In der Entwicklung eines CAM-Moduls werden deshalb heuristische Optimierungsverfahren (s. Anmerkung) eingesetzt, um mit akzeptabler Rechenzeit „annähernd“ optimale Lösungen zu erhalten. Die zu minimierende Zielfunktion quantifiziert dabei den aus einer Parameterwahl resultierenden Verschnitt. Die Implementierung verwendet sogenannte No-Fit-Polygone (gewährleisten eine Überschneidungsfreiheit der Hüllpolygone) sowie eine lowest-gravity-center- Heuristik zur sukzessiven Positionierung der Modelle (vgl. Abbildung 3).

 

Bei der automatischen Positionierung verhindert die Art der Parameterberechnung mittels No-Fit-Polygone eine fehlerhafte (illegale) Anordnung, die zur Beschädigung des Fräsgutes oder dem Überschreiten der Rohlingsgrenze führen kann. Bei einer manuellen Positionierung müssen das Erkennen und die Vermeidung illegaler Anordnungen interaktiv geschehen. Unabhängig von der Anzahl der Fräseinheiten und der Hüllpolygonkomplexität wird dies durch den Einsatz der Grafikkartenhardware gewährleistet.

Die Fräsbahngenerierung

Nach der legalen Anordnung der Frässtücke im Rohling erfolgen die Berechnung der Fräsbahnen und deren Ausführung auf einer Fräsmaschine. Es wird zwischen einer Grob- und Feinbearbeitung unterschieden. In der spanenden Fertigung lassen sich theoretisch noch weitere Bearbeitungsschritte identifizieren, zum Beispiel das Feinschlichten oder das Polieren. In der Dentalbranche entfallen diese häufig aus Zeit- und Effizienzgründen.

Das Ziel der Fräsbahngenerierung ist die Berechnung einer geordneten Folge von sogenannten Werkzeugkonfigurationen (WP = c0, c1, c2 usw.), die hinsichtlich bestimmter Kriterien optimale Eigenschaften erfüllen. Eine Werkzeugkonfiguration definiert dabei die Position und Orientierung sowie weitere Parameter des Werkzeuges, wie die Spindeldrehzahl und den Vorschub. Zu den zu erfüllenden Kriterien gehören die Approximationsgüte, Bearbeitungsdauer und Standzeit sowie technische Kriterien, wie zum Beispiel die Pfadlänge, das Pfadmuster, die Anzahl an Werkzeugkonfigurationen, der Materialabtrag, die Schnittgeschwindigkeit und Laufrichtung.

Eine aufeinander abgestimmte Optimierung dieser widersprüchlichen und mehrdeutigen Anforderungen ließe die Bahngenerierung unhandhabbar komplex werden. Deshalb werden Pfadmuster zur Einschränkung des Suchraums vorgegeben. Innerhalb solcher Vorgaben können Optimalitätskriterien und resultierende Pfade eindeutig spezifiziert werden (z.B. ein isoplanarer Pfad mit bestimmter Approximationsgüte und minimaler Gesamtlänge). Die Vorgabe des Pfadmusters ermöglicht zudem die Unterteilung des Bahngenerierungsproblems in sukzessive Teilprobleme, wie zum Beispiel:

  • Bestimmen einer Menge potenzieller Werkzeugpositionen entsprechend der Pfadmustervorgabe,
  • Auswahl und Verkettung einer geeigneten Teilmenge an Werkzeugpositionen,
  • Berechnung des Vorschubs.

Zusätzlich müssen für den Dentalbereich spezifische Parameter bedacht werden. Nachfolgend einige Beispiele:

  • Sowohl in Praxen als auch Laboren werden häufig Tischfräsmaschinen verwendet. Diese weisen im Vergleich zu teureren High-End-Geräten diverse Einschränkungen (Ansteuerbarkeit, Kinematik) auf. So wird beispielsweise nur die lineare Kurveninterpolation unterstützt; die Pfadlänge hat einen weitaus geringeren Einfluss auf die Bearbeitungszeit als das Pfadmuster.
  • Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus dem Einsatzumfeld: Benutzerinteraktionen und -entscheidungen müssen minimiert werden, insbesondere wenn sie fertigungstechnisches Wissen voraussetzen. Das CAM-Modul sollte robust und allgemeingültig sein, um ohne fallspezifische Benutzervorgaben eine vom Zahntechniker konstruierte Restauration (CAD) in der vorgegebenen Genauigkeit zu fertigen.

Grobbearbeitung

Die Grobbearbeitung dient der schnellen Entfernung von Rohmaterial, um den Zielkörper (Fräsgut) freizustellen. Zu diesem Zweck müssen die Werkzeugpfade keiner exakten Referenzoberfläche folgen, sondern systematisch den gesamten Bearbeitungsbereich durchqueren und eine vollständige Materialentfernung sicherstellen. Dies wird durch eine Diskretisierung (Zerlegung in kleine Abschnitte) des Bearbeitungsbereiches anhand eines Gitters erreicht. Das Gitter definiert eine Menge potenzieller Fräserpositionen durch die Verschiebung und Skalierung eines Referenzpfades. Die Wahl des Hüllpolygons als Referenzpfad erlaubt eine exakte Freilegung des Bearbeitungsbereiches (zirkuläre Bahnen) (Abb. 4a und b). Die Abtastung der Skalierung und Verschiebung des Referenzpfades resultiert letztlich in einer Menge an Pfadabschnitten, die den Umriss des Bearbeitungsbereiches in verschiedenen Höhen und Skalierungen wiedergibt.

  • Abb. 4a: Dreidimensionaler Bearbeitungsbereich als Extrusion eines zweidimensionalen Hüllpolygons.
  • Abb. 4b: Diskretisierung (Zerlegung in kleine Abschnitte) des Bearbeitungsbereiches durch Verschiebung/Skalierung des Hüllpolygons.
  • Abb. 4a: Dreidimensionaler Bearbeitungsbereich als Extrusion eines zweidimensionalen Hüllpolygons.
  • Abb. 4b: Diskretisierung (Zerlegung in kleine Abschnitte) des Bearbeitungsbereiches durch Verschiebung/Skalierung des Hüllpolygons.

Nach der Füllung des Bearbeitungsbereiches mit potenziellen Fräserpositionen wird jede Position aus ihrem zugehörigen Pfadabschnitt entfernt, deren kleinster Abstand zur Modelloberfläche kleiner als der Fräserradius ist, und der zugehörige Pfadabschnitt daraufhin entsprechend unterteilt. Die beschriebene Diskretisierung des Bearbeitungsbereiches definiert ausschließlich die Positionskomponente des Schrupp-Pfades.

Fazit

In Teil eins dieses Artikels wurde die Präsenz der CAD/CAM-gestützten Fertigung in der Zahntechnik vorgestellt sowie die Problematik aufgezeigt, mit der die Entwickler von CAM-Modulen für die Dentalbranche kämpfen. Die Hintergründe einer materialsparenden Positionierung des Fräsgutes wurden dargelegt. Der Leser erhielt einen Einblick in die Berechnung der Fräsbahnen, speziell für die Grobbearbeitung. Im zweiten Teil des Artikels werden die weiteren Koordinaten der Werkzeugkonfigurationen sowie die Verkettung der Pfadabschnitte zu einem Gesamtpfad erläutert. 

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dipl.-Informatiker Marcel Gaspar , Dr. Frank Weichert , Dipl.-Wirtschaftsingenieur Daniel Reitel


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