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 LS1.8 Schritte und Schnittstellen des digitalen Workflows gelernt. Bitte informiere Dich dort, wenn Du den Begriff "subtraktive Fertigung" nicht verstehst.

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 LS1.8 Schnittstelle zwischen Digitalisierung und Konstruktion und LS1.8 CAM-Software nach. Die Grundlagen der CAM-Software für die additive Fertigung hast Du in der Lernsituation 1.8 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 1.8) (auch NC-Code genannt) durchgeführt.

CAM-Software für die subtraktive Fertigung

Um z.B. eine Okklusionsschiene im Labor zu fräsen (subtraktiv zu fertigen), 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 im Laufe der Bearbeitung 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. PMMA, 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 wird für fertig gesinterte keramische Werkstoffe verwendet.

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. Deshalb heißen die dafür verwendeten Werkzeuge oft auch Stirnradiusfräser.

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).

• Stirnradiusfräser mit 2 Schneiden
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Eine gute bebilderte Übersicht über die Dental-Fräswerkzeuge bietet der Webshop der der Firma Datron. Unabhängige Anbieter müssen für verschiedene Anbieter von Fräsmaschinen unterschiedliche Formen der Fräswerkzeuge bereithalten.

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)

Lernvideo zum Aufbau und zur Funktion von Fräswerkzeugen zur Bearbeitung von Oberflächen mit dem Handstück.

Gleichlauf-/Gegenlauffräsen

Beim CNC-Fräsen wird im Gegensatz zur Labor-Oberflächenbearbeitung mit dem Handstück fast immer im Gleichlauf gefräst! Beim Handstück wird das Gegenlauffräsen verwendet.

Gegenlauffräsen

Beim Gegenlauffräsen bewegt sich die Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich (dort, wo die Schneiden der Fräse in das Werkstück schneiden) entgegen der Vorschubrichtung des Handstücks. Es bildet sich dadurch ein vom Eintrittspunkt zum Austrittspunkt der Schneide verdickender Span (Kommaspan).

Der Kraftaufwand ist dadurch langsam ansteigend. Bei Schneideneintritt ist er gering, weil noch wenig Material abgenommen werden muss, wächst aber dann während des Fräsvorgangs an. Er erreicht kurz vor Schneidenaustritt seinen maximalen Wert, bevor der Kommaspan schließlich abgetrennt wird. Dieser langsam ansteigende Kraftaufwand ist für die Hände des bearbeitenden Menschen (Zahntechnikerin oder Zahntechniker z.B., die oder der das Handstück festhält und führt) leichter zu beherrschen. Außerdem ist die Belastung der Hände und der Handgelenke geringer. Rattern des Handstücks wird dadurch vermieden.

Gleichlauffräsen

Beim Gleichlauffräsen bewegt sich die Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich (dort, wo die Schneiden der Fräse in das Werkstück schneiden) in Richtung des Vektors der Werkzeugvorschubrichtung. Beim Gleichlauffräsen ist die Kraft unmittelbar bei Schneideneintritt am größten, nimmt dann aber kontinuierlich ab. Der Span wird zum Schneidenaustritt hin immer dünner und schließlich abgeschält, wodurch eine im Verhältnis zum Gegenlauffräsen glattere Oberfläche entsteht. Der Span ist auch hier kommaförmig, nur wird in diesem Fall anfangs viel Material abgenommen und am Ende wenig.

Die Vorschubeinrichtung der Spindel der CNC-Maschine muss absolute Spielfreiheit bzw. hohe Steifigkeit aufweisen. Das ist normalerweise der Fall. Je größer und schwerer die Maschine, umso besser.

Wegen des geringeren Schneiden- und Freiflächenverschleißes kann bei gleicher Standzeit gegenüber dem Gegenlauffräsen die Vorschubgeschwindigkeit um 50 % erhöht werden.

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

Überarbeitete Zusammenfassung des Videos als Transscript

Einführung in die CAM-Software DS-CAM für die subtraktive Fertigung

In diesem Lernvideo stelle ich dir die CAM-Software DS-CAM der Firma Dental Softworks vor. Diese Software ist speziell für die subtraktive Fertigung konzipiert und übernimmt zwei zentrale Aufgaben:

Verwaltung der Rohlinge

Ein Rohling ist eine Scheibe aus einem beliebigen Werkstoff, die gefräst wird – in diesem Beispiel aus Wachs. Alternativ können Rohlinge auch aus Zirkonoxid, Metall oder Kunststoff bestehen. Standardmäßig haben sie einen Durchmesser von 10 cm und eine Dicke von 20 mm.

Die Software verwaltet diese Rohlinge und speichert den Bearbeitungsstand. Im gezeigten Beispiel wurde dieser Rohling bereits teilweise bearbeitet: Sechs Objekte sind bereits herausgefräst, und die Software erkennt, wo noch Platz für weitere Objekte bleibt.

Import des Werkstücks

Das Werkstück stammt aus der Konstruktion, dem zweiten Schritt im digitalen Workflow. Es wird im STL-Format exportiert und in die CAM-Software importiert. Als Beispiel dient ein konstruierter Schlüsselanhänger aus dem Unterricht. Dieser landet direkt im Importbereich der Software.

Arbeitsvorbereitung: Material und Markierungen

Vor dem Fräsen muss das Material definiert werden – hier: Wachs. Der Schlüsselanhänger ist als Modelltyp hinterlegt. Bestimmte Bereiche des Objekts werden farblich markiert, um später besonders fein bearbeitet zu werden. Diese Markierungen kennzeichnen Stellen, die eine präzise Oberfläche erfordern.

Nesting: Positionierung im Rohling

Beim Nesting wird das Objekt in den Rohling platziert und optimal ausgerichtet, um Material zu sparen und die Stabilität während der Bearbeitung zu gewährleisten.

Hinzufügen von Haltestegen

Haltestege (in der Software als Bars bezeichnet) verhindern, dass das Objekt nach dem Fräsen aus dem Rohling fällt. Sie werden so positioniert, dass das Objekt nach der Bearbeitung gezielt entfernt werden kann. Im Beispiel werden fünf Haltestege angebracht.

Frässtrategie: Werkzeuge und Bearbeitungsschritte

Die Frässtrategie (auch Template genannt) definiert die Werkzeuge und Bearbeitungsschritte. Im Beispiel kommen drei Werkzeuge zum Einsatz:

• T1 (Schrubbfräse, 2 mm Durchmesser): Für die grobe Materialabnahme.
• T2 (Schlichtfräse, 1 mm Durchmesser): Für die Oberflächenbearbeitung.
• T3 (Feinfräse, 0,6 mm Durchmesser): Für die Feinstbearbeitung markierter Bereiche.

Schritte der Frässtrategie:

• Schruppen - Grobe Materialabnahme von Ober- und Unterseite mit T1.
  • Parameter:
    • Schruppzugabe: 0,05 mm (Abstand zum Objekt).
    • Vorschub: 20 mm/s.
    • Drehzahl: 17.000 U/min.
    • Zustelltiefe: 0,5 mm (Schichtdicke pro Fräsdurchgang).
• Schlichten - Feine Oberflächenbearbeitung mit T2.
  • Parameter:
    • Vorschub: 20 mm/s. (je kleiner, desto glatter ist die Oberfläche, aber verlängert die Bearbeitungszeit).
    • Drehzahl: 25.000 U/min. (je größer, desto glatter die Oberfläche, max. Drehzahl beachten).
    • Bahnabstand: 0,1 mm (je kleiner, desto glatter ist die Oberfläche aber verlängert die Bearbeitungszeit).
• Feinstschlichten: - Präzisionsbearbeitung der markierten Bereiche mit T3.
  • Parameter:
    • Bahnabstand: 0,075 mm.

Simulation der Fräsbahnen

Die Software berechnet die Fräsbahnen und zeigt sie in einer Simulation:

• Schruppen: Grobe Konturen werden herausgearbeitet.
• Schlichten: Die Oberfläche wird geglättet.
• Feinstschlichten: Markierte Bereiche erhalten eine hochpräzise Oberfläche.

Erzeugung des G-Codes

Die Fräsbahnen werden in eine G-Code-Datei übersetzt, die die CNC-Maschine steuert. Der G-Code enthält Koordinaten, Drehzahlen und Werkzeugwechsel – im Beispiel über 79.000 Zeilen.

Zusammenfassung

• Nesting: Optimale Platzierung des Objekts im Rohling.
• Haltestege: Sicherung des Objekts während der Bearbeitung.
• Frässtrategie: Definition von Werkzeugen und Bearbeitungsschritten (Schruppen, Schlichten, Feinstschlichten).
• G-Code: Steuerungsdatei für die CNC-Maschine.

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.

Selbstlernen

Du hast nun Gelegenheit, Dein neues Wissen auf verschiedenen Kompetenzleveln anzuwenden. Auf dieser Seite findet Du die Hinweise dazu. Bei der Referenzierung muss Du Deinen erreichten Kompetenzlevel nachweisen. Dazu erläuterst Du Das Ergebnis Deiner selbständigen Arbeit unter Verwendung Deiner Arbeistergebnisse aus dem Selbstlernen.

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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