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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                                  1

2 Ausgangssituation und Hintergrundinformationen                   5

                                                                   6
2.1 Nachteile des bestehenden Verfahrens
                                                                   7
2.2 Vorteile des neuen Verfahrens


3 Entwicklungsszenarien und Auswahl
3.1 Beschreibung des Untersuchungsvorgangs                         9
3.2 Beschreibung der möglichen Entwicklungsszenarien               10
3.3 Beschreibung des ausgewählten Systems                          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                                       29


6 Zusammenfassung und Diskussion                                   31


Erklärungen                                                        33


                                                                   34
Anhang
                                                                   34
Anhang A: Quellenverzeichnis
                                                                   35
Anhang B: Originalzeichnungen (separat)
IX
Abbildungsverzeichnis

    Konstruktionszeichnung: Seitenansicht Links          15
    Konstruktionszeichnung: Lagerung                     18
    Konstruktionszeichnung: Höhenverstellung             22
    Foto der Höhenverstellung                            23
    Konstruktionszeichnung: Einzelteil Kopfhalterung     24
    Konstruktionszeichnung: Halterung der Bißschablone   2b
    Foto des AI-Materials                                28
    Foto der Abdeckung                                   30
    Foto des realisierten Prototyps                      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 ist ein „erster Abdruckquot;, eine „erste
Ausführung einer Maschine nach den Entwürfen zur praktischen Erprobung und
Weiterentwicklungquot;,        oder anders        formuliert:     eine „erste betriebsfähige
Ausfertigung eines Geräts, ... der die Nullserie folgtquot;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 „ursprünglichquot;
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 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.


Aus     dieser    Unterlage     muß     das    für     die    Konstruktion     verbindliche    und
                    Pflichtenheft2
grundlegende                             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.


Auf den folgenden Seiten ist das Pflichtenheft wiedergegeben.




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


Pflichtenheft:


1. Entwicklungsgrund:

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

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 („Zahnspangequot;), ist eine umfangreiche
Diagnose der Kieferanomalie die Voraussetzung für die optimale Gestaltung
derselben.


2. Zweck des Produktes:

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

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


Pflichtenheft:


3. Forderungen:

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

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

c) Hygieneforderungen sind zu beachten.


4. Schnittstellen:

a) Anflanschmöglichkeit des ausgewählten Motors

b) Befestigungsmöglichkeit einer Videokamera

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

d) Befestigung des Gerätes an der Wand


5. Steuerung:

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


6. Sonstiges:

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

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.quot;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
                                                                                         Zukünftig1
Bundesgesundheitsministerium               eine    neue   Röntgenverordnung     plant.
sollen Röntgenaufnahmen nur noch in akuten Notfällen, bei Kieferbrüchen usw.,
möglich sein.
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.quot;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 Realisierung des Vorhabens auf die bisher übliche
Röntgenbelastung           zur         Herstellung         der        notwendigen           Aufnahmen            verzichtet
werden. Neben der enormen Strahlenbelastung, nicht nur für die Patienten,


 gemeint ist wahrscheinlich durch die Realisierung...
8

sondern auch für das Hilfspersonal, ist die Entsorgung der Entwicklungsbäder
nur    mit     einer     hohen      umweltrelevanten         Belastung      möglich.       Die   für   die
                                            Röntgenbilder1
Kieferorthopädie        notwendigen                               können       bei     flächendeckendem
Einsatz des neuen Systems völlig entfallen.


Hinweis:
In der Bundesrepublik Deutschland werden ca. eine Million Fernröntgenbilder2
nur für die kieferorthopädische Behandlung gemacht.quot;3


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.4




Mit diesem Hintergrundwissen und der daraus resultierenden Motivation, kann
jetzt mit der Erarbeitung von Lösungen für das aufgezeigte Problem, begonnen
werden.




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 „Verriegelungquot; 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
  „eingefrorenquot;    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 Gebissesquot;
  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:


1. Modul: Wandhalterung mit Höhenverstellung


• Schlittenführung mit Elektromotor und Spindel


• 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   „Untermodulequot;   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. Untermodul: Fixier-Mechanismus


• Zahnrad und Zahnstangen
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. Untermodul: Lagerung und Feststellung


• Kugelumlauflager und Feststellschraube
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.




3. Modul: Schwenkeinrichtung inkl. Kamerabefestigung


• Kamera an einer Rundführung
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        geführt,      deren          Feststellungsart   auf   dem
   Selbsthemmungsprinzip beruhen.
   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 sind auszuführen:


• Lagerung der Traverse
• Elektrischer Antrieb
• Höhenverstellung
• Kopfhalterung
• Halterung der Bißschablone


1. Lagerung der Traverse
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 „unerlaubtenquot;
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:


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.quot; (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 f s = 1 bei normalem Betrieb und Anforderungen
                                 an Laufruhe (Roloff/Matek 1987:474)


Nach diesen Angaben kann man das Lager mit der Bezeichnung 6200.2Z (SKF)1
auswählen. Es ist ein Lager mit zwei Deckscheiben, Innendurchmesser d=10mm /
Außendurchmesser D=30mm, statische Tragzahl C 0 = 2,6kN, Höchstdrehzahl

    = 26000 min1.




2. Elektrischer Antrieb
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:




1
    SKF Hauptkatalog 1994
20
Lastträghejtsmoment


Traversenlänge: 500 mm
Diagramm:. Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel




Berechnung der Drehzahl und des Drehmomentes




Anhand dieser Daten ist man nun in der Lage einen Motor zu bestimmen, der die
nötigen Eigenschaften besitzt.


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

4. Kopfhalterung
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.
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 ju H = Haftbeiwert (Rutschen in Längsrichtung)


In der Literatur findet man Werte für die Werkstoffpaarung Stahl-Messing,
trocken, im Bereich 0,17 bis 0,252. 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.




5. Halterung der Bißschablone
Die Bißschablone hat zwei Funktionen: Zunächst soll sie den Kopf des Patienten
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
  Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Berlin Heidelberg New York Tokyo: Springer-
Verlag, 1990
2 ebd.
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, fällt die Entscheidung für
Aluminium als Hauptmaterial sehr leicht. Das Diagnosegerät besteht zu ca. 95
Gewichtsprozent aus Aluminiumteilen.'


Wenn Aluminium nicht als Werkstoff eingesetzt wird, dann sind es entweder
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 „Fertigbauwändenquot; 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, ...
28




Aus Zeitgründen werden die Aluminiumteile zugeschnitten beschafft. Nach dem
Entgraten, kann direkt mit der Bearbeitung dieser Teile begonnen werden.
29


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. 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.


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


1
    mit dem sog. Ausdrehkopf auf der Fräsmaschine
30

    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) Sichtschutzquot; und „(Abdeckung als) Berührschutz1quot; 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
31




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
32

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.
33


                                Erklärungen



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.




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
34


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

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Diplomarbeit Diagnose Prototyp

  • 1. Diplomarbeit zur Erlangung des Grades eines Diplom-Ingenieurs (FH) Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps von cand. Dipl.-Ing. (FH) Elmar Meurer Trier, 1996
  • 2. Diplomarbeit: Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps
  • 3.
  • 4. 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
  • 5. IV
  • 6. 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
  • 7. 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
  • 8. VII
  • 9. VIII Inhaltsverzeichnis 1 Zielsetzung dieser Diplomarbeit 1 2 Ausgangssituation und Hintergrundinformationen 5 6 2.1 Nachteile des bestehenden Verfahrens 7 2.2 Vorteile des neuen Verfahrens 3 Entwicklungsszenarien und Auswahl 3.1 Beschreibung des Untersuchungsvorgangs 9 3.2 Beschreibung der möglichen Entwicklungsszenarien 10 3.3 Beschreibung des ausgewählten Systems 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 29 6 Zusammenfassung und Diskussion 31 Erklärungen 33 34 Anhang 34 Anhang A: Quellenverzeichnis 35 Anhang B: Originalzeichnungen (separat)
  • 10. IX
  • 11. Abbildungsverzeichnis Konstruktionszeichnung: Seitenansicht Links 15 Konstruktionszeichnung: Lagerung 18 Konstruktionszeichnung: Höhenverstellung 22 Foto der Höhenverstellung 23 Konstruktionszeichnung: Einzelteil Kopfhalterung 24 Konstruktionszeichnung: Halterung der Bißschablone 2b Foto des AI-Materials 28 Foto der Abdeckung 30 Foto des realisierten Prototyps 31
  • 12. XI
  • 13. 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 ist ein „erster Abdruckquot;, eine „erste Ausführung einer Maschine nach den Entwürfen zur praktischen Erprobung und Weiterentwicklungquot;, oder anders formuliert: eine „erste betriebsfähige Ausfertigung eines Geräts, ... der die Nullserie folgtquot;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 „ursprünglichquot; 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
  • 14. 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 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. Aus dieser Unterlage muß das für die Konstruktion verbindliche und Pflichtenheft2 grundlegende 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. Auf den folgenden Seiten ist das Pflichtenheft wiedergegeben. 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.
  • 15. 3 FuE-Vorhaben: Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps Labor für Kieferorthopädie F. Schmitt / cand. Dipl.-Ing.(FH) Elmar Meurer Seite 1/2 Pflichtenheft: 1. Entwicklungsgrund: Das Diagnosegerät zur optischen Vermessung des Schädels und Gesichts, wird aus folgenden Gründen entwickelt: 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 („Zahnspangequot;), ist eine umfangreiche Diagnose der Kieferanomalie die Voraussetzung für die optimale Gestaltung derselben. 2. Zweck des Produktes: Das Diagnosegerät zur optischen Vermessung des Schädels und Gesichts, soll folgenden Zweck erfüllen: 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.
  • 16. 4 FuE-Vorhaben: Konstruktion und Herstellung eines Diagnosegerät-Prototyps Labor für Kieferorthopädie F. Schmitt / cand. Dipl.-Ing.(FH) Elmar Meurer Seite 2/2 Pflichtenheft: 3. Forderungen: a) Die Ausführung soll im Gewicht unter 50 kg liegen. b) Das Erscheinungsbild soll zu einer Zahnarzt-Praxis harmonieren. c) Hygieneforderungen sind zu beachten. 4. Schnittstellen: a) Anflanschmöglichkeit des ausgewählten Motors b) Befestigungsmöglichkeit einer Videokamera c) Fixiereinrichtung passend für ein ca. 10-jähriges Kind d) Befestigung des Gerätes an der Wand 5. Steuerung: Die Steuerung des Schwenkens der Kamera, sowie die Bildübertragung erfolgt durch einen Personal Computer. 6. Sonstiges: a) Der Höhenverfahrweg (vertikal) betrage ca. 500 mm. 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.
  • 17. 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.quot;1 1 Projektmappe Seite 5f. und lOf.
  • 18. 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 Zukünftig1 Bundesgesundheitsministerium eine neue Röntgenverordnung plant. sollen Röntgenaufnahmen nur noch in akuten Notfällen, bei Kieferbrüchen usw., möglich sein. 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.quot;2 1 gemeint ist wahrscheinlich künftig oder in Zukunft 2 Projektmappe Seite 5f.
  • 19. 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 Realisierung des Vorhabens auf die bisher übliche Röntgenbelastung zur Herstellung der notwendigen Aufnahmen verzichtet werden. Neben der enormen Strahlenbelastung, nicht nur für die Patienten, gemeint ist wahrscheinlich durch die Realisierung...
  • 20. 8 sondern auch für das Hilfspersonal, ist die Entsorgung der Entwicklungsbäder nur mit einer hohen umweltrelevanten Belastung möglich. Die für die Röntgenbilder1 Kieferorthopädie notwendigen können bei flächendeckendem Einsatz des neuen Systems völlig entfallen. Hinweis: In der Bundesrepublik Deutschland werden ca. eine Million Fernröntgenbilder2 nur für die kieferorthopädische Behandlung gemacht.quot;3 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.4 Mit diesem Hintergrundwissen und der daraus resultierenden Motivation, kann jetzt mit der Erarbeitung von Lösungen für das aufgezeigte Problem, begonnen werden. 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
  • 21. 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 „Verriegelungquot; 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 „eingefrorenquot; und von einem Bildverarbeitungs-Programm des Personal Computers verarbeitet.
  • 22. 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 Gebissesquot; 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
  • 23. 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: 1. Modul: Wandhalterung mit Höhenverstellung • Schlittenführung mit Elektromotor und Spindel • 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.
  • 24. 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 „Untermodulequot; 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. Untermodul: Fixier-Mechanismus • Zahnrad und Zahnstangen 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. Untermodul: Lagerung und Feststellung • Kugelumlauflager und Feststellschraube 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.
  • 25. 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. 3. Modul: Schwenkeinrichtung inkl. Kamerabefestigung • Kamera an einer Rundführung 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.
  • 26. 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 geführt, deren Feststellungsart auf dem Selbsthemmungsprinzip beruhen. 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
  • 27. 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.
  • 28. 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.
  • 29. 17 4.2 Konstruktionsarbeiten, statische und dynamische Berechnungen Folgende Konstruktionen1 sind auszuführen: • Lagerung der Traverse • Elektrischer Antrieb • Höhenverstellung • Kopfhalterung • Halterung der Bißschablone 1. Lagerung der Traverse 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 „unerlaubtenquot; 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: 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.quot; (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
  • 30. 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.
  • 31. 19 Berechnung nach der erforderlichen statischen Tragzahl: mit f s = 1 bei normalem Betrieb und Anforderungen an Laufruhe (Roloff/Matek 1987:474) Nach diesen Angaben kann man das Lager mit der Bezeichnung 6200.2Z (SKF)1 auswählen. Es ist ein Lager mit zwei Deckscheiben, Innendurchmesser d=10mm / Außendurchmesser D=30mm, statische Tragzahl C 0 = 2,6kN, Höchstdrehzahl = 26000 min1. 2. Elektrischer Antrieb 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: 1 SKF Hauptkatalog 1994
  • 33. Diagramm:. Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel Berechnung der Drehzahl und des Drehmomentes Anhand dieser Daten ist man nun in der Lage einen Motor zu bestimmen, der die nötigen Eigenschaften besitzt. 3. Höhenverstellung Um das Diagnosegerät in der Höhe an die Größe der Kinder anzupassen, ist eine 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
  • 34. 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.
  • 35. 23
  • 36. 24 4. Kopfhalterung 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.
  • 37. 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 ju H = Haftbeiwert (Rutschen in Längsrichtung) In der Literatur findet man Werte für die Werkstoffpaarung Stahl-Messing, trocken, im Bereich 0,17 bis 0,252. 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. 5. Halterung der Bißschablone Die Bißschablone hat zwei Funktionen: Zunächst soll sie den Kopf des Patienten 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 Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, Berlin Heidelberg New York Tokyo: Springer- Verlag, 1990 2 ebd.
  • 38. 26
  • 39. 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, fällt die Entscheidung für Aluminium als Hauptmaterial sehr leicht. Das Diagnosegerät besteht zu ca. 95 Gewichtsprozent aus Aluminiumteilen.' Wenn Aluminium nicht als Werkstoff eingesetzt wird, dann sind es entweder 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 „Fertigbauwändenquot; 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, ...
  • 40. 28 Aus Zeitgründen werden die Aluminiumteile zugeschnitten beschafft. Nach dem Entgraten, kann direkt mit der Bearbeitung dieser Teile begonnen werden.
  • 41. 29 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. 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. 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 1 mit dem sog. Ausdrehkopf auf der Fräsmaschine
  • 42. 30 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) Sichtschutzquot; und „(Abdeckung als) Berührschutz1quot; 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
  • 43. 31 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
  • 44. 32 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.
  • 45. 33 Erklärungen 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. 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
  • 46. 34 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