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Auf einen Blick

Entfernungen exakt messen: Mit dem konfokal-chromatischen Verfahren lassen sich Entfernungen mit 12 µm Auflösung messen, und das bei beinahe beliebigen Oberflächen des Messobjekts. Da gewöhnliches Licht zur Messung dient, wird die Probe auch nicht verfälscht. Ideale Voraussetzungen, um einen 3D-Oberflächenscanner für Zahnfüllungen zu entwickeln: Die Krone wird hierzu in XY-Richtung bewegt, um statt einzelner Punkte die komplette Oberfläche abzutasten.

Über 90 % aller Menschen leiden unter Karies. Die Löcher in den Zähnen muss der Zahnarzt mit Füllungen verschließen – und dabei berücksichtigen, dass sich je nach Größe und Form der Löcher die Belastungen unterscheiden. Auf der Kaufläche werden die Füllungswerkstoffe durch den Kaudruck in der feucht-warmen Mundhöhle besonders belastet. Vor allem durch Zähneknirschen und das Kauen der Nahrung verschleißt die Oberfläche: bis zu einem halben Millimeter kann sich die Höhe der Füllung pro Jahr verändern. Um die Kaufunktion lange aufrechterhalten zu können, entwickelt man möglichst verschleißbeständige Werkstoffe. Allerdings ist die Auswahl geeigneter biokompatibler Werkstoffe begrenzt und die Zulassung eines neuen Werkstoffs kostet viel Geld und Zeit. Hier gilt es also, schon vor der Vermarktung eine ermüdungsfeste Auslegung zu finden, die die Kosten für Patienten und Zahntechniklabore in erträglichen Grenzen zu halten.

Während der Entwicklung legt der Hersteller über die mechanische Belastbarkeit den zulässigen Anwendungsbereich für den Werkstoff fest. Um die Lebensdauer vorherzusagen und Sicherheitsreserven abzuschätzen, muss der Entwickler gezielte Belastungen auf unterschiedlichen Beanspruchungsniveaus analysieren. Das Füllungsmaterial muss sowohl einmalige Spitzenbelastung unbeschadet überstehen, wenn der Patient zum Beispiel aus Versehen auf einen Kirschkern beißt, als auch Millionen normaler Kauzyklen standhalten. Beide Beanspruchungen hinterlassen Spuren auf der Krone.

Beim konfokal-chromatischen Messprinzip werden die Brennpunkte verschiedener Wellenlängen entlang der optischen Achse aufgeweitet und auf die Probe fokussiert, um so die Entfernung zum Messobjekt zu bestimmen.

Beim konfokal-chromatischen Messprinzip werden die Brennpunkte verschiedener Wellenlängen entlang der optischen Achse aufgeweitet und auf die Probe fokussiert, um so die Entfernung zum Messobjekt zu bestimmen.Micro-Epsilon

Präzise Modelle

Speziell für solche Anwendungen haben die Firmen Syndicad (Hardware) und Certiga Engineering Solutions (Software) in Kooperation mit der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie der LMU München (Konzept) den 3D-Oberflächenscanner KF-30 entwickelt. Mit den konfokalen Sensoren Opto-NCDT 2401 von Micro-Epsilon führt dieser Scanner hochgenaue Oberflächentopografien durch. Im Forschungslabor der Münchener Zahnklinik werden damit Kauflächen von Dentalwerkstoffen vermessen und entstandene Abrasionen analysiert. Konfokal-chromatische Sensorik ermöglicht enorm präzise Messungen mit Auflösung im Nanometerbereich. Der Strahlengang des Sensors ist kompakt und konzentrisch. Dadurch besitzt er einen winzigen Messfleck und kann selbst feinste Kratzer auf Oberflächen zuverlässig messen.

Wegen sehr hoher Messauflösung und Lebensdauer eignet sich der 3D-Oberflächenscanner KF-30 nicht nur für Dentalforschung, sondern auch für Korrosions- und Verschleißanalyse von Werkzeugen.

Wegen sehr hoher Messauflösung und Lebensdauer eignet sich der 3D-Oberflächenscanner KF-30 nicht nur für Dentalforschung, sondern auch für Korrosions- und Verschleißanalyse von Werkzeugen.Micro-Epsilon

Die Signalgewinnung nutzt bei diesem Messverfahren nur die Wellenlänge. Egal wie viel Licht das Objekt reflektiert, der Sensor kann fast immer eine Abstandsinformation gewinnen: Das reflektierte Licht muss nur stärker sein als das Grundrauschen. Dadurch kann man mit dem konfokalen Messprinzip auf hoch reflektierenden Materialien wie Metall genauso zuverlässig messen wie auf schwarzem Gummi, Kunststoff, Papier, Vlies und Flüssigkeiten.

Vom Fehler profitieren

Weißes Licht setzt sich bekanntlich aus verschiedenen Wellenlängen zusammen und lässt sich daher mit Linsen nicht exakt auf einen Punkt fokussieren. Man spricht vom optischen Abbildungsfehler oder Aberration. Fotografen meiden diesen Effekt, um die Bildschärfe zu erhöhen. Die konfokale Messtechnik schöpft ihn dagegen aus.

Zur Aufnahme der Oberflächentopografie wird die Dentalprobe auf dem Messtisch befestigt und berührungslos abgetastet – ohne Vorbehandlung.

Zur Aufnahme der Oberflächentopografie wird die Dentalprobe auf dem Messtisch befestigt und berührungslos abgetastet – ohne Vorbehandlung. Micro-Epsilon

Das Verfahren teilt sich in mehrere Elemente. Zunächst führt ein Lichtwellenleiter weißes Licht aus dem Controller zum Sensor. Spezielle Linsen erweitern gezielt die Unschärfe des Brennpunkts (Fokus) der verschiedenen Farben. Vor dem Austritt des Lichts aus dem Sensor bündeln Sammellinsen die Farbspektren entlang einer Fokuslinie senkrecht zum Messobjekt. Je nach Abstand zur Linse befindet sich nun genau eine Wellenlänge im Fokus. Bei der Messung wird das Licht von der Oberfläche des Messobjektes auf den semipermeablen (halbtransparenten) Spiegel reflektiert. Der Spiegel lenkt die Wellenlängen auf eine Lochblende, die nur die am besten fokussierten Wellenlängen durchlässt. Ein Spektrometer mit CCD-Empfänger wertet die Farbinformation aus: jede Position auf der CCD-Zeile entspricht einer bestimmten Entfernung des Messobjekts vom Sensor.

Nach der Abtastung des Implantats wird die Oberflächentopografie der Kauflächen im Browser räumlich visualisiert, um die entstandene Abrasion analysieren zu können.

Nach der Abtastung des Implantats wird die Oberflächentopografie der Kauflächen im Browser räumlich visualisiert, um die entstandene Abrasion analysieren zu können.Micro-Epsilon

Punkt für Punkt

Im 3D-Oberflächenscanner von Syndicad und Certiga tastet der Sensor Punkt für Punkt die Zahnoberfläche ab. Der Scanner bewegt die Probe dazu in XY-Ebene und speichert den Höhenwert der Zahnoberfläche für jede Position. Nach der berührungslosen Aufnahme der Oberflächen visualisiert der Scanner die Oberfläche dreidimensional für die weitere Auswertung. Bis zu acht Proben kann das Gerät in einem Messvorgang automatisch verarbeiten. Die konfokale Sensortechnik erreicht eine technische Auflösung von bis zu 0,12 µm. In der Praxis ist das Ergebnis durch die nicht horizontalen Zahnoberflächen zwar etwas schlechter, das entspricht aber immer noch einer 10- bis 50-fachen Verbesserung gegenüber dem Vorgängersystem.

In der Praxis ist neben dem Sensor der Controller für die Qualität der Messung verantwortlich. Das Bild zeigt den konfokalen Sensor Opto-NCDT 2401 mit dem Controller Confoca-lDT 2451/2471 von Micro-Epsilon Messtechnik.

In der Praxis ist neben dem Sensor der Controller für die Qualität der Messung verantwortlich. Das Bild zeigt den konfokalen Sensor Opto-NCDT 2401 mit dem Controller Confoca-lDT 2451/2471 von Micro-Epsilon Messtechnik.Micro-Epsilon

Das Messen ist mit dem Scanner KF-30 deutlich einfacher geworden, da man auch extrahierte Zähne mit sehr glatten Oberflächen ohne Vorbehandeln vermessen kann. Der Messautomat KF-30 misst ohne mechanischen Kontakt zur Probenoberfläche, arbeitet wartungsfrei und hat eine hohe Lebensdauer. Somit eignet er sich neben der Dentalforschung auch für die Korrosionsanalyse und Verschleißanalyse von Werkzeugen.

Jenseits der Optik

In der Praxis ist nicht nur die Optik, sondern auch der Controller für den Betrieb des Sensors von Bedeutung. Die neue Controller-Generation Confocal-DT 2451/2471 von Micro-Epsilon hat ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis und erreicht Messraten von 10 kHz bei LED-Licht und 70 kHz mit einer Xenon-Lichtquelle. Die erstmals eingeführte Hochleistungs-CCD-Zeile ermöglicht aktive Oberflächenkompensation bei Messprozessen auf unterschiedlichen Materialien. Die neuen Controller arbeiten außerdem mit passiver Kühlung, so dass kein störendes Lüftergeräusch entsteht. Vom Standardmodell bis zur Miniatur-Ausführung kann Confocal-DT 2451/2471 sämtliche konfokalen Sensoren von Micro-Epsilon steuern.

Dr.-Ing. Alexander Streicher

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verantwortet das Produktmanagement Confocal-DT bei Micro-Epsilon Messtechnik in Ortenburg.

(lei)

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