WO2012123182A2 - Sonotrode für die einbringung von ultraschall-energie - Google Patents

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    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound

Definitions

  • the present invention relates to sonotrodes for the introduction of ultrasonic energy, in particular into porous recesses, sonotrode tools with such sonotrodes, and uses of such devices.
  • Ultrasound is increasingly being used to produce connections between workpieces by introducing material liquefying under the influence of ultrasound into a connection point, liquefying it under ultrasound, and then establishing a positive and / or material connection between two workpieces.
  • EP 1 530 953 a deflection of the ultrasound into the field of application, as far as in these cases of an actual targeted Reversing the ultrasound can be ensured by coupling to a ultrasonic generating device a sonotrode, which has a hook-like shape, with which then adapted to the limited space, specifically targeted the vibration energy on the tip of this hook-like device to the desired location can be worn.
  • a sonotrode for connection to an ultrasonic vibrator with a along a first axis extending terminal portion which is attached to a first end of the vibrator or connected thereto, wherein the connection portion by the ultrasonic vibrator substantially exclusively is placed in a vibration along the first axis.
  • a sonotrode is characterized in that at the free end, opposite the first end, of the connection section of the sonotrode, a substantially cylindrical, first sleeve is arranged in a common crossing region, which extends along a second axis. and a substantially cylindrical second sleeve extending along a third axis, the first axis including a first angle in the range of 100-140 ° with the second axis, and the first axis having a second angle with the third axis in the range of 100-140 °, and wherein the three axes are arranged substantially in a sonotrode plane.
  • first and the second sleeve are preferably of circular-cylindrical design, but they may also have a different cross-sectional area, for example an oval or a polygonal cross-sectional area.
  • the connection section may likewise be circular-cylindrical, but it may also have a different cross-sectional area, for example a rectangular cross-sectional area or another polygonal or oval cross-sectional area.
  • the ratio of outer diameter to the length of the two sleeves extending along the second axis or the third axis is in the range of 1: 2-1: 10, preferably in the range of 1: 3. 1: 6 lies.
  • the two sleeves which to a certain extent substantially axially divides the axial oscillation along the connection section into two different spatial directions, which in turn present axial vibrations in these two different spatial directions, these conditions can ensure the above-mentioned mass distribution well.
  • the connection region is formed with a similar length as the two sleeves in order to further optimize said symmetry. Possible more detailed possible dimensions are described below.
  • the first angle ⁇ and / or the second angle ⁇ is in the range of 1 10-130 °, preferably in the range of 1 15-125 °, in particular preferably in the range of 1 18-122 °.
  • the two angles are substantially 120 ° so that there is a symmetrical element with a threefold axis of rotation.
  • the first angle ⁇ and the second angle ⁇ are the same except for a deviation of not more than 5 °, preferably not more than 2 °. Most preferably, the two angles are substantially exactly the same.
  • the second axis and the third axis a third angle ⁇ , which is in the range of 100-140 °, in particular in the range of 1 10-130 °, more preferably in the range of 105-125 °.
  • both the first sleeve and the second sleeve are formed as a circular cylinder with a circular cylindrical outer surface.
  • the connection area is designed as a circular cylinder.
  • the outer diameter D of the first sleeve is greater than the outer diameter d of the second sleeve.
  • the ratio of outer diameter d, D to the length 1, L of the two sleeves extending along the second axis and the third axis, respectively, is substantially the same, this in turn, to ensure the most efficient mass distribution.
  • a further particularly preferred embodiment is characterized in that the first cuff and / or the second cuff, preferably both, have a central axial cylindrical recess which are open to the respective free end to form a front opening.
  • the two sleeves are formed as a hollow cylinder, but they can also be designed as a solid cylinder.
  • a sonotrode can be used in a method as described in WO 2009/141252. It is also possible to form one of the sleeves as a hollow cylinder and a solid cylinder.
  • one (or both) sleeve is formed as a solid cylinder, it assumes the function of the guide pin in the method according to WO 2009/141252, one (or both) sleeve is formed as a hollow cylinder, and this is the preferred variant, it is as a cuff used in the sense of the method according to WO 2009/141252.
  • a hollow cylinder is formed in each case, then the cylindrical inner space thus formed preferably has a constant cross-sectional area over the length. It is also possible to form only one of the sleeves as a hollow cylinder and the other sleeve, e.g. as a solid cylinder, as short and thus space-saving as possible but just so geometrically and mass moderately designed that they tared the vibration behavior in the hollow sleeve so that there are only axial vibrations.
  • the circumferential edge formed thereby in the area of this front opening of the respective sleeve is preferably designed tapering towards the tip, i. at the inner edge, whose diameter corresponds to the inner diameter of the hollow cylinder, there is a preferably sharp edge.
  • Tapered may include tapering in the sense of a stepped shape, a shape in an axial sectional view along a straight line, or to some extent concave. This, in turn, in order to optimize the use in connection with a method according to WO 2009/141252, in other words to optimally discharge a sleeve, which is applied around a guide pin in the process, into the porous wall structure of the recess to be ameliorated.
  • the recess defining the hollow cylinder on the inside is a through bore with an inner diameter which is constant over the entire length and which is at the respective point of the crossing region Moreover, it is accessible via a respective rear opening, so that a guide pin with a corresponding outer diameter can be inserted from the front as well as from the rear or pushed completely through.
  • connection region and both sleeves are formed as tubular hollow cylinders which converge in the crossing region (for example, when the sonotrode is integrally formed) respectively connected to each other (for example, when the individual elements are screwed together).
  • This is preferably such that passage openings accessible by both sleeves from both sides are present and a front opening is present at the free end of the connection area. But this front opening can also, for example for reasons of hygiene, be closed by a pin or the like.
  • connection region is also designed as a hollow cylinder, then it is preferably dimensioned similarly in terms of wall thickness and / or outer diameter and / or length as one or both of the sleeves.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the first sleeve and the second sleeve have a symmetrical mass distribution, in particular with respect to a mirror plane spanned by the first axis and a plane normal to the sonotrode plane. This is preferably ensured, for example, by forming material thickening and / or material recesses in the crossing area for compensating for differences in length and / or diameter and / or inside diameter or else in the material of the two sleeves. Such thickenings can also be used for stabilization, and / or they can also be provided in the region of the free end of the connection region.
  • the crossing region can also be designed, to a certain extent, as a separate block on which the connection region and the two sleeves are integrally formed, or in which the two sleeves are screwed.
  • the crossing region can thus be designed, for example, for the attachment of different sleeves for different applications, the crossing region can also be used by its specific mass distribution to tare the vibration behavior of the sonotrode so to speak, so that at the end designed as a simple hollow cylinder different cuffs can be screwed which, in turn, are no longer specific to the optimal one Vibration distribution are designed, as this function is taken over by the design of the crossing area.
  • the sonotrode consists of a, optionally coated, metallic material.
  • This material is preferably selected from the group consisting of: aluminum, iron, titanium, steel as well as these mainly containing or largely existing from these alloys.
  • the sonotrode in one piece, for example from one of the materials specified above.
  • the sonotrode is milled, for example, from a work block.
  • the sonotrode is formed from interconnected individual elements.
  • the individual individual and interconnected elements may be e.g. the two cuffs, a crossing part and a connection section be.
  • the compound can preferably be done by positive engagement and / or adhesion. Also an adhesion is alternatively or additionally possible, but this should not interact negatively with the ultrasonic properties, which is the case with some such connection ways. So it is e.g. possible the sonotrode e.g.
  • connection portion and / or the crossing region and / or the first sleeve and / or the second sleeve are screwed together / plugged / pressed / riveted.
  • connection portion and / or the crossing region and / or the first sleeve and / or the second sleeve are screwed together / plugged / pressed / riveted.
  • the sonotrode is free of welds, as they can adversely affect the vibration behavior.
  • coatings can be used, in particular coatings which are e.g. the sliding properties, the hygiene properties, and / or the vibration transmission properties influence. Possible, for example, especially in the field of cuffs, coatings made of plastic such as PTFE.
  • both cuffs have a length in the range of 5-50 mm, preferably in the range of 10-25 mm and a diameter in the range of 2 -15 mm, preferably in the range of 2.5-10 mm, in particular preferably in the range of 2.5-7 mm.
  • the dimensioning of the two sleeves with regard to outer diameter is designed specifically for two standard bore diameters, it is conceivable, for example, that a first sleeve has an outer diameter of 4.3 mm and a second sleeve has an outer diameter of 3.5 mm ,
  • Preferred pairs of cuffs are dimensioned as follows:
  • the specific adaptation and balancing of the vibration behavior can usually be achieved largely by such a length adjustment of the sleeves, so that the optimization of the vibration behavior can be determined relatively easily by tests or simulations.
  • An additional adaptation can be effected by the design of the crossing region, for example by material thickening or -ausappelgeber.
  • the corresponding passage opening through two such different cuffs can be the same configuration in terms of inner diameter to use the same guide pin can. But it is also possible to customize the through holes adapted by the respective sleeve differently (for example, to maintain an optimum wall thickness), in which case when using different cuffs and different guide pins must be used.
  • an interface for attachment to the ultrasonic vibrator is provided at the first end of the connecting portion, preferably in the form of a positive and / or non-positive coupling region, particularly preferably in the form of a thread, a flange, a groove or a bayonet closure.
  • the present invention relates to a sonotrode tool with an ultrasonic vibrator and a sonotrode as detailed above, wherein preferably the vibrator comprises a trained as a handle converter and a booster, wherein the sonotrode is attached to the booster or formed integrally therewith.
  • a corresponding tool typically also has an electrical connection and a controller with which the applied vibration can be adjusted.
  • vibrations are applied in the range of 20-120 kHz, preferably in the range of 30-80 kHz, more preferably in the range of 50-80 kHz.
  • Such a sonotrode tool is preferably characterized in that it is designed as a hand tool for the medical field, in particular for the implant area, in particular for the dental area.
  • the present invention relates to the use of such a sonotrode or such sonotrode tool for amelioration of a recess, namely in the context of a method, as described in detail in WO 2009/141252, for example. It may be a medical procedure or a non-medical procedure. With regard to the method, the disclosure content of WO 2009/141252 expressly includes this disclosure content.
  • a method for ameliorating a recess in a porous, holey and exposed by the recess cavities material having one of the two cylindrical sleeve with a cylindrical outer surface having an outer diameter and a central recess for receiving a guide pin is used wherein the guide pin is intended to be inserted substantially before the application of mechanical energy to the bottom of the recess, the guide pin in the region of its bottom of the recess facing the end of a Ameliorationshülse of a liquefiable with mechanical energy material is enclosed, wherein the cylindrical outer surface of the Ameliorationshülse having substantially the same outer diameter as the sleeve, and wherein the guide pin is slidably received in the central recess such that the sleeve upon application of mechanical energy relative to the guide pin towards the bottom of the recess below Liquefaction and lateral and / or longitudinal displacement of the material of the amelioration sleeve can be moved.
  • 1 is a side view of a sonotrode tool, in which the
  • Sonotrode is shown partially axially cut and lies in the plane of the paper, and wherein the guide pin protrudes from the front of the first sleeve;
  • Guide pin protrudes from the back of the first sleeve, and in b) a sonotrode tool according to Figure 1 with a long guide pin which protrudes from both sides of the first sleeve;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a sonotrode tool inserted into a mouth opening above a prepared bore in FIG
  • Fig. 6 possible dimensions of a sonotrode.
  • WO 2009/141252 discloses a method for ameliorating recesses in porous materials.
  • a substantially cylindrical sleeve made of a material which liquefies under ultrasound is used, as it were, to fill in the porosity of the wall regions of the recess in a liquefying manner with the aid of ultrasound.
  • a guide pin which is guided in a provided with a corresponding axial recess cuff, is inserted into an already provided hole as a guide element, and then the sliding mounted thereon cuff is pushed down in the direction of the bottom of the recess.
  • a hollow cylinder made of a liquefiable material is provided in the tip region, and this is outwardly through the sleeve, which has an outer circumference, which corresponds substantially to the inner diameter of the bore to be ameliorated by the downwardly displacing and simultaneous liquefaction of this material sleeve displaced into the porosity and filled accordingly cavities in the material.
  • Figure 1 shows a side view of a sonotrode tool 1 with a handle in the form of a converter 2, in which the actual ultrasound is generated.
  • the ultrasound is applied at a frequency in the range of, for example, 30 to 70 kHz and the amplitude is about 1-5 microns, the ultrasonic vibration is in an axial direction, as indicated schematically by the arrow 9.
  • the ultrasonic vibration is first transmitted to a so-called booster 3, in which the amplitudes are amplified, so that the ultrasonic vibrations subsequently in the region of the actual sonotrode 18 an amplitude in the range between 5-25 microns.
  • the actual sonotrode element 18 is attached. This example, via a coupling point in the form of a thread, but there are also other coupling options conceivable.
  • the actual sonotrode 18 has a cylindrically shaped connection section 4, which in this case is designed as a hollow cylinder, i. it has an inner cavity 13 extending along the axis 16. This cavity is open towards the front, i. there is a front opening 31.
  • an intersection region 36 is arranged.
  • the sonotrode 18 branches into two cuffs pointing in different directions, a first cuff 5 with a larger outer diameter and a second cuff 6 with a smaller outer diameter.
  • the two sections 5 and 6 branch symmetrically, i. the axis 8 of the first sleeve 5 and the axis 17 of the second sleeve 6 form an angle of 120 degrees with each other, these axes turn their angle with the already mentioned axis 16 of the connecting portion 4, and the individual legs of this tripod are all in one common plane, which is indicated schematically by the reference numeral 41 and which lies in this illustration in the plane of the paper.
  • Both the first sleeve 5 and the second sleeve 6 are formed as a hollow cylinder, ie they respectively surround a cavity 15, respectively. 14.
  • This cavity is designed in each case as a passage opening through the entire Sonotroden Siemens, ie at the front end of the first sleeve there is a front opening 27 and the rear side a rear opening 28, and in the second sleeve 6 there is also a front opening 29 and a rear opening 30 (see also Figure 2).
  • a guide pin 7 can be slidably inserted.
  • the two sleeves 5 and 6 are formed with the same length, same wall thickness and of the same material and with the same diameter, so the vibration distributed axially uniformly on the two cuffs 5 and 6 and also runs in these sleeves, in particular when the respective legs enclose angles of 120 degrees, along the respective axis.
  • the two legs of the sleeves 5, 6 can be used for different applications, i. With different outer diameter can be used for holes with different diameters, this full symmetry is specifically not given here, but this fact is to ensure a really pure axial vibration in each leg taken into account by one hand, the sleeve portion 6 with the smaller diameter a little longer is formed, as the shorter sleeve portion 5 with the larger diameter, and in addition material thickening 24 are provided on the leg 6 in crossing region, and corresponding material thickening in the region 23 on the element 5.
  • the vibration behavior can be balanced and ensured that actually only the abut with the arrows shown in Figure 1 axial vibrations on the individual legs.
  • the peripheral edge of the respective sleeve 5, 6 at the top i. the distal edge 19, tapered to ensure the most concentrated lateral displacement of a material consisting of a liquefiable material sleeve, which is eyeschoben on a guide pin 7, ensure.
  • Figure 2 shows how the guide pin 7 can be pushed through the central passage opening in the sleeve 5, in Figure 2a, it is pushed backwards, in Figure 2b, a long guide pin is provided, which extends through the entire passage opening and which with In other words, with its rear end 32 protrudes to the rear.
  • Guide pins 7 can be provided according to the needs in different lengths and can for example consist of a plastic.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the use of such a sonotrode tool in the dental field, ie where in a lower jaw 33 a prepared bore 37 is provided, which has a lateral circumferential porous wall portion 39.
  • guide pin is inserted into the bore, and on the projecting into the bore end thereof is provided a circumferential material sleeve made under the action of the vibrations liquefying material.
  • the sleeve 5 is now successively displaced into the bore in a downward movement in Figure 3, so that the hollow cylindrical material sleeve in the contact area with the distal end of the cuff sukksessive liquefied from top to bottom and displaced laterally into the porous region 39, while the guide pin remains stationary.
  • FIGS. 4 and 5 show perspective views of such a sonotrode; here it can be seen how the crossing region 36 can be designed in the form of a block whose design can also be adapted in particular to the oscillation conditions.
  • FIG. 6 shows a possible dimensioning and configuration of such a sonotrode; for example, a possible length L of the first sleeve 5 is in the range of 10 to 20 mm, eg. B. about 15 mm, the outer diameter D is 4.3 mm, for example, and the inner diameter Di 3 mm, so that here a guide pin 7 could be used with an outer diameter of 3 mm. Accordingly, then a material sleeve of liquefiable material with an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of 4.3 mm would be used.
  • the second sleeve 6 in turn has a longer length 1 in the range of 10-20 mm, as described above for balancing the vibrations, in this case approximately 16 mm, the outer diameter d is 3.5 mm and the inner diameter di 2, 5 mm.
  • this sleeve is used for a smaller hole with an outer diameter of 3.5 mm then find a guide pin 7 with an outer diameter of 2.5 mm use. Accordingly, then a material sleeve of liquefiable material having an inner diameter of 2.5 mm and an outer diameter of 3.5 mm would be used.
  • connection portion 4 is formed as a hollow cylinder, ie it encloses a cavity.
  • This section typically has a length k that is approximately equal to the length of each sleeve. In the specific case specified here, this section has a length k of about 15 mm.
  • the three legs each enclose angles ⁇ , ⁇ , ⁇ , these angles are in the concrete example shown here every 120 degrees.

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Abstract

Beschrieben wird eine Sonotrode (18) zum Anschluss an einen Ultraschall-Schwingungsgeber (2,3) mit einem sich entlang einer ersten Achse (16) erstreckenden Anschlussabschnitt (4), der mit einem ersten Ende (42) am Schwingungsgeber (2,3) befestigt oder mit diesem verbunden ist, wobei der Anschlussabschnitt (4) durch den Ultraschall-Schwingungsgeber (2, 3) im wesentlichen ausschließlich in eine Schwingung entlang der ersten Achse (16) versetzt wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass am freien, dem ersten Ende (42) gegenüberliegenden Ende (43) des Anschlussabschnittes (4) in einem gemeinsamen Kreuzungsbereich (36) sowohl eine im wesentlichen zylindrische, erste Manschette (5) angeordnet ist, welche sich entlang einer zweiten Achse (8) erstreckt, als auch eine im wesentlichen zylindrische, zweite Manschette (6), welche sich entlang einer dritten Achse (17) erstreckt, wobei die erste Achse (16) mit der zweiten Achse (8) einen ersten Winkel (γ) im Bereich von 100-140° einschließt, und wobei die erste Achse (16) mit der dritten Achse (17) einen zweiten Winkel (β) im Bereich von 100-140° einschließt, wobei die drei Achsen (8, 16,17) im wesentlichen in einer Sonotrodenebene (41) angeordnet sind. Zudem werden entsprechende Sonotrodenwerkzeuge sowie Verwendungen von derartigen Sonotrodenwerkzeugen beschrieben.

Description

TITEL
Sonotrode für die Einbringung von Ultraschall-Energie
TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Erfindung betrifft Sonotroden für die Einbringung von Ultraschall-Energie insbesondere in poröse Ausnehmungen, Sonotrodenwerkzeuge mit derartigen Sonotroden sowie Verwendungen von solchen Vorrichtungen.
STAND DER TECHNIK
Ultraschall wird in zunehmendem Masse dazu eingesetzt, Verbindungen zwischen Werkstücken herzustellen, indem sich unter Ultraschalleinwirkung verflüssigendes Material in eine Verbindungsstelle eingetragen wird, diese unter Ultraschall verflüssigt wird, und anschliessend eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Werkstücken etabliert.
Damit die Verflüssigung möglichst effizient, d.h. unter Verwendung von möglichst wenig Schwingungsenergie, und möglichst lokalisiert stattfindet, ist es nötig, Vorrichtungen bereit zu stellen, die es ermöglichen, die Ultraschallschwingungen mit einer für den entsprechenden Anwendungsfall optimalen Orientierung der Ultraschallschwingung einzubringen. Zudem ist es wichtig, auch den häufig schwierigen Platzbedingungen bei der Einbringungsstelle gerecht zu werden, indem eine Umlenkung der Schwingungen realisiert wird.
Entsprechend gibt es, aus dem medizinischen wie auch aus dem nicht-medizinischen Bereich, eine Vielzahl von speziellen Vorrichtungen, so genannten Sonotrodenwerkzeugen, welche die Einbringung von Ultraschalls ermöglichen.
Dabei wird, wie beispielsweise aus der US 5,100,321 , der US 2003/0157458, der EP 0 535 542 oder der US 5,899,693 resp. der EP 1 530 953 eine Umlenkung des Ultraschalls in den Anwendungsbereich, soweit in diesen Fällen überhaupt von einer tatsächlichen gezielten Umlenkung des Ultraschalls gesprochen werden kann, gewährleistet, indem auf ein beim Ultraschall erzeugendes Gerät eine Sonotrode angekoppelt wird, welche eine hakenartige Gestalt hat, mit welcher dann, den engen Platzverhältnissen angepasst, ganz gezielt die Schwingungsenergie über die Spitze dieser hakenartigen Vorrichtung an den gewünschten Ort getragen werden kann. Problematisch an derartigen Vorrichtungen ist es, dass die Umlenkung von Ultraschallschwingungen eine komplexe Angelegenheit ist, und entsprechend können derartige Vorrichtungen, wenn beispielsweise an der Ankopplungsstelle eine Ultraschallschwingung in axialer Richtung angelegt wird, nicht sicherstellen, dass auch an der unter einem Winkel zu dieser Ankopplungsstelle stehenden Spitze der Sonotrode eine ebenfalls nur entlang der Achse der Spitze verlaufende Ultraschallschwingung anliegt. Somit entstehen an der Spitze unter anderem auch laterale Schwingungen, die wiederum, beispielsweise insbesondere im medizinischen Bereich, äusserst ungewünscht sind, weil sie einerseits bei der Bearbeitung beim Patienten zu unangenehmen Schmerzen führen können, sondern auch weil sie das umliegende Gewebe gegebenenfalls nachhaltig schädigen können. Zudem ergibt sich dadurch ein ineffizienter Energieeintrag und also eine ungewünschte Verlängerung der Behandlungszeit.
Es gibt auf der anderen Seite Vorrichtungen, die ganz gezielt zum Zweck haben, Ultraschallschwingungen umzulenken. Dies geschieht dann über Biegeschwingungen von entsprechend spezifisch ausgebildeten Sonotroden, mit anderen Worten wird eine axiale Schwingung, die am Fuss respektive entlang der Befestigungsachse der Sonotrode angelegt wird, umgewandelt in eine Biegeschwingung in einem normalerweise zu diesem Zweck spezifisch gekrümmten Zwischenelement der Sonotrode, und dann am Ende der Sonotrode dieses eine Biegeschwingung ausführenden Kupplungselementes in eine Spitze überführt, welche geometrisch so angeordnet ist, dass an der Spitze gezielt eine axiale Ultraschall Schwingung in diesem Spitzenelement anliegt. Vorrichtungen dieser Art, die dann üblicherweise ring- oder kreisförmige, die Biegeschwingung übernehmende Zwischenelemente aufweisen, sind beispielsweise aus der EP 0 594 541 , der WO 2005/009256, der US 2010/0130867, oder aus der DE 201 13692 bekannt.
Solche Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass die gekrümmten, die Biegeschwingung durchführenden Zwischenelemente komplexe, und insbesondere stark belastete Elemente sind, entsprechend auch abnützungsanfällig sind, und die zudem viel Platz benötigen. Eine auf dem gleichen Prinzip beruhende Konstruktion ist aus der WO 2007/101362 bekannt, hier wird aber kein wirklich ringförmiges Biegeschwingungszwischenelement eingesetzt, sondern nur ein in Form eines Teilkreises ausgebildetes gekrümmtes Biegeschwingelement.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist entsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sonotrode vorzuschlagen, insbesondere eine, welche in der Lage ist, ganz gezielt eine Umlenkung von entlang nur einer Achse oszillierenden Ultraschall-Schwingungen auf kleinem Raum um einen bestimmten Winkel umzulenken, d.h. so dass wiederum entlang der zweiten Achse im wesentlichen nur entlang dieser zweiten Achse oszillierende Ultraschall- Schwingungen resultieren.
Konkret geht es darum, eine Sonotrode zum Anschluss an einen Ultraschall- Schwingungsgeber vorzuschlagen mit einem sich entlang einer ersten Achse erstreckenden Anschlussabschnitt, der mit einem ersten Ende am Schwingungsgeber befestigt oder mit diesem verbunden ist, wobei der Anschlussabschnitt durch den Ultraschall- Schwingungsgeber im wesentlichen ausschließlich in eine Schwingung entlang der ersten Achse versetzt wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erfüllt.
Insbesondere ist eine Sonotrode, wie sie vorliegend vorgeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass am freien, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Anschlussabschnittes der Sonotrode in einem gemeinsamen Kreuzungsbereich sowohl eine im wesentlichen zylindrische, erste Manschette angeordnet ist, welche sich entlang einer zweiten Achse erstreckt, als auch eine im wesentlichen zylindrische, zweite Manschette, welche sich entlang einer dritten Achse erstreckt, wobei die erste Achse mit der zweiten Achse einen ersten Winkel im Bereich von 100-140° einschließt, und wobei die erste Achse mit der dritten Achse einen zweiten Winkel im Bereich von 100-140° einschließt, und wobei die drei Achsen im wesentlichen in einer Sonotrodenebene angeordnet sind. Üblicherweise sind dabei bevorzugtermassen die erste und die zweite Manschette kreiszylindrisch ausgebildet, sie können aber auch eine andere Querschnittsfläche aufweisen, beispielsweise eine ovale oder eine polygonale Querschnittsfläche. Der Anschlussabschnitt kann ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet sein, er kann aber auch eine andere Querschnittsfläche, beispielsweise eine rechteckige Querschnittsfläche oder eine andere polygonale oder eine ovale Querschnittsfläche aufweisen. Dabei ist gewissermassen einer der Kernpunkte der Erfindung darin zu sehen, dass im Gegensatz zu den komplizierten Umlenkungsvorriehtungen nach dem Stand der Technik, welche in der Regel Biegeschwingungen zur Umlenkung von einer ersten Richtung in eine zweite Richtung einsetzen (was dann entsprechende grosse Elemente voraussetzt, welche diese Biegeschwingung übernehmen können), so vorgegangen wird, dass gewissermassen eine Y-förmige Struktur eingesetzt wird, welche hinsichtlich Massenverteilung und geometrischer Ausgestaltung so ausgelegt ist, dass entlang aller Schenkel jeweils im wesentlichen nur Ultraschall-Schwingungen entlang der Achse der jeweiligen Schenkel vorliegen. Mit anderen Worten wird eine balancierte Struktur vorgeschlagen, welche auf kleinem Raum eine gezielte Umlenkung der Ultraschall-Schwingungen in axialer Richtung ermöglicht. Vorzugsweise wird dabei in den Schenkeln, insbesondere an der Spitze der Manschette, im Falle einer hohlzylindrischen Ausbildung derselben an der umlaufenden Kante also an der Spitze der jeweiligen Manschette im Bereich der vorderen Öffnung, der Anteil an Schwingungen, die nicht axial sind (d.h. Biegeschwingungen im Schenkel oder um den Kreuzungspunkt) nicht mehr als 15%, vorzugsweise nicht mehr als 10%, und insbesondere nicht mehr als 5% der gesamten Ultraschall-Schwingungsenergie ausmachen. D.h. der Grossteil der Schwingungsenergie, d.h. mehr als 85%, vorzugsweise mehr als 90%, besonders vorzugsweise mehr als 95% und ganz besonders bevorzugt wenigstens 98% der Ultraschalllschwingungsenergie in jedem der Schenkel, , insbesondere an der Spitze der Manschette, im Falle einer hohlzylindrischen Ausbildung derselben an der umlaufenden Kante also an der Spitze der jeweiligen Manschette im Bereich der vorderen Öffnung, liegt als axiale Schwingung an.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine solche dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Außendurchmesser zur sich entlang der zweiten Achse respektive der dritten Achse erstreckenden Länge der beiden Manschetten im Bereich von 1 :2-1 :10, vorzugsweise im Bereich von 1 :3-1 :6 liegt. Es zeigt sich, dass bei einer derartigen Dimensionierung der beiden Manschetten, welche gewissermassen die axiale Schwingung entlang des Anschlussabschnittes weitgehend symmetrisch in zwei unterschiedliche Raumrichtungen aufteilen, wobei wiederum in diesen beiden unterschiedlichen Raumrichtungen axiale Schwingungen vorliegen, diese Verhältnisse die oben genannte Massenverteilung gut sicherstellen können. Es zeigt sich insbesondere, dass bei Verhältnissen unterhalb von 1 :2 ein unbefriedigendes Schwingungsverhalten resultiert, und dass bei Verhältnissen oberhalb von 1 :10 die entsprechende Manschette zu lang ist und zu flattern beginnt. Bevorzugtermassen ist dabei der Anschlussbereich mit einer ähnlichen Länge ausgebildet wie die beiden Manschetten, um die genannte Symmetrie weiterhin zu optimieren. Mögliche detailliertere mögliche Dimensionierungen sind weiter unten ausgeführt.
Bevorzugtermassen ist dabei, um die genannte Symmetrie und optimale Verteilung der Schwingungen sicherzustellen, der erste Winkel γ und/oder der zweite Winkel ß im Bereich von 1 10-130°, vorzugsweise im Bereich von 1 15-125°, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 1 18-122°. Insbesondere bevorzugt sind die beiden Winkel im wesentlichen 120° so dass ein symmetrisches Element mit einer dreizähligen Drehachse vorliegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfühmngsform sind der erste Winkel γ Und der zweite Winkel ß bis auf ein abweichen von nicht mehr als 5°, vorzugsweise von nicht mehr als 2° gleich. Ganz besonders bevorzugt sind die beiden Winkel im wesentlichen genau gleich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schiessen die zweite Achse und die dritte Achse einen dritten Winkel α ein, welcher im Bereich von 100-140°, insbesondere im Bereich von 1 10-130°, insbesondere bevorzugt im Bereich von 105-125° liegt.
Bevorzugtermassen sind sowohl die erste Manschette als auch die zweite Manschette als Kreiszylinder mit einer kreiszylindrischen Außenfläche ausgebildet. Weiterhin bevorzugt ist auch der Anschlussbereich als Kreiszylinder ausgebildet.
Weiterhin bevorzugtermassen ist der Außendurchmesser D der ersten Manschette größer als der Außendurchmesser d der zweiten Manschette. So ist es möglich, die beiden Manschetten für unterschiedliche Ausnehmungen einzusetzen, es entsteht entsprechend ein Werkzeug, welches durch seine symmetrische Ausgestaltung eine optimale Umlenkung der Ultraschall-Schwingungen in zwei Richtungen und entlang der Achsen ohne laterale Schwingungen gewährleistet, wo aber gleichzeitig beide Manschetten für die eigentlichen Arbeitsschritte eingesetzt werden können, und also nicht einfach nur eine der Manschetten zum Zwecke der Balancierung der Umlenkung der Ultraschall-Schwingungen vorgesehen wird. Zudem können die beiden Manschetten für unterschiedliche Anwendungen gezielt eingesetzt werden. Dabei ist der große Durchmesser vorzugsweise 1.1-3 mal, insbesondere vorzugsweise 1.2 - 2 mal größer als der kleine Durchmesser.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis von Außendurchmesser d, D zur sich entlang der zweiten Achse respektive der dritten Achse erstreckenden Länge 1, L der beiden Manschetten im wesentlichen gleich, dies wiederum, um eine möglichst effiziente Massenverteilung sicherzustellen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Manschette und/oder die zweite Manschette, vorzugsweise beide, eine zentrale axiale zylindrische Ausnehmung aufweisen, welche zum jeweiligen freien Ende unter Ausbildung einer vorderen Öffnung offen liegen. Mit anderen Worten sind die beiden Manschetten als Hohlzylinder ausgebildet, sie können aber auch als Vollzylinder ausgebildet sein. So kann eine derartige Sonotrode beispielsweise in einem Verfahren eingesetzt werden, wie es in der WO 2009/141252 beschrieben ist. Es ist auch möglich, eine der Manschetten als Hohlzylinder und eine als Vollzylinder auszubilden. Wird eine (oder beide) Manschette als Vollzylinder ausgebildet, so übernimmt sie die Funktion des Führungsstiftes im Verfahren gemäß der WO 2009/141252, wird eine (oder beide) Manschette als Hohlzylinder ausgebildet, und dies ist die bevorzugte Variante, so wird sie als Manschette im Sinne des Verfahrens gemäß der WO 2009/141252 eingesetzt. Ist jeweils ein Hohlzylinder ausgebildet, so verfügt der damit gebildete zylindrische Innenraum vorzugsweise über eine konstante Querschnittsfläche über die Länge. Es ist auch möglich, nur eine der Manschetten als Hohlzylinder auszubilden und die andere Manschette, z.B. als Vollzylinder, so kurz und damit platzsparend wie möglich aber gerade so geometrisch und massenmässig ausgestaltet, dass sie das Schwingungsverhalten in der hohlen Manschette so tariert, dass dort nur axiale Schwingungen anliegen.
Dabei ist bevorzugtermassen die im Bereich dieser vorderen Öffnung der jeweiligen Manschette dadurch gebildete umlaufende Kante konisch zur Spitze hin zulaufend ausgebildet, d.h. an der innenliegenden Kante, deren Durchmesser im Innendurchmesser des Hohlzylinder entspricht, liegt eine bevorzugtermassen scharfe Kante vor. Konisch zulaufend kann dabei im Sinne einer gestuften Form, einer Form in einer axialen Schnittdarstellung entlang einer Geraden, oder aber auch gewissermassen konkav konisch zulaufend umfassen. Dies wiederum, um die Verwendung im Zusammenhang mit einem Verfahren gemäß der WO 2009/141252 zu optimieren, mit anderen Worten um eine um einen Führungsstift im Verfahren angelegte durch Ultraschall verfiüssigbare Hülse möglichst optimal in die poröse Wandstruktur der zu ameliorierenden Ausnehmung auszutragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die den Hohlzylinder innenseitig definierende Ausnehmung eine Durchgangsbohrung mit über die gesamte Länge konstantem Innendurchmesser, welche an der jeweiligen Stelle des Kreuzungsbereichs zudem über eine jeweilige rückseitige Öffnung zugänglich ist, so dass ein Führungsstift mit entsprechendem Außendurchmesser sowohl von vorne als auch von hinten eingeschoben oder ganz hindurchgeschoben werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Anschlussbereich als auch beide Manschetten als röhrenförmige Hohlzylinder ausgebildet sind, welche im Kreuzungsbereich zusammenlaufen (beispielsweise wenn die Sonotrode einstückig ausgebildet ist) respektive miteinander verbunden sind (beispielsweise wenn die einzelnen Elemente miteinander verschraubt sind). Dies bevorzugtermassen so, dass durch beide Manschetten von jeweils beiden Seiten zugängliche Durchgangsöffhungen vorhanden sind und am freien Ende des Anschlussbereichs eine vordere Öffnung vorhanden ist. Diese vordere Öffnung kann aber auch, beispielsweise aus hygienischen Gründen, durch einen Zapfen oder ähnliches geschlossen sein. Wird auch der Anschlussbereich als Hohlzylinder ausgebildet, so ist dieser vorzugsweise hinsichtlich Wandstärke und/oder Außendurchmesser und/oder Länge ähnlich dimensioniert wie eine oder beide der Manschetten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Manschette und die zweite Manschette eine, insbesondere bezüglich einer durch die erste Achse und eine Ebenennormale zur Sonotrodenebene aufgespannte Spiegelebene symmetrische Massenverteilung aufweisen. Bevorzugtermassen wird dies beispielsweise gewährleistet, indem, zur Kompensation von Unterschieden in der Länge und/oder im Durchmesser und/oder im Innendurchmesser oder aber auch im Material der beiden Manschetten an der Sonotrode im Kreuzungsbereich Materialverdickungen und/oder Materialausnehmungen ausgebildet sind. Solche Verdickungen können auch zur Stabilisierung eingesetzt werden, und/oder sie können auch im Bereich des freien Endes des Anschlussbereichs vorgesehen sein. Der Kreuzungsbereich kann auch gewissermassen als separater Block ausgebildet sein, an welchem der Anschlussbereich und die beiden Manschetten angeformt sind, oder in welchen die beiden Manschetten eingeschraubt sind. Der Kreuzungsbereich kann somit beispielsweise für die Befestigung von unterschiedlichen Manschetten für unterschiedliche Anwendungsbereiche ausgelegt sein, der Kreuzungsbereich kann zudem durch seine spezifische Massenverteilung dazu eingesetzt werden, das Schwingungsverhalten der Sonotrode gewissermassen zu tarieren, so dass am Ende als einfache Hohlzylinder ausgestaltete unterschiedliche Manschetten eingeschraubt werden können, welche ihrerseits nicht mehr spezifisch für die optimale Schwingungsverteilung ausgelegt sind, da diese Funktion durch die Ausgestaltung des Kreuzungsbereichs übernommen wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Sonotrode aus einem, gegebenenfalls beschichteten, metallischen Werkstoff. Dieser Werkstoff ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium, Eisen, Titan, Stahl sowie diese in der Hauptsache enthaltende oder aus diesen weitgehend bestehende Legierungen.
Generell ist es möglich, wie bereits oben erwähnt, die Sonotrode einstückig auszubilden, beispielsweise aus einem der oben angegebenen Materialien. In diesem Fall ist die Sonotrode beispielsweise aus einem Werkblock herausgefräst. Alternativ ist es möglich, wie ebenfalls bereits oben erwähnt, die Sonotrode aus miteinander verbundenen Einzelelementen auszubilden. Die einzelnen individuellen und mit einander verbundenen Elemente können dabei z.B. die beiden Manschetten, ein Kreuzungsteil und ein Anschlussabschnitt sein. Die Verbindung kann bevorzugtermassen durch Formschluss und/oder Kraftschluss erfolgen. Auch ein Stoffschluss ist alternativ oder zusätzlich möglich, dieser sollte aber mit den Ultraschall-Eigenschaften nicht negativ wechselwirken, was bei einigen solchen Verbindungsweisen der Fall ist. So ist es z.B. möglich die Sonotrode z.B. aus ineinander geschraubten, gesteckten, verpressten oder vernieteten Elementen auszubilden, indem der Anschlussabschnitt und/oder der Kreuzungsbereich und/oder die erste Manschette und/oder die zweite Manschette miteinander verschraubt/gesteckt/verpresst/vernietet werden. Beispielsweise ist es möglich, einen Kreuzungsbereich in Form eines Blockes mit drei unter den entsprechenden Winkeln abzweigenden Innengewinden auszubilden, so dass anschließend als einfache Hohlzylinder mit Außengewinde im entsprechenden Bereich ausgebildete Anschlussabschnitte respektive Manschetten eingeschraubt werden können. Bevorzugtermassen ist die Sonotrode frei von Schweißstellen, da diese das Schwingungsverhalten negativ beeinflussen können. Wie erläutert können Beschichtungen eingesetzt werden, so insbesondere Beschichtungen, welche z.B. die Gleiteigenschaften, die Hygieneeigenschaften, und/oder die Schwingungsübertragungseigenschaften beeinflussen. Möglich sind beispielsweise, insbesondere im Bereich der Manschetten, Beschichtungen aus Kunststoff wie beispielsweise PTFE.
Hinsichtlich Dimensionierung hat es sich, insbesondere zur Amelioration von Bohrungen beispielsweise im Möbelbereich, oder generell bei der Verbindung von porösen Werkstoffen wie z.B. Holz, Schäumen (Metallschäume, Kunststoffschäume etc), Verbundwerkstoffen, oder aber auch im medizinischen Bereich beispielsweise bei Bohrungen im Knochen oder porösem Gewebe, als vorteilhaft erwiesen, wenn beide Manschetten eine Länge im Bereich von 5-50 mm, vorzugsweise im Bereich von 10-25 mm aufweisen und einen Durchmesser im Bereich von 2-15 mm, vorzugsweise im Bereich von 2.5-10 mm, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 2.5-7 mm. Wie bereits oben erwähnt ist es von Vorteil, wenn beispielsweise die Dimensionierung der beiden Manschetten hinsichtlich Außendurchmesser spezifisch ausgelegt wird für zwei Standard- Bohrungsdurchmesser, denkbar ist beispielsweise, dass eine erste Manschette einen Außendurchmesser von 4.3 mm und eine zweite Manschette einen Außendurchmesser von 3.5 mm aufweist.
Bevorzugte Paare von Manschetten sind dimensioniert wie folgt:
Kombination von zwei kleinen Durchmessern 2.8mm (Aussendurchmesser erste Manschette) und 3.5mm (Aussendurchmesser zweite Manschette) in einer Sonotrode;
- Kombination von zwei grossen Durchmessern 4.3mm (Aussendurchmesser erste Manschette) und 5.3m (Aussendurchmesser zweite Manschette).
Prinzipiell lassen sich aber auch andere Kombinationen umsetzen. Um die
Massenverteilung zu kompensieren ist es dann möglich, die Länge etwas anzupassen, d.h. die Manschette mit dünnerem Außendurchmesser etwas länger auszubilden als jene mit dickerem Außendurchmesser. Für die oben angegebenen beiden Maße ist es beispielsweise möglich, die Manschette mit dem Außendurchmesser von 4.3 mm mit einer Länge von ca.
15 mm auszugestalten und jene mit Außendurchmesser von 3.5 mm mit einer Länge von
16 mm. Die spezifische Anpassung und Austarierung des Schwingungsverhaltens kann üblicherweise weitgehend durch eine derartige Längenanpassung der Manschetten erreicht werden, so dass die Optimierung des Schwingungsverhaltens relativ einfach durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden kann. Eine zusätzliche Anpassung kann durch die Ausgestaltung des Kreuzungsbereichs, beispielsweise durch Material Verdickungen oder -ausnehmungen, bewirkt werden.
Die entsprechende Durchgangsöffnung durch zwei derartig unterschiedliche Manschetten kann dabei gleich ausgebildet sein hinsichtlich Innendurchmesser, um den gleichen Führungsstift einsetzen zu können. Es ist aber auch möglich, die Durchgangsöffnungen durch die jeweilige Manschette angepasst unterschiedlich auszugestalten (beispielsweise um eine optimale Wandstärke beizubehalten), wobei dann bei Verwendung unterschiedlicher Manschetten auch unterschiedliche Führungsstifte eingesetzt werden müssen.
Bevorzugtermassen ist am ersten Ende des Anschlussabschnitts eine Schnittstelle zur Befestigung am Ultraschall-Schwingungsgeber vorgesehen, vorzugsweise in Form eines formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Kupplungsbereiches, insbesondere bevorzugt in Form eines Gewindes, eines Flansches, einer Nut oder eines Bajonettverschlusses.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Sonotrodenwerkzeug mit einem Ultraschall-Schwingungsgeber und einer Sonotrode wie oben detailliert, wobei bevorzugtermassen der Schwingungsgeber einen als Handgriff ausgebildeten Konverter umfasst sowie einen Booster, wobei die Sonotrode am Booster befestigt ist oder mit diesem einstückig ausgebildet ist. Ein entsprechendes Werkzeug verfügt typischerweise zudem über einen Elektroanschluss und über eine Steuerung, mit welcher die angelegte Schwingung eingestellt werden kann. Üblicherweise werden Schwingungen im Bereich von 20-120 kHz angelegt, vorzugsweise im Bereich von 30-80 kHz, insbesondere bevorzugt im Bereich von 50-80 kHz.
Ein solches Sonotrodenwerkzeug ist bevorzugtermassen dadurch gekennzeichnet, dass es als Handwerkzeug für den medizinischen Bereich, insbesondere für den Implantatbereich ausgelegt ist, insbesondere für den dentalen Bereich.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer solchen Sonotrode oder eines derartigen Sonotrodenwerkzeugs zur Amelioration einer Ausnehmung,, namentlich im Rahmen eines Verfahrens, wie es beispielsweise in der WO 2009/141252 ausführlich beschrieben ist. Es kann sich dabei um ein medizinisches Verfahren handeln oder um ein nicht-medizinisches Verfahren. Hinsichtlich Verfahren sei entsprechend der Offenbarungsgehalt der WO 2009/141252 ausdrücklich in diesen Offenbarungsgehalt mit eingeschlossen. Es geht mit anderen Worten um ein Verfahren zur Amelioration einer Ausnehmung in einem porösen, löchrigen und durch die Ausnehmung freigelegte Hohlräume aufweisenden Material, wobei eine der beiden zylindrischen Manschette mit zylindrischer Mantelfläche mit einem Aussendurchmesser und mit einer zentralen Ausnehmung zur Aufnahme eines Führungsstiftes, eingesetzt wird, wobei der Führungsstift dazu vorgesehen ist, vor dem Anlegen von mechanischer Energie im wesentlichen bis auf den Boden der Ausnehmung eingeführt zu sein, wobei der Führungsstift im Bereich seines dem Boden der Ausnehmung zugewandten Endes von einer Ameliorationshülse aus einem mit mechanischer Energie verflüssigbaren Material umschlossen wird, wobei die zylindrische Mantelfläche der Ameliorationshülse im wesentlichen den gleichen Aussendurchmesser aufweist wie die Manschette, und wobei der Führungsstift in der zentralen Ausnehmung derart verschieblich aufgenommen ist, dass die Manschette bei Anlegen von mechanischer Energie relativ zum Führungsstift in Richtung zum Boden der Ausnehmung unter Verflüssigung und seitlicher und/oder longitudinaler Verdrängung des Materials der Ameliorationshülse verschoben werden kann.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 in einer seitlichen Ansicht ein Sonotrodenwerkzeug, bei welchem die
Sonotrode teilweise axial geschnitten dargestellt ist und in der Papierebene liegt, und wobei der Führungsstift vorne aus der ersten Manschette herausragt;
Fig. 2 in a) in einer seitlichen Ansicht die Sonotrode gemäß Figur 1, wobei der
Führungsstift rückseitig aus der ersten Manschette herausragt, und in b) ein Sonotrodenwerkzeug gemäß Figur 1 mit einem langen Führungsstift, der beidseitig aus der ersten Manschette herausragt;
Fig. 3 schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein in eine Mundöffnung eingeführtes Sonotrodenwerkzeug oberhalb einer vorbereiteten Bohrung im
Unterkiefer;
Fig. 4 eine Sonotrode in einer Darstellung entlang der Sonotrodenebene auf die erste Manschette;
Fig. 5 eine Sonotrode in einer perspektivische Darstellung; und
Fig. 6 mögliche Bemassungen einer Sonotrode.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFUHRUNGSFORMEN
Insbesondere für den medizinischen Bereich, namentlich für den Implantatbereich und ganz besonders für den Dentalimplantatbereich ist beispielsweise aus der WO 2009/141252 ein Verfahren zur Amelioration von Ausnehmungen in porösen Materialien bekannt. Dabei wird eine im wesentlichen zylindrische Hülse aus einem unter Ultraschall verflüssigenden Material dazu eingesetzt, gewissennassen die Porosität der Wandungsbereiche der Ausnehmung mit diesem Material unter Einwirkung von Ultraschall verflüssigend auszufüllen. Dies geschieht so, dass ein Führungsstift, der in einer mit einer entsprechenden axialen Ausnehmung versehenden Manschette geführt ist, in eine bereits vorgesehene Bohrung als Führungselement eingeführt wird, und anschliessend die gleitend darauf gelagerte Manschette nach unten in Richtung des Bodens der Ausnehmung geschoben wird. Um den Führungsstift herum ist im Spitzenbereich ein Hohlzylinder aus einem verflüssigbaren Material vorgesehen, und dieser wird durch die Manschette, die einen Aussenumfang aufweist, der im wesentlichen dem Innendurchmesser der zu ameliorierenden Bohrung entspricht, durch das nach unten verschiebende und gleichzeitige Verflüssigen dieser Materialhülse nach aussen in die Porosität verdrängt und füllt entsprechend Hohlräume im Material aus.
Im Zusammenhang mit einem solchen Verfahren ist es von Vorteil, wenn nur an der Manschette, die über den Führungsstift geführt wird, eine Ultraschallschwingung anliegt, damit gewissermassen das zu verflüssigende Material jeweils immer nur dort, wo es in Kontakt mit dieser Manschette ist, verflüssigt wird. Zudem sollten an dieser Manschette laterale Ultraschallschwingungen vermieden werden, d.h. die Ultraschallschwingungen sollten entlang der Achse dieser Manschette verlaufen. Da gerade im Dentalbereich die Platzverhältnisse beengt sind, besteht entsprechend ein Bedarf nach Vorrichtungen, welche dazu in der Lage sind, die Ultraschallschwingung eines Handgeräts in eine Richtung umzulenken, so dass sie dann optimal bei einer Bearbeitung einer Bohrung eingesetzt werden kann. Eine solche Vorrichtung soll in der Folge beschrieben werden.
Figur 1 zeigt in einer seitlichen Ansicht ein Sonotrodenwerkzeug 1 mit einem Handgriff in Form eines Konverters 2, in welchem der eigentliche Ultraschall erzeugt wird. Der Ultraschall wird mit einer Frequenz im Bereich von beispielsweise 30 bis 70 kHz angelegt und die Amplitude beträgt ca. 1-5 Mikrometer, die Ultraschallschwingung verläuft in einer axialen Richtung, wie sie schematisch mit dem Pfeil 9 angedeutet ist. Die Ultraschallschwingung wird zunächst auf einen sogenannten Booster 3 übertragen, in welchem die Amplituden verstärkt werden, so dass die Ultraschallschwingungen anschliessend im Bereich der eigentlichen Sonotrode 18 eine Amplitude im Bereich zwischen 5-25 Mikrometer aufweisen.
An diesem Booster 3 ist das eigentliche Sonotrodenelement 18 befestigt. Dies beispielsweise über eine Kupplungsstelle in Form eines Gewindes, es sind aber auch andere Kupplungsmöglichkeiten denkbar. Die eigentliche Sonotrode 18 verfügt über einen zylindrisch ausgebildeten Anschlussabschnitt 4, der in diesem Fall als Hohlzylinder ausgebildet ist, d.h. er verfügt über einen entlang der Achse 16 verlaufenden inneren Hohlraum 13. Dieser Hohlraum ist nach vorne hin offen, d.h. es gibt eine vordere Öffnung 31.
Am freien vorderen Ende dieses Anschlussabschnittes der Sonotrode 18 ist ein Kreuzungsbereich 36 angeordnet. Bei diesem Kreuzungsbereich 36 verzweigt sich die Sonotrode 18 in zwei in unterschiedliche Richtungen zeigende Manschetten, eine erste Manschette 5 mit einem grösseren Aussendurchmesser und eine zweite Manschette 6 mit einem kleineren Aussendurchmesser. Die beiden Abschnitte 5 und 6 verzweigen sich symmetrisch, d.h. die Achse 8 der ersten Manschette 5 und die Achse 17 der zweiten Manschette 6 bilden untereinander einen Winkel von 120 Grad, diese Achsen wiederum ihrerseits einen gleichen Winkel mit der bereits genannten Achse 16 des Anschlussabschnittes 4, und die einzelnen Schenkel dieses Dreibeins liegen alle in einer gemeinsamen Ebene, die schematisch durch das Bezugszeichen 41 angegeben ist und die in dieser Darstellung in der Papierebene liegt.
Sowohl die erste Manschette 5 als auch die zweite Manschette 6 sind als Hohlzylinder ausgebildet, d.h. sie umschliessen jeweils einen Hohlraum 15 resp. 14. Dieser Hohlraum ist dabei jeweils als Durchgangsöffnung durch den gesamten Sonotrodenbereich ausgestaltet, d.h. am vorderen Ende der ersten Manschette gibt es eine vordere Öffnung 27 und rückseitig eine hintere Öffnung 28, und bei der zweiten Manschette 6 gibt es ebenfalls eine vordere Öffnung 29 und eine rückseitige Öffnung 30 (vgl. auch Figur 2). In diese jeweiligen Durchführungsöffnungen, die einen über die gesamte Länge konstanten Innendurchmesser aufweisen, kann ein Führungsstift 7 verschieblich eingeschoben werden. Wird über den Booster 3 eine Ultraschwingung in axialer Richtung wie gemäss Pfeil 9 angelegt, so resultiert dies in einer ebenfalls axialen Ultraschallschwingung im Anschlussabschnitt 4, wie dies schematisch durch den Pfeil 10 angedeutet ist. Durch die symmetrische Ausgestaltung der beiden Schenkel 5 resp. 6 wird diese axiale Schwingung verteilt in zwei wiederum axiale Schwingungen in den jeweiligen Manschetten, wie dies durch die Pfeile 1 1 und 12 dargestellt ist. Dies ganz im Sinne der Symmetrieüberlegungen, wie sie beispielsweise aus dem Schwingungsverhalten von Molekülen mit ähnlicher Symmetriegruppe bekannt sind. Ist die Sonotrode 18 vollständig symmetrisch ausgebildet, d.h. sind die beiden Manschetten 5 und 6 mit gleicher Länge, gleicher Wandstärke und aus gleichem Material und mit gleichem Durchmesser ausgebildet, so verteilt sich die Schwingung jeweils axial gleichmässig auf die beiden Manschetten 5 und 6 und verläuft auch in diesen Manschetten, insbesondere wenn die jeweiligen Schenkel winkel von 120 Grad einschliessen, entlang der jeweiligen Achse.
Da nun aber gleichzeitig der Zweck erreicht werden soll, dass die beiden Schenkel der Manschetten 5, 6 für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können, d.h. mit unterschiedlichem Aussendurchmesser für Bohrungen mit unterschiedlichem Durchmesser eingesetzt werden können, ist diese vollständige Symmetrie ganz gezielt hier nicht gegeben, dieser Tatsache wird aber zur Sicherstellung einer wirklich reinen axialen Schwingung im jeweiligen Schenkel Rechnung getragen, indem einerseits der Manschettenabschnitt 6 mit dem geringeren Durchmesser etwas länger ausgebildet ist, als der kürzere Manschettenabschnitt 5 mit dem grösseren Durchmesser, und indem zusätzlich Materialverdickungen 24 am Schenkel 6 in Kreuzungsbereich vorgesehen werden, und korrespondierende Materialverdickungen im Bereich 23 am Element 5. So kann das Schwingungsverhalten austariert werden und sichergestellt werden, dass tatsächlich nur die mit den Pfeilen in Figur 1 dargestellten axialen Schwingungen an den einzelnen Schenkeln anliegen.
Zur Durchführung des Eingangs erwähnten Verfahrens gemäss der WO 2009/141252 ist zudem die umlaufende Kante der jeweiligen Manschette 5, 6 an der Spitze, d.h. die distale Kante 19, konisch zulaufend ausgebildet, um eine möglichst konzentriert seitliche Verdrängung einer aus einem verflüssigbaren Material bestehenden Materialhülse, die auf einen Führungsstift 7 augeschoben ist, sicherzustellen.
Figur 2 zeigt, wie der Führungsstift 7 durch die zentrale Durchgangsöffnung in der Manschette 5 hindurch geschoben werden kann, in Figur 2a ist sie nach hinten hinaus geschoben, in Figur 2b ist ein langer Führungsstift vorgesehen, welcher sich durch die gesamte Durchgangsöffnung erstreckt und welcher mit anderen Worten mit seinem rückseitigen Ende 32 nach hinten hinausragt. Führungsstifte 7 können den Bedürfnissen entsprechend in unterschiedlicher Länge vorgesehen werden und können beispielsweise aus einem Kunststoff bestehen.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung den Einsatz eines solchen Sonotrodenwerkzeugs im Dentalbereich, d.h. wo in einem Unterkiefer 33 eine vorbereitete Bohrung 37 vorgesehen ist, die über einen seitlichen umlaufenden porösen Wandbereich 39 verfugt. Bei einem Verfahren gemäss der WO 2009/141252 wird nun ein (hier nicht dargestellter) Führungsstift in die Bohrung eingeschoben, und am in die Bohrung hineinragenden Ende davon ist eine umlaufende Materialhülse aus unter Einwirkung der Schwingungen sich verflüssigendem Material vorgesehen. Die Manschette 5 wird nun in einer Abwärtsbewegung in Figur 3 sukzessive in die Bohrung hineinverschoben, so dass sich die hohlzylindrische Materialhülse im Kontaktbereich mit dem distalen Ende der Manschette sukksessive von oben nach unten verflüssigt und seitlich in den porösen Bereich 39 verdrängt wird, während der Führungsstift stationär bleibt.
Die Figuren 4 und 5 zeigen perspektivische Ansichten einer solchen Sonotrode, hier wird erkennbar, wie der Kreuzungsbereich 36 in Form eines Blockes ausgebildet sein kann, dessen Gestaltung insbesondere auch an die Schwingungsverhältnisse angepasst sein kann. Figur 6 zeigt eine mögliche Dimensionierung und Ausgestaltung einer solchen Sonotrode, so liegt beispielsweise eine mögliche Länge L der ersten Manschette 5 im Bereich von 10- 20 mm, z. B. ca. 15 mm, der Aussendurchmesser D ist beispielsweise 4,3 mm und der Innendurchmesser Di 3 mm, so dass hier ein Führungsstift 7 mit einem Aussendurchmesser von 3 mm eingesetzt werden könnte. Entsprechend käme dann eine Materialhülse aus verflüssigbarem Material mit einem Innendurchmesser von 3 mm und einem Außendurchmesser von 4.3 mm zur Anwendung.
Die zweite Manschette 6 verfügt ihrerseits über eine, wie oben beschrieben zur Austarierung der Schwingungen etwas länger ausgebildete Länge 1 im Bereich von 10-20 mm, hier konkret ca. 16 mm, der Aussendurchmesser d beträgt 3,5 mm und der Innendurchmesser di 2,5 mm. So wird, wenn diese Manschette eingesetzt wird für eine kleinere Bohrung mit einem Außendurchmesser von 3.5 mm dann ein Führungsstift 7 mit einem Aussendurchmesser von 2,5 mm Einsatz finden. Entsprechend käme dann eine Materialhülse aus verflüssigbarem Material mit einem Innendurchmesser von 2.5 mrn und einem Außendurchmesser von 3.5 mm zur Anwendung.
Wie auch bereich in den vorherigen Figuren dargestellt ist auch der Anschlussabschnitt 4 als Hohlzylinder ausgebildet, d.h. er umschliesst einen Hohlraum. Dieser Abschnitt verfügt typischerweise über eine Länge k die ungefähr der Länge der einzelnen Manschetten entspricht. Im hier angegebenen konkreten Fall verfügt dieser Abschnitt über eine Länge k von ca. 15 mm. Die drei Schenkel schliessen jeweils Winkel α, ß, γ ein, diese Winkel sind im hier dargestellten konkreten Beispiel alle 120 Grad.
Bezugszeichenliste
1 Sonotrodenwerkzeug Bereich des
2 Konverter Kreuzungsbereichs an 5
3 Booster 24 Materialverdickungen im
4 Anschlussabschnitt von 18 Bereich des
5 erster Arbeitsabschnitt von Kreuzungsbereichs an 6
18, erste Manschette mit 25 freies distales Ende von 7 großem Durchmesser 26 zylindrische Umfangsfläche
6 zweiter Arbeitsabschnitt von von 7
18, zweite Manschette mit 27 vordere Öffnung von 5 kleinem Durchmesser 28 rückseitige Öffnung von 5
7 Führungsstift 29 vordere Öffnung von 6
8 Achse von 5, zweite Achse 30 rückseitige Öffnung von 6
9 Schwingungsrichtung in 3 31 vordere Öffnung
10 Schwingungsrichtung an 4 32 rückseitiges Ende von 7
1 1 Schwingungsrichtung an 5 33 Unterkiefer
12 Schwingungsrichtung an etwa 34 Oberkiefer
sechs 35 Mundöffnung
13 Hohlraum in 4 36 Kreuzungsbereich von 18
14 Hohlraum in 6 37 vorbereitete Bohrung in 33
15 Hohlraum in 5 38 Boden von 37
16 Achse von 4, erste Achse 39 poröser Wandbereich von 37
17 Achse von 6, dritte Achse 40 Befestigungsöffnung für 18
18 Sonotrode in 3
19 distale Kante von 5 41 Sonotrodenebene
20 distale Kante von 6 42 rückseitiges Ende von 4,
21 Kreuzungspunkt der Anschlussseite von 4
Elemente 4-6 43 freies Ende von 4
22 Materialverdickungen im
Bereich des α Öffnungswinkel zwischen 8
Kreuzungsbereichs an 4 und 17, respektive 5 und 6
23 Materialverdickungen im ß Öffnungswinkel zwischen 16 und 17, respektive 4 und 6 Di Innendurchmesser von 5 γ Öffnungswinkel zwischen 8 1 Länge von Arbeitsabschnitt und 16, respektive 4 und 5, von 6
erster Winkel d Außendurchmesser von 6
L Länge von Arbeitsabschnitt d; Innendurchmesser von 6 von 5 k Länge von 4 zwischen 3 und D Außendurchmesser von 5 36

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sonotrode (18) zum Anschluss an einen Ultraschall-Schwingungsgeber (2,3) mit einem sich entlang einer ersten Achse (16) erstreckenden Anschlussabschnitt (4), der mit einem ersten Ende (42) am Schwingungsgeber (2,3) befestigt oder mit diesem verbunden ist, wobei der Anschlussabschnitt (4) durch den Ultraschall- Schwingungsgeber (2, 3) im wesentlichen ausschließlich in eine Schwingung entlang der ersten Achse (16) versetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
am freien, dem ersten Ende (42) gegenüberliegenden Ende (43) des Anschlussabschnittes (4) in einem gemeinsamen Kreuzungsbereich (36) sowohl eine im wesentlichen zylindrische, erste Manschette (5) angeordnet ist, welche sich entlang einer zweiten Achse (8) erstreckt, als auch eine im wesentlichen zylindrische, zweite Manschette (6), welche sich entlang einer dritten Achse (17) erstreckt, wobei die erste Achse (16) mit der zweiten Achse (8) einen ersten Winkel (γ) im Bereich von 100-140° einschließt, und wobei die erste Achse (16) mit der dritten Achse (17) einen zweiten Winkel (ß) im Bereich von 100-140° einschließt, wobei die drei Achsen (8, 16,17) im wesentlichen in einer Sonotrodenebene (41) angeordnet sind.
2. Sonotrode (18) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Außendurchmesser (d, D) zur sich entlang der zweiten Achse (8) respektive der dritten Achse (17) erstreckenden Länge (1, L) der beiden Manschetten (5, 6) im Bereich von 1 :2-1 :10, vorzugsweise im Bereich von 1 :3-1 :6 liegt.
3. Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (γ) und/oder der zweite Winkel (ß) im Bereich von 1 10-130°, vorzugsweise im Bereich von 1 15-125°, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 1 18-122° liegen.
4. Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (γ) und der zweite Winkel (ß) bis auf ein abweichen von nicht mehr als 5°, vorzugsweise von nicht mehr als 2° gleich sind, und dass bevorzugtermassen die zweite Achse (8) und die dritte Achse (17) einen dritten Winkel (a) einschließen, welcher im Bereich von 100-140°, insbesondere im Bereich von 1 10-130°, insbesondere bevorzugt im Bereich von 105-125° liegt.
5. Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Manschette (5) als auch die zweite Manschette (6) als Kreiszylinder mit einer kreiszylindrischen Außenfläche ausgebildet sind, und wobei der Außendurchmesser (D) der ersten Manschette (5) größer ist als der Außendurchmesser (d) der zweiten Manschette, wobei er vorzugsweise 1.1-3 mal, insbesondere vorzugsweise 1.2 - 2 mal größer ist, und wobei bevorzugtermassen das Verhältnis von Außendurchmesser (d, D) zur sich entlang der zweiten Achse (8) respektive der dritten Achse (17) erstreckenden Länge (1, L) der beiden Manschetten (5, 6) im wesentlichen gleich ist.
6. Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Manschette (5) und/oder die zweite Manschette (6), vorzugsweise beide, eine zentrale axiale zylindrische Ausnehmung (14,15) aufweisen, welche zum jeweiligen freien Ende unter Ausbildung einer vorderen Öffnung (27,29) offen liegen, wobei vorzugsweise die im Bereich dieser vorderen Öffnung (27,29) dadurch gebildete umlaufende Kante der jeweiligen Manschette (5, 6) konisch zulaufend ausgebildet ist, und wobei bevorzugtermassen die Ausnehmung (14,15) eine Durchgangsbohrung mit konstantem Innendurchmesser (Di, di) ist. welche an der jeweiligen Stelle des Kreuzungsbereichs (36) über eine jeweilige rückseitige Öffnung (28,30) zugänglich ist.
7. Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl Anschlussbereich (4) als auch beide Manschetten (5, 6) als röhrenförmige Hohlzylinder ausgebildet sind, welche im Kreuzungsbereich (36) zusammenlaufen respektive miteinander verbunden sind, indem durch beide Manschetten (5, 6) von jeweils beiden Seiten zugängliche Durchgangsöffnungen (27-30) vorhanden sind wobei vorzugsweise am freien Ende (43) des Anschlussbereichs (4) eine vordere Öffnung vorhanden ist, die weiterhin vorzugsweise durch ein Abschlusselement verschlossen sein kann.
Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Manschette (5) und die zweite Manschette (6) eine, insbesondere bezüglich einer durch die erste Achse (16) und eine Ebenennormale zur Sonotrodenebene (41) aufgespannte Spiegel ebene symmetrische Massenverteilung aufweisen, wobei zur Kompensation von Unterschieden in der Länge (L, 1) und/oder im Durchmesser (D,d) und/oder im Innendurchmesser (Di, di) an der Sonotrode (18) im Kreuzungsbereich (36) Materialverdickungen (23,24) und/oder Materialausnehmungen ausgebildet sind.
Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem metallischen Werkstoff besteht, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium, Eisen, Titan, Stahl sowie diese in der Hauptsache enthaltende oder aus diesen bestehende Legierungen, wobei vorzugsweise die Sonotrode einstückig und aus einem einzigen Werkblock bearbeitet ausgebildet ist, oder wobei vorzugsweise die Sonotrode aus ineinander geschraubten Elementen gebildet wird, indem der Anschlussabschnitt (4) und/oder der Kreuzungsbereich (36) und/oder die erste Manschette (5) und/oder die zweite Manschette (6) miteinander verschraubt werden.
Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Manschetten (5, 6) eine Länge (L, 1) im Bereich von 5-50 mm, vorzugsweise im Bereich von 10-25 mm aufweisen und einen Durchmesser im Bereich von 2-15 mm, vorzugsweise im Bereich von 2.5-10 mm, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 2.5-7 mm.
Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ende (42) des Anschlussabschnitts (4) eine Schnittstelle zur Befestigung am Ultraschall-Schwingungsgeber (2, 3) vorgesehen ist, vorzugsweise in Form eines formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Kupplungsbereiches, insbesondere bevorzugt in Form eines Gewindes, eines Flansches, einer Nut oder eines Bajonettverschlusses.
12. Sonotrodenwerkzeug (1) mit einem Ultraschall-Schwingungsgeber (2, 3) und einer Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bevorzugtermassen der Schwingungsgeber einen als Handgriff ausgebildeten Konverter (2) umfasst sowie einen Booster (3), wobei die Sonotrode am Booster befestigt ist oder mit diesem einstückig ausgebildet ist.
13. Sonotrodenwerkzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es als Handwerkzeug für den medizinischen Bereich, insbesondere für den Implantatbereich ausgelegt ist, insbesondere für den dentalen Bereich.
14. Verwendung einer Sonotrode (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1- 1 1 oder eines Sonotrodenwerkzeugs nach Anspruch 12 zur Amelioration einer Ausnehmung, insbesondere einer Ausnehmung in einem porösen, löchrigen und durch die Ausnehmung freigelegte Hohlräume aufweisenden Material, wobei eine der beiden zylindrischen Manschette (5, 6) mit zylindrischer Mantelfläche mit einem Aussendurchmesser und mit einer zentralen Ausnehmung (14,15) zur Aufnahme eines Führungsstiftes (7), eingesetzt wird, wobei der Führungsstift (7) dazu vorgesehen ist, vor dem Anlegen von mechanischer Energie im wesentlichen bis auf den Boden der Ausnehmung eingeführt zu sein, wobei der Führungsstift (7) im Bereich seines dem Boden der Ausnehmung zugewandten Endes von einer Ameliorationshülse aus einem mit mechanischer Energie verflüssigbaren Material umschlossen wird, wobei die zylindrische Mantelfläche der Ameliorationshülse im wesentlichen den gleichen Aussendurchmesser aufweist wie die Manschette (5,6), und wobei der Führungsstift (7) in der zentralen Ausnehmung (14,15) derart verschieblich aufgenommen ist, dass die Manschette (5,6) bei Anlegen von mechanischer Energie relativ zum Führungsstift (7) in Richtung zum Boden der Ausnehmung unter Verflüssigung und seitlicher und/oder longitudinaler Verdrängung des Materials der Ameliorationshülse verschoben werden kann.
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