Плазменное напыление в производстве имплантатов

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО  САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ КПЭ»

на тему: «ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИМПЛАНТАТОВ» 
 
 
 

                                                    Выполнил: студент группы ВМТ-41

                                                                Коломиец И.А

                                                    Проверил:  д.т.н., профессор каф. БМА

                                                                      Таран В.М. 
 
 

Саратов, 2011

       СОДЕРЖАНИЕ:

       Введение…………………………………………………………………..3

       1 Разработка структурной схемы плазменного напыления……………5

       2 Разработка конструктивной схемы генератора плазменного напыления…………………………………………………………………………8

       3 Разработка функциональной схемы механизированной установки для обработки плазменным напылением………………………………………11

       4 Расчет размеров частиц, наносимых  на обрабатываемое вещество в  процессе плазменного напыления………………………………………….…..15

       Заключение………………………………………………………..……..17

       Список  литературы………………………………………………..…….18

       Приложение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

       Важной  и перспективной проблемой современной  стоматологии является исправление  дефектов зубных рядов посредством  имплантатов. В настоящее время  на практике широкое применение нашли  конструкции имплантатов сложной  структуры. Они, как правило, состоят из основы, системы переходного слоя и тонкого биокерамического слоя.

       Материалом  основы чаще всего служат титан или  нержавеющие стали; они обладают хорошей стабильностью и безопасны  для живого организма. Имеется широкий  выбор конструкций формы основы имплантатов, позволяющей исправить дефекты верхней и нижней челюсти, передних зубов, обеих челюстей. Однако серьезной проблемой в этом случае является отторжение имплантата костной тканью и нарушение границы контакта живая ткань – поверхность имплантата. В результате чего происходит смещение имплантата и как следствие невозможность выполнения им своей функции. Поэтому радикальным способом решения указанной проблемы является формирование на поверхности имплантата тонкого биологически активного слоя с определенными пористой структурой, морфологией поверхности, адгезионно-когезионными и другими свойствами. При введении в костную ткань таких имплантатов происходит эффективное прорастание кости в поры покрытия. Или точнее, в процессе заживления происходит интеграция пористопорошкового тонкого слоя напыленной гидроксилапатитовой керамики в собственную костную ткань тела. Это обеспечивает прочное и длительное закрепление имплантата и нормальное его функционирование в организме.

       На  титановую основу имплантата с помощью технологии плазменного напыления наносится переходный пористый слой из порошка титана, а затем слой биологически активной керамики, прочно соединенной с основой. Благодаря распределению керамики по пористой структуре металла достигаются полное приращение к кости реципиента, а также химико-физиологическая стабильность, что позволяет рассматривать данное вещество как почти идеальное для внутрикостной имплантации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ  ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

       Создание высококачественных плазмонапыленных покрытий для изделий медицинского назначения с заранее программируемыми свойствами требует решения ряда проблем. В первую очередь к ним следует отнести разработку, изготовление и внедрение в производство автоматизированного технологического оборудования и оптимизацию технологий напыления металлических, биокерамических, полимерных, композиционных и других типов покрытий.

       Процесс плазменного напыления порошковых материалов состоит из следующих  основных этапов: транспортировки напыляемого порошка в высокотемпературную (Т = 5…10×10³К) зону плазменной струи; разогрева частиц порошка до жидкопластического состояния и их разгона до высоких скоростей (V = 200 м/с и более); формирование покрытия. В целом обобщенная структурная схема базовой модели плазменного напылительного оборудования состоит из следующих подсистем (рис.1) [1]:

• генератора низкотемпературной плазмы (плазмотрон);
• подсистемы дозированной транспортировки порошков (порошковый питатель);
• газовакуумной подсистемы, обеспечивающей необходимые условия при разогреве порошков, их транспортировке и формировании покрытий;
• транспортно-позиционирующих устройств напыляемой детали и генератора плазмы, обеспечивающих доставку в зону напыления и взаимное ориентирование напыляемой детали и плазмотрона;
• подсистемы энергообеспечения и источников питания;
• подсистемы управления.

       Научно-методические и организационно-технические аспекты  разработки высокоэффективного плазменного  оборудования и внедрение его  в серийное производство базируются на глубоких научных обобщениях, эффективных технологиях и результатах комплексных исследований свойств покрытий (рис.1,2).  

       Рис.1- Структурная схема автоматизированного  базового комплекса плазменного  напыления

       Рис.2- Структурная схема разработки, внедрения технологии и оборудования напыления в производство 
 
 
 
 
 
 
 

       2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ  ГЕНЕРАТОРА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

       Формирование  низкотемпературной плазмы производится в виде плазменной струи 2 с использованием плазмотрона – источника плазмы (рис.3) [2]. Плазмообразующий газ попадает в разрядную камеру 6 с выходным, охлаждаемым соплом 4, где создается мощный электродуговой разряд с помощью сопла-анода 4 и специального электрода-катода 5, питаемых постоянным током, либо образуется высокотемпературное ядро за счет переменного тока высокой частоты и индуктора.

       Рис.3- Схема плазменного напыления  дуговым плазматронном: 1- поверхность  основы; 2- поток плазмы и напыляемых частиц; 3- ядро плазменной струи; 4- сопло-анод; 5- электрод-катод; 6- разрядная камера

       Дуговые плазмотроны как более простые  и надежные применяются для напыления, высокочастотные плазмотроны с  повышенной температурой и частотой плазменной струи используются в  плазмохимических процессах.

       Электрическая дуга в плазмотроне может быть зависимой  (прямой) либо независимой (косвенной).

       Зависимая электрическая дуга создается между  электродом плазмотрона и изделием, за счет чего изделие получает дополнительную долю тепла. Это увеличивает тепловой КПД плазмотрона и обуславливает  его применение для плазменной обработки электропроводных материалов: резки, сварки, наплавки, плавления и т.д.

       Независимая дуга образуется между электродом и  соплом плазмотрона так, что изделие  получает тепло только от плазменной струи, при этом несколько снижается тепловой КПД плазмотрона, но упрощается система возбуждения дуги и создается возможность плазменного воздействия также и на неэлектропроводные материалы. Поэтому для напыления, химического синтеза, нагрева применяются плазмотроны с независимой дугой.

       С целью обеспечения герметичности  системы охлаждения плазмотрона  между корпусными узлами и изолятором, а также между корпусными деталями и электродами применяются резиновые  и фторопластовые уплотнения.

       Вода  в плазмотрон подается по шлангу, в  котором размещен токоподвод к анодному узлу, слив воды производится через шланг с токоподводом, соединенным с катодным узлом.

       Анод, как правило, изготавливают из меди М1 по ГОСТ 859-78. Применение марок М0 и М00 позволит повысить долговечность анода ввиду улучшения показателей теплопроводности и электропроводности. Для снижения эрозионного износа сопла используют вольфрамовые вставки во внутренний канал анода. Для плазмотронов, работающих на инертных или восстановительных газах, применяют катод из вольфрама, например, марки ВЛ-4 по ТУ 48-19-27 – 72.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

       В состав установки для плазменно-дугового напыления покрытий помимо плазмотрона  входят (рис.4) [3]: источник питания постоянного тока (выпрямитель с регулятором силы тока); пульт управления с контрольно-измерительными и регулирующими приборами, оборудованием для зажигания дуги; порошковый питатель; система газоснабжения и водяного охлаждения; система автоматической блокировки в случае аварийных ситуаций (падение давления воды, плазмообразующего газа, короткое замыкание и т.п.).

       В качестве источника питания используют выпрямители типа ИПН-160/600, АПР-402, ПД 502У2 и др. Перспективным является применение для этих целей тиристорных источников постоянного тока.

       Одним из важнейших узлов установки  является система водяного охлаждения плазмотрона, во многом определяющая его  долговечность и надежность. Наличие в охлаждающей воде загрязнений, высокое содержание солей приводит к образованию на охлаждаемых поверхностях пленки, ухудшающей теплоотвод, к быстрому выходу электродов из строя. В связи с этим во многих современных установках плазменно-дугового напыления применяют автономные системы охлаждения.

       Одним из важнейших узлов установки порошкового плазменного напыления является порошковый питатель. Такие показатели его работы, как точность регулирования расхода порошка, стабильность дозировки и широта диапазона возможных для использования размеров частиц, существенно влияют на надежность эксплуатации установки, а также на свойства получаемых покрытий.  

       Рис.4- Функциональная схема установки  для плазменного напыления покрытий: А- амперметр; V- вольтметр; З- защита амперметра и вольтметра; ЗИП- защита источника питания; НМ- напыляемый материал; ИП- источник питания; М- манометр; О- осциллятор; П- кнопка «Пуск»; ПП- порошковый питатель; ППП- привод порошкового питателя; Р- расходомеры; РВ-реле давления воды; ТЗ- термозащита; РТ-регулятор силы тока; С- кнопка «Стоп»; УВН- управление включением напряжения; УВИ- управление включением источника; УПП- управление порошковым питателем  

       На  рис. 5 представлена установка плазменного  напыления порошковых материалов типа УПУ [2]. Установка такого типа имеет рабочую камеру 1 с вытяжной вентиляционной системой 2, механизмами позиционирования изделий 3, устройством 4 перемещения универсального плазмотрона 6. Система охлаждения плазмотрона использует дистиллированную воду и является замкнутой, система газопитания предусматривает возможность подачи двух плазмообразующих газов и транспортирующего газа из баллонной установки 8. Порошковый питатель  5 сдвоенной конструкции позволяет подавать два вида порошков для получения сложных покрытий. Шкаф управления 7 содержит измерительные сигнальные и регулирующие приборы для контроля параметров технологического режима и управления процессов напыления. Источник питания 9 трансформаторного типа имеет эффективную схему тиристорного управления током дуги плазмотрона.

       Рис.5- Установка плазменного напыления порошковых материалов типа УПУ: 1- рабочая камера; 2- система вытяжной вентиляции; 3- механизм позиционирования изделий; 4- устройство перемещения плазмотрона; 5- питатель; 6- плазмотрон; 7- шкаф управления; 8- газовые баллоны; 9- источник питания

       Перед напылением производится предварительная  откачка камеры форвакуумным насосом  до давления (1,33…6,6)*10³ Па, после чего включается подача водорода до его давления (1,33…66,6)*10² Па и подается высокое напряжение на изделие-катод и специальный анод, чем создается тлеющий разряд для ионно-плазменной очистки поверхности изделия. Для напыления в контролируемой среде затем производится откачка водорода до давления 13,3 Па и включается подача инертного либо активного газа до давления 1,3*10⁴ Па, в котором выполняется напыление. Для напыления в вакууме после очистки поверхности изделия проводится откачка водорода до давления (6,6…13)*10³ Па, при котором надежно зажигается дуга плазмотрона, затем при стабильном горении дуги начинается напыление и создается динамический вакуум на уровне 133…5*10⁴ Па за счет постоянной откачки поступающих в камеру плазмообразующего и транспортирующего газов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       4 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ, НАНОСИМЫХ НА ОБРАБАТЫВАЕМОЕ ВЕЩЕСТВО В ПРОЦЕССЕ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

       Необходимо  найти взаимосвязь размеров исходных титановых частиц и технологических режимов их нанесения на поверхность имплантата. Очевидно, что размер исходной «сфероидной» частицы может быть найден из равенства ее объема и суммы объемов твердого ядра и расплавленной оболочки [4]:

       где D – размер исходной частицы, м.

       Объем ядра может быть найден из выражения:

                                                         V_я = 1/6 (πd³),                                          (2)

       где d – диаметр ядра частицы, приравненный размеру элемента шероховатости костного ложа, м.

       Объем расплавленной оболочки частицы  равен:

                                                          V_распл = m_ч/ρ_ч ,                                        (3)

       где m_ч – масса расплавленного материала частицы, кг;

             ρ_ч – плотность материала частицы, кг/м³.

       Из  этих выражений следует 

                                             1/6πD³ = (m_ч/ρ_ч) + 1/6 (πd³).                                     (4)

       Масса расплавленной оболочки частицы  может быть найдена из известных  выражений:

                                                         Q = CT_пл m_ч;                                            (5)

                                                           Q = UIη,                                                 (6)

       где I – ток дуги, А;

            U – напряжение, В;

            Η – КПД плазменной струи.

       Приравняв выражения (5) и (6), получим выражение  для m_ч:

                                                        m_ч = UIη / CT_пл                                        (7)

       Подставив выражение (7) в уравнение (4) и применив ее к шероховатости контактирующей поверхности, получим зависимость для нахождения размеров наносимых частиц:

       В случае, если необходимый размер частицы D не может быть получен предварительным рассевом, или для формирования пористой структуры покрытия необходим другой размер частиц, получить требуемую величину элементов шероховатости покрытия можно подбором тока дуги, который относительно просто определить из выражения (8):

       Исходные  данные:

       R_z = 18 мкм;

       U = 20 В;

       I = 338 A;

       η = 0,075;

       ρ_ч = 4520 кг/м³;

       С = 1962 Дж/(м.с.К);

       Т_пл = 1833 К.

       Таким образом, подставив исходные данные в выражение (8),получим

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

       Как свидетельствуют клиническая практика и многочисленные литературные данные, внутрикостные имплантаты с биокерамическим  покрытием находят все большее  применение в ортопедической стоматологии при восполнении дефектов зубных рядов. Благодаря этому в значительной степени удается решить проблему реабилитации пациентов со стоматологическими заболеваниями.

       По  мере разработки новых концепций  в технологии, производстве и применении имплантатов в стоматологии значительно  возросли требования к функциональным, просностным и эстетическим параметрам ортопедических конструкций. Совершенствование их достигается комплексным решением конструкторско-технологических и материаловедческих продлем с непосредственным поиском и оптимизацией средств, а также методов прведения операций и последующего лечения с учетом индивидуальных особенностей пациента.

       Центральной проблемой научных исследований и успешного использования внутрикостных  имплантатов является биологическая  совместимость, а также взаимодействие живой ткани и имплантата. В этой связи особое значение придается исследованиям в области создания биологически активных материалов. Тщательно разрабатываются современные методы нанесения системы покрытий на ту часть имплантата, которая непосредственно взаимодействует с живой тканью.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Применение плазменного напыления в производстве имплантатов для стоматологии / В.Н. Лясников, В.В. Петров, В.Р. Атоян, Ю.В. Чеботаревский; Под общ. ред. В.Н. Лясникова.- Саратов: СГТУ, 1993.-40с.
2. Напыленные покрытия, технология и оборудование: Учеб. пособие / К.Г. Бутовский, В.Н. Лясников, Саратов. СГТУ,1999. 120с.
3. Борисов Ю.С., Борисова А.Л. Плазменные порошковые покрытия.- К.: Техника, 1986.- 223с., ил.- Библиогр.: с. 208-221.
4. Журнал «Технология металлов» №6,  Издательство ООО «Наука и технологии», 2008