Zobacz film ze skanowania

CAD/CAM

Nowoczesne systemy CAD/CAM dla techniki dentystycznej.

Współczesna technika podlega dynamicznemu rozwojowi. Systemy ewoluują w szybkim tempie oraz pojawiają się technologie umożliwiające wykonywanie poszczególnych prac za pomocą nowych metod i materiałów. W technice dentystycznej po raz pierwszy na taką skalę pojawiają się technologie, które do tej pory nie miały tu zastosowania. Ich stopień złożoności oraz odmienna specyfika działania wymagają wyjaśnienia, aby nie stanowiły dla współczesnego technika tajemnicy.

Dawno, dawno temu....
Choć brzmi to poniekąd zabawnie, systemy projektowania komputerowego po raz pierwszy znalazły swoje zastosowanie w ubiegłym wieku. Nastąpiło to w latach osiemdziesiątych, na początku w dziedzinach przemysłu adaptujących najszybciej nowe technologie takich jak lotnictwo, kosmonautyka czy przemysł samochodowy. Stosunkowo mało wydajne wtedy komputery obliczały kształty przekroju, wytrzymałość projektów modelowych oraz wirtualnie projektowały złożone formy. Przemysł bardzo szybko docenił korzyści wynikające z zastosowania wirtualnego projektowania elementów konstrukcyjnych. Obniżenie kosztów wytworzenia prototypów, przyspieszenie procesu wytwarzania czy możliwość weryfikacji działania części przed jej wykonaniem to tylko kilka z wielu zalet tego typu technologii. Koniec lat dziewięćdziesiątych to okres, kiedy w większości domów znajdują się już komputery osobiste. Ich moc obliczeniowa jest nieporównywalna do najlepszych maszyn ubiegłej dekady a możliwości graficzne bardzo rozbudowane. Jest tylko kwestią czasu, kiedy firmy zajmujące się programami konstrukcyjnymi dostrzegą potencjał w bardzo dochodowej dziedzinie medycyny, jaką jest protetyka dentystyczna. Następuje to bardzo szybko, bo około połowy lat dziewięćdziesiątych rozpoczynają się prace nad wdrożeniem pierwszych systemów dentystycznych. Takie firmy jak DCS oraz Nobel Biocare wprowadzają na rynek pierwsze skanery oraz możliwość mechanicznego wykonywania podbudowy ceramicznej dla protetyki. Pod koniec XX w. mamy na rynku już kilkanaście funkcjonujących systemów protetycznych choć są to technologie bardzo drogie i skomplikowane.



W chwili obecnej systemy komputerowego projektowania i wykonywania prac protetycznych szturmem wdzierają się do naszych pracowni. Większość z wiodących producentów sprzętu protetycznego oferuje kompletne systemy do laboratoryjnego wykonywania prac w materiałach ceramicznych, metalowych oraz sztucznych.

CAD/CAM, co to właściwie oznacza?
Oznaczenie CAD jest skrótem angielskim od Computer Aided Design, co w wolnym tłumaczeniu brzmi komputerowo wspomagane projektowanie. Pod tym hasłem kryją się systemy wirtualnego projektowania prac na ekranie komputera. Oznacza to, że w przypadku prac protetycznych wykonywana przez nas podbudowa czy gotowe uzupełnienie jest "konstruowane" za pomocą odpowiednich programów komputerowych i fizycznie pojawi się dopiero podczas jej właściwego wykonywania przez maszynę. W praktyce powoduje to wyeliminowanie bardzo uciążliwych etapów wykonywania woskowych lub kompozytowych modeli, które w toku konwencjonalnych metod zamieniamy na ceramikę lub metal. Te etapy były najczęściej przyczyną wielu niedokładności i naprężeń w gotowych pracach. Tutaj ma szczególne znaczenie, że modele są wykonywane z materiałów elastycznych, które podlegają odkształceniom a gotowe konstrukcje są sztywne i nie zaakceptują podcieni. Projektowanie CAD wymaga wzorca, na którym budowany będzie wirtualny model. Takim wzorcem stają się modele gipsowe, które zostają skanowane, czyli czytane przez urządzenia optoelektroniczne zwane skanerami. Tworzą one cyfrowy obraz skanowanego obiektu składający się z milionów punktów zawieszonych w przestrzeni osi współrzędnych. Po odpowiednim połączeniu tych punktów krzywymi i obliczeniu ich właściwych pozycji można sztucznie wygenerować obraz płaszczyzny, którą my zobaczymy w postaci graficznej na monitorze.

CAM to angielski skrót Computer Aided Manufacturing czyli komputerowo wspomagane wykonanie. Pod tym określeniem kryje się specjalistyczne oprogramowanie, które ma na celu zaplanowanie i zrealizowanie wykonania zaprojektowanego wirtualnie obiektu. Oprogramowanie CAM jest zazwyczaj bardzo rozbudowanym i skomplikowanym modułem, który dostosowuje możliwości i charakterystykę pracy urządzenia wykonawczego do procesu wytworzenia obiektu. W zależności od rodzaju zastosowanej metody produkcji dobiera się narzędzia, szybkość, precyzje oraz określa wartości z jakimi dany obiekt ma być wykonany. To oprogramowanie jest niezmiernie ważne, gdyż od niego naprawdę zależy, jaki obiekt uzyskamy po mechanicznym wykonaniu. Nawet najlepszy projekt nie będzie pasował i nie spełni naszych oczekiwań, jeżeli podczas etapu przygotowywania produkcji powstaną błędy w postaci źle wprowadzonych parametrów. Należy tutaj pamiętać, że oprogramowanie CAM bazuje na całej, ogromnej gałęzi techniki związanej z metodami i technikami mechanicznej obróbki. Nie dotyczy to tylko szeroko pojętej obróbki skrawaniem. Do dyspozycji są nowe, czasem zaskakująco skomplikowane metody wykonywania, gdzie istnieje konieczność dopasowywania wielu parametrów pracy. Jak jest to ważne i czasem skomplikowane najlepiej ilustruje nasza klasyczna frez- technika. Każdy z techników, który wykonuje prace na frezarkach dentystycznych wie jak ważne są parametry i technika pracy podczas obróbki skrawaniem. Obroty, dostawienie, siła nacisku, posuw to tylko niektóre z terminów określających w jaki sposób ma się poruszać narzędzie po obrabianej powierzchni. To samo musi zostać określone przez program CAM, kiedy oczekujemy od niego wykonania danego kształtu.



Dodatkowo tutaj dochodzi konieczność uwzględnienia wielu nowych czynników. Oprócz parametrów narzędzia konieczne jest uwzględnienie charakterystyki samego materiału. Czy jest on miękki czy twardy, czy nagrzewa się podczas obróbki czy też nie. To wszystko musi być powiązane z drogą jak ma wykonać narzędzie, aby uzyskać odpowiednio dokładny kształt. Pamiętajmy, że urządzenia nie "widzą" brył oraz powierzchni. Cała obróbka i wytwarzanie obiektu to naprawdę droga narzędzia poprzez obiekt, gdzie obie rzeczy to wirtualny zbiór punktów zawieszonych w umownym układzie współrzędnych. Całość w terminologii fachowej nazywana jest ścieżką narzędzia ( tool path) i stanowi część metody wykonania nazywanej strategią frezowania. Przygotowywanie tej strategii i obliczanie ścieżek narzędzi to wiele operacji matematycznych na sekundę z użyciem olbrzymich obszarów pamięci. Współczesnym komputerem zabiera to do kilkunastu minut przy zastosowaniu najnowszych procesorów i wydajnych kart pamięci.

Postprocesing to oznaczenie programów komputerowych, których zadaniem jest tłumaczenie skomplikowanych funkcji i parametrów, jakie obliczone zostaną w programach CAM na język zrozumiały dla maszyny wykonującej. Najczęściej spotykamy się tutaj z określeniem postprocesor. Oznacza to program stworzony konkretnie dla danej maszyny i współpracującego z nią oprogramowania CAM. Wszystkie dane wykonawcze zostaną zapisane w postaci kodu cyfrowego (CN Code), który będzie realizowany przez maszynę. Poszczególne komendy oznaczają każdy najmniejszy krok wykonywany przez urządzenie. Dotyczy to nie tylko położenia narzędzia względem obiektu, kierunku i siły przemieszczania się, ale także sterowania wieloma innymi czynnikami takimi jak chłodzenie, oczyszczanie, kalibrowanie narzędzi.

Urządzenia
W chwili obecnej spotykamy najczęściej dwie podstawowe grupy urządzeń w technologii CAD/CAM. Pierwsza z nich to skaner. Urządzenia tego typu to skomplikowane i precyzyjne optoelektroniczne czytniki. Wykorzystują różne metody i procesy służce do odczytania kształtu obrabianego obiektu. Najwcześniejsze skanery bazowały na zasadzie mechanicznej. Polegało to na przemieszczaniu sondy mechanicznej po powierzchni obiektu i rejestrowaniu zmian położenia tej sondy, co powodowało wytworzenie obrazu zmian i w finale odczytanie kształtu obiektu. Współczesne skanery są urządzeniami wykorzystującymi światło jako podstawowy sposób odczytu powierzchni. Może to być promień lasera, ale i specjalne tzw. światło paskowe. W obydwu przypadkach wysłana wiązka światła odbija się od obiektu i powraca do czujnika czy kamery i tutaj na podstawie kąta odbicia oraz czasu reakcji powstaje wirtualny obraz skanowanego obiektu. Ten obraz to zbiór punktów na osiach współrzędnych. Teraz urządzenie połączy punkty formami trójkątów i obliczy wzajemne położenie każdego z wierzchołków tych trójkątów względem siebie i osi współrzędnych. Kiedy już to nastąpi możliwe jest określenie zewnętrznych i wewnętrznych płaszczyzn. Wypełnienie powierzchni pomiędzy trójkątami będącymi na zewnątrz pozwoli na wyświetlenie w graficznej formie obiektu na monitorze jako plastycznej bryły.



Urządzenia drugiej grupy dzielą się na kilka kategorii. W zależności od metody pracy mogą to być różnego rodzaju frezarki, drążarki, urządzenia do syntetyzacji czy drukowania. Najbardziej popularne i na razie jedyne w Polsce są frezarki CNC. Z założenia przypominają przemysłowe obrabiarki numeryczne stosowane od prawie trzydziestu lat. To precyzyjne urządzenia sterowane poprzez procesory umożliwiające prowadzenie różnych narzędzi takich jak wiertła, frezy, kamienie, diamenty po obrabianych materiałach. Dokładność kontroli położenia takiego narzędzia określana jest obecnie co do mikronów. Frezarki mogą być pionowe lub poziome oraz dzielą się na tzw. cztero- i pięcioosiowe. Cztery osie oznaczają trzy osie współrzędnych przestrzennych oraz jedną oś obrotu obiektu, co oznacza możliwość frezowania obiektu od wewnątrz i na zewnątrz. Pięcioosiowe frezarki posiadają dodatkowa oś obrotu umożliwiającą ustawianie obiektu pod kątem względem osi narzędzia tnącego. W praktyce oznacza to możliwość wybierania obszarów, które my w technice nazywamy podcieniami. Współczesne frezarki mogą pracować w dowolnych materiałach. Zarówno miękkie materiały takie jak tlenek cyrkonii, wosk, żywica oraz bardzo twarde takie jak stal, tytan nie stanowią granicy technologicznej. Oczywistym jest, że im bardziej twardy i wymagający materiał chcemy obrabiać tym samym rośnie czas i koszt takiego wytworzenia oraz stopień dokładności. Z drugiej strony materiały twarde dają nam większą kontrole na obrabianym obiektem i umożliwiają na frezowanie bardziej finezyjnych kształtów. W technice dentystycznej wykorzystujemy obróbkę skrawaniem zwana HS oznacza to wysokoobrotowe skrawanie przy stosunkowo małych siłach nacisku. Niektóre urządzenia mają możliwość frezowania kilku materiałów inne tylko jednego. Dodatkowymi elementami wyposażenia są systemy chłodzenia wierteł i obiektów obrabianych za pomocą powietrza lub cieczy oraz zintegrowane systemy odprowadzania i oczyszczania opiłków. Należy zaznaczyć, w większości urządzenia do frezowania w technice dentystycznej są zaadoptowanymi z przemysłu frezarkami, co powoduje, że są to bardzo wydajne i przystosowane do ciągłej pracy narzędzia.