×
04.12.2018
218.016.a31e

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОРИСТЫХ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой способ производства пористых имплантатов на основе титана или сплава титана ВТ6, включающий подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии, отличающийся тем, что после изготовления ячеистой структуры ее подвергают пластической деформации, при этом ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра или призмы, ячейки выполняют в виде параллельных каналов, ортогональных основанию цилиндра или призмы, а пластическую деформацию осуществляют путем осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональном основанию цилиндра или призмы. Изобретение позволяет повысить прочностные свойства имплантата с однородным распределением этих свойств по высоте. 3 пр., 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области аддитивных технологий, применяемых для изготовления имплантатов, предпочтительно, из титановых сплавов.

Имплантаты предпочтительно изготавливают из пористых материалов. Наличие пор в материале позволяет решить несколько задач:

1. обеспечить меньшую массу имплантата;

2. снизить модуль упругости, за счет чего повышается эластичность конструкции имплантата;

3. обеспечить возможность соединения с живыми тканями организма за счет прорастания их через поровое пространство.

В медицинской практике применения имплантатов чаще всего используют титановые сплавы, как коррозионностойкие материалы, не отторгаемые организмом человека. Так, патентом RU 2397735 [1] и аналогичным патентом WO 2006/089792 [2] предложен способ изготовления медицинского имплантата, включающий прецизионное литье бета-титанового сплава. Применение бета-титанового сплава мотивировано возможностью понижения модуля упругости материала по отношению к альфа+бета титановым сплавам. Недостатком способа является получение беспористого материала, поэтому понижение модуля упругости не является значительным.

Известен также способ изготовления металлического компонента по патенту RU 2574536 [3], включающий последовательное наращивание детали из металлического базового компонента с помощью метода аддитивного изготовления путем сканирования энергетического луча, при этом применяют или селективное лазерное плавление (SLM) или селективное лазерное спекание (SLS) или электронно-лучевое плавление (ЕВМ). Поскольку целью изобретения являлось достижение максимальной прочности, то детали этим методом получаются беспористыми, что является недостатком с позиции получения имплантатов.

В соответствии с патентом RU 2320741 [4] пористый материал на основе никелида титана получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из шихты, формуемой в цилиндрическом контейнере. Недостатком способа является неравномерное распределение пористости по объему имплантата по причине того, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не является полностью управляемым, он не позволяет создать строгую архитектуру материала.

Прочностные свойства материалов часто оценивают условным пределом текучести ао,2, как механическим напряжением, при котором остаточная пластическая деформация образца при линейном напряженном состоянии составляет 0,2%. Следует отметить, что условный предел текучести является функцией степени деформации, т.е. при нагартовке величина ао,2 возрастает.

Если имплантат изготавливается из технически чистого титана, то уравнение, описывающее упрочнение металла, выглядит следующим образом:

где ε - относительная деформация, выраженная в процентах.

Из формулы (1) следует, что в состоянии после воздействия на плавкий материал(титан) источником энергии материал имплантата не нагартован (ε=0) и поэтому характеризуется условным пределом текучести 500 МПа. В соответствии с формулой (1) воздействуя на материал пластической деформацией можно добиться увеличения прочности материала.

Сам прием упрочнения материала пластической деформацией получил широкое распространение. Причем в последнее время создается все больше технических решений, направленных на создание способов интенсивной, т.е. очень большой пластической деформации [5-7], в том числе, например, на исследование и усовершенствование равноканального углового прессования [8, 9]. Однако большая часть этих технических решений не может быть применена к имплантатам, поскольку они обладают слишком ажурной архитектурой, которая под воздействием больших пластических деформаций разрушается. Кроме того, при наложении чрезмерно высоких сжимающих средних напряжений структура пористого тела деформируется с уплотнением, чего желательно не допускать, поскольку теряется одно из преимуществ материала: повышенная пористость. Интенсивность процесса закрытия пор зависит от схемы напряженно-деформированного состояния [10, 11].

В качестве прототипа выбран способ производства пористых имплантатов на основе металлических материалов, описанный в патенте RU 2589510 [12] и аналогичном патенте [13]. Способ включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии. Ячеистая структура образована изогнутыми ветвями, образующими ячейки при размере их размере 0,01…2000 мкм. В том числе рассмотрен вариант источника энергии такой как лазерный луч, расплавляющий порошок с целью послойного построения структуры в соответствии моделью, выбранной в базе данных компьютера. Сам материал может представлять собой металл или сплав, в том числе титан или титановый сплав.

Недостатком способа по прототипу является низкий уровень прочностных свойств материала. Действительно, металл, полученный из расплава обладает свойствами отожженного материала, в случае применения титана предел текучести оказывается на уровне 500 МПа, что следует, в частности, из формулы (1).

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося повышении прочностных свойств имплантата.

Предлагаемый способ производства пористых имплантатов на основе металлических материалов включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии. Способ отличается тем, что после изготовления ячеистой структуры ее подвергают пластической деформации. При этом ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра или призмы, ячейки выполняют в виде параллельных каналов, ортогональных основанию цилиндра или призмы, а пластическую деформацию осуществляют путем осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональному основанию цилиндра или призмы.

При подстановке в формулу (1) значения деформации 50% получим условный предел текучести 774 МПа, что на 54% выше начального значения. Вместе с тем, при осуществлении пластической деформации возникает следующая проблема. При наличии внутри материала ячеистых структур передача давления от деформирующего инструмента может осуществляться неравномерно. В режим пластической деформации попадают элементы структуры, где механические напряжения оказываются высокими. Это области, где передача давления осуществляется через тонкие перегородки. Остальные элементы пластически не деформируются, а поэтому и не упрочняются. Предложенная прототипом ячеистая структура, в виде изогнутых ветвей, образующих ячейки для равномерной передачи давления не пригодна. Следовательно, необходима такая схема напряженного состояния для пористой среды, в которой передача давления осуществляется равномерно.

Поэтому предлагается ячеистую структуру изготовлять в виде цилиндра или призмы, ячейки выполнять в виде параллельных каналов, ортогональных основанию цилиндра или призмы, а пластическую деформацию осуществлять путем осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональном основанию цилиндра или призмы. В такой схеме нагружения передача давления происходит через площадь поперечного сечения деформируемого тела, которая является постоянной по высоте этого тела. Поэтому пластические деформации также оказываются постоянными по высоте деформируемого тела. Материал получает одинаковый уровень пластической деформации, следовательно, уровень механических свойств повышается, а сами свойства оказываются однородными. Возможность деформации осадкой без разрушения пористых структур из титана показана в источнике [14].

Изобретение поясняется фигурами, на которых изображено:

- на фиг. 1 - случай осадки цилиндра или призмы в направлении, не ортогональному основанию цилиндра или призмы, положение до деформации (известное решение);

- на фиг. 2 - тот же случай, положение после деформации;

- на фиг. 3 - случай осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональном основанию цилиндра или призмы (заявляемый объект), положение до деформации;

- на фиг. 4 - тот же случай, положение после деформации.

Пример 1 (прототип). Осуществляют подготовку модели ячеистых структур и изготовляют ячеистую структуру при воздействии на плавкий материал, в качестве которого используют титан, источником энергии. Ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра. В теле цилиндра выполняют ячейки в виде параллельных каналов. В дальнейшем осуществляют кузнечную операцию осадки цилиндра или призмы в направлении, не ортогональному основанию цилиндра или призмы, но ортогональному направлению каналов. Оно показано на рисунке фиг. 1 белой стрелкой. Поскольку площадь сечения, ортогонального приложению нагрузки не постоянна по высоте, то происходит локализация деформации. Эта задача решена методом конечных элементов и на фиг. 2 показано изменение формы каналов, они из круглых превратились в овальные, а областями равного уровня показано распределение степени деформации. Светлые области характеризуют высокий уровень деформации, а темные области - низкий уровень. Расчетами установлено, что в темных областях степень деформации может равняться нулю, несмотря на большую величину обжатия. Это происходит потому, что нагрузку воспринимают вертикальные перемычки между ячейками, но не воспринимают горизонтальные перемычки. В результате металл в районе вертикальных перемычек сильно нагартовывается, а в районе горизонтальных перемычек - нет. Прочность структурно неоднородной конструкции в целом определяется областями с наименьшей несущей способностью, поэтому эффект от локального упрочнения не создает эффекта упрочнения конструкции в целом. Первопричиной отсутствия эффекта является непостоянство сечения имплантата вдоль оси приложения нагрузки.

Пример 2 (по предлагаемому способу). Осуществляют подготовку модели ячеистых структур и изготовляют ячеистую структуру при воздействии на плавкий материал, в качестве которого используют титан, источником энергии. Ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра 1, продольный разрез которого показан на фиг. 3. Вместо цилиндра может быть получена призма с квадратными, прямоугольными или иными основаниями, важно, чтобы основания были параллельными, что собственно и отличает призмы от других геометрических фигур. В теле цилиндра или призмы выполняют ячейки в виде параллельных каналов 2, ортогональных основанию цилиндра или призмы. В дальнейшем осуществляют кузнечную операцию осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональному основанию цилиндра или призмы. Оно показано на рисунке фиг. 4 белой стрелкой. Поскольку площадь сечения, ортогонального приложению нагрузки постоянна по высоте, то локализации деформации не происходит.

При исходной высоте цилиндра 80 мм и обжатии его до 40 мм получим относительное обжатие 50%, что в соответствии с формулой (1) приводит к увеличению условного предела текучести с 500 до 774 МПа, что на 54% выше начального значения.

Пример 3. Если имплантат изготавливается из титанового сплава ВТ6, то уравнение, описывающее упрочнение металла, выглядит следующим образом:

При исходной высоте цилиндра 100 мм и обжатии его до 50 мм получим относительное обжатие 50%, что в соответствии с формулой (2) приводит к увеличению условного предела текучести с 1000 до 1215 МПа, что на 21% выше начального значения.

Таким образом здесь показано достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных свойств имплантата с однородным распределением этих свойств по высоте.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент RU 2397735. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКОГО ИМПЛАНТАТА ИЗ БЕТА - ТИТАНОВО - МОЛИБДЕНОВОГО СПЛАВА И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ИМПЛАНТАТ/ БАЛИКТАЙ Севки, КЕЛЛЕР Арнольд. Патентообладатель: ВАЛЬДЕМАР ЛИНК ГМБХ унд КО КГ. Заявка 2007135069/14, 27.02.2006. Опубл. 27.08.2010. Бюл. N. 24.

2. Патент WO 2006089792. METHOD FOR PRODUCING A MEDICAL IMPLANT MADE OF A BETA-TITANIUM MOLYBDENUM ALLOY, AND A CORRESPONDING IMPLANT/ BALIKTAY SEVKI [DE], KELLER ARNOLD [DE]. Заявитель: LINK WALDEMAR GMBH CO [DE]. МПК: A61F 2/36, C22C 14/00, C22F 1/18. Заявка WO 2006 EP 01792, 2005-02-25. Опубл. 2006-08-31.

3. Патент RU 2574536. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОНЕНТА ПОСРЕДСТВОМ АДДИТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ/ ЭТТЕР Томас, КОНТЕР Максим, ХЕБЕЛЬ Маттиас, ШУРБ Юлиус. Патентообладатель(и): АЛЬСТОМ ТЕКНОЛОДЖИ ЛТД (СН). МПК B22F 3/105, B22F 5/04, В23К 26/34, С23С 26/00, F01D 9/02. Заявка: 2013151901/02, 21.11.2013. Опубл. 10.02.2016. Бюл. №4.

4. Патент RU 2320741. ПОРИСТЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ / Гюнтер B.Э. (RU). Патентообладатель: он же. Заявка 2006103449, 06.02.2006. МПК С22С 1/08, B22F 3/23. Опубл. 27.03.2008. Бюл. №9.

5. Патент RU 2326749. СПОСОБ КОВКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК /Логинов Ю.Н., Котов В.В. Патентообладатель: Уральский государственный технический университет - УПИ. Заявка №2006142234/02 от 29.11.2006. Опубл. 20.06.2008. Бюл. №17.

6. Патент RU 2443493. СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВОК С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ / Логинов Ю.Н. Патентообладатель: Уральский государственный технический университет - УПИ. Заявка 2009103576/02, 03.02.2009. Опубл. 27.02.2012. Бюл. №6.

7. Патент RU 2476288. СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК / Логинов Ю.Н. Патентообладатель: Уральский государственный технический университет - УПИ. Заявка: 2009102697/02, 27.01.2009. Опубл.: 27.02.2013. Бюл. №6.

8. Логинов Ю.Н., Буркин С.П. ОЦЕНКА НЕРАВНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМАЦИЙ И ДАВЛЕНИЙ ПРИ УГЛОВОМ ПРЕССОВАНИИ. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2001. №3. С. 29-34.

9. Патент RU 2446027. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ЗАГОТОВОК КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ / Чукин М.В., Емалеева Д.Г., Барышников М.П., Полякова М.А. Патентообладатель: Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова. МПК В21С 1/00, B21J 5/06, C21D 7/00. Заявка: 2010122149/02, 31.05.2010. Опубл. 27.03.2012. Бюл. №9.

10. Логинов Ю.Н. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРИСТЫХ СРЕД / Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2005. №40. С. 64-70.

11. Логинов Ю.Н., Еремеева К.В. ВЛИЯНИЕ ТИПА ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ВИДОИЗМЕНЕНИЕ ОДИНОЧНОЙ ПОРЫ. Деформация и разрушение материалов. 2011. №4. С. 40-44.

12. Патент RU 2589510. ПОРИСТЫЕ СТРУКТУРЫ ИМПЛАНТАТОВ. / ШАРП Джеффри, ДЖАНИ Шилеш, ГИЛМОР Лора, ЛЭНДОН Райан. Заявка: 2012109230/15, 19.08.2010. Патентообладатель: СМИТ ЭНД НЕФЬЮ, ИНК. (US). МПК A61L 27/56. Опубл: 10.07.2016 Бюл. №19.

13. Патент US 2012232654. POROUS IMPLANT STRUCTURES / SHARP JEFFREY [US]; JANI SHILESH С [US]; GILMOUR LAURA J [US]; LANDON RYAN L. Заявитель: они же и SMITH & NEPHEW INC [US]. МПК: A61F2/02, B23P 11/00. Заявка 2009-08-19. Опубл. 2012-09-13.

14. Потапов А.И., Логинов Ю.Н., Вичужанин Д.И. ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ ГУБЧАТОГО ТИТАНА. Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №4. С. 24-27.

Способ производства пористых имплантатов на основе титана или сплава титана ВТ6, включающий подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии, отличающийся тем, что после изготовления ячеистой структуры ее подвергают пластической деформации, при этом ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра или призмы, ячейки выполняют в виде параллельных каналов, ортогональных основанию цилиндра или призмы, а пластическую деформацию осуществляют путем осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональном основанию цилиндра или призмы.
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОРИСТЫХ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 131-140 из 207.
18.12.2019
№219.017.ee33

Устройство и способ определения фильтрующих свойств керамических фильтров по расплавленной смеси галогенидов щелочных металлов

Группа изобретений предназначена для определения фильтрующих свойств пористых керамических фильтров в форме цилиндров с боковой фильтрующей поверхностью по расплавленной смеси галогенидов щелочных металлов, например, хлоридов натрия и калия эквимолярного состава с содержанием нерасплавленных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709092
Дата охранного документа: 13.12.2019
18.12.2019
№219.017.ee51

Комплекс для переработки бокситового сырья

Техническое решение относится к области цветной металлургии, в частности к технологии производства глинозема из бокситов. Комплекс для переработки бокситового сырья содержит две линии, в первой из которых последовательно расположены дробилка для дробления высококачественного боксита, мельница...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709084
Дата охранного документа: 13.12.2019
18.12.2019
№219.017.ee7a

Способ синтеза оксида титана

Изобретение может быть использовано при получении пигментного оксида титана для пищевой и косметической промышленности. Способ синтеза оксида титана с фазовой модификацией анатаз включает приготовление водного раствора хлорида титанила и гидролиз указанного раствора при добавлении аммиака с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709093
Дата охранного документа: 13.12.2019
19.12.2019
№219.017.eef0

Устройство определения задымления в лабораторной электропечи

Изобретение относится к технической физике, в частности к определению параметров металлических расплавов. Устройство определения задымления в лабораторной электропечи, входящее в состав водоохлаждаемой вакуумной электропечи, заполненной инертным газом, содержит патрубок электропечи, вакуумные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709436
Дата охранного документа: 17.12.2019
19.12.2019
№219.017.ef23

Способ переработки гидролизной серной кислоты

Изобретение относится к неорганической химии и может быть использовано в бумажной, лакокрасочной, пищевой и строительной промышленности. Для переработки гидролизной серной кислоты осуществляют экстракцию из нее скандия на экстрагенте, состоящем из смеси Ди2ЭГФК и ТБФ. Промывают насыщенный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709369
Дата охранного документа: 17.12.2019
19.12.2019
№219.017.ef4d

Способ получения инфракрасных волоконных сборок на основе галогенидсеребряных световодов

Изобретение относится к области получения ИК волоконных сборок из галогенидсеребряных световодов, предназначенных для передачи теплового изображения в среднем инфракрасном диапазоне (2-20 мкм) и востребованных для применения в промышленной и медицинской термографии с целью визуализации...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709371
Дата охранного документа: 17.12.2019
21.12.2019
№219.017.f039

Способ упрочнения пластической деформацией проволоки

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при упрочнении проволоки путем интенсивной проработки структуры металла пластической деформацией. Проволоку подвергают изгибу циклами до достижения необходимого уровня упрочнения. Каждый цикл включает стадию наматывания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709554
Дата охранного документа: 18.12.2019
24.12.2019
№219.017.f1b5

Способ получения композиций на основе оксидов циркония и церия

Изобретение может быть использовано при получении трехмаршрутных катализаторов для очистки выхлопных газов. Способ получения композиций на основе оксидов циркония и церия, применяемых в составе трехмаршрутных катализаторов, включает приготовление раствора, содержащего нитраты циркония, церия,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709862
Дата охранного документа: 23.12.2019
27.12.2019
№219.017.f2ba

Приливная гэс

Изобретение относится к конструкциям автономных приливных бесплотинных электростанций небольшой мощности и может быть использовано для преобразования энергии морских течений (приливов-отливов) в электрическую энергию. Назначение: обеспечение энергией удаленных потребителей, лишенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710135
Дата охранного документа: 24.12.2019
27.12.2019
№219.017.f2eb

Установка для производства воды из сухого атмосферного воздуха

Изобретение относится к области водоснабжения. Установка содержит аккумулятор холода, водосборник и воздуховод в виде вытяжной трубы с нагревателем воздуха, соединенным с солнечным коллектором. В качестве аккумулятора холода использован грунт, в который помещен дополнительно введенный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002710187
Дата охранного документа: 24.12.2019
Показаны записи 31-34 из 34.
24.01.2020
№220.017.f989

Имплантат для остеотомии

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии. Имплантат для остеотомии выполнен из металла или сплава и имеет форму призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, содержащего длинный и короткий катеты и гипотенузу. При этом призма содержит совокупность...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002711753
Дата охранного документа: 21.01.2020
12.07.2020
№220.018.3210

Имплантат для замещения костных трабекулярных дефектов

Изобретение относится к области медицины, а именно к оперативной травматологии и ортопедии, и раскрывает имплантат для замещения костных трабекулярных дефектов, выполненный в виде тела вращения. Имплантат характеризуется тем, что тело вращения выполнено из пористого материала, выбранного из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002726253
Дата охранного документа: 10.07.2020
12.04.2023
№223.018.43fc

Способ химико-термической обработки металлических порошков для производства сталей и жаропрочных сплавов, упрочненных дисперсными оксидами

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу получения композиционного порошка для изготовления изделий, упрочненных дисперсными оксидами. Может использоваться в машиностроении, авиакосмической технике и в атомном машиностроении для изготовления ТВЭЛОВ из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002780653
Дата охранного документа: 28.09.2022
12.04.2023
№223.018.4784

Комплекс для переработки золоотвалов

Изобретение относится к области переработки техногенных образований от сжигания углей и может быть использовано для получения соединений кремния и алюминия. Комплекс для переработки золоотвалов содержит последовательно соединенное между собой оборудование подготовки сырья, оборудование для его...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002744191
Дата охранного документа: 03.03.2021
+ добавить свой РИД