Wegmessung mit Biss

Spezial Medizintechnik

Sensorik – Zahnfüllungen müssen extrem verschleißfest sein. Ein Messsystem auf Basis der konfokal-chromatischen Sensortechnologie gewährleistet eine hochpräzise Qualitätsanalyse.

22. September 2012

Eines der größten Gesundheitsprobleme weltweit ist die Karies. So leiden mehr als 90 Prozent aller Menschen an dieser durch Bakterien ausgelösten Zerstörung der Zähne. Die Löcher in den Zähnen müssen vom Zahnarzt mit Füllungen verschlossen werden, die je nach Größe unterschiedlich hohen Belastungen ausgesetzt sind. Beispielsweise werden die Füllungswerkstoffe auf der Kaufläche durch den Kaudruck in der feuchtwarmen Mundhöhle besonders belastet. Zudem verschleißt die Oberfläche durch Zähneknirschen und verschiedene Nahrungsbestandteile, sodass die Höhe der Füllung sich pro Jahr um bis zu einem halben Millimeter verändern kann.

Um die Kaufunktion lange aufrechterhalten zu können, sollten die eingesetzten Füllungswerkstoffe also möglichst verschleißbeständig sein. Weil die Auswahl geeigneter biokompatibler Werkstoffe jedoch beschränkt und die Zulassung eines neuen, ermüdungsfesteren Werkstoffes langwierig und kostenintensiv ist, legen die Hersteller solcher Füllungsmaterialien bereits während der Entwicklung den zulässigen Anwendungsbereich für den Werkstoff auf Basis der mechanischen Belastbarkeit fest. Für eine zuverlässige Prognose der Lebensdauer und eine Abschätzung von Sicherheitsreserven analysieren die Hersteller dazu das Verhalten der Werkstoffe unter unterschiedlichen Beanspruchungsniveaus. So muss das Füllungsmaterial einerseits Millionen von normalen Kauzyklen standhalten, aber andererseits auch einmalige Spitzenbelastungen unbeschadet überstehen können, etwa bei einem unbeabsichtigten Biss auf einen Kirschkern.

Speziell für solche Untersuchungen haben die Ingenieurbüros Syndicad aus München und Certiga mit Sitz im bayerischen Tuntenhausen in Kooperation mit der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie der Ludwig-Maximilians-Universität München den 3D-Oberflächenscanner KF30 entwickelt, mit dem sich hochgenaue Topografien der Oberflächen von Dentalwerkstoffen ermitteln und der entstandene Verschleiß analysieren lassen. Die entscheidende Komponente des Gerätes ist ein Optosensor vom Typ optoNCDT 2401 des Messtechnikspezialisten Micro-Epsilon aus Ortenburg in Niederbayern, dessen konfokal-chromatische Sensorik extrem präzise Messungen mit einer Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht. Der extrem kleine Messfleck aufgrund des konzentrischen Strahlengangs ermöglicht es, selbst feinste Kratzer auf Oberflächen zuverlässig zu messen.

Zuverlässige Abstandsmessung

Als Basis für die Signalgewinnung nutzt der Sensor ausschließlich die Wellenlänge des reflektierten Lichts. Der Scanner erhält dadurch stets eine präzise Abstandsinformation unabhängig von der Lichtintensität: Die Messung ist damit unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des Objekts, solange die Intensität des reflektierten Lichts stärker ist als das Grundrauschen. Somit kann mit dem konfokal-chromatischen Messprinzip auf hoch reflektierenden Materialien wie zum Beispiel Metallen ebenso zuverlässig gemessen werden wie auf schwarzem Gummi, Kunststoff, Papier, Vlies oder auf Flüssigkeiten.

Die konfokal-chromatische Messtechnik nutzt den bekannten optischen Abbildungsfehler der Aberration, der entsteht, weil der Brechungsindex von Glas von der Wellenlänge des gebrochenen Lichts abhängt. Da weißes Licht aus unterschiedlichen Spektralfarben besteht, lässt es sich deshalb mit herkömmlichen Linsen nicht in einem Punkt fokussieren. Um diesen Effekt zu verstärken, wird zunächst weißes Licht über einen Lichtwellenleiter zum Sensor geleitet, wo sich spezielle Linsen befinden, die die Unschärfe der Brennpunkte der verschiedenen Spektralbereiche des Lichts gezielt ausdehnen. Vor dem Austritt des Lichts aus dem Sensor werden die einzelnen Spektralfarben über Sammellinsen entlang einer Fokuslinie senkrecht zum Messobjekt gebündelt.

Die Entfernung der Brennpunkte von der Linse hängt dabei ausschließlich von der Wellenlänge des jeweiligen Lichts ab. Je nach Abstand zur Linse befindet sich also genau eine Wellenlänge im Fokus. Zur Messung wird das Licht von der Oberfläche des Messobjektes auf einen semipermeablen Spiegel reflektiert, der es auf eine Lochblende lenkt, die nur die optimal fokussierten Wellenlängen durchlässt. Dahinter befindet sich ein Spektrometer mit CCD-Empfänger, der die Farbinformation auswertet. Jede Position auf der CCD-Zeile entspricht so einer bestimmten Entfernung des Messobjektes vom Sensor.

Beim Einsatz in der Dentaltechnik wird die Probe in XY-Ebene bewegt und die Zahnoberfläche Punkt für Punkt berührungslos abgetastet. Der Sensor erfasst und speichert dazu für jede Position der Zahnoberfläche die entsprechenden Höhenwerte, die danach dreidimensional visualisiert und ausgewertet werden. Die konfokal-chromatische Sensortechnik erreicht dabei eine technische Auflösung von bis zu 0,12 Mikrometer, was einer Verbesserung um das Zehn- bis 50-Fache gegenüber dem Vorgängersystem entspricht.

Kontaktlos und präzise

Der Messautomat misst ohne mechanischen Kontakt zur Probenoberfläche, ist wartungsfrei und hat eine hohe Lebensdauer. Ein besonderer Vorteil des Oberflächenscanners KF30 ist die Möglichkeit, bis zu acht Proben gleichzeitig für den Messvorgang vorbereiten zu können, sodass diese Proben unbeaufsichtigt automatisch vermessen werden. Zudem ist das Messen mit dem Scanner deutlich einfacher geworden, da sich auch extrahierte Zähne mit sehr glatten Oberflächen ohne Vorbehandeln vermessen lassen. Mögliche Einsatzgebiete finden sich deshalb außer in der Dentalforschung zum eispiel auch in der Korrosionsanalyse oder in der Verschleißanalyse von Werkzeugen.

Seine Möglichkeiten optimal ausspielen kann der Sensor in Zusammenarbeit mit dem Controller der neuen Baureihe ConfocalDT2451/2471 von Micro-Epsilon, der für die Steuerung von sämtlichen konfokalen Sensoren des Unternehmens verwendet werden kann. Das Gerät bietet ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis und ermöglicht Messraten von zehn bzw. 70 Kilohertz beim Einsatz einer LED-Lichtquelle bzw. einer Xenon-Gasentladungslampe. Die erstmals eingeführte Hochleistungs-CCD-Zeile ermöglicht aktive Oberflächenkompensation bei Messprozessen auf unterschiedlichen Materialien. Die Controller arbeiten mit passiver Kühlung, sodass kein störendes Lüftergeräusch entsteht.

Auf einen Blick

-Die Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG mit Sitz im bayerischen Ortenburg ist ein führender Hersteller von hochpräzisen Weg-sensoren, Infrarot-Temperatursensoren, Farb-sensoren sowie dimensionellen Messgeräten und Systemen für industrielle Anwendungen.

-Die überdurchschnittlich hohen Ausgaben des Unternehmens für Forschung und Entwicklung ermöglichen regelmäßig innovative Lösungen für die unterschiedlichsten Branchen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2012