Diplomarbeit

zur Erlangung des Grades eines Diplom-Ingenieurs (FH)

Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps

von

cand. Dipl.-Ing. (FH) Elmar Meurer

Trier, 1996

Diplomarbeit:

Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps

Diplomarbeit:

Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps

von

Elmar Meurer

an der

Fachhochschule Trier

Fachbereich Maschinenbau

Prof. Dr.-Ing. J. Puscher

in Zusammenarbeit mit

LABOR für KIEFERORTHOPÄDIE

Friedrich Schmitt

Engelstraße, Trier

Trier, 1996

IV

V

Vorwort

Neben der Erlangung des akademischen Grades, bot sich mir bei dieser

Diplomarbeit die Möglichkeit, an einer neuartigen Entwicklung mitzuarbeiten, die

eine wesentliche Verbesserung der kieferorthopädischen Diagnose von Kindern

zum Ziel hat.

Diese Aufgabe ist sehr interessant, birgt jedoch eine große Herausforderung in

sich. Denn das zu entwickelnde Gerät muß hohen Anforderungen entsprechen,

weil ein unmittelbarer Kontakt zum Menschen besteht.

Die im Studium des Maschinenbaus und die in der Werkzeugmacherausbildung

erworbenen Kenntnisse und Fertigkeiten, waren die Grundlagen für die

Bewältigung dieser Arbeit. Denn es war

• ein Diagnosegerät zu konstruieren

• und als Prototyp anzufertigen.

Zusätzlich habe ich mich durch entsprechende Literatur und durch

Kommunikation mit Fachleuten in die Thematik eingearbeitet. Für eine solche

Konstruktion war ich demnach vorbereitet, zumal während des Studiums mehrere

Konstruktionen zu erstellen waren.

Bei dieser realen Konstruktion, die auch verwirklicht wurde, mußten jedoch

wesentlich mehr praxisbezogene Ansprüche berücksichtigt werden, als in den

theoretischen Konstruktionsübungen. Nennen möchte ich an dieser Stelle

besonders diese: Es ging bei dieser Arbeit nicht nur um die Erstellung einer

korrekten Konstrukion, sondern auch um die Realisation derselben. Bereits vor

Beginn mußte an die Beschaffung, Fertigung und Montage gedacht werden. Es

sollten die Kosten für die Einzelanfertigung möglichst gering gehalten werden.

Zusätzlich sollte auch der Fertigungsaufwand klein gehalten werden, weil die

Verwirklichung der Konstruktion, nicht die vornehmlichste Aufgabe dieser Arbeit

war. Um allen diesen Forderungen gerecht zu werden, war ein ständiger Dialog

mit der Industrie noch vor dem Konstruktionsbeginn und natürlich auch während

VI

der Konstruktion erforderlich. - Anforderungen in diesem Maße sind in den

Konstruktionsübungen während des Studiums leider nicht zu berücksichtigen,

was allerdings nicht - wie hier dargestellt - der Praxis entspricht.

Für die Betreuung dieser Arbeit und für Anregungen möchte ich mich herzlich bei

Herrn Prof. Dr.-Ing. Jörn Puscher bedanken.

Ebenso möchte ich mich für die Unterstützung bei Herrn Friedrich Schmitt, dem

Auftraggeber, bedanken.

Herrn Dipl.-Ing.(FH) Willi Thein, Mitarbeiter des Rechenzentrums und

Lehrbeauftragter für Catia, danke ich für die Beantwortung meiner Fragen, die

beim Konstruieren mit der CAD-Software Catia auftraten.

Dem Laborant Herrn Hans Hostert, danke ich für die gute Beratung bei der

Fertigung.

Elmar Meurer, April 1996

VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

1 Zielsetzung dieser Diplomarbeit

2 Ausgangssituation und Hintergrundinformationen

2.1 Nachteile des bestehenden Verfahrens 2.2 Vorteile des neuen Verfahrens

1

5

6 7

3 Entwicklungsszenarien und Auswahl

3.1 Beschreibung des Untersuchungsvorgangs 3.2 Beschreibung der möglichen Entwicklungsszenarien 3.3 Beschreibung des ausgewählten Systems

9 10 14

4 Entwicklungs-und Fertigungsplan 16

4.1 Arbeitsabläufe und Terminplan 16 4.2 Konstruktionsarbeiten, statische und dynamische Berechnungen 17 4.3 Kaufteile, Materialauswahl und Beschaffung 27

5 Realisation des Prototypen

6 Zusammenfassung und Diskussion

Erklärungen

29

31

33

Anhang

Anhang A: Quellenverzeichnis Anhang B: Originalzeichnungen (separat)

34

34 35

IX

Abbildungsverzeichnis

Konstruktionszeichnung: Seitenansicht Links

Konstruktionszeichnung: Lagerung

Konstruktionszeichnung: Höhenverstellung

Foto der Höhenverstellung

Konstruktionszeichnung: Einzelteil Kopfhalterung

Konstruktionszeichnung: Halterung der Bißschablone

Foto des AI-Materials

Foto der Abdeckung

Foto des realisierten Prototyps

15

18

22

23

24

2b

28

30

31

XI

1

1 Zielsetzung dieser Diplomarbeit

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Erstellung eines Diagnosegerät-Prototyps.

Daraus ergeben sich folgende Aufgaben, bzw. Teilziele:

• Erarbeitung eines Pflichtenhefts aus der Projektmappe1

• Abnahme des Pflichtenhefts durch den Auftraggeber,

,

• Konstruktion des Diagnosegerätes gemäß dem Pflichtenheft,

• Abnahme der Konstruktion durch den Auftraggeber,

• Beschaffung von Material, Halb- und Fertigzeugen,

• Fertigung in der Zentralwerkstatt der Fachhochschule und

• Montage mit anschließender Funktionskontrolle.

Für diese Diplomarbeit ist es von besonderer Bedeutung sich darüber im klaren zu

sein, was ein Prototyp ist. Ein Prototyp2

Ausführung einer Maschine nach den Entwürfen zur praktischen Erprobung und

ist ein „erster Abdruck", eine „erste

Weiterentwicklung", oder anders formuliert: eine „erste betriebsfähige

Ausfertigung eines Geräts, ... der die Nullserie folgt"3

Unter diesen Aspekten ergeben sich einige Eigenschaften, die die Konstruktion

.

aufweisen sollte:

Zunächst sollen die Kosten für den Prototyp möglichst klein gehalten werden;

folglich ist auf eine einfache und kostengünstige Fertigung hinzuarbeiten. Der

Kostenaspekt ist in der Konstruktionsphase besonders zu beachten, da hier bereits

ca. 70 % der Kosten eines Produktes festgelegt werden4

Während der Erstellung der Konstruktion muß aber auch immer an die mögliche

.

Serienfertigung in kleinen Stückzahlen gedacht werden!

1 Erläuterung im Text weiter unten 2 griechisch: prototypos „ursprünglich" 3 nach: Brockhaus-Enzyklopädie, 19. Auflage, Mannheim: Brockhaus, 1992; Band 17 4 nach: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. W. Eversheim, Simultaneous Engineering - eine organisatorische Chance!, RWTH Aachen

2

Ansprüche an das Design sind eher nebensächlich, d.h. es kann z.B. auf einen

aufwendigen Oberflächenlack verzichtet werden.

Als Eingabe für die Erstellung des Diagnosegerätes liegt eine Projektmappe vor,

die das gesamte FuE-Vorhaben1

Aus dieser Unterlage muß das für die Konstruktion verbindliche und

grundlegende Pflichtenheft

des Auftraggebers Herrn Schmitt dokumentiert.

Diese wurde auch der Investitions- und Strukturbank Rheinland-Pfalz für die

Gewährung eines Zuschusses im Rahmen des Innovationsförderprogramms

Rheinland-Pfalz, vorgelegt.

2

Auf den folgenden Seiten ist das Pflichtenheft wiedergegeben.

erstellt werden. Erst nachdem diese

Aufgabenstellung eindeutig ausgearbeitet und vom Auftraggeber das

Einverständnis mit dem Pflichtenheft eingenommen ist, kann mit der eigentlichen

Konstruktionstätigkeit begonnen werden.

1 FuE steht für Forschung und Entwicklung 2 Aufgabenstellung oder Spezifikation; Sammlung aller möglichen Daten und Informationen zur Bestimmung eines technischen Produktes: Zweck des Produktes und Bedingungen/Restriktionen, die dabei zu beachten sind, müssen geklärt werden.

3

FuE-Vorhaben: Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps

Labor für Kieferorthopädie F. Schmitt / cand. Dipl.-Ing.(FH) Elmar Meurer

Seite 1/2

P f l i c h t e n h e f t :

1.

Das Diagnosegerät zur optischen Vermessung des Schädels und Gesichts, wird aus folgenden Gründen entwickelt:

Entwicklungsgrund:

a) Schädliche Röntgenstrahlen bei herkömmlicher Diagnose sollen reduziert, bzw. vermieden werden. Die Patienten der kieferorthopädischen Behandlungen, vor allem Kinder, sollen vor hohen Röntgenbelastungen im Kopfbereich geschützt werden.

b) Auch auf Umweltaspekte ist hinzuweisen, da bei der Entwicklung der Röntgenbilder die notwendigen Entwicklungsbäder entsorgt werden müssen. Dies verursacht eine Belastung der Umwelt, die durch den Einsatz des neuen Diagnosegerätes stark reduziert werden kann.

c) Für eine neuartige Behandlungseinheit („Zahnspange"), ist eine umfangreiche Diagnose der Kieferanomalie die Voraussetzung für die optimale Gestaltung derselben.

2.

Das Diagnosegerät zur optischen Vermessung des Schädels und Gesichts, soll folgenden Zweck erfüllen:

Zweck des Produktes:

a) Der Kopf des Patienten soll mit Hilfe des zu entwickelnden Gerätes fixiert werden können. Als mögliche Fixierpunkte kommen die Ohren, die Aushöhlung über dem Nasenbein und das Gebiß des Patienten in Frage.

b) Im fixierten Zustand soll eine Kamera im Winkel von 180° um den Schädel des Patienten geführt werden. Der Abstand in der frontalen Stellung, Mittelpunkt des Ohres zur Kamera, betrage ca. 400 mm. Die Kamera soll sich in einer horizontalen Ebene, in Höhe der Ohrmittelpunkte bewegen. Diese Bewegung soll mittels eines Motors erzeugt werden.

c) Die Fixiereinrichtung soll zusammen mit der Schwenkeinrichtung der Kamera höhenverstellbar an eine vertikale Wand angebracht werden. Diese Höhenverstellung erfolge manuell.

4

FuE-Vorhaben: Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps

Labor für Kieferorthopädie F. Schmitt / cand. Dipl.-Ing.(FH) Elmar Meurer

Seite 2/2

P f l i c h t e n h e f t :

3.

a) Die Ausführung soll im Gewicht unter 50 kg liegen.

Forderungen:

b) Das Erscheinungsbild soll zu einer Zahnarzt-Praxis harmonieren.

c) Hygieneforderungen sind zu beachten.

4.

a) Anflanschmöglichkeit des ausgewählten Motors

Schnittstellen:

b) Befestigungsmöglichkeit einer Videokamera

c) Fixiereinrichtung passend für ein ca. 10-jähriges Kind

d) Befestigung des Gerätes an der Wand

5.

Die Steuerung des Schwenkens der Kamera, sowie die Bildübertragung erfolgt durch einen Personal Computer.

Steuerung:

6.

a) Der Höhenverfahrweg (vertikal) betrage ca. 500 mm.

Sonstiges:

b) Die Diagnose erfolgt im Stehen.

c) Die Schwenkzeit der Kamera für 180° betrage ca. 5 s.

d) Die Kamera soll unter einem Gewicht von 800g bleiben.

5

2 Ausgangssituation und Hintergrundinformationen

Dieses Kapitel ist für die Konstruktion des Diagnosegerätes selbst nicht unbedingt

erforderlich, erscheint mir jedoch vorteilhaft, um das Verständnis der Thematik zu

erleichtern.

Nach der Festlegung der Ziele erfolgt jetzt das Einarbeiten in die Materie der

Kieferorthopädie. Als erste Lektüre empfiehlt sich natürlich die Projektmappe;

dort heißt es:

„Die Behandlung von Zahnfehlstellungen mittels mechanischer Vorrichtungen ist

seit über 100 Jahren bekannt. Es handelt sich hierbei um eine in der letzten Zeit

immer weiter verbesserten Dehnplatte, die aus verschiedenen Drahtelementen

und Kunststoff besteht. Diese Platte wird in den Mund des Patienten eingesetzt,

und mittels Schrauben und Drahtelementen werden Zug- und Druckkräfte auf die

zu bewegenden Zähne ausgeübt.

Um überhaupt die Konstruktion der kieferorthopädischen Behandlungsgeräte zu

bestimmen, ist eine aufwendige Vorplanung und Aufnahme des

kieferorthopädischen Krankheitsbildes mittels Röntgensystem, Analyse und

Diagnose unablässig.

Deshalb ist es besonders wichtig, das kieferorthopädische Krankheitsbild exakt zu

erkennen und zu analysieren. Mit Hilfe einer neuen Computertechnologie soll der

Ist-Zustand erfaßt, und der Soll-Zustand simuliert werden."1

1 Projektmappe Seite 5f. und lOf.

6

Um den Stand der Dinge aufzuzeigen, sollen im folgenden kurz die Vorzüge des

neuen Diagnosesystems, gegenüber dem herkömmlichen (bestehenden) Verfahren

herausgestellt werden.

2.1 Nachteile des bestehenden Verfahrens

Die Diagnose wird heute üblicherweise mittels Röntgenbilder vorgenommen.

Dazu ein Zitat aus der Projektmappe:

„Der entscheidende Nachteil bei dieser Vorgehens weise ist die erhebliche

Röntgenbelastung im Schädelbereich des Patienten, weil zu einer fortlaufenden

Diagnose der Behandlung bis zu zehn Röntgenbilder hergestellt werden müssen

(vier bis fünf Bilder vom Schädel und ebenso viele vom Zahnbereich). Die damit

eingehende Röntgenbelastung ist so hoch, daß derzeit das

Bundesgesundheitsministerium eine neue Röntgenverordnung plant. Zukünftig1

In diesem Zusammenhang wird herausgestellt, daß der behandelnde Zahnarzt

oder Kieferorthopäde nach §20 der Röntgenverordnung nur speziell geschulte

Zahnarzthelferinnen einsetzen darf. Diese müssen nicht nur Kenntnisse in der

Bedienung der Röntgengeräte, sondern auch im Strahlenschutz haben. Auch beim

Betreiben der Dental-Röntgengeräte sind erhebliche technische und

sicherheitstechnische Vorschriften zu beachten."

sollen Röntgenaufnahmen nur noch in akuten Notfällen, bei Kieferbrüchen usw.,

möglich sein.

2

1 gemeint ist wahrscheinlich künftig oder in Zukunft 2 Projektmappe Seite 5f.

7

2.2 Vorteile des neuen Verfahrens

„Um den Ist-Zustand erfassen zu können, ohne den Patienten einer

Röntgenbelastung auszusetzen, soll mit Hilfe eines noch zu entwickelnden

Positioniergerätes eine frontale Seitenaufnahme des Kopfes sowie eine intraorale

Aufnahme der Kiefersituation mit einer hochauflösenden Video-Kamera erfolgen.

Die Daten werden in ein Bildverarbeitungssystem übertragen, und auf eine CD-

ROM übertragen. Die Bildwerte können jederzeit zur Bearbeitung und

rechnerunterstützten Simulation herangezogen werden. Gleichzeitig können sie

vom Zahnarzt als ständiger Vergleich zur aktuellen Situation des Patienten

genutzt werden.

Der gravierende Vorteil dieser Vorgehensweise ist die direkte Verfügbarkeit aller

vom Patienten relevanten Daten, abgestimmt auf die jeweilige

Behandlungsmaßmahme ohne schädliche Röntgenaufnahme und der damit

verbundenen Belastung, insbesondere für Kinder. Der behandelnde Arzt oder

Kieferorthopäde ist somit in der Lage jede wachstumsbedingte

Schädelveränderung sofort zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

Zusammenfassend wird noch einmal auf die Kombination neue kieferorthopädische

Behandlungseinheit und Computer gerechte Simulation hingewiesen. Nur mit der

Simulation ist es möglich, die Hilfsbügel der Behandlungseinheit in der

entsprechenden und notwendigen Größe und Legierung optimal herzustellen.

Wie bereits erwähnt, kann zur1

gemeint ist wahrscheinlich durch die Realisierung...

Realisierung des Vorhabens auf die bisher übliche

Röntgenbelastung zur Herstellung der notwendigen Aufnahmen verzichtet

werden. Neben der enormen Strahlenbelastung, nicht nur für die Patienten,

8

sondern auch für das Hilfspersonal, ist die Entsorgung der Entwicklungsbäder

nur mit einer hohen umweltrelevanten Belastung möglich. Die für die

Kieferorthopädie notwendigen Röntgenbilder1

Hinweis:

können bei flächendeckendem

Einsatz des neuen Systems völlig entfallen.

In der Bundesrepublik Deutschland werden ca. eine Million Fernröntgenbilder

nur für die kieferorthopädische Behandlung gemacht."

2

Ein weiterer Vorteil der neuen Verfahrensweise ist, daß durch Einsatz des

rechnergesteuerten Diagnosesystems, auch ein ungeübter Zahnarzt in der Lage ist,

die erforderlichen Behandlungen durchzuführen.

3

Mit diesem Hintergrundwissen und der daraus resultierenden Motivation, kann

jetzt mit der Erarbeitung von Lösungen für das aufgezeigte Problem, begonnen

werden.

4

1 gemeint sind hier nur die Fernröntgenaufnahmen 2 die Angabe ist auf ein Jahr bezogen 3 Zitat aus der Projektmappe Seite 10ff.; Mir ist durchaus bewußt, daß die Zitate, welche der Projektmappe entnommen sind, sowohl sprachliche als auch stilistische Mängel aufweisen. 4 nach: Projektmappe Seite 18

9

3 Entwicklungsszenarien und Auswahl

Aus dem Pflichtenheft gehen die erwünschten Funktionen, Eigenschaften und

Merkmale hervor. Um jedoch ein vollständiges Bild des Entwicklungszieles zu

erhalten, muß auch der Untersuchungsvorgang genau analysiert werden. Diese

Ablaufanalyse erweitert das Verstehen des zu konstruierenden Diagnosegerätes

soweit, daß konkrete Lösungsvorschläge erstellt, und kritisch beurteilt werden

können.

3.1 Beschreibung des Untersuchungsvorgangs

1. Die Traverse mit der Kamera befindet sich in der Ruhestellung, d.h. ganz links

(von vorne gesehen), -5°.

2. Der Kopf des Patienten wird nun an dem Diagnosegerät fixiert. Dazu wird

zunächst die vertikale Höheneinstellung für den Patienten angepaßt. Durch das

Verschieben der Ohrstifte und des Nasionadapters wird der Schädel an drei

Punkten statisch bestimmt. Zusätzlich wird die Bißschablone in den Mund

eingeführt. Durch das Zubeißen des Patienten, und der „Verriegelung" des

Gelenkarms ergibt sich eine zusätzliche Stabilisierung. Durch diese

Maßnahmen erreicht man die völlige Fixierung des Kopfes des Patienten.

3. Nun beginnt die Untersuchung: Die Kamera, an der Traverse hängend und

vom Motor angetrieben, schwenkt um den Patienten in einem Winkel von 190°.

Dabei werden mehrere Bilder mit den dazugehörigen Winkelstellungen

„eingefroren" und von einem Bildverarbeitungs-Programm des Personal

Computers verarbeitet.

10

4. Wenn die Traverse den Schwenkwinkel von 180° erreicht, wird die

Drehbewegung vom Motor gebremst. Der Reversierpunkt liegt bei 185° - d.h.,

daß bei diesem Winkel der Rücklauf der Traverse zur Ausgangsstellung, bzw.

Ruhestellung -5° erfolgt.

5. Damit ist die Untersuchung des Patienten abgeschlossen. Man hat jetzt alle

wichtigen Informationen über die Kopfform. Für die vollständige Diagnose ist

ferner das Gebiß mit den Zahnfehlstellungen usw. von Interesse. Dazu werden

die Ohrstifte aus der Fixierung gelöst; der Kopf verharrt zunächst in der

fixierten Stellung. Der Gelenkarm mit der Bißschablone bleibt am selben

Raumpunkt stehen, während der Patient den Mund öffnet und seinen Kopf

vorsichtig nach hinten wegzieht.

6. Für die vollständige Untersuchung ist jetzt noch das „Einlesen des Gebisses"

notwendig. Dazu wird ein Gipsmodell des Ober- und Unterkiefers, das schon

zuvor angefertigt wurde, an der Bißschablone so angebracht, wie zuvor das

reale Gebiß des Patienten. Dann wird dieses Gips-Gebiß ebenfalls von der

Kamera in den selben Winkelstellungen, wie der Schädel des Patienten,

aufgenommen.

7. Damit ist die Untersuchung vollständig abgeschlossen; das Gerät wird in die

Ruhestellung zurückgesetzt. Die Auswertung der Informationen (Diagnose)

bginnt.

3.2 Beschreibung der möglichen Entwicklungsszenarien

Um die geforderten Funktionen, Eigenschaften und Merkmale des

Entwicklungsgegenstandes zu erfüllen, sind mehrere unterschiedliche

Ausführungen des Diagnosegerätes möglich. Es muß also herausgefunden

11

werden, welche Ausführung optimal ist.

Am besten lassen sich diese Ausführungen bewerten, wenn man das gesamte

System in einzelne Untersysteme (Module) gliedert. Die genaue Abgrenzung der

Module mit einer exakten Schnittstellenbeschreibung ist unerläßlich. Da es sich bei

der vorliegenden Entwicklung um ein überschaubares System handelt, und weil

die Konstruktion lediglich von einem Einzelnen durchgeführt wird, ist diese

exakte Beschreibung nicht im vollen Umfange erforderlich.

Die Abgrenzung fällt im vorliegenden Gesamtsystem sehr leicht. Am

zweckmäßigsten unterteilt man in folgende Module1

• Wandhalterung mit Höhenverstellung

:

• Fixiereinrichtung des Kopfes

• Schwenkeinrichtung inkl. Kamerabefestigung

• Antrieb des Schwenkarms

Im folgenden sollen nun einige der möglichen Ausführungen genannt werden:

• Schlittenführung mit Elektromotor und Spindel

1. Modul: Wandhalterung mit Höhenverstellung

• Schlittenführung mit einem Gegengewicht

1 Es sei noch darauf hingewiesen, daß man durch die exakte Abgrenzung und Beschreibung der

Modulschnittstellen und ungelösten Konstruktionsproblemen, oft die Weichen für eine brauchbare

Lösung stellt.

12

2. Modul: Fixiereinrichtung des Kopfes

• Die Fixierung des Kopfes durch ein Stretch-Band

• Die Fixierung des Kopfes durch Ohrstifte, Nasionadapter und Bißschablone

Hier sind zusätzlich noch „Untermodule" vorhanden, nämlich einerseits ein

Mechanismus um mit den beiden Ohrstiften den Kopf des Patienten stets mittig

zu fixieren, sowie die Art der Lagerungen inkl. des Feststellmechanismus der

Ohrstifte.

Hierfür bieten sich folgende Möglichkeiten an:

2.1.

• Zahnrad und Zahnstangen

Untermodul: Fixier-Mechanismus

An die vertikal stehenden Stäbe, an denen die Ohrstifte befestigt sind, werden

Zahnstangen angebracht. In der Mitte befindet sich ein Zahnrad. Dadurch erreicht

man ein gleichmäßiges und gegenläufiges Verschieben der Ohrstifte.

• Gleitband

Ein Gleitband, welches so geführt wird, daß es erlaubt die Ohrstifte gegenläufig

und mittig zu bewegen. Das hat gegenüber einem Seil den Vorteil, daß die

Flächenpressung an den Umlenkpunkten so klein wird, daß eine Lagerung der

Umlenkrollen nicht notwendig ist.

2.2.

• Kugelumlauflager und Feststellschraube

Untermodul: Lagerung und Feststellung

Kugelumlauflager haben den Vorteil sehr leicht verschiebbar zu sein. Sie gleichen

auch kleine Winkelfehler aus. Diese Lagerart erfordert jedoch eine explizite

Feststellung, wie z. B. eine Schraube.

13

• Messingbuchse

Der entscheidende Vorteil dieser Lagerart ist ihre Einfachheit. Messing hat gute

Gleiteigenschaften. Durch die Auswahl der Gleitkombination und durch die

richtige Dimensionierung der Lagereinheiten, erzielt man aufgrund der

Selbsthemmung die definierte Feststellung.

• Kamera an einer Rundführung

3. Modul: Schwenkeinrichtung inkl. Kamerabefestigung

Der Kopf des Patienten wird fixiert. Die optische Vermessung erfolgt durch eine

Kamera, die auf einer halbrunden Führung in einem vorgegebenem Abstand

verfahren wird. Diese Führung ist jedoch sehr aufwendig, und treibt die Kosten in

die Höhe1

• Der Patient wird im Sitzen gedreht

.

Bei diesem Verfahren verharrt die Kamera an einem Raumpunkt; der Patient

wird zur Durchführung der Untersuchung gedreht. Dies hat den Vorteil, daß der

Untersuchungswinkel sogar 360° betragen kann.

Durch Aufstellung der möglichen Teillösungen in Tabellenform, erhält man einen

morphologischen Kasten. Grundsätzlich sind alle Teillösungen miteinander

verknüpfbar, sodaß die Kombinationsmöglichkeiten viele verschiedene Lösungen

ergeben.

1 Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß es sich um einen Prototyp handelt, mit dem

zunächst die Durchführbarkeit dieses neuartigen Diagnoseverfahrens geprüft und ausgearbeitet

werden soll.

14

3.3 Beschreibung des ausgewählten Systems

Die im vorigen Abschnitt 3.2 vorgestellten Teillösungen werden nun unter

Beachtung der hier vorliegenden Anforderungen so zusammengestellt, daß die

optimale Gesamtlösung gefunden wird.

• Wandhalterung mit Höhenverstellung

Hier wird eine Linearführung verwendet, die an die Wand geschraubt werden

kann. Die Linearführung besitzt keinen eigenen Antrieb. Zum Ausgleich gleitet

an der Rückseite dieser Linearführung ein Gegengewicht. Es ermöglicht die

vertikale Höhenverschiebung und -feststellung. An dem Läufer der Führung

werden die anderen Module befestigt.

• Fixiereinrichtung des Kopfes

Der Kopf des Patienten wird an drei Punkten statisch bestimmt. Zusätzlich - um

die Fixierung zu verstärken - wird der Kopf durch eine Bißschablone, die in den

Mund des Patienten eingeführt wurde, ruhig gestellt. Während der Patient

zubeißt, wird die Halterung der Bißgabel befestigt, sodaß die für das Filmen

erforderliche Starrheit erreicht wird.

Sowohl die Ohrstifte, als auch der Nasionadapter werden auf

Wellenführungen1

Selbsthemmungsprinzip beruhen.

geführt, deren Feststellungsart auf dem

Die Bißschablone ist an einem sehr flexiblen Gelenkarm, der durch das

Anziehen einer einzigen Schraube sehr starr wird, befestigt.

• Schwenkeinrichtung inkl. Kamerabefestigung

Der Schwenkarm ist an zwei vertikal übereinander liegenden Kugellagern

angebracht und ist in dadurch fähig einen Winkel von ca. 230° zu durchfahren.

Die Länge der Traverse beträgt 500 mm, sodaß man einen Abstand von ca.

mach SKF; manchmal auch Parallelführung genannt

15

400mm zwischen Patient und Kamera erhält. Die Traverse ist so gewählt, daß

die Kamera beliebig verschiebbar ist. Da zum Zeitpunkt der Fertigstellung noch

keine Kamera zur Verfügung stand, ist die Art der Kamerabefestigung nur in

der Theorie gelöst worden.

• Antrieb des Schwenkarms

Nachdem der Motor für den Antrieb ausgewählt ist, wurde eine entsprechende

Lösung ausgearbeitet. Dabei wird die Lagerwelle direkt mit der Antriebswelle

des Motors über eine Klauenkupplung gekoppelt.

Die folgende Abbildung zeigt die gesamte Seitenansicht des Diagnosegerätes.

16

4 Entwicklungs- und Fertigungsplan

4.1 Arbeitsabläufe und Terminplan

Um eine termingerechte Fertigstellung zu ermöglichen, ist eine Zielsetzung

unerläßlich. Die folgenden Teilziele sind in zwei Termine aufgeteilt.

1. Erarbeitung eines Pflichtenhefts aus der Projektmappe

2. Abnahme des Pflichtenhefts durch den Auftraggeber

3. Konstruktion des Diagnosegerätes gemäß dem Pflichtenheft

4. Abnahme der Konstruktion durch den Auftraggeber

5. Beschaffung von Material, Halb- und Fertigzeugen

6. Fertigung in der Zentralwerkstatt der Fachhochschule

7. Montage mit anschließender Funktionskontrolle

Zum ersten Termin, nämlich Ende Januar 1996, sollen die Punkte eins bis vier

erledigt sein. Diese Arbeiten erstrecken sich also über einen Zeitraum von zwei

Monaten, nämlich Dezember '95 und Januar'96.

Im ersten Monat der Diplomarbeit, November '95, werden lediglich

Vorbereitungen getroffen, wie Einarbeitung in das Thema, Suche nach Literatur,

Kontaktaufnahme mit der Industrie usw.

Der zweite Termin ist ca. Mitte März '96. Ab Februar '96 bis 15. März '96 sollen die

Punkte fünf bis sieben bearbeitet werden.

Der Termin für die Fertigstellung und Abgabe des Diagnosegeräts ist der 28. März

1996 angesetzt, da das Gerät am folgenden Tag auf einer Messe ausgestellt werden

soll. Durch die Zielvorgabe 15. März, ist ein Sicherheitszeitraum von zwölf Tagen

eingeräumt.

17

4.2 Konstruktionsarbeiten, statische und dynamische Berechnungen

Folgende Konstruktionen1

• Lagerung der Traverse

sind auszuführen:

• Elektrischer Antrieb

• Höhenverstellung

• Kopfhalterung

• Halterung der Bißschablone

Folgendes Problem ist zu lösen: Die Traverse muß so drehbar gelagert werden,

daß die durch das Drehmoment einwirkenden Kräfte aufgenommen werden

können. Da der Hebelarm relativ groß ist, ca. 500 mm, ist die Lagerung

entsprechend groß zu dimensionieren. Denn es muß mit einer „unerlaubten"

Krafteinleitung gerechnet werden, wie z.B. kurzzeitiges Abstützen einer Person

auf der Traverse, oder Anhängen von Gegenständen usw.

Die Lagerung, im Bild 2 dargestellt, wurde wie folgt ausgelegt:

1. Lagerung der Traverse

Bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, daß auf eine umfassende und genaue

Berechnung verzichtet werden kann, da die auftretenden Kräfte sehr gering sind2.

Als eigentliche Lagerung sind Rillenkugellager (DIN 625) optimal. Denn diese

Lagerart ermöglicht eine radiale und gleichzeitig geringe axiale Belastung, wie die

Autoren Roloff/Matek aufzeigen: „Grundsätzlich sollte bei der Lagerwahl immer

zunächst das Rillenkugellager wegen seiner hohen Laufgenauigkeit, des niedrigen

Preises und des erforderlichen geringen Einbauraumes bevorzugt werden. Nur

wenn die gestellten Anforderungen nicht zu erfüllen sind, sollte ein anderes

geeigneteres Lager gewählt werden." (Roloff/Matek, 1987:467)

1 Konstruktion = Bauart einer Maschine, eines Geräts; es wird nur eine Auswahl der Konstruktionen angeführt 2 die in den Lagerungen wirkenden Kräfte hegen in einer Größenordnung unter 100 N

18

Es liegt hier eine statische Belastung vor, da es sich um eine Schwenkbewegung

handelt (Roloff/Matek 1987:467). Daher erfolgt eine statische Auslegung der

Lager.

19

Berechnung nach der erforderlichen statischen Tragzahl:

mit fs

Nach diesen Angaben kann man das Lager mit der Bezeichnung 6200.2Z (SKF)

= 1 bei normalem Betrieb und Anforderungen

an Laufruhe (Roloff/Matek 1987:474)

1

auswählen. Es ist ein Lager mit zwei Deckscheiben, Innendurchmesser d=10mm/

Außendurchmesser D=30mm, statische Tragzahl C0

= 26000 min

= 2,6kN, Höchstdrehzahl 1.

Der elektrische Antrieb gehört laut Vereinbarung nicht zum Aufgabenbereich

dieser Diplomarbeit, da die Auslegung des Elektromotors jedoch von der

mechanischen Konstruktion abhängig ist, müssen die erforderlichen Daten für die

Auswahl eines entsprechenden Motors bestimmt werden:

2. Elektrischer Antrieb

1 SKF Hauptkatalog 1994

Lastträghejtsmoment

Traversenlänge: 500 mm

20

Anhand dieser Daten ist man nun in der Lage einen Motor zu bestimmen, der die

nötigen Eigenschaften besitzt.

Um das Diagnosegerät in der Höhe an die Größe der Kinder anzupassen, ist eine

3. Höhenverstellung

vertikale Schlittenführung vorhanden. Dies ist eine wälzgelagerte

Schlittenführung ohne Spindel.

Damit die Höhe komfortabel und individuell angepaßt werden kann, ist ein

Ausgleichsgewicht vorhanden. Durch eine Seilumlenkung sind der Läufer und

das Gegengewicht miteinander gekoppelt. Weil das Gegengewicht sehr genau an

Diagramm:. Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel

Berechnung der Drehzahl und des Drehmomentes

22

das Lastgewicht durch Wiegung angepaßt ist, ist ein exaktes Positionieren der

Höhe möglich. Der Schlitten kann dann in dieser Position auch fixiert werden.

Dargestellt sind die Konstruktionszeichnung (Ausschnitt), und auf der folgenden

Seite ein Foto im realisierten Zustand.

23

24

Durch die selbsthemmende Fixierung der Ohrstifte, ist folgendes zu beachten:

Einerseits ist die Materialpaarung, d.h. das Material der Gleitbuchsen und das der

Parallelführung, auszuwählen und dementsprechend die Abmessungen der Lager

errechnet werden.

4. Kopfhalterung

25

Berechnung

Bedingung für sicheres Klemmen bei ruhender Kraft F1

b

:

k > ------- mit k = Abstand der Kraft F zur Achse, b = Länge der Buchse

und mit juH

In der Literatur findet man Werte für die Werkstoffpaarung Stahl-Messing,

trocken, im Bereich 0,17 bis 0,25

= Haftbeiwert (Rutschen in Längsrichtung)

2. Rechnet man mit dem mittleren Wert 0,2, dann

erhält man bei einer vorgegebenen Buchsenlänge von 30 mm den Hebelarm von

75 mm. Bei diesem Abstand der Kraft zur Achse, erreicht man ein sicheres

Klemmen. Die Buchsenlänge ist so zu wählen, daß keine unerlaubt hohe

Flächenpressung auftritt.

Die Bißschablone hat zwei Funktionen: Zunächst soll sie den Kopf des Patienten

5. Halterung der Bißschablone

ruhig stellen, dann dient sie dazu, daß das Gipsmodell des Patientengebißes

abgefilmt werden kann. Daraus ergeben sich die notwendigen konstruktiven

Merkmale: die Bißschablone muß sich in einem bestimmten Maße frei bewegen

können, damit sie individuell anzupassen ist. Dabei muß sie so befestigt sein, daß

die Halterung die Bilderfassung gar nicht, bzw. nur minimal behindert.

Die erarbeitete Lösung bietet diese Möglichkeiten, was aus der Abbildung 6 auf

der folgenden Seite zu entnehmen ist:

1

2 ebd.

Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Berlin Heidelberg New York Tokyo: Springer- Verlag, 1990

26

27

4.3 Kaufteile, Materialauswahl und Beschaffung

Nach der Fertigstellung und Abnahme der Konstruktion werden zuerst die

Kaufteile, die vorher schon ausgewählt und in die Konstruktion eingebunden

sind, bestellt. Denn hier müssen auch entsprechende Lieferzeiten berücksichtigt

werden, die im Durchschnitt bei ca. zwei Wochen liegen.

Kauf teile sind:

• Schlittenfülirung

• Traverse (AI-Profil)

• 3D-Gelenkarm

• Seilrollen

• (Motor und Steuerung)

Die Materialauswahl stellt sich einfach dar, denn mit den Anforderungen wie

leicht1, korrossions beständig2 und gut bearbeitbar3

Wenn Aluminium nicht als Werkstoff eingesetzt wird, dann sind es entweder

, fällt die Entscheidung für

Aluminium als Hauptmaterial sehr leicht. Das Diagnosegerät besteht zu ca. 95

Gewichtsprozent aus Aluminiumteilen.'

Messing oder Edelstahl, weil diese Metalle gegenüber Aluminium bessere

Gleiteigenschaften, Verschleißeigenschaften und Festigkeitswerte aufweisen.

Daher sind die Gleitbuchsen aus Messing und die Achsen der Parallelführung aus

Stahl.

In der Abbildung 7 kann man den Einsatz der verschiedenen Materialien

erkennen.

1 das Gesamtgewicht des Diagnosegerätes soll möglichst niedrig sein (unter 50 kg), damit es auch an „Fertigbauwänden" angebracht werden kann, denn Arztpraxen sind oft mit Fertigbauwänden ausgebaut 2 es soll möglichst ohne Oberflächenbehandlung korrossionsbeständig sein 3 z.B. gut zerspanbar - ohne Kühlung, ...

Aus Zeitgründen werden die Aluminiumteile zugeschnitten beschafft. Nach dem

Entgraten, kann direkt mit der Bearbeitung dieser Teile begonnen werden.

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5 Realisation des Prototyps

Nach der gründlichen Planung, die in den Kapiteln zuvor geschildert ist, kann

nun die Konstruktion realisiert werden.

In diesem Kapitel soll anhand einiger Beispiele, die Realisation des Prototyps

dargestellt werden.

Wie bereits erwähnt, ist der erste Schritt die Entgratung der zugeschnittenen AI-

Teile. Im Anschluß daran werden die Platten miteinander verbohrt und verstiftet.

Danach müssen die Platten zusammengebaut, also verstiftet und verschraubt

werden, damit die Lagerung des Schwenkarmes (Traverse) angebracht werden

kann.

Hierbei wird in einer Aufspannung die Motorzentrierung, zwei Lagersitze,

Durchgangslöcher sowie eine Nut für einen Sicherungsring ausgedreht1

Eine weitere Präzisionsarbeit ist die Fertigung der Gleitbuchsen aus Messing.

Diese Buchsen haben zwei Passungen: innen und außen. Der Außendurchmesser

muß in die Lagereinheit passen; es handelt sich hier um eine Übergangspassung.

Der Innendurchmesser hat eine leichte Spielpassung auf der Führungswelle.

Um die Reibung der Anordnung Messingbuchse/Stahl welle zu verringern,

werden die Innenbohrung der Messingbuchse und Außendurchmesser der

Stahlwelle poliert. Dies ist besonders wichtig, wenn man auf Genauigkeit während

der gesamten Lebensdauer Wert legt. Darüberhinaus verbessert diese Maßnahme

. Das ist

eine der Präzisionsarbeiten, denn alle Bohrungen müssen zueinander fluchten.

Darüberhinaus ist bei den Lagersitzen eine Genauigkeit von zweihundertstel

Millimeter einzuhalten. Da die Lagersitze im Aluminium sind, ist darauf zu

achten, daß die Preßpassungen nicht zu klein ausfallen, denn das Material (AI) ist

weicher als Stahl.

1 mit dem sog. Ausdrehkopf auf der Fräsmaschine

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auch erheblich das Gleitverhalten der Buchsen, sodaß es zu dem gewünschten

Effekt der definierten Selbsthemmung kommen kann.

Erwähnt sei an dieser Stelle auch die Abdeckung der Kopffixierung. An diese

Abdeckung werden besondere Forderungen gestellt: zunächst hat sie die

Funktionen „(Abdeckung als) Sichtschutz" und „(Abdeckung als) Berührschutz1" zu

erfüllen. Dann muß sie auch leicht sein und im Design ansprechend wirken. Alle

diese Forderungen lassen sich am besten mit Hilfe eines Integralelementes aus

Kunststoff erfüllen. Dazu ist eine Modellform anzufertigen, über die der

lichtaushärtende Kunststoff gelegt wird. In diesem Fall ist dies eine Form aus

Polystyrol2, da dieses Material besonders einfach zu verarbeiten ist. Denn die

obigen Anforderungen an die Abdeckung führen zu einer Form, die sehr viele

Radien beinhaltet, sogenannte Kofferecken, und auf herkömmliche Weise, z. B.

aus Metallblech, nur sehr schwer herstellbar wäre. Das fertige Element ist in der

folgenden Abbildung dargestellt.

1 um Verletzungen des Patienten am Kopf zu verhindern (durch Anstoßen) 2 Styropor®, BASF

6 Zusammenfassung und Diskussion

Die Abbildung 9 zeigt den fertigen Prototyp des Diagnosegerätes:

Unter der Prämisse einen Prototyp herzustellen, entstand hier ein Gerät, daß

zunächst den Stand der Entwicklung repräsentiert. Außerdem lassen sich mit

Hilfe dieses Gerätes Versuche durchführen, die primär für die Weiterentwicklung

des Verfahrens notwendig sind. Und sekundär kann aus diesen Ergebnissen das

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Diagnosegerät so perfektioniert werden, daß ein effektives Arbeiten mit diesem

Gerät erreicht wird.

Mit der Konstruktion dieses Prototyps sind die anfänglich gesetzten Ziele erreicht

worden.

Aus den oben genannten Gründen ist es jetzt noch nicht sinnvoll Einzelheiten der

Konstruktion zu diskutieren, denn dazu fehlen noch die notwendigen praktischen

Versuche.

An dieser Stelle sei jedoch auf ein Detail hingewiesen, nämlich auf die bestehende

Verletzungsgefahr durch die Traverse (Schwenkarm). Im Versuchsstadium ist das

Verletzungsrisiko zu vernachlässigen, es muß jedoch am serienreifen Produkt

ausgeschlossen sein.

Dies ist z. B. durch einen einfachen Schutzbügel oder durch eine Rundführung der

Kamera möglich.

Weiteren Entwicklungen steht demnach nichts im Wege.

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1. Mir ist bekannt, daß die Diplomarbeit als Prüfungsleistung in das Eigentum des

Landes Rheinland-Pfalz übergeht. Hiermit erkläre ich mein Einverständnis, daß

die Fachhochschule Trier den Studenten der Fachhochschule Trier zu dieser

Prüfungsleistung Einsicht gewähren, und daß sie die Abschlußarbeit unter

Nennung meines Namens als Urheber, veröffentlichen darf.

Erklärungen

2. Ich erkläre hiermit, daß ich diese Diplomarbeit selbständig verfaßt, noch nicht

anderweitig für andere Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die

angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt, sowie wörtliche und sinngemäße

Zitate als solche gekennzeichnet habe.

Trier, den 25. April 1996

Unterschrift

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Anhang

Anhang A: Quellenverzeichnis

Schmitt, Friedrich: Projektmappe, Trier, 1994

Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage, Berlin; Heidelberg; New

York; Tokyo: Springer Verlag, 1990

Koller, Rudolf: Konstruktionslehre für den Maschinenbau: Grundlagen des

methodischen Konstruierens, 2. Auflage, Berlin; Heidelberg; New York;

Tokyo: Springer Verlag, 1985

VDI 2222, VDI-Richtlinie: Konstruktionsmethodik: Konzipieren technischer

Produkte, Düsseldorf, 1977

Literatur:

Hirschfelder, Ursula: Dreidimensionale computertomtogrphische Analyse von

Kiefer-, Gesichts- und Schädelanomalien: die klinische Anwendung der CT

in der Kieferorthopädie, München; Wien: Hanser Verlag, 1992

Linden, Frans P. G. M. van der: Diagnose und Behandlungsplanung in der

Kieferorthopädie, Berlin; Chicago; London; Sao Paulo; Tokio: Quintessenz-

Verlag, 1988