Устройство для индукционно-термического оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов

Полезная модель относится к электрооборудованию для термического оксидирования титановых изделий медицинского назначения, а именно вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного и плечевого суставов.
В настоящее время для формирования на титановых внутрикостных имплантатах гетерогенной поверхности, характеризуемой наличием микро- и наноразмерных структурных элементов, используются следующие технологические процессы: обработка концентрированными потоками энергии, газотермическое напыление, электрохимическое и газотермическое оксидирование. Обработка концентрированными потоками энергии характеризуется высокой стоимостью оборудования. Физико-механическая сущность газотермического напыления обусловливает неоднородность структуры и свойств получаемых покрытий, наличие в них трещин и отслоений, что снижает функциональные качества поверхностного слоя изделий. Известные способы электрохимического оксидирования титана характеризуются значительной продолжительностью процесса или его технологической сложностью, а также токсичностью используемых веществ [Титановые сплавы в машиностроении / Чечулин Б.Б., Ушков С.С., Разуваева И.Н., Гольдфайн В.Н. // Л.: Машиностроение, 1977. - 248 с.]. Наиболее эффективны процессы термического оксидирования, среди которых выделяется метод индукционно-термического оксидирования [Fomin A. et al. Composition, structure and mechanical properties of the titanium surface after induction heat treatment followed by modification with hydroxyapatite nanoparticles // Ceramics international, 2016. T. 42. №9. P. 10838-10846], используемый также для модификации предварительно сформированных титановых пористых покрытий на имплантируемых конструкциях [Фомин А.А. Структура и микротвердость титановых покрытий на имплантатах после индукционно-термической обработки / Фомин А.А., Калита В.И., Кошуро В.А., Комлев Д.И., Фомина М.А., Егоров И.С., Родионов И.В., Радюк А.А., Иванников А.Ю., Аман А., Осеев А.Ю., Хирш З. // Перспективные материалы, 2016. №12. С. 25-37.]. В большинстве известных индукционных устройств оксидирования не предусмотрена техническая возможность для эффективного процесса оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного или плечевого суставов.
Известно устройство индуктора для поверхностной закалки изделий сложной конфигурации, содержащее приспособление для установки изделий, спрейер, магнитопровод, выполненный с «П»-образным пазом, токопровод в виде активного и пассивного элементов, при этом активный элемент выполнен в виде параллельно соединенных проводников. Один участок активного элемента выполнен со спрейерами с сетчатой поверхностью и контурами, повторяющими контур нагреваемой поверхности. Спрейеры установлены в пазу магнитопровода. Пассивный элемент расположен под активным участком со спрейерами в пазу магнитопровода, а приспособление для установки изделий выполнено с узлом регулировки зазора между изделием и спрейером [патент RU на изобретение №2034045 / Г.К. Кулев, Л.В. Ширяев // Индуктор для поверхностной закалки изделий сложной конфигурации. - 1995.]
Основными недостатками конструкции данного индуктора являются: сложность конструкции нагревательного устройства в целом, низкая эффективность нагрева, обусловленная формой индуктора.
Известно устройство индуктора для нагрева вращающихся деталей, содержащее два индуктора выполненных в виде удлиненных петель, стороны которых изогнуты по дуге окружности, а концевой участок отогнут в радиальном направлении во внутрь кольцевой зоны нагрева. В конструкции устройства предусмотрены также камера и электропривод для вращения детали [патент RU на изобретение №2101883 / А.Б. Кувалдин, А.Р. Лепешкин // Индуктор для нагрева вращающихся деталей. - 1998.].
Основными недостатками конструкции данного электротермического устройства являются: необходимость использования электропривода, а также необходимость отключения индуктора от источника питания при замене детали; использование неохлаждаемого индуктора, что ограничивает диапазон температур нагрева деталей.
Известно также устройство для газотермического оксидирования медицинских металлических имплантатов, включающее цилиндрическую камеру оксидирования, выполненную открытой с одной стороны для поступления окислительной среды в рабочий объем камеры и закрытой с другой противоположной стороны крышкой, системы нагрева и охлаждения. Цилиндрическая камера оксидирования выполнена с открытой стороны с присоединительным элементом для подвода газовой окислительной среды, с закрытой стороны имеет присоединительную втулку с наружной резьбой и завинчивающуюся крышку с внутренней резьбой, а системы нагрева и охлаждения камеры оксидирования выполнены в виде водоохлаждаемого спирального индукционного нагревателя, [патент RU на полезную модель №132802 / И.В. Родионов, А.А. Фомин, А.Б. Штейнгауэр // Устройство для газотермического оксидирования медицинских металлических имплантатов. - 2013.].
Недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие технической возможности, обеспечивающей равномерный прогрев вертлужных компонентов в процессе оксидирования.
Наиболее близким к предлагаемому устройству, по мнению авторов, является устройство, содержащее керамическую камеру оксидирования, на внешней поверхности которой размещен водоохлаждаемый индуктор, подключенный к источнику питания. Камера оксидирования повторяет геометрию изделия [патент RU на способ 2611617 №132802 / А.А. Фомин, М.А. Фомина, В.А. Кошуро, А.Б. Штейнгауэр, И.В. Родионов // Устройство для индукционнотермического оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов - 2017.].
Основным недостатком конструкции данного электротермического устройства является отсутствие установочных элементов.
Задача полезной модели заключается в разработке конструктивно простого электротермического устройства, создающей техническую возможность для индукционно-термического оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного и плечевого суставов, что позволит эффективно формировать на поверхности данных изделий оксидные покрытия.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для индукционно-термического оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов, содержащем систему нагрева и охлаждения в виде спирального индукционного нагревателя с полостью для циркуляции воды, который частично повторяет полусферическую форму вертлужного компонента эндопротеза, имеет вертикальную ось, горизонтальное расположение витков и защитный кожух, согласно новому техническому решению, защитный кожух закреплен на спиральном индукционном нагревателе посредством фиксирующих винтов, при этом в нижней части защитного кожуха установлен керамических опорный винт с коническим отверстием для размещения на нем вертлужного компонента эндопротеза с воздушным зазором между внешней поверхностью упомянутого вертлужного компонента эндопротеза и внутренней поверхностью упомянутого спирального индукционного нагревателя.
Технический результат полезной модели состоит в разработке конструктивно простого электротермического устройства, позволяющей эффективно проводить индукционно-термическое оксидирование металлических вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного и плечевого суставов.
Описание конструкции.
Полезная модель поясняется графическими схемами, на которых представлены: конструкция устройства для индукционно-термического оксидирования вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного или плечевого суставов (фиг. 1); распределение температуры по сечению вертлужного компонента при нагреве в предлагаемом устройстве, полученное в результате проведения моделирования методом конечных элементов, с учетом типовых конструктивных элементов поверхности (фиг. 2).
На фиг. 1, 2 позициями 1-8 обозначены: 1 - металлическое изделие (вертлужный компонент эндопротеза тазобедренного или плечевого суставов); 2 - керамический опорный винт с коническим отверстием 3; 4 - защитный кожух из непроводящего материала; 5 - система нагрева и охлаждения; 6 - спиральный индукционный нагреватель; 7 - полость для циркуляции воды; 8 - фиксирующие винты из непроводящего материала.
Защитный кожух 4 фиксируется на системе нагрева и охлаждения 5, представленной спиральным индукционным нагревателем 6 с полостью для циркуляции воды 7, посредством фиксирующих винтов 8. Причем индукционный нагреватель 6 частично повторяет полусферическую форму вертлужного компонента, имеет вертикальную ось и горизонтальное расположение витков, что позволяет упростить конструкция устройства в целом, за счет использования конструктивно простых креплений защитного кожуха 4 на индукционном нагревателе 6 фиксирующими винтами 8, а также фиксации изделия 1 на керамическом опорном винте 2, с коническим отверстием 3, расположенного в нижней части защитного кожуха 4. Причем внутренняя резьба в крепежных отверстиях кожуха 4 совпадает с наружной резьбой соответствующих винтов, а именно фиксирующих винтов 8 и керамического опорного винта 2 с коническим отверстием 3.
Устройство работает следующим образом. Изделие 1 размещают на керамическом опорном винте 2 с коническим отверстием 3. Опорный винт 3 регулируют таким образом, чтобы между внешней поверхностью детали 1 и внутренней поверхностью спирального индукционного нагревателя 6 с полостью для циркуляции воды 7, был равномерный зазор. Далее включают систему нагрева и охлаждения 5, что предусматривает постоянную циркуляцию воды через полость 7 спирального индукционного нагревателя 6 в виде металлической трубки. Затем на спиральный индукционный нагреватель 6 подают переменное напряжение от генератора (на чертеже не показан). Безопасность эксплуатации устройства обеспечивают наличием защитного кожуха 4 закрепленного на индукторе фиксирующими винтами 8. При включении системы нагрева и охлаждения 5, генерируемые с помощью спирального индукционного нагревателя 6 в детали 1 вихревые токи способствуют нагреву изделия до задаваемой температуры. В процессе нагрева в воздушной атмосфере происходит термическое окисление поверхности вертлужного компонента 1 и формирование оксидного покрытия с микро- и наноразмерными элементами структуры. При эксплуатации устройства, нагрев до заданной температуры оксидирования проводят по теплокинетическим зависимостям, полученным с применением бесконтактного пирометрического метода измерения температуры. По завершению процесса термического оксидирования производят отключение системы нагрева и охлаждения 5, затем извлекают вертлужный компонент из устройства индукционно-термического оксидирования.
Для подтверждения эффективности работы предложенного устройства индукционно-термического оксидирования было проведено моделирование процесса нагрева методом конечных элементов. При моделировании рассматривалась система «индуктор - титановый вертлужный компонент эндопротеза» и учитывались следующие исходные данные:
- индуктор с вертикальной осью имеет три горизонтальных витка разного диаметра и частично повторяет полусферическую форму вертлужного компонента в области формирования функционального покрытия;
- зазор между вертлужным компонентом и индуктором заполнен воздухом;
- на поверхности вертлужного компонента эндопротеза имеются типовые конструктивные элементы, а именно элементы крепления в костной ткани, представленные резьбой специального профиля;
- нагрев вертлужного компонента происходит при значении силы тока на индукторе I=500 А и частоте тока ƒ=80000 Гц [патент RU на изобретение №2611617 / А.А. Фомин, М.А. Фомина, В.А. Кошуро, А.Б. Штейнгауэр, И.В. Родионов // Способ формирования оксидных покрытий на изделиях из титановых сплавов. - 2017.].
Согласно результатам моделирования, разница температур по сечению вертлужного компонента составляет не более 200°C (фиг. 2), что позволяет сделать вывод о достаточно высокой равномерности нагрева изделий, следовательно, будет формироваться равномерная оксидная пленка.
Предложенное устройство для индукционно-термического оксидирования металлических вертлужных компонентов эндопротезов тазобедренного и плечевого суставов характеризуется простотой конструктивного исполнения и эксплуатационной надежностью, позволяющими эффективно проводить процесс оксидирования.