Eine neu entwickelte Bohrmaschine fertigt Zahnimplantat-Bohrschablonen (Surgical Guides) vollautomatisch. Das funktioniert mit Schrittmotor-Lösung und speziell entwickelter Steuerungstechnik.
Für den richtigen Sitz des Zahnimplantats ist eine präzise ausgeführte Bohrung im Kiefer entscheidend. Daher werden heute immer häufiger OP-Bohrschablonen, so genannte Surgical Guides, eingesetzt, die den Operateur beim Eingriff führen.
Der herkömmliche Weg zu so einer Schablone ist aufwendig. Mit einer Bissgabel wird ein dreidimensionales Röntgenbild des Patienten erstellt, wobei die Bissgabel mit ihren für Röntgenstrahlen undurchlässigen Markierungen als Referenzebene fungiert, um später die Lage des Kiefers eindeutig bestimmen zu können. Der Zahntechniker fertigt ein Gipsmodell des Kiefers an, das er mit einer Tiefziehfolie überzieht. So entsteht der Rohling für die Bohrschablone. Hat der Arzt die Lage der Implantate mit Hilfe der Bilddaten am Computer festgelegt, wird die Schablone an den vorgesehenen Stellen gebohrt und mit Führungshülsen versehen.
Trotz computergestützter Planungsverfahren ist das mit viel manueller Arbeit verbunden: So muss der Techniker die Lagekoordinaten für jede Bohrung einzeln auf einem Übertragungstisch einstellen, bevor er die eigentliche Bohrung ausführen kann.
Um Zeit und Kosten im Labor zu sparen, ließen die Spezialisten der JG Special Products GmbH aus Steinmauern eine Bohrmaschine entwickeln, welche die Daten aus der Implantat-Planung vollautomatisch umsetzt und dabei möglichst einfach und fehlersicher zu bedienen ist. Das Konzept sah vor, hochpräzise Schrittmotoren mit integrierten Drehgebern einzusetzen und die Maschine über eine Standard-Schnittstelle vom PC aus zu bedienen.
Dazu holte sich JG die Aachener Antriebsexperten der Mechapro GmbH mit ins Boot. Nach deren Entwurf ist die Maschine mit insgesamt fünf Schrittmotoren und einem bürstenlosen Gleichstrommotor für die Bohrspindel ausgestattet. Drei translatorische Achsen bewegen den Bohrer in X-, Y- und Z-Richtung; zwei rotatorische Achsen B und C sitzen im Schablonenhalter. Um die Sicherheit für eine korrekte Positionierung im laufenden Betrieb zu erhöhen, sind alle Achsen mit zusätzlichen Encodern zur Positionsrückmeldung ausgestattet.
Mechapro sollte eine komplette Maschinensteuerung mit PC-Schnittstelle realisieren. Weil sich USB in der PC-Welt längst als die gängige, preiswerte und einfach zu handhabende Schnittstelle durchgesetzt hat, sah das Konzept vor, einen USB-Controller zu entwickeln. Dieser nimmt vom PC die entsprechenden Fahrbefehle entgegen, puffert sie zwischen und leitet sie an die zuständigen Achskarten weiter. Die Fahrprofile werden auf 3-achsigen Schrittmotorkarten erzeugt, wobei die Achsen X und Y sowie A und B gleichzeitig verfahren werden können. Bei dieser Lösung entfallen spezielle Interface- oder Treiberkarten im PC.
Aus der 3D-Implantat-Planung liegen die Daten für die Bohrung in kartesischen Vektorkoordinaten vor, mit je einem Anfangs- und einem Endpunkt. Die Richtung, in die gebohrt werden soll, liegt im Allgemeinen nicht parallel zur Z-Achse. Daher muss das Werkstück in der Maschine entsprechend gedreht werden. Hierfür erkennt die PC-Software das vom Zahnarzt verwendete Planungs-Tool und führt automatisch die erforderliche Koordinatentransformation durch. Dabei wird die Ausrichtung der Dreh- und Schwenkachse so bestimmt, dass die Schablone anschließend genau senkrecht gebohrt werden kann. Nun überträgt die Software die berechneten Daten über den USB-Anschluss auf die Maschine und startet den Bohrvorgang.
Für den Labortechniker ist die Handhabung denkbar einfach: Im externen Nullebenen-Artikulator richtet er den Halter der Maschine, das Gipsmodell mit der Schablone und die Referenzplatte gegeneinander aus. Fixiert er jetzt das Modell am Halter und setzt beides zusammen in die Maschine ein, ist die Position einfach und reproduzierbar definiert.
Im nächsten Schritt ruft er die Patientendaten aus der Planungssoftware auf und kann entscheiden, ob nur durch die Schablone oder auch in das Gipsmodell gebohrt werden soll. Wird auch der Gips gebohrt, kann der Zahnersatz später schon am Modell angepasst werden. Nach dem Start referenziert sich die Maschine automatisch.
Die Schrittmotoren besitzen eine Teilung von 400 Vollschritten, mit einer steuerungsseitig einstellbaren Unterteilung in jeweils bis zu 16 Mikroschritten. Bei einem Vorschub von 2 mm pro Umdrehung lässt sich der Bohrer bis auf 1,25 µm genau positionieren.
- Jutta Gruber JG Special Products, Steinmauern
- Thorsten Ostermann Mechapro, Aachen
- Automatisches Erstellen von Bohrschablonen
- Schrittmotoren
- Steuerung mit USB-Anschluss
- Bohrerpositionieren auf 1,25 µm
Ihr Stichwort
Motor via USB
PC-gestützte Handlinglösungen mit Schrittmotoren und USB-Schnittstelle eignen sich für vielfältige Bereiche der Laboranwendung, vom Fertigen über das Handhaben von Proben und Bauteilen bis hin zum hochgenauen Dosieren. Gegenüber herkömmlichen industriellen Steuerungen benötigt der Anwender keine speziellen Kenntnisse der Antriebstechnik, sondern kann sich auf seine Kernkompetenzen konzentrieren. Um die für Schrittmotoren erforderlichen hohen Taktfrequenzen auch über die Standard-PC-Schnittstelle realisieren zu können, werden alle zeitkritischen Steuerfunktionen in die Elektronik auf der Maschinenseite verlagert. Die Integration in eine kundenspezifische Anwendungssoftware ist mit einer DLL (Dynamic Link Library) einfach zu erreichen. Der Entwickler muss sich mit den Details der verwendeten Schnittstelle und deren Protokoll nicht auseinandersetzen.
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