Wersja mobilna

 

Podaj swój e-mail, aby otrzymywać najnowsze informacje o naszej ofercie.


Technologie laserowe

 29.08.2018.

Technologia hybrydowa w zastosowaniu do produkcji indywidualnych implantów medycznych ze stopów tytanu.

Pafana 2018.

 

Hybrid technology used for the production of individual medical implants from titanium alloys.

Pafana 2018.

 

ANDRZEJ STYCZYŃSKI

KASPER FOGEL

WŁODZIMIERZ KOŁODZIEJ

JAROSŁAW WRÓBLEWSKI*

 

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.....

 

 


Przedstawiono efekt prac B+R w projekcie "Zaprojektowanie struktur powierzchni indywidualnych implantów medycznych wyprodukowanych w technologii hybrydowej z użyciem głowicy laserowej" w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój POIR.01.01.01. Udoskonalono technologię ubytkową obróbki implantów z medycznych stopów tytanu i opracowano technologię laserowej modyfikacji powierzchni implantu.

SŁOWA KLUCZOWE: narzędzia skrawające, obróbka tytanu, wydajność procesu, implanty.

 

The article presents result of R&D project ”Designing surface structures of individual medical implants manufactured by using hybrid technology with a laser head” as part of the Intelligent Development Operational Program POIR.01.01.01. As a result, the technology for the machining implants from medical titanium alloys has been improved and the laser technology modification at the implant surface has been developed.

KEYWORDS: cutting tools, machining of titanium, productivity, implants

 

Zrealizowane zostały dwa kamienie milowe, z których jeden dotyczył zwiększenia wydajności obróbki stopów tytanu wskutek zaprojektowania nowych narzędzi skrawających, a także zastosowania nowych metod obróbki z wykorzystaniem cieczy chłodzącej pod ciśnieniem 70 bar, dużych momentów sił skrawania, sztywnego układu dedykowanego do smukłych przedmiotów i zoptymalizowanych ścieżek narzędzia. W efekcie prac zwiększono wydajność obróbki ponad 10 razy i zmniejszono techniczny koszt wytworzenia 10 krotnie.

Drugi kamień milowy dotyczył modyfikacji powierzchni implantu za pomocą lasera, dzięki której uzyskano większą biozgodność w porównaniu do powierzchni niemodyfikowanej, a której miarą jest lepsza osteointegracja o 5% do 10% w stosunku do niemodyfikowanej powierzchni odniesienia.

OPTYMALIZACJA TECHNOLOGII FREZOWANIA STOPÓW TYTANU

Zespół specjalistów PAFANY opracował kompleksowo nową technologię dla wydajnej obróbki wyrobów medycznych ze stopów tytanu.

 

* Mgr inż. Andrzej Styczyński (andrzej.styczyński@pafana.pl), mgr inż. Kasper Fogel (k.fogel@pafana.pl), mgr inż. Włodzimierz Kołodziej (w.kolodziej@pafana.pl), mgr inż. Jarosław Wróblewski (j.wroblewski@pafana.pl) – PFN  "PAFANA" S.A.

 

Technologia ta może być również stosowana dla innych, skomplikowanych wyrobów z trudnoobrabialnych stopów tytanu, przykładowo dla części lotniczych.

W ramach projektu przeprowadzono badania i opracowano nowe konstrukcje frezów trzpieniowych monolitycznych.

Materiał ostrzy. Wykonanie kompletnej obróbki implantu wymagało stosowania frezów o średnicach od 3 do 16 mm. Wyboru materiału na frezy dokonano w oparciu o analizę stanu techniki, zalecenia producentów węglików spiekanych, a także własne badania i próby pracą. Zastosowano węgliki tzw. ultradrobnoziarniste [1]. W tablicy I podano niektóre własności fizyczne jednego z wykorzystywanych gatunków węglików.

TABLICA I. Własności fizyczne przykładowego ultradrobnoziarnistego węglika spiekanego

Wielkość ziarna [µm]

Gęstość [g/cm3]

Twardość [HV30]

Twardość [HRA]

Grupa zastosowań wg ISO

0,5-0,8

14,38

1600

91,9

K20-K40

 

Geometria frezów. Na podstawie prób i doświadczeń zebranych w PFN PAFANA S.A. w trakcie wykonywania implantów, opracowano wytyczne do konstrukcji frezów monolitycznych z węglików spiekanych służących do obróbki stopów tytanu (tab. II).

 

TABLICA II. Geometria frezów monolitycznych do obróbki stopów tytanu – zalecenia konstrukcyjne

Wielkości geometryczne frezów

Wartości zalecane

Kąt pochylenia krawędzi skrawającej

30°- 45°

Kąt natarcia obwodowy

10° - 16°

1-szy obwodowy kąt przyłożenia

8°- 13°

2-gi obwodowy kąt przyłożenia

18°- 25°

1-szy czołowy kąt przyłożenia

8°- 13°

2-gi czołowy kąt przyłożenia

18°- 25°

Promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej

     8 - 12 µm

 

Powłoki ochronne. Frezy monolityczne do obróbki stopów tytanu powinny posiadać powłoki zmniejszające współczynnik tarcia między ostrzem a wiórem, odporne na ścieranie i wysokie temperatury [2]. Na frezach do obróbki implantów stosowano dwa rodzaje powłok. Są to najwyższej jakości powłoki PVD, w których warstwa AlTiN lub AlCrN o wysokiej ciągliwości i twardości pokryta jest wierzchnią warstwą nanokompozytową (CrAlSiN) o bardzo wysokiej odporności na ścieranie.

Chłodzenie strefy obróbki. Obróbka stopów tytanu powinna przebiegać przy obfitym doprowadzaniu chłodziwa. Stosowano równocześnie doprowadzanie chłodziwa wewnętrzne - pod wysokim ciśnieniem (70 bar) i zewnętrzne -7÷10 bar. Badano frezy z otworami chłodzącymi centralnymi (osiowymi) i promieniowymi (3 otwory na obwodzie). W przypadku obróbki powierzchni krzywoliniowych (implanty) frezy monolityczne pracują głównie krawędziami czołowymi i promieniowymi narożami. Jak wykazały badania najlepszym rozwiązaniem jest wtedy stosowanie jednego centralnego otworu doprowadzającego chłodziwo pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio  do strefy obróbki i dodatkowe zewnętrzne podawanie chłodziwa. Frezy o małych średnicach (ø3 i ø6) pracowały z chłodzeniem kurtynowym (70 bar).

Wykonanie serii frezów trzpieniowych monolitycznych. Po wykonaniu serii próbnych i przeprowadzeniu testów, wykonano serie produkcyjne frezów o średnicach od 3 do 16 mm. Niektóre z nich przedstawia rys. 1.

 

Rys. 1. Frezy wykonane w PFN PAFANA S.A.

W projekcie zastosowano hybrydowe centrum obróbkowe Laser Da Vinci 1300 produkcji firmy CB Ferrari, którego możliwości technologiczne zostały dobrane pod kątem realizacji celu projektu (rys. 2).

Rys. 2. Widok centrum hybrydowego Laser Da Vinci 1300

 

Laser Da Vinci 1300 jest połączeniem 5-osiowego centrum frezarskiego i głowicy laserowej realizującej obróbkę w 5 osiach. Umożliwia ono wykonanie obróbki skrawaniem i obróbki laserowej w jednym zamocowaniu przedmiotu i uzyskanie gotowego implantu medycznego ze zmodyfikowaną strukturą powierzchni.

Obrabiarka ma bardzo sztywną budowę (m.in. korpus żeliwny z wypełnieniem cementowym) i dobre parametry dynamiczne. Duża moc elektrowrzeciona 28 kW (stała w zakresie od 4200 do 20000 obr/min) i znaczne obroty (przy wysokim momencie obrotowym) pozwalają realizować wydajną obróbkę skrawaniem stopów tytanu. Bardzo ważną cechą maszyny jest funkcja wewnętrznego podawania chłodziwa pod ciśnieniem 70 bar przez elektrowrzeciono. Podstawowe, istotne w projekcie, dane techniczne Laser Da Vinci 1300:

             prędkości ruchu posuwowego w osiach X,Y,Z: 0÷30 m/min,

             dokładność pozycjonowania (VDI/DGQ 3441): X/Y/Z – 0,010 mm

             moc silnika elektrowrzeciona: 28 kW – stała moc w dużym zakresie prędkości

             moment wrzeciona: 63 Nm przy obrotach 4200 obr/min

             obroty maksymalne elektrowrzeciona: 20000 obr/min,

Centrum wyposażone jest w dwie głowice laserowe: FLS352 i LFS300. Można nimi wykonywać: wiercenie otworów (min. ø0,05 mm), spawanie 5-osiowe na głębokość 0,25÷2,5 mm oraz cięcie 5-osiowe (min. średnica promienia tnącego ø0,05 mm, max. grubość cięcia 5 mm)

 

CHARAKTERYSTYKA UKŁADU OBRÓBKOWEGO I OPTYMALIZACJA ŚCIEŻEK NARZĘDZI W PROGRAMIE OBRÓBKOWYM

 

W badaniach opracowano konstrukcję i przebadano oprzyrządowanie dedykowane do smukłych przedmiotów obrabianych, których przedstawicielem jest implant żuchwy. W badaniach doświadczalnych przyjęto strategię obróbki w trzech liniowych osiach płynnych (X,Y,Z),  a pozycjonowanie do poszczególnych zabiegów odbywało się w czwartej osi obrotowej C. Piąta oś obrotowa B została wykorzystana do podparcia półfabrykatu w specjalnie zaprojektowanym przyrządzie, zwiększającym sztywność układu obróbkowego.

Przedmiot obrabiany został zamocowany na stole pochylno obrotowym poprzez uchwyt tokarski oraz podparcie konikiem w kle obrotowym z gniazdem walcowym z dociskiem (rys. 3). W półfabrykacie wykonano czop zgodny z geometrią gniazda przyrządu. W celu poprawy zamocowania wykonano również wkładkę specjalną do kła tokarskiego. Powyższy sposób zamocowania zapewnił pożądaną sztywność układu UPN podczas obróbki, co przełożyło się na osiągnięcie wymaganej jakości wykonania modelu.

 

Rys. 3. Układ obróbkowy z widokiem przyrządu i przedmiotu w trakcie obróbki wykończeniowej

 

Technologia obróbki ubytkowej została opracowana z wykorzystaniem oprogramowania CAM – hyperMill z postprocesorem dla tej maszyny. Umożliwiło to ciągłą pracę obrabiarki, przy jednoczesnym zminimalizowaniu czasu trwania cykli. Ścieżki narzędzi w programie obróbkowym zostały zaprojektowane z użyciem trzech strategii (rys. 4):

a)           obróbka zgrubna z półfabrykatu - ścieżki prowadzone równolegle do konturu modelu względem osi X, Y zagłębiające się względem osi Z,

b)           obróbka kształtująca i wykończeniowa - ścieżki prowadzone zygzakiem pod wybranym kątem względem osi X, Y i zagłębiające się względem osi Z

c)            obróbka kształtująca i wykończeniowa ze stałym dosuwem Z – ścieżki narzędzia generowane są na stromych obszarach ze stałym krokiem w osi Z. Osie X,Y poruszają się po spirali lub zygzakiem.

 


 

Rys. 4. Trzy strategie obróbki używane w technologii implantu żuchwy.


Przeprowadzono badania mające na celu zwiększenie wydajności obróbki, przy jednoczesnym utrzymaniu chropowatości powierzchni gotowego implantu Ra ≤2,5 µm. Wyniki ujawniły, że w przypadku obróbki zgrubnej przy zastosowaniu freza PAFANY o średnicy ø10 mm wydajność objętościowa obróbki została zwiększona czterokrotnie, uzyskując  wartość równą 3,1 cm3/min.

 

OCENA EFEKTYWNOŚCI PROCESU I WYNIK OPTYMALIZACJI TECHNOLOGII

 

W rezultacie optymalizacji technologii osiągnięto wyjątkowo korzystne wyniki skrócenia czasu obróbki oraz obniżenia technicznego kosztu wytworzenia rzędu 10÷12 krotnego ich zmniejszenia. Do oceny kosztu przyjęto model ekonomiczny stosowany w PAFANIE, który prezentowany był na IV, V i VI Szkole Obróbki Skrawaniem. Podczas realizacji badań obserwowano, zgodnie z normą ISO 8688, trzy formy zużycia ostrzy: starcie miejscowe VB3, wykruszenie miejscowe CH3 i zużycie katastroficzne CF.

Opracowano 5 wariantów obróbki skrawaniem z materiału wyjściowego prostopadłościennego o wymiarach 32 x 32 x 140 mm, które różniły się parametrami obróbki, strategią prowadzenia ścieżek narzędzi, odstępami od ścieżek, sposobem chłodzenia. Skrawanie prowadzono do momentu osiągnięcia zużycia VB3=0,3 mm lub zużycia CH3 lub CF lub do osiągnięcia nieakceptowalnej jakości powierzchni (Ra powyżej 2,5 µm). W kolejnych próbach testowano frezy pełnowęglikowe różnych producentów stosując zalecane przez nich parametry obróbki dla stopów tytanu oraz frezy zaprojektowane i wykonane w PAFANA. Efekty technologiczne poddano analizie Technicznego Kosztu Wytworzenia (TKW) operacji z podziałem na koszt maszynowy oraz koszt narzędziowy (tabl. III).

 

 

TABLICA III. Zestawienie czasów obróbki, wydajności i kosztów wytworzenia dla wybranego implantu (badania własne)

Nr

próby

Szczegóły próby

Czas główny  [min]

Średnia wydajność [cm3/min]

Koszt maszynowy [zł/szt]

Koszt narzędziowy [zł/szt]

TKW operacji [zł/szt]

0

IMPLANT1_Program "0"

Frezy konkurencji A: ø12r2 (Tc = 240 min),

ø6r3 (Tc = 80 min),ø3r1.5 (Tc = 180 min)

1 376

0,82

4 823,01

373,59

5 955,43

1

IMPLANT1_Program 2

Frezy konkurencji B: ø12r2 (Tc = 240 min),

ø8r4 (Tc = 180 min), ø6r3 (Tc = 80 min),

 ø3r1.5 (Tc = 180 min), ø6r1 (Tc = 120 min)

130

2,25

569,81

230,75

890,21

2

IMPLANT1_Program 5

IMFREZ 6 (Tc=120min) i IMREZ 8 (Tc=150min) z powłoką ALNOVA

101

2,93

445,52

124,20

639,81

3

IMPLANT1_Program 5

IMFREZ 6 (Tc=160min) i IMREZ 8 (Tc=150min) z powłoką TRIPLE Cr

101

2,93

442,33

98,22

610,14

 


Badania własne wykazały, że w stosunku do stanu wyjściowego (próba „0”) osiągnięto prawie 14 krotne skrócenie czasu obróbki (czas wykonania tg) oraz prawie 10 krotne obniżenie Technicznego Kosztu Wytworzenia operacji.

MODYFIKACJA POWIERZCHNI IMPLANTU

W celu osiągniecia lepszej osteointegracji implantu z kością w obszarze zespolenia, powierzchnię implantu poddano modyfikacji promieniem lasera. Po określonym działaniu wiązki otrzymano strukturę, która zapewnia dobre środowisko dla adhezji i wzrostu komórek kostnych. Było to badane w laboratoriach łódzkiego Bionanoparku i będzie publikowane w czasopismach medycznych.

Obróbka została zrealizowana się na centrum frezarskim Laser Da Vinci 1300 z użyciem głowic laserowych LFS (fiber laser – laser włóknowy) oraz FLS (flash lamp laser – laser pulsacyjny). Ustalone sterowanie generuje wysokoenergetyczne, impulsowe wiązki laserowe, a w miejscu jej oddziaływania materiał z powierzchni implantu jest natychmiast odparowywany lub rozpryskuje się, tworząc mikrostrukturę o charakterze nadtopień. Ogniskowana w okolicach powierzchni implantu laserowa wiązka zmienia topografię powierzchni tworząc siatkę nieprzelotowych otworów Ø~ 0,05 mm (rys. 5).


Rys.5. Przykład zmodyfikowanej powierzchni implantu medycznego (powiększenie x100 i x500)

 

W ramach projektu opracowano ponad 50 typów modyfikacji i przeprowadzono badania biologiczne oraz obrazowania przy pomocy mikroskopu skaningowego. Przeprowadzone testy pozwoliły na ocenę skutku kontaktu wybranych komórek z materiałem stosowanym do produkcji implantów medycznych – Ti6Al4V ELI. Wyniki wykazały korzystny wzrost komórek kostnych (osteoblastów) na badanych powierzchniach, zauważalne są również zmiany w ekspresji genów szlaku odpowiedzialnego za osteointegrację.

 PODSUMOWANIE

W wyniku opracowania nowej, kompleksowej technologii wytwarzania, obejmującej nową konstrukcję narzędzi, dobór kinematyki obrabiarki i charakterystyki mocy, momentu obrotowego, opracowanie dedykowanego przyrządu i doboru ścieżek i parametrów obróbki uzyskano ponad 10 krotne zwiększenie wydajności obróbki. Tylko takie kompleksowe podejście do procesu pozwala wypracować ponadprzeciętny efekt ekonomiczny w obróbce medycznych i technicznych stopów tytanu.

Modyfikacja powierzchni implantu w wersji ostatecznie wybranej spośród kilkudziesięciu rodzajów potwierdziła w badaniach biologicznych, że dzięki strukturyzacji powierzchni implantu poziom osteointegracji wzrośnie o 5 do 10%.

Obydwie te cechy: wydajność procesu wytwarzania i poprawa biozgodności stwarzają ogromne możliwości rozpowszechnienia indywidualnych implantów medycznych twarzoczaszki, gdyż znika bariera cenowa a koszt operacji chirurgicznej wszczepienia implantu w wyniku jej skrócenia do 2 – 3 godzin zamiast 10 – 12 godzin jest konkurencyjny do metod powszechnie stosowanych.

 

LITERATURA

 

1. CICHOSZ P. „Narzędzia skrawające”, Warszawa, PWN, 2006.

2. GRZESIK W. „Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych”, Warszawa, PWN, 2010.

 

Do pobrania: Artykuł (Word)

                      Artykuł (Pdf.)

KONTAKT:

                e-mail: laser@pafana.pl

                Telefon:+48 695 2140 006

DO POBRANIA PLIK PDF: TECHNOLOGIE_LASEROWE_PL

ZOBACZ FILM NA YOUTUBE.PL - LINK:www.youtube.com/watch

 

 

Design by Venti