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.