DE102005063549B4

DE102005063549B4 - Werkstück bzw. Formelement, Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken, Maschinensteuerungsprogramm und Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102005063549B4
Application number: DE200510063549
Authority: DE
Inventors: Peter Brambs; Dr. Koch Josef
Original assignee: FOLLOW ME TECHNOLOGY SYSTEMS GmbH; FOLLOW ME! TECHNOLOGY SYSTEMS GmbH; Open Mind Technologies AG
Current assignee: FOLLOW ME TECHNOLOGY SYSTEMS GmbH; FOLLOW ME! TECHNOLOGY SYSTEMS GmbH; Open Mind Technologies AG
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2025-01-13

Abstract

Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken, bei dem das Werkstück (8) durch Eingriff eines wenigstens abschnittsweise zylindrischen und/oder kegelstumpfförmigen rotierenden Werkzeugs (13), insbesondere eines Fräserwerkzeuges (14), Bohrers oder Schleifwerkzeugs, ausgehend von einem Rohteil (10) in eine Endkontur gebracht wird, wobei das rotierende Werkzeug (13) sowohl stirnseitig als auch mantelseitig mit dem Werkstück (8) in Eingriff gebracht wird und wobei eine Relativbewegung des Werkzeugs (13) von dem eingespannten Werkstück (8) weg erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) aus Keramik gebildet wird und zur Herstellung einer gewölbten Außenkontur des Werkstückes (8) ausgehend von dem unteren Rand (26) der Wölbung einer Erhebung (22) mit dem rotierenden Werkzeug (13) eine mehrachsige Roh- und/oder Feinbearbeitung unter Herstellung eines wenigstens mantelseitigen Werkzeugeingriffs und unter Bildung der Erhebung (22) in Richtung zu deren oberer Wölbung hin erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere aus Keramik oder keramischen Werkstoffen, und ein Werkstück bzw. Formelement, insbesondere aus Keramik oder keramischen Werkstoffen.
Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe mechanische Belastbarkeit, eine sehr geringe Wärmedehnung sowie durch eine ausgeprägte Abriebfestigkeit aus. Zudem weisen keramische Werkstoffe einen minimalen Ionenaustausch auf, so dass sie eine hohe Bioverträglichkeit aufweisen. Derartige keramische Werkstoffe werden insbesondere in Bereichen eingesetzt, in denen herkömmliche Metall- oder Kunststoffwerkstoffe einem zu hohen Verschleiß und/oder einer unzulässig hohen Bauteilverformung aufgrund mechanischer Belastung ausgesetzt wären. Insbesondere werden Keramiken als prothetische Bauteile eingesetzt, bspw. als Zahnersatz. Hierfür eignen sich insbesondere keramische Werkstoffe aus Zirkonoxid (Zr0₂), das eine sehr hohe Härte aufweist. Aus der DE 199 38 143 A1 ist bspw. die Verwendung von Zirkonoxidkeramiken mit Sinterzusatz zur Herstellung von Zahnersatz bekannt.
Bei der Verarbeitung von Zirkonoxid und anderen Keramikmaterialen wird normalerweise ein Rohling aus vorgesintertem Material hergestellt, der anschließend in eine gewünschte Endform gebracht und danach durchgesintert bzw. dichtgesintert wird. Ein solches Verfahren zur Herstellung von Zahnersatz ist bspw. in der DE 199 38 144 A1 beschrieben. Bei Bauteilen, bei denen es auf die exakte Einhaltung von vorgegebenen Maßen ankommt, stellt dieses Verfahren jedoch ein Problem dar, da beim endgültigen Aushärten des Formteils mittels vollständigen Sinterns ein Materialschwund unvermeidlich ist. Aufgrund der relativ starken Schrumpfungseffekte war es bisher kaum möglich, einen aus einer weichen Keramik herausgearbeiteten Zahnersatz nach Erreichen der Endform vollzusintern. Der Grad der Schrumpfungen beim Vollsintern ist u. a. von der jeweiligen Materialstärke sowie von der jeweiligen Kontur abhängig und kann daher stark unterschiedlich ausfallen.
In der DE 100 65 971 A1 wird ein Urformverfahren zur Herstellung keramischen Zahnersatzes vorgeschlagen, bei dem unter Vermeidung einer Hartbearbeitung der Keramik durch Vollsintern eine gewünschte Endkontur hergestellt werden soll. Dies soll durch Berechnung und entsprechende Berücksichtigung des Materialschwundes beim Sintern erreicht werden. Ein solches Verfahren eignet sich allerdings nur zur Herstellung einfacherer Geometrien, bspw. für sog. Kronen bzw. Inlays. Bei komplexeren Geometrien, wie sie insbesondere sog. Brücken aufweisen, versagt dieses Verfahren, da die unterschiedlichen Ausdehnungseffekte innerhalb der komplexen Brückengeometrie nicht mehr berechenbar sind.
Da solche Verfahren jedoch einen erheblichen Rechenaufwand verursachen und zudem eine äußerst exakte Einhaltung aller Verarbeitungsbedingungen (Materialzusammensetzungen, Verarbeitungszeiten und -temperaturen) erfordern, sind auch Hartbearbeitungsverfahren bekannt geworden. Problematisch bei diesen Verfahren sind insbesondere die hohen Werkzeugbelastungen und der ausgeprägte Werkzeugverschleiß, der oftmals sogar einen Werkzeugwechsel während der Herstellung der gewünschten Endkontur unumgänglich macht.
So beschreibt die DE 101 50 647 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines als Zahnersatz verwendbaren Formelements, bei dem das Formelement beim Sintern bereits weitest gehend die zu erzielende Endform erhält, um bei der nachfolgenden Materialbearbeitung möglichst wenig Material abtragen zu müssen.
Aus der DE 101 56 156 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Zahnersatz durch Fräsbearbeitung eines Werkstückes bekannt, bei dem auf eine Regelung der Vorschubgeschwindigkeit sowie auf eine Schwallspülung verzichtet wird. Bei dem Verfahren wird bei einer vor Beginn der Fräsbearbeitung ermittelten und während der Bearbeitung auftretenden Belastungsänderung des Werkstückes und/oder des Fräswerkzeugs die Relativgeschwindigkeit zwischen Fräswerkzeug und Werkstück unter Verzicht auf Regelungstechnik geändert.
In der DE 693 26 397 T2 sind ein Verfahren und ein Gerät offenbart, um konturfolgend ein Werkstück bzw. eine Tasche des Werkstückes zu fräsen.
Schließlich ist in der EP 1 034 865 A1 ein Fräsverfahren vorgeschlagen, bei welchem das Fräswerkzeug entlang einer kontinuierlichen spiralförmigen Führungsbahn von der Außenkontur eines Rohteils zur Kontur einer Turbinenschaufel geführt und unter stetigem Materialabtrag eine kontinuierliche Gestaltänderung vom Rohteil zur Turbinenschaufel erreicht werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von harten, insbesondere keramischen Werkstücken, zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine verbesserte Effizienz, insbesondere durch eine reduzierte Bearbeitungszeit, durch eine verbesserte Maßhaltigkeit und/oder durch einen geringeren Werkzeugverschleiß auszeichnet, sowie ein Werkstück bzw. Formelement bereitzustellen, das sich mit einem Bearbeitungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsformen herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von harten, insbesondere keramischen Werkstücken, bei dem das Werkstück durch Eingriff eines rotierenden Werkzeugs, insbesondere eines Fräsers, Bohrers oder Schleifwerkzeugs, von einer Rohkontur in eine Endkontur gebracht wird, ist vorgesehen, dass das rotierende Werkzeug sowohl stirnseitig als auch mantelseitig mit dem Werkstück in Eingriff gebracht werden kann. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass eine Relativbewegung des Werkzeugs im Wesentlichen vom eingespannten Werkstück weg erfolgt. Damit ist gemeint, dass das rotierende Werkzeug bzw. der Fräser sich zunächst nah am Werkstück befindet, und dass er mit zunehmendem Bearbeitungsfortschritt vom Werkstück entfernt bzw. abgehoben wird. Die Bearbeitung einer Kavität erfolgt dementsprechend, indem zunächst ein Loch gebohrt wird, das anschließend durch mantel- und/oder stirnseitigen Werkzeugeingriff zunehmend aufgeweitet wird, bis schließlich aus dem Rohteil die gewünschte Endkontur herausgearbeitet ist. In gleicher Weise kann eine äußere Wölbung des Werkstückes entsprechend der Erfindung hergestellt werden, indem zunächst am Fuß der Wölbung angesetzt wird, wonach das Werkzeug in Material abtragendem Umlauf zunehmend nach oben, d. h., in Richtung zur Spitze der Erhebung verfahren wird, bis schließlich die gewünschte Endkontur erzielt ist.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 19 beschrieben.
Erfindungsgemäße Ausgestaltungen können u. a. vorsehen, dass bei einer spanabhebenden Bearbeitung des Werkstückes weitgehend eine gesamte Schneidoberfläche des rotierenden Werkzeugs bzw. Schneidwerkzeugs in Eingriff gebracht werden kann. Hierdurch kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber einem nur stirnseitigen, einem nur mantelseitigen oder einem punktuellen Eingriff des Werkzeugs deutlich erhöht werden. Zudem wird der Werkzeugverschleiß reduziert, indem weitgehend alle Schneidflächen zum Eingriff kommen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Außenkontur des Werkstückes durch eine mehrachsige Bearbeitungsstrategie unter Einsatz der Werkzeugstirnseite und/oder des Werkzeugmantels hergestellt wird.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Material abtragenden Bearbeitung von harten Werkstücken wie Stahl oder Keramik. Grundsätzlich können damit jedoch weitgehend alle Materialien bearbeitet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der deutlich reduzierte Werkzeugverschleiß, wodurch sich wesentlich längere Werkzeugstandzeiten erzielen lassen.
Zur Herstellung einer Kavität im Werkstück eignet sich eine mehrachsige Bearbeitungsstrategie unter Einsatz der Werkzeugstirnseite und/oder des Werkzeugmantels, so dass sich die erwähnten Vorteile ergeben. Insbesondere kann eine fünfachsige Relativbewegungssteuerung des rotierenden Werkzeugs gegen das Werkstück vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nacheinander eine Rohbearbeitung (Schruppen) und eine anschließende Feinbearbeitung (Schlichten) des Werkstückes vorgesehen. Die Rohbearbeitung und die Feinbearbeitung können aufgrund des geringen Werkzeugverschleißes mit demselben Werkzeug erfolgen. Der Wegfall des Werkzeugwechsels erhöht deutlich die Bearbeitungspräzision und Maßhaltigkeit des Werkstückes, da eine erneute Kalibrierung entfallen kann. Zudem erhöht sich hierdurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Besonders bevorzugt ist jedoch eine gleichzeitige Roh- und Feinbearbeitung mit nur einem Arbeitsgang, was gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich schnellere Bearbeitungen erlaubt.
Eine Kavität im Werkstück kann insbesondere durch abtragende Bearbeitung, beginnend vom Grund der Kavität bis zu deren oberem Rand, hergestellt bzw. durch Bearbeitung von der Rohkontur in die vorgesehene Endkontur und/oder in einen noch zu bearbeitenden Zwischenzustand gebracht werden. Hierbei kann das Werkzeug bei der Bearbeitung des Rohzustandes zur Herstellung der vorgesehenen Endkontur der Kavität, beginnend von deren Grund bis zum oberen Rand der Kavität geführt werden. Der Grund der Kavität kann zuvor durch Bohren erreicht werden. Wahlweise kann jedoch die Kavität im Rohzustand des Werkstückes auch schon vorgegeben sein, so dass das Werkzeug unmittelbar vom Grund aus mit der Material abtragenden Bearbeitung beginnen kann. Das Werkzeug wird vorzugsweise zumindest bei der Herstellung des Zwischenzustandes stirnseitig und/oder mantelseitig mit dem Werkstück in Eingriff gebracht.
Zur Herstellung einer Kavität kann zunächst eine Bohrung mit dem Werkzeug bis zum Grund der Kavität erfolgen, wonach eine mehrachsige Roh- und/oder Feinbearbeitung, ausgehend vom Grund der Kavität, unter Herstellung eines mantelseitigen Werkzeugeingriffs sowie unter Aufweitung der Kavität in Richtung zu deren oberem Rand hin erfolgt. Die Kavität kann wahlweise helixförmig aufgeweitet werden.
Eine gewölbte Außenkontur des Werkstückes kann durch mehrachsige Roh- und/oder Feinbearbeitung, ausgehend vom unteren Rand bzw. Ansatz der Wölbung einer Erhebung mit dem rotierenden Werkzeug unter Herstellung eines wenigstens mantelseitigen Werkzeugeingriffs und unter Bildung der Erhebung in Richtung zu deren oberer Wölbung erfolgen.
Als Werkzeug kann insbesondere ein rotierendes, spanabhebendes Schneidwerkzeug, insbesondere ein Fräswerkzeug verwendet werden. Als Fräswerkzeug kann bspw. ein Fingerfräser mit stirnseitigen und mantelseitigen Schneidflächen zum Einsatz kommen.
Als Werkstücke können Metalle, Kunststoffe und/oder gesinterte Keramikmaterialien verwendet werden, wobei sich voll- oder teilgesinterte Keramikmaterialen verwenden lassen. Als Werkstücke können Keramikmaterialien, insbesondere solche, umfassend im Wesentlichen Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), verwendet werden.
Wahlweise kann das Werkstück im Rohzustand aus teilgesinterter Keramik bestehen, die erst nach der ersten Bearbeitungsstufe (Schruppen) vollständig gesintert wird. Die Feinbearbeitung des Werkstückes zur Herstellung dessen Endkontur kann wahlweise nach dem vollständigen Sintern des Keramikmaterials erfolgen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Werkstück teilweise in einer Hilfsmatrix aus Kunststoff oder einem anderen Material eingeformt ist, die insbesondere zum Einspannen des Werkstückes in der Bearbeitungsmaschine dient.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der Herstellung einer Kavität mittels Feinbearbeitung deren oberen Randes eine Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke erzeugt wird. Die Herstellung einer derartig definierten Randkontur wird dadurch ermöglicht, dass das Werkzeug bei der Herstellung der Kavität von deren Grund allmählich nach oben bewegt wird, so dass der zunächst recht dicke Rand allmählich durch Materialabtrag dünner wird, bis die gewünschte Stärke und Höhe erreicht ist.
Das Werkstück bildet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Formelement, das nach einer Endbearbeitung als Zahnersatz verwendbar ist. Die erwähnte Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke kann dabei eine Präparationsgrenze des Zahnersatzes, insbesondere einen Zementspalt bilden.
Diese Aufgabe wird weiterhin in gegenständlicher Hinsicht durch die Merkmale der Ansprüche 20 bis 23 gelöst.
Entsprechend der Erfindung kann das Werkstück bzw. Formelement, insbesondere im Wesentlichen bestehend aus Keramik, vorzugsweise aus einem teil- oder voll- oder teilgesintertem Keramikmaterial, demnach mittels eines Bearbeitungsverfahrens nach der Erfindung herstellbar sein bzw. hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Formelement kann insbesondere eine der Endform eines Zahnersatzes angenäherte Form aufweisen. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Zahnersatz mindestens eine Kavität, insbesondere zur Abdeckung eines Zahnstumpfes aufweist, die an ihrem Rand eine Präparationsgrenze des Zahnersatzes mit einer Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke, insbesondere einen Zementspalt, bildet.
Das Werkstück bzw. Formelement kann insbesondere im Wesentlichen aus einem teil- oder vollgesintertem Keramikmaterial, insbesondere im Wesentlichen aus Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen.
Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
Die 1 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung ein Drahtmodell eines Zahnersatzes, einer sog. Brücke, sowie eines Rohteils eines Werkstückes.
Die 2 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf eines Fräswerkzeuges zur Bearbeitung einer Okklusalseite der Brücke.
Die 3 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung das Rohteil des Werkstückes sowie den Bahnverlauf des Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Okklusalseite der Brücke.
Die 4 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf eines Fräswerkzeuges zur Bearbeitung einer Okklusalseite eines Zahnersatzes, einer sog. Kappe bzw. Krone.
Die 5 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf des Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Okklusalseite der Kappe bzw. Krone, die in zwei aufeinander folgenden Ebenen bearbeitet wird.
Die 6 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung ein Drahtmodell eines Zahnersatzes am Beispiel einer sog. Kappe bzw. Krone sowie deren Kavitätensicht, sowie eines Rohteils des zu bearbeitenden Werkstückes.
Die 7 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf eines Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe.
Die 8 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung den Bahnverlauf des Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe entsprechend 7, sowie das Rohteil des zu bearbeitenden Werkstückes.
Die 9 verdeutlicht in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung den Bahnverlauf des Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe.
Das anhand der 1 bis 9 am Beispiel von Zahnersatzteilen erläuterten erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens eignet sich grundsätzlich für alle denkbaren Arten von Materialien und Werkstücken. Insbesondere bei sehr harten Werkstücken, bspw. solchen aus Keramik, insbesondere aus Zirkonoxid (Zr0₂), kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Tragen, da hierbei die Standzeiten des Werkzeuges, insbesondere des Fräswerkzeuges, deutlich verlängert werden können. Durch die bessere Ausnutzung aller Werkzeugschneiden während der Bearbeitung werden bspw. die stirnseitigen Schneidkanten weniger stark abgenutzt. Es werden vielmehr weitgehend alle Schneidflächen des Fräsers mit dem Werkstück in Eingriff gebracht, so dass auch bei sehr harten Materialien ein vollständiger Bearbeitungsdurchlauf mit nur einem Werkzeug möglich ist, ohne dass dieses zwischendurch aufgrund eines erhöhten Werkzeugverschleißes ausgewechselt werden muss.
Wenn im vorliegenden Zusammenhang lediglich von gesinterten Keramikmaterialen die Rede ist, die als Zahnersatz Verwendung finden, so ist dies keineswegs einschränkend zu verstehen. Grundsätzlich lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren auch die vielfältigsten anderen Werkstücke bearbeiten, bspw. Getriebeteile aus Hartmetall, Motorenteile aus keramischen Werkstoffen, Gehäuseteile aus Metallguss, etc.
Bei der Formgebung eines durch Vollsintern bereits in eine Rohform 10 gebrachten Werkstückes 8 (vgl. 1) unter Herstellung mindestens einer Kavität 12 wird nach dem Vollsintern mittels eines rotierenden Fräsers 14 ein Loch bis zum Grund der Kavität gebohrt (vgl. 8, 9), das ungefähr eine Mittelachse der herzustellenden Kavität 12 bilden kann. Durch helixförmige Bewegungen des Fräsers 14 wird dieses Loch zu den Seiten hin trichterförmig aufgeweitet, wobei hier weitgehend der gesamte Fräser 14 in Eingriff mit dem Werkstück 8 gebracht werden kann. D. h., der Fräser 14 kann sowohl mit seinen stirnseitigen Schneidkanten 18 als auch mit seinen mantelseitigen Schneidkanten 20 zum Materialabtrag eingesetzt werden. Der Materialabtrag erfolgt sowohl bei der Ausformung der Kavität 12 als auch bei der Bearbeitung einer äußeren Wölbung bzw. Erhebung 22 von unten nach oben, d. h. vom Werkstück 8 weg. Am Schluss wird der obere Rand 24 der Kavität 12 hergestellt, wobei die Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke eine Präparationsgrenze 26 des Zahnersatzes, insbesondere einen Zementspalt bilden kann.
Bei der weiteren Formgebung eines durch Vollsintern bereits in eine Rohform 10 gebrachten Werkstückes 8 (vgl. 1) unter Ausbildung mindestens einer Wölbung bzw. Erhebung 22 wird nach dem Vollsintern mittels des rotierenden Fräsers 14 die Wölbung 22 durch Bearbeitung von außen nach innen und von unten nach oben hergestellt (vgl. 2, 3, 4, 5). Auch hierbei wird vorzugsweise der gesamte Fräser 14 in Eingriff mit dem Werkstück 8 gebracht. D. h., der Fräser 14 kann sowohl mit seinen stirnseitigen Schneidkanten 18 als auch mit seinen mantelseitigen Schneidkanten 20 zum Materialabtrag eingesetzt werden. Je nach Höhe der Wölbung 22 in Relation zur Länge des Fräsers 14 kann diese Bearbeitung in zwei oder mehr Stufen bzw. Ebenen erfolgen (vgl. 5). Gleichzeitig mit der Formgebung der Wölbung 22 wird der untere Rand 26 der Wölbung hergestellt, wobei die mit dem Rand 24 der Kavität 12 zusammenfallende Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke wiederum die Präparationsgrenze 26 des Zahnersatzes, insbesondere den Zementspalt bilden kann.
Als Fräser 14 können insbesondere Diamantfräser zum Einsatz kommen, die in seitlichen sowie in stirnseitigen Eingriff mit dem Werkstück 8 gebracht werden, indem Werkstück 8 und Werkzeug 13 mittels mehrachsiger, insbesondere fünfachsiger, Bearbeitungsstrategie relativ zueinander bewegt werden. Im Idealfall wird aufgrund des geringen Werkzeugverschleißes und aufgrund des großen Eingriffsbereichs der Schneidkanten 18, 20 für eine vollständige Bearbeitung nur ein einziges Werkzeug 13 benötigt.
Die 1 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung ein Drahtmodell eines Zahnersatzes 2, einer sog. Brücke 4, sowie eines quaderförmigen Rohteils 10 eines zu bearbeitenden Werkstückes 8. Die Brücke 4 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel vier Kappenabschnitte 30, die jeweils über Verbindungsabschnitte 32 in passender Stellung zueinander verbunden sind. Die Kappenabschnitte 30 können jeweils Kavitäten 12 aufweisen, die zu den entsprechenden Zahnstümpfen (nicht dargestellt) passen, auf denen sie später verankert werden.
Die 2 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf 34 eines Fräswerkzeuges (vgl. 3) zur Bearbeitung einer Okklusalseite der Brücke 4. Der Startpunkt 36 der Fräsbahn 34 liegt außen und auf einer unteren Ebene, während der Endpunkt 38 bzw. Absetzpunkt der Fräsbahn 34 nahezu auf der obersten Ebene des zu bearbeitenden Werkstückes 8 liegt. Die 3 verdeutlicht in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung das Rohteil 10 des Werkstückes 8 sowie den Bahnverlauf 34 des rotierenden Bearbeitungswerkzeuges 13 zur Bearbeitung der Okklusalseite der Brücke 4. Als Bearbeitungswerkzeug 13 kommt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Fingerfräser mit mantelseitigen Schneidkanten 20 sowie mit stirnseitigen Schneidkanten 18 zum Einsatz. Sowohl stirnseitige 18 als 30 auch mantelseitige Schneiden 20 kommen bei der erfindungsgemäßen Bearbeitungsstrategie in Eingriff mit dem Werkstück B.
Anhand der 3 und der 4 wird deutlich, dass der Fräsverlauf ununterbrochenen Umläufen von außen nach innen sowie von unten nach oben folgt. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, dass gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei denen beim Abtragen von oben nach unten weitgehend nur die stirnseitigen Fräserschneiden zum Einsatz kommen, der Werkzeugverschleiß deutlich reduziert wird. Zudem kann durch das Fräsen von unten nach oben, d. h. gemäß der vorliegenden Erfindung vom Werkstück weg, die Präparationsgrenze des Zahnersatzes 2, die eine Übergangskante zwischen innerer Kavität 12 und der äußeren Wölbung 22 der Okklusalseite bildet, wesentlich exakter ausgeformt werden. Bei den herkömmlichen Fräsverfahren bildet die Präparationsgrenze den Auslauf der Fräsbahn, was zu Ungenauigkeiten und oftmals zu untolerierbaren Maßabweichungen führt.
Die 4 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf 34 eines Fräswerkzeuges 13 zur Bearbeitung einer Okklusalseite eines Zahnersatzes 2, einer sog. Kappe 6 bzw. Krone. Auch hier wird wiederum deutlich, dass die Bahn 34 in ununterbrochenen Umläufen von außen nach innen und von unten nach oben verläuft, wie dies bereits anhand der 3 verdeutlicht wurde. Die innere Kavität 12 ist als feinere Drahtstruktur verdeutlicht (vgl. 6).
Die 5 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung mögliche Bahnverläufe 40 und 42 des Fräswerkzeuges 13 zur Bearbeitung der Okklusalseite der Kappe 6 bzw. Krone, die in zwei aufeinander folgenden Ebenen bearbeitet wird. Der erste Startpunkt 44 der oberen Bahn 40 befindet sich auf einer oberen zu bearbeitenden Ebene und ganz außen. Ein erster Endpunkt 46 der oberen Fräsbahn 40 befindet sich innen und ungefähr auf dem obersten zu bearbeitenden Niveau. Wenn der erste Teil der Erhebung 22 bzw. Wölbung auf diese Weise bearbeitet ist, kann die untere Bahn 42 bearbeitet werden, indem das Werkzeug vom zweiten Startpunkt 48 ganz unten und außen nach innen und nach oben geführt wird, bis der zweite Endpunkt 50 erreicht ist, der sich auf Höhe des ersten Startpunkts 44 und damit auf Höhe des untersten Niveaus der ersten Bahn 40 befindet.
Eine solche Bearbeitung in mehreren Ebenen entsprechend 5 kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Werkzeugschaft für eine einzige durchgehende Fräsbearbeitung in Relation zur Werkstückhöhe zu kurz ist. Durch eine Aufteilung in zwei oder mehr Ebenen kann auch ein deutlich größeres Bauteil auf die erfindungsgemäße Weise bearbeitet werden.
Die 6 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung ein Drahtmodell eines Zahnersatzes 2 am Beispiel einer sog. Kappe 6 bzw. Krone sowie deren Kavitätensicht, sowie eines Rohteils 10 des zu bearbeitenden Werkstückes 8. Die Bearbeitung der Kavität erfolgt auf die nachfolgend beschriebene Weise, indem das rotierende Werkzeug 13 von innen nach außen und von unten nach oben geführt wird.
Die 7 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung einen möglichen Bahnverlauf 52 eines Fräswerkzeuges zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe 6 entsprechend 6. Die 8 verdeutlicht in einer schematischen Perspektivdarstellung nochmals den Bahnverlauf 52 des Fräswerkzeuges 13 zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe 6 entsprechend 7, sowie das Rohteil 10 des zu bearbeitenden Werkstückes. Es wird deutlich, dass der Startpunkt 54 der Fräsbahn 52 ungefähr mittig ansetzt. Das Werkzeug 13 wird zunächst helixförmig nach unten zum Grund der Kavität 12 geführt, wonach diese zunehmend von unten nach oben aufgeweitet wird, bis der Endpunkt 56 der Fräsbahn 52 erreicht ist, an dem der Fräser 14 abgesetzt wird. Der Endpunkt 56 befindet sich auf dem oberen Niveau, nämlich dem oberen Rand 24 der Kavität 12, welcher die Präparationsgrenze 26 für den Zahnersatz 2 bildet.
Die 9 verdeutlicht nochmals in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung den Bahnverlauf 52 des Fräswerkzeuges 13 zur Bearbeitung der Kavitätenseite der Kappe 6. Hier wird insbesondere der helixförmige Verlauf des ein Loch bohrenden Fräsers 14 unmittelbar nach dem Startpunkt 54 der Fräsbahn 52 verdeutlicht.
Auch bei der Herstellung einer Kavität 12 erfolgt der Fräsverlauf grundsätzlich von unten nach oben, d. h. vom Werkstück 8 weg. Zunächst jedoch muss das Loch gebohrt werden, damit diesem Fräsverlauf gefolgt werden kann. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Frässtrategien erfolgt zudem die Bearbeitung von innen nach außen, da das gebohrte Loch von innen nach außen und von unten nach oben erweitert wird, bis die gewünschte Zielkontur hergestellt ist.
Wie bei der Herstellung einer äußeren Wölbung 22 kommt auch hier der exakten Herstellung des oberen Randes 24 der Kavität 12 bzw. der Präparationsgrenze 26 eine besondere Bedeutung zu, da dies für die Passgenauigkeit und Qualität des hergestellten Werkstückes wesentlich ist. Bei der Bearbeitung von innen nach außen und von unten nach oben kann diese Präparationsgrenze mit wesentlich höherer Genauigkeit hergestellt werden als dies bei den bekannten Verfahren der Fall ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims

Verfahren zur Material abtragenden Bearbeitung von Werkstücken, bei dem das Werkstück (8) durch Eingriff eines wenigstens abschnittsweise zylindrischen und/oder kegelstumpfförmigen rotierenden Werkzeugs (13), insbesondere eines Fräserwerkzeuges (14), Bohrers oder Schleifwerkzeugs, ausgehend von einem Rohteil (10) in eine Endkontur gebracht wird, wobei das rotierende Werkzeug (13) sowohl stirnseitig als auch mantelseitig mit dem Werkstück (8) in Eingriff gebracht wird und wobei eine Relativbewegung des Werkzeugs (13) von dem eingespannten Werkstück (8) weg erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) aus Keramik gebildet wird und zur Herstellung einer gewölbten Außenkontur des Werkstückes (8) ausgehend von dem unteren Rand (26) der Wölbung einer Erhebung (22) mit dem rotierenden Werkzeug (13) eine mehrachsige Roh- und/oder Feinbearbeitung unter Herstellung eines wenigstens mantelseitigen Werkzeugeingriffs und unter Bildung der Erhebung (22) in Richtung zu deren oberer Wölbung hin erfolgt.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung ohne Einstichbewegung des rotierenden Werkzeugs (13) erfolgt.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der spanabhebenden Bearbeitung des Werkstückes (8) weitgehend eine gesamte Schneidoberfläche des rotierenden Werkzeugs (13) in Eingriff gebracht werden kann.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Werkstückes (8) durch eine mehrachsige Bearbeitungsstrategie unter Einsatz der Werkzeugstirnseite (18) und/oder des Werkzeugmantels (20) hergestellt wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fünfachsige Relativbewegungssteuerung des rotierenden Werkzeugs (13) gegen das Werkstück (8) vorgesehen ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohbearbeitung (Schruppen) und eine anschließende Feinbearbeitung (Schlichten) des Werkstücks (8) vorgesehen ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gleichzeitige Rohbearbeitung (Schruppen) und Feinbearbeitung (Schlichten) des Werkstücks (8) vorgesehen ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (13) zur Herstellung der vorgesehenen Endkontur der Außenwölbung (22) durch mehrachsige Feinbearbeitung ausgehend vom unteren Ansatz (26) der Erhebung (22) in Richtung zu deren oberer Wölbung hin geführt wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung einer Seite des Werkstücks (8) nacheinander in mindestens zwei Ebenen erfolgt.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (13) ein rotierendes, spanabhebendes Schneidwerkzeug, insbesondere ein Fräswerkzeug (14), verwendet wird.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fräswerkzeug (14) ein Fingerfräser mit stirnseitigen und mantelseitigen Schneidflächen (18, 20) verwendet wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstücke (8) solche, umfassend im Wesentlichen Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder Aluminiumoxid (AI₂O₃), verwendet werden.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstücke (8) voll- oder teilgesinterte Keramikmaterialien verwendet werden.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) im Rohzustand aus teilgesinterter Keramik besteht, die erst nach der Rohbearbeitung (Schruppen) vollständig gesintert wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinbearbeitung (Schlichten) des Werkstücks (8) zur Herstellung von dessen Endkontur nach dem vollständigen Sintern des Keramikmaterials erfolgt.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) teilweise in einer Hilfsmatrix aus Kunststoff oder einem anderen Material eingeformt ist, die insbesondere zum Einspannen des Werkstückes (8) dient.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung einer Kavität (12) mittels Feinbearbeitung (Schlichten) deren oberen Randes (24) eine Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke erzeugt wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) ein Formelement bildet, das nach einer Endbearbeitung als Zahnersatz (2) verwendbar ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke eine Präparationsgrenze (26) des Zahnersatzes (2), insbesondere einen Zementspalt, bildet.
Werkstück bzw. Formelement, insbesondere bestehend aus einem voll- oder teilgesintertem Keramikmaterial, das mittels eines Bearbeitungsverfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19 herstellbar bzw. hergestellt ist.
Werkstück bzw. Formelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) eine der Endform eines Zahnersatzes (2) angenäherte Form aufweist.
Werkstück bzw. Formelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnersatz (2) mindestens eine Kavität (12), insbesondere zur Abdeckung eines Zahnstumpfes aufweist, die an ihrem Rand eine Präparationsgrenze (26) des Zahnersatzes (2) mit eine Randkontur definierter Höhe und/oder Stärke, insbesondere einen Zementspalt bildet.
Werkstück bzw. Formelement nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8) aus teilgesintertem bzw. aus vollgesintertem Keramikmaterial, umfassend Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder Aluminiumoxid (AI₂O₃), besteht.