Fertigungstechnik für medizintechnische Produkte - · PDF fileFertigungstechnik ist die Lehre von der wirtschaftlichen Herstellung eines Produktes aus gegebenen Ausgangsmaterialien

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© WZL/Fraunhofer IPT

Fertigungstechnik für medizintechnische Produkte

Prof. Dr.-Ing. F. Klocke

Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie

Seite 1© WZL/Fraunhofer IPT

Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung

Prothesen/Implantate

Lagentechnologien – customised products

Energiestrahltechnologien (ohne Laser)

Werkzeuge und Systeme

Prozesskette (Brillenfertigung)

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Was ist Produktionstechnik?

Produktionstechnik befasst sich mit der industriellen Herstellung von Produkten

Markt Entwicklung undKonstruktion

Fertigung Montage Produkt

Produktion

488 nm laser

+-

Fluorescence Activated Cell Sorting

Charged Plates

Single cells sortedinto test tubes

FALS Sensor

Fluorescence detector

Purdue University Cytometry Laboratories


Gestalt

Werkstoffe Prozesse

ProduktFunktionalitätKosten/PreisVerfügbarkeit

3


Produktionstechnik/Fertigungstechnik

Fertigungstechnik ist die Lehre von der wirtschaftlichen Herstellung eines Produktes aus gegebenen Ausgangsmaterialien nach vorgegebenen Maßen, unter Einhaltung bestimmter Toleranzen.

Fertigungsverfahren

Produktionsmaschinen

Produktionsmanagement

Qualitätsmanagement

Fertigungsmesstechnik

Fabriken


Kennzeichen der Fertigungstechnik für medizinische Produkte

Werkstoff/Materialien– biokompatibel

– Metalle

– Anorganische Werkstoffe

– Organische Werkstoffe

Zuverlässigkeit im Funktionsverhalten

Ausfallwahrscheinlichkeit– Produkte

– Prozesse

Werkzeuge

Maschinen

Wirtschaftlichkeit, Kosten/Preis, Verfügbarkeit

4


Medizintechnik - Produktionstechnik

Prothesen Werkzeuge Medizinische Hilfsmittel Geräte

488 nm laser

+-


Charged Plates


FALS Sensor



1 mm


Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung






5


Ziel der Vorlesung

Interdisziplinarität zwischen Medizin/Gesundheit und Produktionstechnik aufzeigen

Gemeinsamkeiten und Besonderheiten in der Fertigung von medizinischen und maschinenbaulichen Produkten an Beispielen herausarbeiten

Alternative Wertschöpfungsketten an einem ausgewählten Produktbeispiel diskutieren (Brille)


Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung






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Beispiele


– Hüftgelenkprothesen

– Hüftgelenkkugeln

– Osteosyntheseplatten

– Knochenanbindung


Hüftgelenkprothesen

Quelle: Praxisklinik Freiburg

Quelle: Krankenhaus Bobingen

Quelle: Ruhruni Bochum

Quelle: Sulzer

GestaltGeometrienOberflächengüteStrukturen

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Herstellung von Hüftgelenkprothesen

Schmieden

Optimierter Schmiedegrat

KostenMaterialeinsatzÖkologie


KennzeichenErwärmung oberhalb der Rekristallisationstemperatur

Schmiedegesenk: hohe Temperaturbeständigkeit

Hohe Verschleißbeständigkeit

Hohe dynamische Festigkeit

Warmarbeitsstähle

Spanende Nachbearbeitung der Aufnahmeflächen für die Hüftgelenkkugeln

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Beispiele







Hüftgelenkkugeln aus Hochleistungskeramiken

hohe Korrosionsbeständigkeit im Körpermilieu bei gleichzeitig guter Körperverträglichkeit

gute Oberflächenqualität und hohe Festigkeit, hoher E-Modul

hohe Härte und sehr gute Benetzbarkeit

hoher Verschleißwiderstand

Sprödigkeit, geringe Risszähigkeit

elektrischer IsolatorQuelle: Ceramtec (Biolox Forte)

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Linearer Abrieb verschiedener Gleitpaarungen in vivo:

Keramik – Keramik hat im Vergleich zu allen anderen Gleitpaarungen den geringsten Abrieb

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Met

all-K

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stof

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Ker

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Met

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l

Kera

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Line

arer

Abr

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/ Jah

r [m

m/a

]

Quelle: Garino J, Willmann G.


Prozesskette zur Herstellung von Kugelköpfen – Höchste Anforderungen an die Fertigungstechnik (Bsp. Hartbearbeitung)

Pulverauf-bereitung Pressen Grünbear-

beitung Sintern Hartbear-beitung Waschen Qualitäts-

prüfung

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HartbearbeitungMotivation für die Hartbearbeitung

Hohe Formgenauigkeit (<5 µm) an der Gleitfläche und am Innenkonus

Geringe Oberflächenrauheit ( Ra<10 nm) und absolute Defektfreiheit auf der Gleitfläche

Fertigungsverfahren

Mehrstufiges Kugelschleifen der Gleitfläche und Innenschleifen des Spannkonus

Polieren der Gleitfläche mit Diamantsuspension

Herausforderung

Höchste Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung (Schadensfallproblematik)

Schleifen

Schleifen & Polieren


Schleifen

Quelle: Saint-Gobain Abrasives

Quelle: Saint-Gobain Diamantwerkzeuge

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Schleifen von Aluminiumoxidkeramik mit Diamantwerkzeugen

Synthetischer Diamant

Kunstharz-, Keramik- und Metallbindungen (galv. Bindungen)

Korngrößen D181 (Vorschleifen)

Fertig- und Feinbearbeitung: D46, D35, D15, D7

Diamantkonzentrationen: C50 (2,2 carat/cm3)

Polieren mit Diamantsuspension, Korngrößen kleiner D3

Schnittgeschwindigkeiten: 20 bis 35 m/s

Duktiles Schleifen bei der Endbearbeitung (Vermeiden von Oberflächenrissen)


Beispiele






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Osteosyntheseplatten, standardisiert, Stückzahl

Metall: Formbarkeit Resorbierbarkeit

Kunststoff: Beanspruchbarkeit Resorbierbarkeit

Keramik: Beanspruchbarkeit Resorbierbarkeit

Schneiden; Feinschneiden


Schnittfläche kann beim Feinscheiden als Funktionsfläche dienen

Feinschneiden

Scherschneiden

FeinschneidenFeinschneiden

ScherschneidenScherschneiden

Gegenüberstellung Scherschneiden – Feinschneiden

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Prozessablauf Feinschneiden

Einklemmen

Auswerfen

Schneiden

BlechPressplatte mit Ringzacke

Schneidstempel

Blech

GegenstempelSchneidplatte (Matrize)


Matrize

StempelFS

τ

τσσ

τ

τσσ

τ

τσσ

Plastomechanische Gegenüberstellung

Schub- und Zugspannungenführen zur Rissbildung

Matrize

Stempel

FS

tts s

Gegen-stempelFG

Ring-zacke FR

ss

ss

ss

s

s

s

s

FeinschneidenFeinschneidenScherschneidenScherschneiden

1 KraftSchneidspalt uS = 5 % der Blechdicke

3 KräfteSchneidspalt uS = 0,5 % der Blechdicke

Drucküberlagerung unterbindet Rissbildung und Durchbiegung

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Feinschneidwerkzeug


Osteosyntheseplatten

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Feinschneiden

Gratfreie Schnitte

Keine oder nur sehr geringe Bruchanteile in der Schnittfläche

Mehrfachwirkende Pressen notwendig

Werkzeugbau ist aufwendig


Beispiele






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Bedingungen für eine stabile Implantatfixierung

Primärstabilität– Straffe mechanische Verankerung des Implantats im

Knochenfach– Verlust der Primärstabilität etwa 9 Monate nach der

Operation

Sekundärstabilität– Langfristige Stabilität des Knochens durch

Knochenintegration

engineering.cua.edu

Hip Clinic


Typen der Implantatintegration

Knocheneinwuchs– Poröse Oberfläche

– Porengröße 100 – 400 µm

– Porenvolumen 30 – 50 %

Knochenanwuchs– Ra > 3 – 15 µm

Bioaktive Integration– Chemischer Verbund zwischen bioaktivem Gewebe und

Implantatoberfläche

Sulzer

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Oberflächenerzeugung

Aufrauen der Oberflächen durch Korundstrahlen

Strukturierung der Oberfläche durch Laserstrahl

Aufbringen einer Titanbeschichtung mittels Plasmastrahl

Diffusionsschweißen

Hydroxylapatitbeschichtung


Korundstrahlen

Aufrauen der Oberflächen

Oberflächenverfestigung und Einbringen von Druckeigenspannungen in die Bauteilrandschicht

Steigerung der Dauerwechselfestigkeit

Ermöglichung von mikromechanischer Verankerung zwischen Implantat und Knochen

Quelle: Sulzer

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LaserstrukturierenStrukturierung entsprechend den Erfordernissen der Bauteilgeometrie

Ermöglichung von Knocheneinwuchs

EZM Würzburg

EZM Würzburg


Titan-Plasmaspritzen

Quelle: Putzier

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Titan-PlasmaspritzenAufbringen einer Titanbeschichtung mittels Plasmastrahl

Erzeugung einer rauen, porösen Oberfläche

Porösität > 50 %

Ermöglichung von Knocheneinwuchs

0,5 mmMathys Medizinaltechnik

100 µmEZM Würzburg

Uni Hamburg

Intraplant


Diffusionsschweißen

Frisch

Sulzer

20


DiffusionsschweißenAnbindung von Ti- Kugeln

Anbindung von regellosen Ti- Drahtstrukturen

Anbindung von Ti- Maschendrahtstrukturen

Ermöglichung von Knochenan- und einwuchs

Sulzer

Quelle: Sulzer


Mikrostrukturierung durch EDM

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Erzeugung einer rauen Oberfläche

Aktive Wechselwirkung zwischen Implantat und Gewebe

Peptid-Verbund zwischen Aminosäuren und Hydroxylgruppen des Metalls

Hydroxylierung von Oxiden der Übergangsmetalle wie Ti, Mn, Fe, Mo, Cr

Intraplant

Sulzer

Sulzer

22


Hydrophobe und hydrophile Oberflächen

Hydrophil Hydrophob


Fazit

Anwachsverhalten und Oberflächenstruktur stehen in enger Wechselwirkung

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Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung







Lagentechnologien Individualisierte Produkte – customised products

Rapid Product Manufacturing

Rapid Product Repair and Maintenance

Rapid Tooling

Rapid Prototyping

allen Verfahren ist eines gemeinsam: lagenweises Aufbauen (Generieren) des Produktes

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Konventionelle Herstellung von keramischen Dentalkomponenten

Datenerfassung Datenverarbeitung Datenumsetzung

Abguss

3D-Digitalisierung CAD/CAM FertigungDental-komponente

• Laserscan• Bildverarbeitung

• Rekonstruieren• Modellieren• Fertigungsstrategie

• MehrachsigeSchleifbearbeitungR

ohda

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Pun

ktew

olke

NC

-Pro

gram

m

End

kont

ur

Konventionelle Herstellung über CAD/CAM-Bearbeitung

hohe Härte, gute Oberflächenqualität und hohe Festigkeit

aufwendige Fräs- bzw. Schleifbearbeitung jeder einzelnen Prothese

Material: Aluminiumoxid und Zirkonoxid


Generative Herstellung von keramischen Dentalkomponenten

Generative Herstellung mittel Lasersinterverfahren

parallele Fertigung vieler Prothesen in einem Form- und Werkzeuglosen Prozess

eventuell Nachbearbeitungsschritte wie Infiltration, Nachsintern o. ä. notwendig

Material: Aluminiumoxid und Zirkonoxid

Datenerfassung Datenverarbeitung Fertigung

Abguss

3D-Digitalisierung CAD/SLICEN LasersinternDental-komponente

• Laserscan• Bildverarbeitung

• Rekonstruieren• Modellieren• Slicen

• Werkzeug-& Formlos• Generativ• Parallele Fertigung

Roh

date

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NC

-Pro

gram

m

End

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25


Kundenindividuelle Herstellung von Hörgeräten

Scannen 3D-PrintenSelektives Lasersintern

Stereolithographie

Modellieren

Silikonabdruck

Montage der Elektronik

Quelle: PHONAK


Rapid Manufacturing zur flexiblen Produktion von Hörgeräten

Weltweit erfordert der Hörgerätemarkt ca. 6,6 Mio. Geräte jährlich, Tendenz steigend

Eingesetzte, wettbewerbsfähige Fertigungsverfahren: - Selektives Lasersintern- Stereolithographie- 3D-printing

Potenzial: 100% digitale Produktion- Scannen des Ohres beim Audiologen- Datentransfer und -verarbeitung sowie Fertigung der Gehäuse- Möglichkeit der direkten Integration weiterer Funktionalitäten

(Gehäuse und Elektronik in einem Prozessschritt)

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Verfahrensüberblick: Selektives Lasersintern (SLS, DMLS) I/IIVerfahrensprinzip

– Schichtweises lokales Verschmel-zen von Pulverpartikeln mittels Laserstrahlung

– Direkt: die Pulverpartikel ver-schmelzen direkt untereinander

– Indirekt: das Pulver ist mit einem thermoplastischen Binder gecoated, der die Partikel bindet

Charakteristika– Hohe Bauteilkomplexität– Grosse Materialvielfalt– Ggf. Ausbrennen des Binders

bzw. Infiltration notwendig– Relativ hohe Porosität und

Oberflächenrauheit– Keine Supportstrukur nötig

Verfahrensprinzip SLS Kunststoff: Computermaus

SLS Gießsand: Kern für Sandguss (EOSINT-S Anlage, EOS GmbH)

SLS Metall: Spritzgießeinsatz


Verfahrensüberblick: Selektives Lasersintern (SLS, DMLS) II/IIMaterialien

– Wachs– Thermoplaste– Metall– Gießsand– Keramik

Max. Bauteilgröße & Genauigkeit

– Bauteilgr.: 250x250x150 bis 720x500x450 mm³

– Genauigkeit: +/-0,1 mm

Anlagenkosten– 275 000 - 850 000 US$

SLS: Prozessaufnahmen und Animation (Auszug aus Filmmaterial der Fa. EOS GmbH über EOSINT-M und -S Anlagen)

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Lagentechnologienschichtweiser Aufbau von Bauteilen, Bauteile wachsen

große Geometrieflexibilität

Metalle, Keramiken und Kunststoffe verarbeitbar

Bei Sinterverfahren ist die porenfreie Herstellung von Bauteilen eine große Herausforderung

Bei Schmelzverfahren (Laser Melting) ist die Genauigkeit die größte Herausforderung, außerdem dürfen keine Risse im Bauteil vorhanden sein

Lagentechnologien werden eingesetzt zur Herstellung von– Prototypen– Replikationswerkzeugen– Bauteilen und– zur Bauteilreperatur


Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung






28


Wasserstrahlschneiden von Biomaterialien des Gewebeapparates

WAIS-Kopf für Schnittversuche an Knochen und Knochenzement

DWS-Schnitt einer Leber DWS-Schnitt einer Niere

Quelle: Habilitationsschrift Dr. med. M. Honl


Wasserstrahlschneiden

Quelle: Waterjet

29


Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung







Struktur


– Blutpumpe, Rotorfertigung

– Arterienöffnung

– Schrauben, Sägen

– Operationsnadel

– Flow Cytometer

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Intrakardiales Pumpsystem

3.55 x 7.7 mm²Material: PEEK

Ersatz von Herz-Lungen-Maschine durch intrakorporale Zirkulation

Kein chirurgischer Eingriff

Platzierung im Herzen über die Beinarterie vor Ort

Postoperative Herzunterstützung bis 7 Tage

Außendurchmesser der Pumpe 4 bis 6,4 mm

Pumpleistung bis zu 4,5 l/min

Intrakardiales Pumpensystem zur patientenschonenden und wirtschaftlichen Behandlung von akuten Herzerkrankungen



3.55 x 7.7 mm²Material: PEEK

Quelle: Impella CardioSystems AG

3 mm

Das Herz saugt venöses Blut aus dem Körper

Rechte Herzkammer

Linke Herzkammer

Körperzirkulation

Linke ventrikulärPumpe

Blut mit geringem Sauerstoffgehalt wird

von der rechten Herzkammer zu den

Lungen, wo es mit Sauerstoff

angereichert wird, und wird dann in die linke

Herzkammer gesaugt.

Arterisches Blut wird von der linken Herzkammer in den Körper gepumpt

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Gehäuse (1) Elektromotor (2) Welle (3) Rotor (4) Festkörperdichtung (5) Kanüle (6) Einlaufkorb (7) Ansaugschlauch (8) Austrittsöffnungen (9)


Veränderungen in der Rotorproduktion

Fräsen des Rotors, 5 Achs-Fräsen

Spritzgußtechnik(Formeneinsatz

durch EDM hergestellt)

Spritzgußtechnik(Formeneinsatz

durch 5-Achs-Fräsen)

32


Funktionsweise des intrakardialen Pumpsystems


Platzierung der Blutpumpe

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Katheter mit Mikropumpe

Rota

blad

.ds4

Biegsamer SchaftMikropumpeDichtungZylinderanschlussFührungsdrahtAuslassanschlussDilatationsballon

∅2,

5 m

m

Funktionsprinzip


Mikroerodierte Pumpenkomponenten

500 µm

Pumpendurchmesser 2,5 mm

Material Wolframkarbid

Toleranz +1,5 µm

Drahtdurchmesser 100 µm

Oberflächenrauheit Ra = 0,15 - 0,2 µm

Rotationsgeschwindigkeit nmax=72000 min-1

Pumpenleistung 0,12 l / min

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Funkenerosives Drahtschneiden

Quelle: CFK Erodierzentrum


Herstellen von komplexen dreidimensionalen Bauteilen

3- bzw. 5 Achsen Fräsen (praktisch keine Materialbeschränkung)

Durch Funkenerosion (zu bearbeitendes Material muss elektrisch leitend sein)

Durch Replikation in Replikationswerkzeugen– Herstellen der Werkzeuge durch Funkenerosion und oder 3-

bzw. 5-Achsenfräsen

35


Struktur




– Schrauben, Sägen

– Operationsnadel

– Flow Cytometer


Variabler Katheterkopf

Technische Daten

Durchmesser: 1,75 mm - 3,4 mmLänge: 4,55 mmGeschwindigkeit: bis zu 190.000 U/minMaterial: Titan, Edelstahl, Urethankautschuk

Gefräster Körper(grün)

Vergrößerungs-keilGelenk

Rückstell-feder

Führungsdraht

Innerer und äußerer Schaft

Zusammengepresster Katheterkopf Ausgedehnter Katheterkopf

1 mm

36


Gefräster KörperDrehen und erodieren

VergrößerungskeilDrehen, bohren und erodieren

Gelenkfräsen und bohren

Herstellung

1) Drehen

Ø 0.8

0.7

2) Erodieren

4.55Ø

1.75


Struktur




– Schrauben, Nägel, Sägen

– Operationsnadel

– Flow Cytometer

37


Sägen, Knochen und Hartgewebe


Gamma-Verriegelungsnagel

38


Lochschrauben

Quelle: Uni Erlangen


Struktur





– Operationsnadel

– Flow Cytometer

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Mikroinvasive Punktionsnadel für die MR-Tomographie

Kohlenstofffaser-verstärkterGrundkörper

HohleGlasfasern

Coating(Kunststoff, Keramik)

Schneide

500 µm

Quelle: Institut für MikroTherapie

MRT der Wirbelsäule

- Artefaktfreie Abbildung von Operationsinstrumenten sowie der Operationsumgebung

- Integration einer umfangreichen Multifunktionalität zur Erweiterung des potenziellen Einsatzspektrums

Ergänzung und Unterstützung konventioneller chirurgischer Verfahren durch bildgesteuerte

mikroinvasive Techniken


Dreilumige Punktionsnadel

Dreilumige CFK-Punktionsnadel

Außendurchmesser: 1,2 mm (12 G)

Innendurchmesser: 232 µm, 312 µm, 632 µm

Anschlüsse: Luer-Lock

Parallele Funktionen:Laserintervention, Medikation und Endoskopie

40


Struktur





– Operationsnadel

– Flow Cytometer (Innovation)


Massively Parallel Cell Capture and Sort (MPCAS): Eine Alternative zur konventionellen Durchflusscytometry

488 nm laser

+-


Charged Plates


FALS Sensor



Fraunhofer CMI, Boston

Teuer ($ 250.000)

Mechanisch komplex

Erfordert erfahrene Techniker

Schwierig

Anfällig für Fehler

Schnelle individuelle Zellsicherung

Schnelle Zellseparation

Wegweiser für weitere biologische Prozesse

Geringe Kosten, Portabilität

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Innovatives ProduktMikrotechnologie

MEMS, Mikro-Elektro-Mechanisches-System

Sensoren

hybride TechnologienDiamantschneiden, Galvanisieren, Ätzen

Extrem geringe Toleranzen

Submikrometerdimensionen


Struktur

Einleitung

Ziel der Vorlesung






42


Optische SehhilfenZunehmender Einsatz von Freiformflächen in Serienprodukten

– Brillengläser– Kontaktlinsen– Glaspressformen

Trend zu individuellen Brillengläsern mit sehr geringen Losgrößen bei gleichzeitig hohen Taktzeiten kleiner 60 Sekunden

Spezifikation von Brillengläsern– Genauigkeit von 1 µm über die gesamte

Freiformfläche– Oberflächenrauheiten materialabhängig

zwischen 10 nm und 200 nm– Maximaler nichtrotationssymmetrischer Anteil

der Freiformflächen beträgt 12 mm– Durchsatz größer 80 Stück/h

Brillenglas, Kontaktlinse und GlaspressformQuelle: SatisLoh, Philips, Fraunhofer IPT


Optische Grundlagen: Fehlsichtigkeiten des Auges - Myopie

myopes Auge

myopes Auge mitkorrigierendem Minusglas

Der Brennpunkt der fernakkomodiertenAugenlinse liegt im Inneren des Auges vor der Netzhaut

Die Sehschärfe ist für die Ferne reduziert

Der zu hohe Brechwert der Augenlinse muss durch ein sog. Minusglas ergänzt werden

Der Brennpunkt des Systems Brillenglas / Augeliegt auf der Netzhaut

Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange

43


Optische Grundlagen: Fehlsichtigkeiten des Auges - Hyperopie

hyperopes Auge

hyperopes Auge mitkorrigierendem Plusglas

Der Brennpunkt der fernakkomodiertenAugenlinse liegt hinter der Netzhaut

Die Sehschärfe für ferne Objekte ist nicht unbedingt reduziert

die notwendige Akkomodation bedeutet jedoch eine permanente Anstrengung des Auges

Der zu geringe Brechwert der Augenlinse kanndurch ein sog. Plusglas ergänzt werden

Der Brennpunkt des Systems Brillenglas / Augeliegt auf der Netzhaut



Optische Grundlagen: Werkstoff und Geometrie bilden die optischeFunktion

optische Funktion eines Brillenglases ist abhängig von:

dem Werkstoff und der Geometrie des optischen Systems:

- Geometrie der Brillenglasvorderfläche- Geometrie der Brillenglasrückfläche- Ausrichtung des Brillenglases

die Brechzahl n:Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum zur Ausbreitungs-geschwindigkeit des Lichts im Brillenglas

Prof. Ernst Abbe1840 - 1905

Ausbreitungsgeschwindigkeitdes Lichts im Vakuum

Ausbreitungsgeschwindigkeitdes Lichts in Glas

=n =CVakuum

CGlas

Quelle: Doktorvortrag S. Lange

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Flächengeometrien von Brillengläsern: die asphärischeBrillenglasoptik

rotations-symmetrisch

astigmatische Abweichung < 0,25 dptastigmatische Abweichung > 0,25 dpt

asphärische Rezeptfläche

Bei asphärischen Brillengläsern:

ändert sich der Krümmungsradius vom Scheitelpunkt zur Peripherie kontinuierlich

ist die asphärische Fläche auf der Brillenglasvorderfläche verwirklicht

besteht die Möglichkeit zur Korrektur der sphärischen Aberration

besteht die Möglichkeit zur astigmatischen Korrektur ausschließlich in einer Hauptschnittebene



Flächengeometrien von Brillengläsern: die atorische Brillenglasoptik

Atorische Brillengläser sind gekennzeichnet durch:

eine nicht rotationssymmetrische Fläche mit ungleichen Krümmungen in senkrecht zueinander stehenden Hauptschnitten

mindestens eine nicht kreisförmige Krümmung

die Möglichkeit zur Korrektur der sphärischen und der astigmatischen Aberration in beiden Hauptebenen

ein an die dioptrische Wirkung angepasstes Flächendesign

unterschiedliche Aufbiegung beider Meridiane

atorische Gestaltung der Außenfläche eines Brillenglases

astigmatische Abweichung < 0,25 dptastigmatische Abweichung > 0,25 dpt

atorische Rezeptfläche


45


Flächengeometrien von Brillengläsern: das individualisierte Massenprodukt

Asphäre

Atorus

individuelle, unsymmetrische Freiformfläche mit bis zu 50.000 Bildpunkten der Progressionsfläche (z.B. individuelles Gleitsichtglas):

asphärische Brillenglasvorderfläche mit Gleitsicht-Design+ atorische Brillenglasrückfläche+ Wirkungsanstieg+ prismatische Nebenwirkungen+ Verzeichnung+ benötigte dioptrische Wirkung+ geometrische Kenndaten + ...

Sehbereiche einesGleitsichtglases

FernbereichProgressionszoneNahbereichRandbereich



Brillenglasfertigung: individualisierte Gläser von der Bestellung bis zur Auslieferung

Grundglaskontrolle• Oberflächenqualität• Dicke• Scheitelbrechwert

Brillenglas auf Lager

Formgebung:Vor-, FeinschleifenGießenFräsen

MessenDickeRadius

Finishing:Polieren

Visuelle Kontrolle

Abblocken

MessenOberflächenqualitätDickeScheitelbrechwert

ReinigungBeschichtung

BlockenSchutzlackauftragen


46


Brillenglasfertigung: Prozessketten zur Herstellung von Brillengläsern

VorschleifenVorschleifen

FeinschleifenFeinschleifen

PolierenPolieren

Massenfertigung

Produktindividualität

Lageraufwand

22

WerkzeugbauWerkzeugbau

ReplikationReplikation

TempernTempern

11

( Polieren )( Polieren )

Massenfertigung


Lageraufwand

FräsenFräsen

( Drehen )( Drehen )

33

PolierenPolieren

Massenfertigung


LageraufwandQuelle: Doktorvortrag S. Lange


Brillenglasmaterialien: organische Brillengläser 11 22 33

Brechzahlbereich von n = 1,5 bis n = 1,665

geringes spezifisches Gewicht

hohe Bruchfestigkeit, höhere Elastizität

beliebige Farbgebung

leichte Verarbeitung

dickere Brillengläser

erhöhter Tragekomfort durch geringes Gewicht

individuelle, wirkungsunabhängige Farbgebung

erhöhte Konturflexibilität bei vergleichsweise geringemanlagen- und prozesstechnischen Aufwand

Hartbeschichtung notwendig


47


Brillenglasfertigung: Replikation organischer Brillengläser 11 22 33

Material Kürzel Brechzahl n Abbe-Zahl ν Dichte [g/cm3]

Niedrigbrechende Kunststoffe

CR 39 1,501 58,0 1,32

Hochbrechende Kunststoffe

MR 6 1,600 37,0 1,34

Polycarbonat PC 1,590 31,0 1,20

Polymethyl-methaacrylat

PMMA 1,510 47,0 0,99

Befüllen Polymerisieren Entformen Tempernfertiges

Brillenglas



Brillenglasmaterialien: mineralische Brillengläser 11 22 33

großer Brechzahlbereich von n = 1,5 bis n = 1,9

hohe Oberflächenhärte

geringe Dispersion selbst bei hoher Brechzahl

gute Verschmelzbarkeit verschiedener Materialien

hohe Wärmebeständigkeit

gute Umweltverträglichkeit

dünne Brillengläser

Kratzfestigkeit

weniger Farbsäume verglichen mit organischen Gläsern

keine spürbaren Kanten bei Bi-/Trifokalgläsern


48


Brillenglasfertigung: spanabhebende Bearbeitungsverfahren für mineralische Brillengläser mit undefinierter Schneide11 22 33

Material Kürzel Brechzahl n Abbe-Zahl ν Dichte [g/cm3]

Brillenkron B 270 1,525 58,6 2,55Highcrown HC 42 1,604 41,7 2,67

Schwerflint SF 64 1,706 30,6 3,00

Bariumflint BaSF 64 1,706 40,2 2,99Lantal LaSF 35 1,800 35,4 3,62

Schleifen undPolieren der Vorderseite

HalbfabrikatSchleifen undPolieren der Rückfläche

Fertiges Brillenglas

Quelle: Zeiss, SatisLoh, Doktorvortrag S. Lange

1. Schleifbearbeitung

2. Vor- und Korrekturpolitur


Brillenglasfertigung: spanabhebende Bearbeitungsverfahren für organische Brillengläser mit definierter Schneide

Alternative Bearbeitungsstrategien für nicht rotationssymmetrische optische Oberflächen:

3.1 Fly-Cutting-/Fräs-Prozess (z.B. Toromatic, Fa. SatisLoh )

3.2 Hybridbearbeitung Fräsen und Drehen (z.B. VPro, Fa. SatisLoh)

3.3 Hybridbearbeitung Fräsen und Fast-Tool-Servo Drehen(z.B. HSC100, Fa. Schneider (limitierte Frequenz); z.B. VFT, Fa. SatisLoh (ab 2006))

Quelle: SatisLoh, Doktorvortrag S. Lange

11 22 33

49


Brillenglasfertigung: Hybridbearbeitung durch kombinierten Fräs-/Drehprozess

Herstellung von Brillen mit Freiformfläche durch seriellen Fräs-Dreh-Prozess (V-Pro Kinematik) Quelle: SatisLoh


Design, Mode, Chic

50


BrilleMassenprodukt (Verfügbarkeit und Preis)

– Niedrigpreissegment– Preiswettbewerb– Preisführerschaft

kundenindividuelles Produkt (Asphäre, Atorus, kundenindividuelle Freiformfläche)

– Premiumsegment– Technologieführerschaft– Marktführerschaft– Preisführerschaft

Design, Trend, Mode (Brillenfassung und Außenrand)

Funktionalität– Korrektur der Fehlsichtigkeit– Temperaturbeständigkeit ( -50°C, +100°C)– kratzbeständigkeit– Reinigungsverhalten– alterungsbeständig– Schutz gegen schlagartige Belastung, Zerbrechen


Der Weg zu unsLaboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH AachenSteinbachstraße 53b52074 AachenTelefon: +49 (0) 2 41/80-27 40 0Fax: +49 (0) 2 41/80-22 29 [email protected]

Fraunhofer-Institut fürProduktionstechnologie IPTSteinbachstraße 1752074 AachenTelefon: +49 (0) 2 41/89 04-0Fax: +49 (0) 2 41/89 04-1 [email protected]

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