ZASTOSOWANIE SZYBKIEGO PROTOTYPOWANIA DO WY- TWARZANIA ODLEWANYCH ENDOPROTEZ TYTANO- WYCH O SPECJALNIE UKSZTAŁTOWANEJ GEOMETRII POWIERZCHNI

Transkrypt

1 Dawid Myszka, Grzegorz Wróblewski, Jarosław Modzelewski, Roman Haratym, Aleksander Karwiński ZASTOSOWANIE SZYBKIEGO PROTOTYPOWANIA DO WY- TWARZANIA ODLEWANYCH ENDOPROTEZ TYTANO- WYCH O SPECJALNIE UKSZTAŁTOWANEJ GEOMETRII POWIERZCHNI Wprowadzenie nej czy kardiologicznej. Odlewane endoprotezy tytanowe muszą spełniać szereg ściśle określonych właściwości fizyko-chemicznych, w tym głównie właściwości konstrukcyjnych, mechanicznych i trybologicznych. Dla wielu z nich osiągnięty już został pułap optymalizacji, ciągle jednak prowadzone są intensywne prace nad zwiększeniem odporności na korozję biologiczną wewnątrz organizmu. Dlatego też, tak silny nacisk kładziony jest na zagadnienia inżynieryjne kształtujące warstwę wierzchnią wyrobu [1]. Dostępne dane literaturowe wskazują, że bardzo duży wpływ na adaptowalność wszczepu w organizmie ma specjalne ukształtowana na nim powłoka o stosownej makro- i mikrogeometrii powierzchni. Wyzwanie rozwiązania tego problemu stawiane jest głównie przed inżynierią powierzchni, ale również przed technologiami odlewniczymi. Inżynieria powierzchni, bowiem jest w stanie wytworzyć warstwę wierzchnią o zróżnicowanej grubości (od kilkunastu nanometrów do >100μm) o zadanej wielkości ziarna oraz nadać powierzchni określoną topografię w skali mikroskopowej [1,2]. Nie uda się jednak wygenerować tymi technologiami makro- i mikrogeometrii powierzchni przeznaczonych do specjalnych zastosowań, np. medycznych (rys.1a,b,c). Tak znaczne rozwinięcie powierzchni będzie również wymagać wytworzenia specjalnych powłok, jednak pierwszym etapem będzie otrzymanie charakterystycznego kształtu metodą odlewania precyzyjnego. Zapotrzebowanie na otrzymywanie tego typu powierzchni wyrobów dla potrzeb medycyny skłoniło autorów tego artykułu do sprawdzenia możliwości otrzymania odlewów tytanowych o specjalnie rozwiniętej geometrii powierzchni. Dlatego też, przetestowano ścieżkę konstrukcyjno-technologiczną dla konkretnej endr inż Dawid Myszka Zakład Odlewnictwa ITMat. PW dr inż. Grzegorz Wróblewski Zakład Konstrukcji Maszyn i Inżynierii Biomedycznej IMiK PW stud. Jarosław Modzelewski WIP PW dr inż. Roman Haratym Zakład Odlewnictwa ITMat. PW dr inż. Aleksander Karwiński Instytut Odlewnictwa w Krakowie Wyroby z tytanu i jego stopów są wykonywane głównie z wykorzystaniem obróbki plastycznej. Dostępne dane wskazują, że tylko kilka procent tych materiałów jest przetwarzane na wyroby metodami odlewniczymi. Na taki stan rzeczy składają się głównie problemy techniczne związane z wytwarzaniem odlewów tytanowych, np.: wysoka temperatura topienia, wysoka reaktywność z materiałami ogniotrwałymi, wysoka podatność do tworzenia wad odlewniczych, itp. Potrzeba wytworzenia dowolnie skomplikowanego kształtu lub geometrii powierzchni stawia przed ubytkowymi i bezubytkowymi technikami wytwarzania zadanie nieraz niemożliwe do wykonania. Dzisiejsze techniki odlewnicze, a szczególnie odlewanie precyzyjne, stają się zatem metodami użytecznymi lub wręcz niezbędnymi w wytwarzaniu wyrobów nie tylko dla przemysłu samochodowego czy lotniczego, ale w szczególności w medycynie. Użytkowe odlewy tytanowe stosowane w medycynie najbardziej rozpowszechnione są w stomatologii i ortodoncji. W różnych kombinacjach tytanu i jego stopów z ceramiką, tworzywami sztucznymi lub kompozytami tworzone są protezy stomatologiczne, uzupełnienia ubytków zębowych, fragmenty aparatów ortodontycznych, itp. Istnieje jednak wiele innych możliwości medycznych zastosowań odlewów tytanowych, a szczególnie w chirurgii ortopedycz-

2 20 D. Myszka, G. Wróblewski, J. Modzelewski, R. Haratym, A. Karwiński Rys. 1. Przykłady makro- i mikrogeometrii powierzchni wyrobów, np. dla potrzeb medycyny. Rys. 2. Schemat blokowy ścieżki konstrukcyjno-technologicznej wykorzystanej do wytworzenia odlewu precyzyjnego tytanowej endoprotezy. Rys. 3. Model geometryczny endoprotezy kości żuchwy. doprotezy od momentu decyzji medycznej o potrzebie jej wytwarzania poprzez obrazowanie kliniczne obiektu pacjenta, dla którego jest ona przeznaczona, a następnie modelowanie geometryczne oraz tworzenie modelu fizycznego i odlewu (rys.2) [3]. Podjęte zadanie zrealizowano na bazie kości żuchwy (rys.3), projektowanej dla konkretnego pacjenta. Metodyka badań Model geometryczny kości żuchwy był tworzony na podstawie zdjęć tomograficznych wykonanych w Wojskowym Instytucie Medycznym w Warszawie. Dostarczone skany tomograficzne pacjenta były wykonane w płaszczyźnie poziomej co 0,5mm (rys.3). Na rysunku 5 przedstawiono obraz fragmentu czaszki od oczodołów do dolnej części szczęki. Do przetworzenia zdjęć tomograficznych w wersję zwizualizowaną (rys.6) wykorzystany został format Dicom, natomiast do utworzenia 3D modelu geometrycznego (rys.7a), belgijski program Mimics Wygenerowany model (rys.7b) został zapisany z rozszerzeniem.stl. Dane archiwizowane w tym pliku, tj. w formacie.stl, mogą być przetwarzane przez główny program Maestro sterujący procesem technologicznym RP-SLA (rapid prototyping metodą stereolitografii). Ta właśnie technika została wykorzystana na Politechnice Warszawskiej do wytworzenia modelu fizycznego [3].

3 Zastosowanie szybkiego prototypowania do wytwarzania endoprotez 21 Rys.4. Przykładowy obraz tomograficzny żuchwy pacjenta. a) b) Rys. 5. Trójwymiarowe modele czaszki. Rys. 6. Wyodrębniony, trójwymiarowy model kości żuchwy z nieusuniętymi artefaktami. a) b) Rys.7. Model kości żuchwy po usunięciu artefaktów (a) i ten sam model zapisany w formatem STL (b).

4 22 D. Myszka, G. Wróblewski, J. Modzelewski, R. Haratym, A. Karwiński Model fizyczny został wykonywany z żywicy epoksydowej SL 5170, która była utwardzana wiązką światła ultrafioletowego generowanego przez laser małej mocy 12 mw i Rys. 8. Model żuchwy wykonany z żywicy epoksydowej w procesie stereolitografii. długości fali λ= 325 nm. Wykonanie modelu na maszynie stereolitograficznej SLA 250/50 firmy 3D Systems trwało ok. 16 godzin (rys.8). Na podstawie modelu żywicznego została wykonana forma z żywicy silikonowej ES- SIL 291 Resin z utwardzaczem ESSIL 292 CATALYSEUR w stosunku 1:10. W tym celu, model z żywicy był zalany mieszanką silikonową, a następnie poddany odgazowywaniu w komorze próżniowej. Po 12 godzinach od zakończenia tego procesu forma została rozcięta w celu usunięcia modelu żywicznego (rys.9). W matrycy silikonowej został odlany model (rys.10) z czerwonego wosku jubilerskiego firmy Castaldo zalewanego do form silikonowych z temperatury 86 C, który posłużył następnie do wykonania form ceramicznych, których pierwsza warstwa była wykonywana na bazie mieszanki ceramicznej, tzn. mieszanki mączki ZrO2 ze spoiwem Titanbinder (ZrO2/ Titanbinder). Pozostałe warstwy form ceramicznych wykonywane były na bazie spoiwa Ekosil i piasku kwarcowego o ziarnistości od 0,1 do 1mm. Formy następnie opróżniano z wosku w autoklawie, a następnie wyżarzano przez 2 godziny w temperaturze 900 C. Odlew z czystego tytanu wykonany był w piecu próżniowym odśrodkowym Titancast 700, a po ochłodzeniu na powietrzu oczyszczony za pomocą piaskowania (rys.11). Badania stereometryczne powierzchni a) b) Rys. 9. Forma silikonowa do wykonania modelu woskowego żuchwy; a) przed rozcięciem; b) po rozcięciu. modelu żywicznego i woskowego przeprowadzono na mikroskopie stereoskopowym Olympus SZX9. Modele poddano również analizie odwzorowania geometrycznego żądanego Rys. 10. Model odlewniczy żuchwy wykonany z wosku. Rys. 11. Odlew kości żuchwy wykonany z czystego tytanu [4].

5 Zastosowanie szybkiego prototypowania do wytwarzania endoprotez 23 kształtu klasycznymi metodami pomiaru dokładności wymiarowej z wykorzystaniem suwmiarki elektronicznej. Wyniki badań i dyskusja. Na zdjęciach na rysunkach 12 i 13 widoczne jest dokładne odwzorowanie zarówno w skali makro- i mikroskopowej powierzchni modelu żywicznego na model w wosku oraz modelu woskowego na gotowy odlew. Charakterystyczne jest przeniesienie na powierzchnię modelu woskowego schodkowych efektów procesu stereolitografii. Taka powierzchnia wynika z technologii otrzymywania modelu stereolitograficznego, gdzie żywica utwardzana jest w kolejnych, przyrostowych warstwach co 0,1mm. Efekty te nie są już tak dobrze widoczne na gotowym odlewie. Pomiary wielkości geometrycznych modeli zostały wykonane na modelu żywicznym, woskowym oraz na gotowym odlewie z tytanu dla charakterystycznych wymiarów określanych jako kontrolne. Każda seria pomiarowa składała się z pięciu pomiarów długości. Po wyznaczeniu wartości średniej a) b) c) wymiaru, jako średniej arytmetycznej, określony został odpowiedni wymiar wnęki formy silikonowej zgodnie z formułą (1). Ostatnim etapem było wyznaczenie względnej wielkości skurczu modelu woskowego zgodnie z zależnością (2). Pomiary charakterystycznych, dwóch wymiarów kontrolnych G i A modeli zostały przedstawione w tabeli 1, a wymiary te oznaczono na rysunku 14. Wyniki pomiarów wskazują, jak ważne jest wykonanie prawidłowego modelu do póź- Mfs = Mż + (Mż x 0,007) (1) gdzie: Mfs - wymiar wnęki formy silikonowej Mż - wymiar modelu żywicznego Wartość - 0,007 współczynnik bezwymiarowy skurczu liniowego żywicy silikonowej. SMw = (Mfs Mw)/Mfs (2) gdzie: SMw- skurcz modelu woskowego Mfs- wymiar wnęki silikonowej Mw- wymiar modelu woskowego Rys. 12. Powierzchnia modelu żuchwy wykonanej w żywicy (a), wosku (b) i gotowego odlewu z tytanu (c). Pow. x6. a) b) Rys. 13. Fragment powierzchni modelu żuchwy wykonanej w żywicy a); wosku b); Pow. x16.

6 24 D. Myszka, G. Wróblewski, J. Modzelewski, R. Haratym, A. Karwiński Rys. 14. Model żuchwy. Przykładowe wymiary kontrolne modelu: G, G1, D i A. niejszego odtworzenia go w metalu. Z wstępnej analizy wynika, że wosk jubilerski, którego użyto w badaniach, musi być bardzo starannie odlewu tytanowego. Pomimo stosowania przyrządu pomiarowego z podziałką elementarną 0,01mm i dokładności maksymalnej ±0,01mm, Tabela 1. Wyniki pomiarów dla wymiarów G i A modelu: żywicznego i woskowego Nr Wymiar G [mm] Wymiar A [mm] pomiaru Model żywiczny Model woskowy Model żywiczny Model woskowy 1 11,252 10,820 42,696 42, ,226 10,845 42,747 41, ,125 10,718 42,62 41, ,201 10,718 42,747 41, ,226 10,795 42,696 41,807 Wartości obliczone M 11,206 10,779 42,701 41,873 Mfs 11,284-43,000 - SMw - 0,044-0,026 M - wymiar średni modelu Mfs- wymiar wnęki formy silikonowej SMw- skurcz modelu woskowego przygotowywany przed formowaniem. Przekroczenie jego temperatury nawet o kilka stopni (w tym przypadku o 12 C powyżej temperatury odpowiedniej dla jego odlewania, czyli 74 C) może powodować drastyczne zwiększenie się skurczu i nieprecyzyjne odtworzenie pierwowzoru modelowego. Skurcz wosku należy uwzględnić już przy projektowaniu modeli wykonywanych we wcześniejszych etapach procesu np. na etapie wykonywania modelu w stereolitografii. Uwzględnienie skurczu na tym etapie ma mały wpływ na właściwą geometrię końcowego wyrobu. Podstawowym zagadnieniem przy pomiarach skomplikowanych elementów, takich jak np. endoproteza kości żuchwy, jest stałość baz pomiarowych podczas pomiaru modeli i niepewność pomiarów (ΔNP) dla poszczególnych wymiarów z rysunku 14 wynosiła dla G i G1 od ΔNP =0,16mm do Δ=0,20mm dla modelu żywicznego i woskowego oraz około 0,05 do 0,10mm dla odlewu. W przypadku wymiaru A ze skurczem mieszanym: od ΔNP =0,16mm do ΔNP=0,50mm dla modeli oraz ΔNP =0,12mm dla odlewu. Dla wymiaru D ze skurczem swobodnym: ΔNP =0,10mm dla modelu żywicznego i ΔNP =0,37mm dla modelu woskowego oraz ΔNP =0,11mm dla odlewu. Na podstawie wcześniejszych badań w Zakładzie Odlewnictwa PW ustalono, że wartość parametru (L M) [%] może służyć do ustalenia odchyłki wymiarowej odlewu. Przy takiej ocenie, populacja badana może się składać z wymiarów ze skurczem swobodnym, mieszanym i hamowanym -

7 Zastosowanie szybkiego prototypowania do wytwarzania endoprotez 25 Tabela 2. Ocena parametru (L M) dla wymiarów G i G1 Nr Wymiary pomiaru G G1 L M [%] L M [%] 1 0,9 1,5 2 1,16 1,7 3 0,9 2,0 4 0,2 2,3 Średnia arytmetyczna 0,8 1,88 Tabela 3. Ocena parametru (L M) dla wymiarów A i D Nr pomiaru A (skurcz mieszany) Wymiary D (skurcz swobodny) L M [%] L M [%] 1 0,91 0,95 2 0,79 1,09 3 0,95 0,75 4 0,93 0,72 Średnia arytmetyczna 0,90 0,88 ΔL = ΔM2 + Δ(L M)2 (3) gdzie: L - wymiar odlewu M - wymiar modelu Δ - odchyłka wymiaru lub parametru jako jedna próbka (np. wymiary A i D) oraz dla wymiarów grubości - druga próbka (np. wymiary G i G1). Ocenę parametru (L M) [%] przedstawiono w tabelach 2 4. W tabelach 2 i 3 uwzględniono wartość niepewności pomiaru przy ocenie kolejnych wymiarów kontrolnych. Przy wymiarach A i D odnotowano po jednym pomiarze odstającym. Z badań materiałów na modele wytapiane ustalono, że skurcz mieszanek modelowych (przy chłodzeniu naturalnym) wynosi od 0,9 do 1,1%. Dla takiego typu mieszanek należy się spodziewać odchyłki wymiarowej modeli od 0,2 do 0,25% (skurcz swobodny). Korzystając z ogólnego wzoru na dokładność wymiarową (3) otrzymamy dla wymiarów G i G1: ΔL=1,87%, w stosunku do wymiaru nominalnego. Dla wymiaru A ze skurczem mieszanym: ΔL=0,92%, w stosunku do wymiaru nominalnego oraz dla wymiaru D ze skurczem swobodnym: ΔL=0,90%, w stosunku do wymiaru nominalnego. Wnioski Z uzyskanych wyników oraz przeprowadzonych analiz nasuwają się następujące wnioski: 1. Opracowana i przedstawiona procedura technologiczna, w której wykorzystano procesy modelowania komputerowego i szybkiego prototypowania stanowi ważny etap w wytwarzaniu odlewów precyzyjnych produktów medycznych. 2. Odwzorowanie skomplikowanej powierzchni modelu endoprotezy możliwe jest na drodze odlewania precyzyjnego tytanu lub jego stopów. 3. W projektowaniu powierzchni modelu fizycznego, który powstaje na drodze stereolitografii, należy uwzględnić szereg czynników technologicznych oraz materiałowych, np. technologię wykonywania modeli woskowych lub skurcz wosku czy metalu, w celu uzyskania pożądanej geometrii odlewu precyzyjnego. Czynniki te należy rozpatrywać indywidualnie dla każdego przypadku wytwarzanego wyrobu. Podziękowania Prace wykonano w ramach realizacji projektu badawczego zamawianego PBZ/KBN/ 114/T08/2004 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura [1]. T. Wierzchoń, E. Czarnowska, D. Krupa: Inżynieria powierzchni w wytwarzaniu biomateriałów tytanowych, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2004.

8 26 D. Myszka, G. Wróblewski, J. Modzelewski, R. Haratym, A. Karwiński [2]. J. Marciniak: Tytan i jego stopy, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2001, [3]. K. Skalski, R. Haratym, J. Goebel, J. Plewicki: Procidings of II Int. Conf. on Advances in Production Engineering APE 2001, Warszawa 2001, 2, [4]. A.Karwiński: Opracowanie technologii wykonania na drodze odlewniczej implantów o specjalnie rozwiniętej geometrii powierzchni, Wyd. Instytutu Odlewnictwa, 2006