CC BY
31структурного моделирования.Стоит отметить, что способ производства услуг в порту является технологически эффективным, если не существует иного способа произвести данный объем услуг с меньшим количеством затрат хотя бы одного ресурса, при том же количестве затрат остальных ресурсов. Экономически эффективным будет такой технологически эффективный способ производства, при котором данный объем выпуска обеспечивается с наименьшими затратами.
Выводы и перспективы исследований
Применение ФСА в портах может улучшить управление и контроль над накладными расходами посредством выявления факторов, которые действительно определяют расходы. При техническом перевооружении грузовых портов на более высокопроизводительные перегрузочные машины, например, мобильные портовые краны требуется провести анализ изменения структуры издержек по отношению перегрузочному процессу в целом. Это связано с тем, что при повышении технической производительности процесса может существенно снижаться экономическая эффективность за счет скрытых факторов производства, непроизводственных простоев и не готовности портовой инфраструктуры перестроиться для использования МПК. Дальнейшее изучение использования метода ФСА для описания механизма технического перевооружения грузового порта сопряжено с проведением исследования влияния различных факторов надея-тельность грузового порта при помощи дробно-факторный эксперимента с использованием имитационного моделирования.
Литература
1. Arantes A., Fernandes C., Guedes A.P. (2000). «Logistic costs case study-an ABC approach. The Journal of the Operational Research Society, Vol. 51, No. 10, pp. 1148-1157.
2. Использование функционального анализа в практике деятельности предприятия /Н. Г. Николаева, И. Р. Ахметова, Е. В. Приймак, С. М. Горю-нова, Е. И. Кондратьева // Вестник Казанского технологического университета. - 2008. - С.148-154. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https ://cyberleninka. ru/article/n/ispolzovanie -funktsionalnogo-analiza-v-praktike-deyatelnosti-predpriyatiya
3. Сиротский, В.Ф., Трифанов, В.Н. Эксплуатация портов (организация и управление): Учебник для вузов водн. трансп. - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт. - 1984. - 280 с.
4. Титов А. В., Зайкова С. Н., Волынский И. А., Хмельницкая А. А. Современное состояние и проблемы использования внутренних водных путей (на примере Волго-Каспийского морского судоходного канала) : монография / под общ.ред. А. В. Титова. - Пенза: Научно-издательский центр «Со-циосфера», 2017. - 528 с.
5. Философия развития мобильных портовых кранов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.morproekt.ru/articles/nauchnye-stati/50-filosofiya-razvitiya-mobilnykh-portovykh-kranov-chast-1
6. Ханова А.А. Управление затратами грузового порта на основе функционально-стоимостного анализа / А.А. Ханова, А.С. Пономарева // Журнал «Известия высших учебных заведений. Северо-кавказский регион. Серия: Технические науки». -2011. - №3. - С. 116-119[Электронныйресурс]. - Ре-жимдо-
ступа:Ы^ ://cyberleninka. ru/article/n/upravlenie -
zatratami-gruzovogo-porta-na-osnove-funktsionalno-
stoimostnogo-analiza
7. Ханова, А.А. Управление затратами грузового порта на основе функционально-стоимостного анализа / А.А. Ханова, А.С. Пономарева // Известия вузов. Северо-кавказский регион. Технические науки. - 2011. - № 3. - С.116-119
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПУСТОТЕЛЫХ БЕДРЕННЫХ ЭНДОПРОТЕЗОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Слезко М.Ю.
Московский Политехнический Университет, магистр
Овчинников В.В.
Московский Политехнический Университет, д.т.н., профессор
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING HOLLOW ENDOPROSTHESES OF THE FEMUR FROM TITANIUM ALLOYS
Slezko M.Y.
Moscow Polytechnic University, master Ovchinnikov V. V.
Moscow Polytechnic University, doctor of technical sciences, professor
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассматривается вопрос совершенствования технологии изготовления полых тазобедренных имплантатов. Предлагаемая технология позволяет изготавливать составные протезы из различных сплавов, в зависимости от целесообразности. В результате проведенных исследований изготовлен пустотелый сварной бедренный эндопротез из титанового сплава ВТ1 -00. Также рассмотрены разные методы повышения износостойкости поверхности головки эндопротеза.
ABSTRACT
This article considers the issue of improving the technology of hollow hip implants. The proposed technology makes it possible to manufacture composite prostheses from various alloys, depending on the expediency. As a result of the studies, a hollow welded femoral endoprosthesis made of titanium alloy VT1-00 was made. Also, various methods for increasing the wear resistance of the surface of the endoprosthesis head are considered.
Ключевые слова: Бедренный эндопротез, масса эндопротеза, составной эндопротез, технический титан, сварка плавлением, увеличение жизнестойкости головки бедренного эндопротеза, покрытия.
Keywords: Femoral endoprosthesis, decrease in the mass of the endoprosthesis, composite endoprosthesis, technical titanium, fusion welding, increase in resilience of the head of the femoral endoprosthesis, coating.
Проблема создания надежных эндопротезов на сегодняшний день достаточно актуальна. По данным исследователей для удовлетворения потребностей мировой ортопедии в настоящее время требуется примерно до 1500 эндоцротезов ежедневно [1, 2].
При создании эндопротезов приходится сталкиваться с комплексом серьезных проблем:
- удовлетворение биологических и физиологических требований к имплантируемому материалу;
- обеспечение необходимой прочности и долговечности;
- создание надежной и технологичной конструкции, отвечающей специальным требованиям эндопротезов.
Важным аспектом для внедрения искусственных протезов играет их стоимость и трудоемкость изготовления.
В настоящее время в Центральном институте травматологии и ортопедии (ЦИТО) принята следующая технология изготовления бедренных протезов. Бедренная часть выполняется из титановой штамповки, а головка из сплава "комохром" (Со -60%, Мо - 5%, Сг - 35%). Их соединение обеспечивается прессовой посадкой. Придание протезу окончательной формы производится рихтовкой вручную. При этом между стержнем и головкой образуется щель, которая ухудшает качество протеза.
Изготовление протеза целиком из одного материала, например из сплава титана нецелесообразно, так как при этом не удовлетворяются требования, предъявляемые к износостойкости. При использовании материала с низкой износостойкостью продукты абразивного износа, образующиеся при трении головки сустава, раздражают ткани, что приводит к возникновению так называемого металлоза.
Сплав"комохром" обладает приемлемыми характеристиками по износостойкости, однако протезы из него тяжелые и сложны в изготовлении.
В связи с изложенным была исследована возможность создания сварных бедренных эндопроте-зов с минимальным весом и удовлетворительными параметрами по износостойкости и коррозионной стойкости.
Исследования проводились по двум направлениям:
1.Создание защитного коррозионного и износостойкого покрытия на поверхности протеза, выполненного из сплава ВТ1-00 литьем под давлением.
2.Изготовление пустотелых протезов из сплава ВТ1-00 методом сварки.
За основу технологии изготовления пустотелого эндопротеза был взят способ изготовления из трех элементов, а именно, стержня и составной головки. Головку изготавливали пустотелой с толщиной стенки 2,5 мм.
Составная головка целесообразна с точки зрения снижения массы протеза, так как плотность, например, "комохрома", довольно высока, и составляет 7,93 г/см3. Использование пустотелой головки протеза целесообразно и в случае их изготовления из титановых сплавов, так как способствует снижению массы эндопротеза.
Для обеспечения точности при сборке применялось замковое соединение. Такое соединение позволяет облегчить сборку деталей под сварку, а также использовать для получения различные методы сварки плавлением (аргонодуговую сварку, плазменную и лазерную сварку).
В данной работе сварка производилась в среде аргона вольфрамовым электродом без присадочной проволоки. Формирование шва было удовлетворительным (рисунок 1). Трещин и других внутренних дефектов после сварки обнаружено не было, в том числе и при проведении ультразвукового контроля (УЗК).
Рисунок 1 - Макроструктура сварного соединения
Был проведен металлографический анализ Микроструктура сварного шва до и после тер-
сварного соединения, выполненного на цилиндри- мообработки приведена на рисунке 2. ческом образце непосредственно после сварки и после термообработки по режиму: нагрев до 1200°С, выдержка 3 часа, охлаждение в воде.
в г
Рисунок 2 - Микроструктура основного металла и сварного шва: а - основной металла без термообработки; б - вершина шва без термообработки; в - корень шва без термообработки; г - металл шва после термообработки (х150)
Травление шлифов проводилось электролитически в растворе следующего состава: 6 см3 царской водки на 100 см3 воды.Напряжение 3- 4,5 В, время - 3 с.
Видимых значительных изменений в структуре основного металла после термообработки не
Изменение твердости основного металла и Зона замера твердости
После
Основной металл 20-
Сварной шов 23-
обнаружено. В сварном шве при этом произошла перекристаллизация с измельчением зерна. Замеры твердости, выполненные до и после термической обработки, показали, что твердость основного металла и металла сварного шва возросла примерно на 30% (таблица 1).
Таблица 3.1 металла шва после термической обработки
Твердость ЖС сварки После термической обработки
-23 30-33
-24 29-33
Так как при увеличении твердости соответственно возрастает износостойкость, при изготовлении протезов целесообразно проводить после сварки термообработку заготовок по указанному выше режиму.
На рисунке 3 показана последовательность технологических операций изготовления пустотелого эндопротеза.
Проводилась сравнительная весовая оценка бедренных эндопротезов из сплава ВТ1-00 и из сплава «комохром».
Масса протеза из сплава ВТ1-00составляет 204 г. Масса аналогичного протеза из сплава «комохром» - 367 г. Масса составного протеза (титановый стержень с головкой из "комохрома") составляет 210 г. Масса пустотелого протеза из сплава «комохром» равен 313 г.
Таким образом, применение "безщелевых" пустотелых эндоцротезов изготовленных из сплава ВТ1 -00, а также из данного сплава в сочетании со сплавом «котахром» приводит к существенному снижению массы при сохранении преимуществ конструктивного и технологического порядка, о которых упоминалось выше.
Рисунок 3 - Составная головка и стержень до сварки(а), внешний вид эндопротеза после сварки (б) и внешний вид эндопротеза после окончательной механической обработки (в)
Для повышения износостойкости и антимикробного действияприменяются разнообразные способы нанесения металлов на имплантаты (ионное напыление, гальванические электрохимические методы).
Сложность проблемы создания эффективных антимикробных покрытий заключается в том, что граница, лежащая между необходимым уровнем проявления антибактериальной активности и нежелательными цитотоксическими свойствами металлов, лежит в достаточно узком диапазоне.
Для создания покрытия на имплантате было использовано электролитическое и электронно-лучевое вакуумное осаждение хрома, а также создание на поверхности альфированного слоя.
При электролитическом хромировании на поверхность эндопротеза наносили чистый хром, используя чашу для гальванических покрытий, содержащую водные растворы CrOз и H2SO4.
После нанесения хромового покрытия эндо-протез подвергали термической обработке при 500 °С в течение 2-х часов с целью инициирования диффузии хрома в основной материал.
Однако металлографический анализ шлифа показал, что хром наносится неравномерно и кроме того во всей поверхности имеются отслоения (рисунок 4).
Рисунок 4 - Структура образца сплава ВТ1-0 с хромовым покрытием (х115)
в
Попытка заменить хромирование никелированием также привела к неудовлетворительным результатам, так как никель интенсивно отслаивается с поверхности титана.
При использовании метода электронно-лучевого нападения покрытие наносилось на опытной установке лабораториивакуумных технологий на образцы из сплава ВТ1-00. До напыления образцы предварительно полировались. В качестве материала для покрытия применялся сплав на основе кобальта и хрома в литой заготовке. Для устранения загазованности заготовки производился её предварительный переплав.
После напыления покрытия проводилась термическая обработка образцов по двум режимам:
а) нагрев в вакууме при 600°С в течение 5 часов;
б) нагрев в вакууме при 800°Св течение 1 часа.
На рисунке 5 представлены результаты металлографического исследования качества нанесенного покрытия. Из приведенных фотографий видно, что имеются зоны, где покрытие отслаивается либо имеет трещины, переходящие в основной металл.
а б
Рисунок 4 - Микроструктура образцов после электронно-лучевого напыления: отслоение покрытия (х100); б - трещина в покрытии, переходящая в подложку (х250)
Была предпринята попытка создания альфиро-ванного слоя на поверхности эндопротеза. Известно, что после создания на поверхности титанового сплава альфированного слоя титановые детали хорошо работают в условиях трения [3].
Альфирование проводилось в песке при 700°С в течение 10 часов. Образцы представляли собой пластины толщиной 4 мм с полированной поверхностью.
Определение микротвердости полученного при обработке альфированного слоя проводилось на косых шлифах на приборе ПМТ3 с нагрузкой 50 г. Общая глубина альфированного слоя составляла 9 мкм с микротвердостью 7000-7300 МПа при твердости сердцевины ^ = 2700 - 2900 МПа.
Микроструктура альфированного слоя и результаты измерения микротвердости приведена на рисунке 5 (косой шлиф).
а б
Рисунок 5 - Микроструктура альфированного слоя (а) и результаты измерения микротвердости (б)
(х200)
Одной из важных характеристик для эндопро-тезов является износостойкость. Поэтому были выполнены испытания сплава ВТ1 -00 на износостойкость при сухом трении скольжения.
Испытания на износостойкость проводились по схеме «диск-палец» на машине трения УМТ-1. Испытуемые образцы имели форму параллелепипеда сечением 5х5 мм и длиной 40 мм.
Одновременно испытаниям подвергались три образца на едином режиме, что повышало достоверность получаемых результатов и обеспечивало
устойчивую плоскость трения. Перед установкой испытуемых образцов в оснастку испытательной машины подвергали механической шлифовке с последующей электролитической полировкой, которая обеспечивала снятие наклепа с поверхностного слоя образца до начала испытаний.
В качестве контртела для испытываемых образцов из титанового сплава ВТ1 -00 использовался диск диаметром 200 мм, изготовленной из стали
а
ШХ15, которая подвергалась термической обработке с получением конечной величины твердости поверхности на уровне HRC = 62-65.
На рисунке 6 представлена зависимость снижения массы образцов сплава ВТ1-00 от дистанции пути трения. Полученную экспериментально зависимость можно условно разбить на несколько типичных участков. Условно всю зависимость потери массы образцов от дистанции пути трения можно разделить на участки с большой интенсивностью изнашивания образца (а, ь, с) и участки низкой интенсивностью снижения массы образца e, Г).
На начальной стадии установлено, что материал образца переходит на контртело с формированием слоя из перенесенного материала образца. На стадиях, характеризующихся низкой интенсивностью изнашивания испытуемых образцов на поверхности контртела исчезает дорожка изнашивания, оставляемая образцом. На поверхности трения испытываемых образцов формируются отдельные островки из вторичных структур. Указанные структуры имеют высоту10 мкм порядка от остальной поверхности образца при сравнительно плоской поверхности. Такие островки занимают порядка 512% от всей суммарной поверхности трения.
12
Ь, км
Рисунок 6 - Зависимость уменьшения исходной массы испытуемого образца от дистанции пути трения
для сплава ВТ1-0
Микрорентгеноспектральный анализ (МРА) поверхности островковых структур выявил, что помимо титана в них присутствуют кислород (до 55 ат. %), углерод и железо (до 4 ат. %).
Анализ основной поверхности трения показал, что указанных выше элементов в ее составе нет. По-видимому, присутствие углерода объясняется процессами взаимодействия испытуемого образца с контртелом.
Сравнение соотношений концентрации кислорода и концентрации титана говорит в пользу весьма вероятного присутствия в структуре материала островков диоксида титана ТЮ2.
С учетом данных морфологии островковых структур и их химическому составу, можно выдвинуть предположение, что материал таких структур
способствует повышению значений твердости при сохранении на достаточно высоком уровне пластичности. Наличие пленки диоксида титана ТЮ2 служит барьером для развития процесса интенсивного адгезионного взаимодействия указанных островков и контртела.
Испытания образцов с альфированным слоем на износ показали, что снижение массы образца в зависимости от протяженности пути трения имеет стадию приработки с меньшим износом по сравнению в исходным сплавом ВТ1-00 (рисунок 7). После разрушения альфированного слоя величины потери массы образцов выравниваются.
АР, мг
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5
0
01
2 3 4 5 6 7 8 Путь трения Ь, км
-■-А
9 10
Рисунок 7 - Потеря массы испытуемых образцов от длины пути трения для титанового сплава ВТ1-0
(К) и сплава ВТ1-0 с альфированным слоем (А)
Внешний вид поверхности трения образцов при большом увеличении представлен на рисунке 8.
К
а б
Рисунок 8 - Внешний вид поверхность трения сплава ВТ1-0 в исходном состоянии (а) и с альфированным
слоем (б) (х450)
Для сплава ВТ1-00 в исходном состоянии проявляется адгезионный характер изнашивания, что и определяет внешний вид поверхности трения.
Установлено, что адгезионное взаимодействие при трении имеет тенденцию к подавлению при испытаниях сплава ВТ1 -00 с альфированным слоем на поверхности.
Результаты проведенных исследований позволяют констатировать, что создание на поверхности эндопротеза альфированного слоя позволяет повысить износостойкость. В то же время существует
необходимость в проведении дополнительных исследований по оптимизации технологии обработки поверхности бедренного эндопротеза как для повышения его износостойкости, так и для подавления развития бактериальной активности в зоне установки эндопротеза.
На рисунке 9 представлен полученный в результате проведенной работы полый сварной бедренный эндопротез из титанового сплава ВТ1-00, подвергнутый альфированию поверхности.
Рисунок 9 - Сварной пустотелый бедренный эндопротез из титанового сплава ВТ1-00
Литература
1. Проблемы и перспективы применения титановых сплавов в медицине [Журнал] / Коллеров М.Ю., Спектор В.С., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Гусев Д.Е., Гуртовая Г.В. - М.: ЗАО "Межгосударственная Ассоциация "Титан"", 2015. - 48: Т.2 - С.14-21.
2. Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии [учебное пособие]/ Волова Т.Г., Шишацкая Е.И., Миронов П.В. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
3. Овчинников В.В., Учеваткина Н.В., Семен-деева О.В. Металловедение сварки титановых сплавов / учебное пособие. - М.: Издательство МГИУ, 2014. - 215 с.
