Разработка роботизированной системы для плазменного напыления имплантов



Стаття | Article    

Download

Аннотация. В работе исследуются характеристикиимплантов по физическим размерам, типу протезирования различных органов,материалах изготовления, фирмах-изготовителях и др. Рассматривается проблемананесения на импланты биосовместимых покрытий при помощи роботизированногокомплекса на базе промышленного робота. Для нанесения покрытия описываетсятехнология плазменного напыления и соответствующее оборудованиероботизированного комплекса и были отобраны импланты, которые соответствуютвозможностям установки плазменного напыления биосовместимых покрытий.

Ключевые слова: имплант, плазменное напыление,роботизированные установки.

Creationof robotic system for plasma spraying of implant

Karymsakova Indira, Denissova Natalia

Departmentof Information Technology and Energy

D.Serikbaev East Kazakhstan State Technical University

Ust-Kamenogorsk,Kazakhstan

Krak Iurii

Department of Theoretical Cybernetics

TarasShevchenko National University

Kyiv,Ukraine

Введение

Усовершенствование методов построения систем созданияимплантов с использованием современных производственных решений является важнойи актуальной проблемой. Оборудование и комплексы для плазменного напыленияимплантов, с интегрированием промышленных роботов в процессы напыления,позволяют выйти на новый уровень производства, добиться существенного улучшениясвойств поверхностей имплантов путем образования на рабочих поверхностяхпокрытий с особыми свойствами [1-3]. Роботизированные комплексы для процессовплазменного напыления позволяют существенно увеличить точность и качествонапыления, оптимизировать технологии обработки и сократить производственныйцикл. Роботы для плазменного напыления и программное обеспечение позволяютнаносить функциональные покрытия с точностью до нескольких микрометров, что позволяетсущественно сокращать расход материалов, осуществлять манипуляции, отображатьтехнологические параметры и управлять ими в процессе напыления. Исследование иразработка имплантов, которые используются для замены поврежденных органовчеловека, с последующим напылением биосовместимых покрытий с использованиемроботизированных комплексов является важной научно-технической проблемой, длярешения которой необходимо разрабатывать новые методы и подходы.

Целью данной работы является исследование имплантовпо различным критериям для последующей разработки роботизированного комплексадля плазменного напыления имплантов и построения системы эффективногоуправления таким комплексом.

Критерии классификации имплантовВ соответствии со скелетным и физиологическим построениемчеловека [4] будем исследовать основные типы имплантов в зависимости от органовчеловека к которым эти импланты применяются.

С этой целью импланты будем классифицировать по критериюзамены или вживления различных человеческих органов [4]: зубопротезный имплант;слуховой (кохлеарный) имплант; стволомозговой имплант; имплант клапанов сердца;имплант сетчатки; имплант для конечностей.

Анализ геометро-топологических характеристик данныхимплантов показывает, что они являются очень сложными поверхностностями, дляполучения и обработки которых необходимо использовать точное оборудование, вчастности, роботизированные комплексы.

Отметим, что импланты подбираются для каждого человекаотдельно, поэтому физические размеры имплантов являются параметрическимифункциями, что позволяет изготавливать имплант путем подгонки параметров подконкретные размеры.

В результате проведенных исследований были проанализированыосновные типы имплантов по критерию их физических геометрических размеров. Полученныерезультаты этих исследований представлены в виде базы данных [5].

Изанализа физических размеров имплантов следует, что некоторые импланты, вчастности: зубные импланты, слуховые импланты, импланты сетчатки глаз и клапановсердца, - имеют достаточно незначительные размеры (миллиметры и даже сотыечасти миллиметра), поэтому для решения проблемы нанесения напыления на такиеизделия нужно разрабатывать специальное оборудование и использование промышленногоробота для этих целей не представляется возможным.

Кромеданной классификации, важной есть классификация по критерию материалаизготовления. В этом исследовании будем анализировать импланты из титана,поскольку этот металл по своим характеристикам наиболее подходит для созданияимплантов. Также важным для практического использования имплантов есть ихизготовление известными фирмами. Данные по материалу использования и офирмах-производителях имплантов собраны в виде базы данных [5].

Технология плазменного напыленияПроизводство металлических имплантатов состоит изэтапа изготовления самого импланта и этапа обработки его поверхности. Причемобработка поверхности является важным этапом, определяющим биологическуютолерантность (терпимость) имплантатов.

Имплантаты из титана и кобальтохромового составаизготавливают способом литья, фрезерования и токарной обработки, порошковойметаллургии, горячей штамповки, электрохимической обработки и штамповки споследующим фрезерованием.

Технологический процесс плазменного напыления вобщем случае состоит из предварительной очистки поверхности, активационнойобработки и непосредственно нанесения покрытия путем перемещения изделия относительноплазмотрона или наоборот.

Наведем некоторые технические характеристики данногопроцесса. Скорость перемещения 2...30 мм/сек, расстояние между плазмотроном иизделием 100...150 мм, диаметр пятна напыления 10...25 мм, толщина покрытия0,05...1,0 мм. Температура нагрева деталей при плазменном напылении непревышает 100...150ºС. Угол между осью потока частиц и восстанавливаемойповерхностью должен приближаться к 90°.

Плазмообразующим газом являются аргон или воздух.Расход аргона от 15 до 20 литров в минуту. В качестве порошкового материала,формирующего покрытие, используются различные материалы и сплавы, тугоплавкиесоединения, оксиды, полимеры и их композиции размером частиц до 100 мкм.

С увеличением толщины покрытия величина остаточныхрастягивающих напряжений возрастает, возникает опасность разрушения слоя,поэтому следует стремиться к получению покрытия минимальной толщины с учетомдопуска на возможный износ и припуск на обработку после напыления. Оптимальнаятолщина припуска составляет 0,15 мм, а для карбидных покрытий менее0,1 мм. Минимальная толщина покрытий после оплавления может составлять0,25 мм. Для покрытий равномерной толщины припуск на шлифование составляетот 0,1 до 0,4 мм в расчете на радиус. Усадка при оплавлении составляет20%. Для валов на участках запрессовки следует напылять покрытия толщиной0,13 мм независимо от диаметра.

Покрытие должно быть сплошным, однородного цвета,без частиц нерасплавленного металла, без трещин и отслоений. Шероховатостьпокрытия не более 80- 100 мкм.

Технологические режимы плазменного напыления определяютсявидом и дисперсностью материала, током плазменной струи и его напряжением,видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки ирасстоянием от сопла до напыляемой поверхности[2, 6].

Приведем некоторые технологии, которые используютсяпри плазменном напылении. Технология PVD (Physical Vapor Deposition) - этофизическое осаждение паров титана на поверхность изделия. Высокая точностьтолщины покрытия, исключительная твердость, средний диапазон температур(400-600°С) означает, что эти покрытия могут быть применены к широкому спектруматериалов.

Процедура нанесения PVD-покрытия состоит из следующемэтапов. Изделие, на которое наносятся PVD-покрытия, очищаются. Процесс очисткименяется в зависимости от уровня качества поверхности, материала подложки игеометрии. Изделия загружаются в вакуумную камеру на специальныеприспособления, предназначенные для оптимизации нагрузки камеры и обеспечения равномерногопокрытия. Вакуумная камера откачивается до 10-6 мм. рт. ст. (высокийвакуум), чтобы удалить все загрязняющие вещества в системе. В камеру напускаютинертный газ азот и подают напряжение на подложку, в результате образуетсятлеющий разряд. Это чистка изделия в тлеющем разряде для начальной стадииосаждения металла. Большой ток и низкое напряжение дуги подается на мишень(твердый материал, используемый для нанесения). Металл испаряется и мгновенноионы и основные свойства металла испарения (мишени) остаются неизменными втечение всего цикла осаждения металла. От изменения объема газа, типа газа вовремя реактивного осаждения изменяется структура покрытия керамики, карбидов,нитридов и оксидов.

Кроме того, поскольку эти покрытия обладают высокимимедико-биологическими свойствами, то нитрид титана (TiN) широко используют приизготовлении имплантов и других хирургических инструментов, в силу того, чтотакое покрытие обладает высокой коррозионной стойкостью к окислению.

Отметим, что в качестве покрытия широко используетсякарбонитрид титана, который позволяет увечить в 2-3 раза[2] сроки использования,поскольку добавление углерода увеличивает твердость на 80%.

Таким образом, системы плазменного напыления классифицированыпо критериям, которые характеризуют способ, тип напыления, расстояния дообъекта, вспомогательное оборудование. Для практического использованияполученных результатов была создана соответствующая база данных, в которуювключена также информация о фирмах-производителях.

Создание роботизированного комплекса для плазменного напыленияДоступное оборудование, имеющееся на базе Восточно-Казахстанскогогосударственного технического университета имени Д.Серикбаева включаетиндустриального робота фирмы Kawasaki RS-010L, с контроллером E40F-A001,компрессор с давлением до 6 атмосфер, плазмотрон с источником питанияДС120П.33, установку микроплазменного напыления МПН-004 разработанную винституте электросварки имени О.Е.Патона НАН Украины, с источником питанияфирмы Fronius Magic Wave 2200 Job G/F и охладитель к нему, а так жефрезерно-гравировальный станок с контроллером RZNC-0501.

Манипуляционный робот представляет собой устройство,состоящее из подвижных частей с шестью степенями свободы для перемещенияустановленного на нем оборудования по заранее заданному профилю, управляется посредствомпрограммируемого контроллера. На манипуляторе смонтировано устройство для плазменной обработки поверхности и длянанесения порошковых покрытий в потоке плазмы, в котором осуществляется генерацияплазменного разряда и подача плазменного потока или порошка в плазменной струев атмосфере аргона на подложку любой формы. Архитектура робота Kawasaki построенана AS языке, программное обеспечение (приложение) написано на языке C# длясоздания программ движения робота.

Основные характеристики робота Kawasaki RS-010L:количество степеней подвижности - 6; точность позиционирования - 0,06мм; максимальная линейная скорость - 13100 мм/сек; зонадосягаемости - 1925 мм; грузоподъёмность - 10 кг.

Для изготовления осесимметричных имплантов будетиспользоваться токарно-фрезерный станок типа NXT 1000, а для изготовленияимплантов любой сложности - фрезерный с ультразвуковой обработкой типа VU5 илиULTRASONIC 20. В комплексе эти два станка позволяют изготовить имплант любойсложности. Дополнительный комплект инструментов позволяет производить обработкутитана и его сплавов.

Установка предназначена для плазменного напыленияметаллических и керамическихповерхностей деталей и узлов, а также для восстановления изношенных поверхностей,к которым предъявляются повышенные эксплуатационные требования в отношенииизносостойкости, коррозионной стойкости, состоит из инверторного источникапитания с газоподготовкой, питателя порошка и плазмотрона. Техническиехарактеристики плазменной установки: мощность плазмотрона 2 кВт,производительность напыления от 2 до 3 кг/ч, рабочий ток плазмотрона 60А, рабочеенапряжение дуги 30 В.

К биосовместимым покрытиям имплантов предъявляютсяследующие требования: толщина покрытия должна быть в пределах от 300 мкм до 500 мкм, величина пор – от 150 мкм о300 мкм, прочность сцепления покрытий с основой согласно стандарту ISO 13779-2– не менее 15 МПа, пористость – до 50%, шероховатость – от 150 мкм до 300мкм. Параметры процесса напыления должны быть следующими: рабочий ток –16 А; расход плазмообразующего газа – 140 л/ч; дистанция напыления – 40 мм;скорость подачи проволоки – 3 м/мин, диаметр пятна напыления – 5-10 мм[2].

Таким образом, созданный роботизированный комплекспозволяет решить проблему плазменного напыления имплантов.

ЗаключениеВ силу использования промышленного робота с установкойплазменного напыления МПН-004, необходимо чтобы импланты имели достаточныефизические размеры. Поэтому для проведения экспериментальных исследований былиотобраны следующие импланты: имплант тазобедренного сустава; импланты коленногосустава; эндопротез плечевого сустава; имплант локтевого сустава; имплантголеностопного сустава; шеечный диафизарный имплант; имплант лучезапястногосустава; межфаланговый сустав пальцев кисти; пястно-фаланговый сустав пальцевкисти.

Дальнейшие исследования будут направлены на построениясистемы управления процессом плазменного напыления, построения траекторийдвижения промышленного робота и дополнительного оборудования для качественногонапыления биосовместимых покрытий на предложенные импланты.

Литература1. http://irobs.ru/robotyi\-dlya\-napyileniya1(дата обращения 25.10.2017.

  1. Alontseva D. Modelingof Processes Taking Place during Powder Coating Treatment by an Electron Beamor a Plasma Jet / D. Alontseva, A. Krasavin, T. Kolesnikova , A. Russakova //Acta Physica Polonica. – 2014. – vol. 125, is. 6. – Р. 1275-1279.

  2. Достанко А.П. Плазменная металлизация ввакууме. / А.П. Достанко, С.В. Грушецкий,Л.И. Киселевский, М.И. Пикуль, В.Я. Ширипов. – М.: Наука и техника, 1983. – 201c.

  3. Коробков А. В.Атлас по нормальной физиологии / А.В.Коробков, C.В. Чеснокова. – М.:Высшая школа, 1987. –351 с.

  4. Karymsakova I.B. Criteria for implantsclassification for coating implants using plasma spraying by robotic complex /I.B. Karymsakova, Iu.V. Krak, N.F. Denissova // Eurasian Journal ofMahtematical and Computer Applications. –2017. – vol. 5, is. 3. – P.44-52.

  5. Пузряков А.Ф. Теоретические основытехнологии плазменного напыления./ А.Ф. Пузряков. – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2008. – 360 с.
Nov 30, 2017