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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

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

32. 20
Lastträghejtsmoment
Traversenlänge: 500 mm

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

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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

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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.

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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