Inegi использует ProCAST для производства индивидуальных эндопротезов тазобедренного сустава

Производство эндопротезов тазобедренного сустава включает литье деталей, имеющих большое соотношение длины к диаметру. Использование сложных литейных технологий и дорогих титановых сплавов связано с необходимостью получения изделий с очень высоким уровнем прочности. Специалисты компании Inegi, производящей такие протезы, используют ProCAST для отработки технологии литья с целью повышения качества изделия и сокращения себестоимости.

Задачи компании

Эндопротез тазобедренного сустава (рис. 1) является исключительно индивидуальным изделием, выполняемым в соответствии с конкретными анатомическими особенностями пациента. Не смотря на конструкционную сложность, протезы должны выдерживать эквивалент более миллиона циклических нагрузок в год в течение всего эксплуатационного срока в человеческом теле.

Рис.1. Эндопротез тазобедренного сустава (предоставлено: http://orthoinfo.aaos.org/)

Несмотря на то, что современная рентгенография позволяет сконструировать точную геометрию протеза в зависимости от анатомических особенностей пациента, производство изделий с таким высоким уровнем требований до сих пор основано на методе проб и ошибок, требующий больших денежных и временных затрат.

Inegi – некоммерческая организация в Португалии, выполняющая научно-исследовательские, проектные и конструкторские работы для широкого круга отраслей промышленности – приняла решение обратиться к компьютерному моделированию для создания наиболее эффективной технологии, подходящей для конкретного протеза. Их задачей было устранить такие литейные дефекты, как усадочная пористость и остаточные напряжения, так как они могут ускорить усталостное разрушение и сократить срок службы протеза. Цель состояла в обеспечении комфорта и безопасности для пациента, и в то же время снижении затрат на производство и замену протезов.

Проектирование технологии литья эндопротезов

Литье по выплавляемым моделям является наиболее подходящим процессом для производства отливок с уникальными свойствами, требующих исключительной точности. Для производства отливок изготавливается модель протеза на установке 3D прототипирования вместе с тщательно разработанной литниковой системой. Данная прототипированная модель используется для формирования восковых моделей (рис. 2), которые, в свою очередь, являются основой для процесса литья по выплавляемым моделям.

Рис. 2. Восковая модель отливки

Средняя ножка протеза имеет толщину от нескольких миллиметров до 2 см при длине 10-15 см. Такая большая разница в отношении длины к диаметру, как правило, приводит к появлению низких температурных градиентов в процессе кристаллизации отливки. Это влечет за собой появление осевой пористости вдоль ножки отливки, неизбежно сокращая жизненный цикл изделия. Также подпитка металлом ножки протеза затруднена из-за шейки отливки, которая имеет меньший диаметр, чем сама ножка. Шейка и головка отливки также подвержены появлению усадочной пористости. На рис. 3 показано сравнение результатов моделирования пористости с сечением головки реальной отливки. В таких условиях решение, позволяющее устранить подобные дефекты, должно включать изменение литниковой системы и параметров технологического процесса. Устранение нежелательной пористости традиционным методом проб и ошибок – это трудоемкий и дорогой процесс, так как требует создания нескольких моделей, начиная с этапа прототипирования, для получения подходящей восковой модели.

Рис. 3. Результаты оценки усадочной пористости в ProCAST: выявлена концентрация дефектов в поперечном сечении головки эндопротеза

Рис. 4. Исходная и оптимизированная литниковая система

Рис. 5. Конечная оптимизированная геометрия без усадочных дефектов в отливках: результаты моделирования в ProCAST (слева), произведенная отливка протеза (в центре) и результаты рентгенографии отливок (справа)

Переход к моделированию

Первоначально отработка технологии подобных эндопротезов в Inegi достигалось путем проведения пробных испытаний непосредственно на производстве. Как правило, при испытаниях корректировалась температура заливки и температура подогрева оболочки, что не приводило к требуемым результатам. Конечные отливки часто имели осевую пористость и нежелательную шероховатость поверхности.

Испытывая подобные затруднения, Inegi обратилась за помощью к компании Análisis y Simulación и программному обеспечению ProCAST от ESI Group. Для получения характеристик специального сплава Ti6Al4V в высокотемпературном интервале, использовалась термодинамическая база данных. ProCAST также помог получить Inegi более полное представление о лучшей последовательности заполнения и последующих температурных градиентах в различных сечениях отливки и оболочки.

Специалисты Unegi смогли подготовить несколько серий расчетов для определения оптимальной конструкции литниковой системы (рис. 4). Они создали уникальную схему утепления оболочки для управления распределением тепла и поддержания подпитки металлом ножки протеза в процессе затвердевания сплава. Отливки, произведенные по данной технологии, не имели усадочных дефектов и соответствовали высоким эксплуатационным требованиям эндопротезов тазобедренного сустава. Шероховатость поверхности отливок была улучшена после замены материала контактного слоя оболочки. Высокий уровень качества производимых отливок был подтвержден результатами рентгенографии (рис. 5).

Основываясь на данном успехе, Inegi продолжает использовать ProCAST для моделирования литейных процессов.

“Научные методы всегда могут помочь нам сэкономить время и деньги. ProCAST – это тот самый инструмент, помогающий технологам найти правильное решение. Для литья по выплавляемым моделям ProCAST может построить несколько слоев оболочки и утеплителя для расчетной модели, что позволяет получить более точное распределение теплового поля.”

Nannan Song
Старший научный сотрудник
Технологии специального литья и быстрого прототипирования, Inegi