LS3.2 Subtraktive Fertigung

Die subtraktive Fertigung von zahntechnischen Produkten mit CNC-Maschinen (Fräsen oder Schleifen) erfolgt im digitalen Workflow. Die Einordnung der CNC-Maschinen in den digitalen Workflow hast Du schon in der Lernsituation 1.7 gelernt. Bitte informiere Dich dort, wenn Du den Begriff "subtraktive Fertigung" nicht verstehst.

Viele der hier verwendeten Informationen stammen aus einer zweitägigen Lehrkräfte-Fortbildung bei der Firma Dental Softworks/Dental Conceptworks sowie aus zahlreichen Online-Beratungs-Sitzungen mit Herrn Nückel. Herzlichen Dank an Herrn Nückel, Herrn Reins und ihr sehr freundliches Team!

Grundlagen

Die Konstruktion des Objektes, das gefertigt werden soll, wird in offenen Systemen fast immer als STL-Datei in die CAM-Software importiert. Wenn Du mit dem Begriff "STL-Format" und nichts mehr anfangen kannst, lese in der Lernsituation 1.7 Schnittstelle zwischen ... und LS 1.7 CAM-Software nach. CAM-Software für die additive Fertigung hast Du in der Lernsituation 1.7 schon detailliert kennen gelernt.

Die Berechnung von Steuerungbefehlen für CNC-Maschinen wird durch die CAM-Software mit Hilfe von G-Code (Vgl. falls Du den Begriff nicht mehr zuordnen kannst: Lernsituation 1.7) (auch NC-Code genannt) durchgeführt.

CAM-Software für die subtraktive Fertigung

Um z.B. eine Okklusionsschiene im Labor zu fräsen, müssen grundsätzlich einige Arbeitsschritte mit der CAM-Software durchgeführt werden.

• Die STL-Daten des konstruierten Modells werden in die Software importiert.
• Das Objekt wird nach bestimmten Kriterien im Rohling platziert. Diesen Vorgang bezeichnet man als Nesting.
• Es muss eine sogenannte Frässtrategie ausgewählt werden. In der Frästrategie sind viele verschiedene Parameter (Einstellungen) für den Fertigungsprozess festgelegt.
  • Die Fräsbahnen sind die Wege, die das jeweilige Werkzeug, also die Fräse, beim Bearbeiten des Rohlings zurücklegt. Liegen sie eng aneinander, dann wird die Oberfläche glatt, liegen sie weit auseinander, wird die Oberfläche eher rauh.
  • Je nach verwendetem Werkstoff oder späterem Verwendungszweck ist in der Frästrategie z.B. festgelegt, mit welchen Werkzeugen die Maschine arbeitet soll.
  • Gleich- oder Gegenlauffräsen legt die Drehrichtung des Werkzeuges im Bezug zum Vorschub fest.
  • Die grobe Vorbearbeitung, also das schnelle Entfernen von viel Material, nennt man Schruppen.
  • Die endgültige feine Bearbeitung der Werkstückoberfläche heißt Schlichten.
  • Der Bahnabstand der Fräsbahnen bestimmt beim Schlichten, wie glatt die Oberfläche des Werkstücks wird. Außerdem wird die Fräszeit dadurch beeinflusst.
  • Die Zustelltiefe ist das Maß für das Eindringen des Fräswerkzeuges in den Rohling beim Schruppen.
  • Die Drehzahl und der Vorschub des Werkzeugs bestimmen die sogenannte Schnittgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug durch den Rohling "schneidet".

Nesting

Nesting ist das Positionieren eines 3D-Objektes (z.B. im STL-Format) im Rohling (Blank) in der CAM-Software. Dabei sollte möglichst materialsparend positioniert werden. Die Fertigungszeit kann durch Reihenfolgenbestimmung und Gruppenbildung deutlich verkürzt werden. Um Resonanzen und Schwingungen zu vermeiden, sollte im Rohling von innen nach außen gefräst werden. So wird der Rohling weniger geschwächt.

Fräsparameter

Die in der CAM-Software eingestellten Parameter für die Berechnung der Fräsbahnen bestimmen die Oberflächen-Qualität des Werkstücks, die Bearbeitungszeit, der Verschleiß der Werkzeuge und die Belastung der Maschine (besonders der Antriebs-Spindel). Die eingestellten Parameter werden in Frässtrategien zusammengfasst und für verschiedene Werkstoffe (z.B. Zirkonoxid, Metalle, Wachs, Composites, Gips) und verschiedene Produkte (z.B. Okklusionsschienen, anatomische Kronen, Verblend-Kappen, Abutments, Modelle) separat gespeichert.

Einige wichtige Parameter sollen hier näher betrachtet werden:

Werkzeuge

An dieser Stelle sollen nur die Fräswerkzeuge betrachtet werden. Der größte Teil der mit CAD/CAM-Systemen in Dentallabors gefertigten Produkte wird gefräst. Das Schleifen (z.B. mit dem Cerec-System) findet hauptsächlich chair-side in der Zahnarztpraxis statt.

Das Fräsen im Dental-Labor ist fast immer Formfräsen. Das bedeutet, dass das Werkstück mit der Stirnseite des Werkzeugs bearbeitet wird. Das Fräswerkzeug trifft dabei in der Regel annähernd senkrecht auf der die zu fräsende Fläche.

Fräs- und Bohrwerkzeuge

• Fräser (Vgl.: Fräswerkzeuge)
  • Rundfräser, Kugelfräser oder Stirnradiusfräser (halbkugelförmiger Kopf, das Standard-Werkzeug in verschiedenen Durchmessern zum Schruppen und Schlichten)
  • Kegelfräser (diese Form wird für Schleifwerkzeuge und sehr kleine Fissurenfräser, z.B. 0,3mm verwendet, da sie gegen seitlich auftretende Kräfte stabiler sind)
  • Lollipopfräser (3/4-kugelförmiger Kopf, mit diesem Werkzeugt sollen Unterschnitte leichter zu fräsen sein, allerdings ist der schmale Hals sehr instabil und bruchgefährdet)
  • Flachfäser (zylinderförmiger Kopf, nur mit diesem Werkzeug können echte 90° Innen-Winkel gefräst werden)
  • Torus- oder Bullnosefräser (zylinderförmig mit abgerundeten Ecken)
  • Scheibenfräser (sie werden für Nuten und Gewinde verwendet)
• Bohrer (Vgl.: Bohrer)
  • Bohrer (mit Bohrern werden Löcher in Werkstücke gebohrt, der Durchmesser des Lochs entspricht dem Durchmesser des Bohrers).

Eine gute bebilderte Übersicht über die Dental-Fräswerkzeuge bietet der Webshop der der Firma Datron.

Die meisten Fräswerkzeuge haben eine oder zwei Schneiden. Dreischneidige Werkzeuge haben einen besseren Rundlauf und arbeiten damit genauer. Allerdings sind sie teurer als zweischneidige. Sie habe außerdem kleinere Spanräume. Von besonderer Bedeutung ist der Abtransport der Späne durch den Spanraum. Speziell polierte Spanräume verbessern den Abtransport der Späne und verringern so den Schnittdruck. So können höhere Vorschübe und größere Zustelltiefen realisiert werden, die Zeit und damit Geld sparen. Die Politur der Spanräume kann nur mit einem Mikroskop vernünftig begutachtet werden. Bei beschädigten Oberflächen im Spanraum besteht z.B. die Gefahr von Aufbauschneiden. Der grundlegende Aufbau eines Fräswerkzeuges ist hier beschrieben.

(Beschichtung Titannitrid, AlCrN Alcrona)

Gleichlauf-/Gegenlauffräsen

Beim CNC-Formfräsen wird im Gegensatz zur Labor-Oberflächenbearbeitung mit dem Handstück fast immer im Gleichlauf gefräst!

Erarbeite anhand des Wikipedia-Artikels zum Stichwort Fräsen Gründe für die Verwendung des Gleichlaufs gegenüber dem Gegenlauf

Lernvideo zu CAM-Software für subtraktive Fertigung am Beispiel der CAM-Software DS-CAM:

Werkzeugauswahl

Das passende Werkzeug wird für den jeweiligen Bearbeitungsschritte festgelegt. Die CAM-Software speichert die Laufleistung der Werkzeuge und benachrichtigt den Benutzer, wenn es gewechselt werden muss (Achtung: Der Hersteller kann hier natürlich für die Anwender*innen ungünstigere Angaben machen, um seine Absätze zu steigern!)

Schruppzugabe

Beim Schruppen wird das Werkstück um einen bestimmten Betrag größer gelassen, als es später endgültig werden soll. Die abschließende Oberflächebearbeitung erfolgt erst beim Schlichten. Ein möglicher Standardwert ist 0,05mm.

Vorschub

Der Vorschub (mm/s) ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkzeug beim Fräsen vorwärts bewegt. Je höher der Vorschub, desto größer ist die seitliche Belastung des Werkzeugs (Biegebelastung) und die Belastung der gesamten Maschine. Natürlich sorgt ein größerer Vorschub aber auch für eine kürzere Bearbeitungszeit. Zu hohe Vorschübe sorgen für Vibrationen, die die Maschine schädigen und/oder die Passgenauigkiet des Werkstücks negativ beeinflussen. 18-22mm/s sind z.B. Standard-Vorschübe z.B. für eine kleine 3+1-Achs-Fräsmaschine wie die Quattromill der Firma Goldquadrat für die PMMA-Bearbeitung.

Drehzahl

Die Drehzahl (U/min) ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Spindel und damit das Werkzeug dreht. Eine höhere Drehzahl erhöht bis zu einem gewissen Wert die Stabilität des Werkzeugs, kann aber bei unrunden Werkzeugen auch für höhere Fliehkräfte sorgen. Je schneller sich das Werkzeug bei gleichem Vorschub dreht, desto kleiner werden die Späne, die geschnitten und abtransportiert werden müssen. 16000-22000 U/min sind z.B. Standard-Vorschübe für eine kleine 3+1-Achs-Fräsmaschine wie die Quattromill der Firma Goldquadrat für die PMMA-Bearbeitung.

Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneide des Werkzeugs tatsächlich durch das Werkstück schneidet. Die max. Schnittgeschwindigkeit wird oft vom Werkzeughersteller festgelegt. Je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto größer ist der Verschleiß des Werkzeugs. Die Hochgeschwindigkeitszerspanung ermöglicht sehr viel geringere Schnittkräfte durch um ein Vielfaches kleinere Späne. Das Verfahren ist somit für sehr dünnwandige Objekte besonders geeignet.

Bahnabstand

Der Abstand zwischen zwei Fräsbahnen beim Schlichten heißt Bahnabstand. Je geringer der Bahnabstand ist, desto länger die Fertigungszeit, aber desto glatter ist die Oberfläche. Ein Wert von 0,08mm z.B. erzeugt mit einem 1mm-Rundfräser eine ziemlich glatte Oberfläche. Sinnlose Zeitverschwendung ist z.B. die sehr glatte Bearbeitung einer Oberfläche, die später keramisch verblendet werden soll. So kann viel Zeit und Geld verplempert werden!

Strategietypen

Beim Schruppen werden z.B. Z-Achsen-konstante Strategien verwendet die höhen- oder auch arialsortiert sind. Für das Hochgeschwindigkeitsfräsen werden sogenannte trochoidale Strategien verwendet. Dabei bewegt sich das Werkzeug in ständigen kleinen Kreisbewegungen auf bzw. im Werkstück vorwärts.

Beim Schlichten werden z.B. stern- bzw. ellipsenförmige oder konturparallele Strategien verwendet. Zusätzlich gibt es Strategien zum Bohren von Löchern, zum Abtrennen von Haltestegen, zum Gravieren von Text und viele andere Typen mehr.

Achsen

Es gibt in der zahntechnischen CNC-Technik 3-, 4-, 5-, 6-, 3+1 und 3+2-achsige Maschinen. Die Standardachsen sind die X-, Y- und Z-Achse im rechtshändigen Koordinatensystem. Die 4.-6. Achse ist die Drehachse um die jeweilige Raumachse. Sie werden mit A-, B- und C-Achse bezeichnet.

Schreibe einen G-Code bzw. NC-Code für eine 3-achsige CNC-Fräsmaschine. Es soll ein kleiner Würfel (z.B. Kantenlänge 5mm) gefertigt werden. Berücksichtige nur das Schruppen. Gehe davon aus, dass Dein Rohling genauso hoch ist wie der zu fräsende Würfel!

Unterrichtsmitschnitt zur Erklärung der Aufgabe:

Download der Blenderdatei, die im Unterrichtsmitschnitt zur Verdeutlichung verwendet wird.

Folgende Adressbuchstaben hast du zur Auswahl:

• S Spindeldrehzahl (in U/min)
• F Vorschub (mm/s)
• T Werkzeugauswahl (Nummer des Werkzeugs, z.B. 1)
• G1 Lineare Bewegung
• M3 Spindel Start (Gegenlauf)
• M5 Spindel Stop

G90 G94 G21 T1 S5000 M3 G0 X-1.05 Y-1.05 Z10

Skizziere den Würfel zuerst in ein Koordinatensystem. Bedenke, dass die Position des Werkzeugs sich auf dessen Mittelpunkt bezieht! Verwende Standardwerte für Vorschub, Drehzahl, Zustelltiefe und Bahnabstand.

Evtl. kannst Du auch mit dem NCViewer einen G-Code online schreiben und testen!

Auf dieser Webseite findest Du alle G-Codes für subtraktive CNC-Maschinen. Die Seite musst Du nicht öffnen, außer sie interessiert Dich.

Arbeitsauftrag

Einzelheiten zu dentalen Fräswerkzeugen, Fa. Emuge

Die Grafik rechts zeigt Dir Vorgaben für die Frässtrategie zum Fräsen von PMMA für Werkzeuge der Firma Emuge. Dokumentiere die empfohlen Parameter in Stichworten. Erläutere die Parameter jeweils.

Arbeitsauftrag

Simuliere verschiedene Fräs-Strategien mit der CAM-Software DS-CAM. Fertige anschließend wenn möglich Beispiele der verschiedenen Strategien und beurteilt die erzielten Ergebnisse (z.B. Zeitmessung, Oberfläche unter dem Mikroskop)

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Weiterführende Informationen:

STL-Dateien sind recht klein (ca. 5-20MB pro Zahn-Einheit) und damit relativ einfach handhabbar (Versand; Sicherung). Größere Konstruktionen können allerdings schon recht "unhandlich" werden. In Zukunft werden bei weiter wachsender Rechenleistung der PCs rechenintensive Volumenmodelle die STL-Dateien ablösen. Sogenannte NURBS können im IGES/STEP-Format gespeichert werden. Damit können Objekte statt mit vielen kleinen Dreiecksflächen mit echten Kurven dargestellt werden. Somit werden zum Beispiel Präparationsgrenzen deutlich genauer dargestellt und übertragen! Die Berechnung der Kurven erfordert allerdings leistungsfähige Rechner. Implantat-Interfaces werden im IGES/STEP-Format importiert, da nur so die notwendige Genauigkeit der Grenzflächen zwischen Implantatpfosten und Abutment erreicht werden kann. Das STL-Format ist dafür in der Regel zu ungenau.

Bei einigen Systemen werden die Konstruktionen nicht allein als reine STL-Daten (offene Schnittstelle) sondern mit Hilfe sog. abgestimmter Formate (angepasste Schnittstelle) mit zusätzlichen Informationen für die CAM-Software versehen. So werden z.B. Präparationsgrenzen separat als Kurven exportiert. Kurven (meist eine Art NURBS) werden als Präparationsgrenze inclusive der jeweiligen Einschubrichtung an die CAM-Software übergeben. Das entspricht natürlich nicht mehr dem Standard des STL-Formates. DaS CAM 4.0-Format der Firma Wieland z.B. splittet die Konstruktionen in verschiedene STL-Dateien. So werden z.B. Okklusionsflächen, Kroneninnenflächen und andere Flächen separat gespeichert. Die CAM-Software kann dann die einzelen Flächen unterscheiden, um z.B. verschiedene Frässtrategien anzuwenden.

Zusätzliche XML-Dateien enthalten Listen mit allen verwendeten STL-Teildateien, Namen und mehr.

Auch Einschubrichtungen und Schließflächen zur Tiefenbegrenzung von Löchern werden übergeben.

Es handelt sich, wie oben erwähnt, um "abgestimmte" Formate, für die dann in jeder zu verwendenden CAM-Software aufwändig passende Importfilter programmiert werden müssen. Allerdings können einige CAM-Software-Produkte den NC-Code besser und genauer berechnen, wenn zusätzliche Informationen übergeben werden.

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Links, die noch eingearbeitet werden könnten:

Formeln und Berechnungen

Formeln

Videos zum Zerspanen

Einzelheiten zu dentalen Fräswerkzeugen