Κατεργασιμότητα λίαν υψηλής ακριβείας βιολογικών εμφυτευμάτων τεχνητού ισχίου

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σκοπό την παρουσίαση και τη μελέτη της κατεργασίας εμφυτευμάτων ισχίου, καθώς και εργαλείων για την κατασκευή αυτών με βάση τις κατεργασίες λίαν υψηλής ακριβείας και συγκεκριμένα κατεργασίες υψηλών ταχυτήτων. Η εργασία χωρίζεται σε εφτά κεφάλαια, όπου σε κάθε ένα αναπτύσσεται ένα σημαντικό θεωρητικό, πειραματικό ή υπολογιστικό κομμάτι με βάση το παραπάνω θέμα. Στο πρώτο κεφάλαιο εξετάζονται οι κατεργασίες με αφαίρεση υλικού, ένα πολύ σημαντικό κομμάτι της βιομηχανικής παραγωγικής διεργασίας. Δίνεται έμφαση στις κατεργασίες υψηλής και λίαν υψηλής ακριβείας και συγκεκριμένα για την τόρνευση υψηλών ταχυτήτων. Επιπλέον, παρουσιάζεται όλη η τεχνογνωσία πάνω στις κατεργασίες αυτές, και ότι έχει να κάνει με την επιλογή των συνθηκών κατεργασίας και τα κοπτικά εργαλεία. Τέλος παρουσιάζονται διάφορα μοντέλα υπολογισμού των δυνάμεων για την τόρνευση και ποια από αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό των δυνάμεων σε υψηλές ταχύτητες, καθώς επίσης και την αποτελεσματικότητα της κατεργασίας αυτής με βάση την τελική ποιότητα επιφάνειας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα εμφυτεύματα ισχίου, τόσο οι κεφαλές, όσο και τα προθέματα ισχίου, τα κοτυλιαία προθέματα και τα κυπέλλια. Γενικά γίνεται ένας χωρισμός των υλικών σε μεταλλικά, κεραμικά και πολυμερή και παρουσιάζονται οι γενικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητές τους. Τέλος γίνεται μια παρουσίαση των προβλημάτων και των αστοχιών που εμφανίζονται στα εμφυτεύματα, λόγω των φορτίσεων και της φθοράς τους κατά το βάδισμα του ασθενή. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο γίνεται η κατεργασία των μηριαίων κεφαλών, τόσο μεταλλικών όσο και κεραμικών, τις παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη, καθώς και οι παράγοντες εκείνοι που λαμβάνουν χώρα κατά τη διεργασία και επηρεάζουν την επιτυχή ή όχι έκβαση της μεθόδου, όπως πχ. οι δυνάμεις κοπής. Η κατεργασία τους πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο σε τόρνο ψηφιακά καθοδηγούμενο με υψηλές ταχύτητες κοπής και κίνηση ακριβείας στους δυο άξονες. Οι συγκεκριμένες μετρήθηκαν, κατά τη διάρκεια κατεργασίας των μεταλλικών κεφαλών, και συγκρίνονται τόσο με υπολογιστικά μοντέλα, που παρουσιάστηκαν στο πρώτο κεφάλαιο, όσο και με τα αποτελέσματα από πακέτα πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατεργασία ενός καλουπιού κατασκευής μηριαίου προθέματος. Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται τα προθέματα είναι κράματα τιτανίου, τα οποία είναι δυσκολοκατεργάσιμα με κατεργασίες κοπής, για αυτό και κατασκευάζονται με τη βοήθεια θερμής σφυρηλασίας. Μια τέτοια μήτρα, κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής στο κέντρο κατεργασίας του εργαστηρίου. Επειδή τα προθέματα είναι κατασκευές, με πολύπλοκο σχήμα, άκρως καθορισμένο από τα διεθνή πρότυπα, που αποτελείται από μια σειρά καμπύλων, θεωρούνται ως γλυπτές επιφάνειες. Στο παρόν κεφάλαιο, θα παρουσιαστεί ο σχεδιασμός του καλουπιού, ο καθορισμός και προγραμματισμός της κατεργασίας στο κέντρο κατεργασίας και τέλος η ίδια η κατεργασία του καλουπιού. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθόδος ελέγχου της ακρίβειας των εμφυτευμάτων. Γενικά τα εμφυτεύματα υπόκεινται σε αυστηρή τυποποίηση, με βάση τα διεθνή πρότυπα, τόσο από άποψη κατασκευής όσο και από άποψη ελέγχου. Όσον αφορά στο δεύτερο, έχει να κάνει με δυο πράγματα, την ακρίβεια της κατασκευής που αφορά στις διαστάσεις και την ποιότητα της επιφάνεια και το δεύτερο στην αντοχή τους τόσο σε στατική όσο και δυναμική φόρτιση. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού, είναι να μελετηθεί η ακρίβεια των εμφυτευμάτων που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο, μεταλλικά και κεραμικά, και θα γίνει μια προσπάθεια να εξαχθούν αριθμητικά μοντέλα, που να περιγράφουν την ποιότητα επιφάνειας σε σχέση με τις παραμέτρους κατεργασίας. Επιπλέον θα γίνει και παρουσίαση της ακρίβειας κατασκευής του καλουπιού μιας και παίζει σημαντικότατο ρόλο στην κατασκευή του προθέματος ισχίου. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο έλεγχος στατικής αντοχής των μηριαίων κεφαλών εμφυτευμάτων ισχίου. Εκτός από τον διαστατικό έλεγχο και τον έλεγχο της επιφανειακής τραχύτητας, θα πρέπει τα εμφυτεύματα να περνούν και μια σειρά από ελέγχους αντοχής, μιας και η καταπόνησή τους στο ανθρώπινο σώμα κατά το περπάτημα είναι σημαντική και μερικές φορές, ανάλογα με το είδος της κίνησης το φορτίο φτάνει την εικοσαπλάσια τιμή του βάρους του ασθενούς. Για το λόγο αυτό μια σειρά από ελέγχους, τόσο στατικούς όσο και δυναμικούς, έχουν θεσπιστεί με βάση τα διεθνή πρότυπα για την αντοχή των εμφυτευμάτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκαν μόνο οι στατικοί, τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά με τη χρήση πακέτου πεπερασμένων στοιχείων, για την καλύτερη συσχέτιση και σύγκριση των τιμών. Τέλος στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση των ολικών συμπερασμάτων της εργασίας από την πειραματική και υπολογιστική μελέτη της κατασκευής των εμφυτευμάτων και του ελέγχου τους, τόσο στην αντοχή τους όσο και στην ακρίβειά τους.

The present thesis has the aim of presentation and research of the manufacturing of hip joint implant and also tools for their construction, through precision and ultra precision manufacturing and specifically high speed machining. The thesis is devided in seven chapters, each one of them has a specific theoretical, experimental or numerical important part, based on above topic. In the first chapter, it is examined the manufacturing with material removal, a basic and important aspect of the manufacturing process in industry. It emphasizes in precision and ultra precision manufacturing and particular, in high speed manufacturing. Additionally, it is presented the technology in all these processes, and everything that has to do with the better selection of cutting parameters and cutting tools. Finally, a number of models for the calculation of forces is presented, in turning and each of them can be used for the calculation of forces in high speed machining and also, the effectiveness of this process, based on the final surface’s quality. In the second chapter, there are presented the materials from which hip joint implants are manufactured, not only femoral heads but also stems, acetabular cups and acetabular implants. Generally, there is a division of materials in metallic, ceramic and polymeric, where their general mechanical and natural properties are presented. Finally, there is a presentation of all the problems and the failures that can be occurred in implants, thus of stresses acted on them and their wear during the walking of the patient. The third chapter presents the way that the femoral heads are manufactured, not only for metallic, but also for ceramic ones, the cutting parameters that must be taken into consideration and also the factors that affect the process and play a tremendous role for its success, like cutting forces. Their manufacture took place in the CNC lathe of the laboratory, which can rotate each spindle up to 10000 rpm and move its axis with accuracy of 0.1μm. The cutting forces were measured during the process of manufacturing of metallic heads, and the results were compared to numerical results from calculating models, that have been presented in first chapter and also with the results of finite elements analysis. In the fourth chapter it is presented the designing and manufacturing of a die for the construction of a stem. The materials that the stems are manufactured by are titanium alloys, which are difficult to be machined with cutting processes and for this reason are manufactured with hot bulking. A bulking die, was manufactured in the field of the present Thesis in a CNC machining centre. Whereas, stems are parts with complex shape, special defined by the International Standards, which are consisted of a number of curves, they are considered as sculptured surfaces. In the fifth chapter there are presented the methods of checking the accuracy of the implants. Generally, the implants are under strict standardization, according to the strict International Standards, not only from manufacturing aspect, but also from checking aspect. For the second aspect, it has to do with two things; the first is the accuracy of the dimensions and the surface quality of the construction and the second one is the resistance in static and dynamic load. The aim of this chapter is the investigation about the accuracy of the implants, which were constructed in the laboratory, metallic and ceramic, and also there will be exported some numerical models, which will predict the surface roughness, in reference to the cutting parameters. Furthermore, it will be presented the accuracy of the die construction as it plays a specific role in the manufacturing of the stem. In the sixth chapter it is presented the testing of the resistance in static load of the femoral heads. The implants are checked not only for their accuracy in dimensions and surface roughness, but also for their resistance in loads, as they are distressed whiles the walking of the patient and consequently of the way of move the loads that act on them can reach twenty times the patient weight. For this reason, a number of tests, not only static but also dynamic, have been set down by the international standards. In this particular occasion they were used only the static tests, not only experimental, but also numerical, with the use of finite element software, for the better comparison of the results. Finally, in the last chapter, the seventh, it is presented the final conclusions of the Thesis from the experimental and numerical investigation of the construction of implants and their examination, not only for their resistance but also for their accuracy.