Построение поверхности трения.

При анализе источников научной и патентной литературы установлены геометрические параметры формообразующих и направляющих кривых. За основу направляющей кривой взята спираль Архимеда для которой составлены уравнения применительно к каждому типоразмеру разрабатываемого эндопротеза КС.

В общем виде уравнение спирали составлено в виде:

 ;

где,

  – значение радиуса спирали на углу  ; 

  – начальная окружность при построении спирали Архимеда; 

  – коэффициент, характеризующий типоразмер шарнирного соединения;

  – угол поворота спирали.

Так при проектировании бедренного элемента КС принято изменение угла   от 326° до 197°.

Таким образом, задается начальная окружность  , согласно выбранному типоразмеру шарнира, ее шаг и изменения угла поворота (рис. 3.24).

Рисунок 3.24. – Построение эскиза спирали.

Для построения формообразующей кривой задаемся двумя плоскостями, перпендикулярными к спирали Архимеда в крайних ее точках (по построению) (рис. 3.25).

Рисунок 3.25. – Построение двух плоскостей перпендикулярных к эскизу спирали Архимеда в крайних ее точках (по построению).

Для создания поверхности трения бедренного элемента ЭКСЧ в одной из построенных плоскостей строится эскиз формообразующего профиля (рис. 3.26).

Рисунок 3.26. – Построение эскиза формообразующего профиля.

Из рисунка 3.26 видно, что при построении эскиза формообразующего профиля используются всего 2 кривые (в данном случае окружности). Следует отметить, что кроме двух формообразующих кривых в данной плоскости задается замкнутый контур ограниченный тремя прямыми линиями. Расстояние между вертикальными линиями равно габаритному размеру проектируемого элемента КС. Расстояние от вершин кривых до горизонтальной линии, ограничивающей контур снизу принимается произвольно, с учетом недопущения самопересечения линий замкнутого контура при дальнейшем создании кинематической операции.

Для построения поверхности трения шарнирного элемента эндопротеза КС кинематической операцией перемещаем построенный эскиз формообразующего контура вдоль эскиза спирали Архимеда, от начальной точки к конечной. Причем в каждом сечении созданного профиля замкнутый контур геометрически является перпендикулярным к спирали Архимеда (рис. 3.27).

Рисунок 3.27. – Построения поверхности трения.

В результате кинематической операции перемещения эскиза формообразующего контура вдоль спирали Архимеда построено тело элемента ЭКСЧ охватываемой поверхностью, которого является поверхность трения. Однако данная поверхность трения не является законченной. Для полного ее формирования необходимо к данной поверхности применить операцию скругления с применением переменного радиуса (рис. 3.28).

Рисунок. 3.28. – Скругление элементов поверхности трения с применением переменного радиуса.

Скругление поверхностей детали задается в зависимости от высоты создаваемого профиля, то есть в начальной точке спирали  , в конечной точке спирали  . Однако величина приращения радиуса скругления от минимального к максимальному не является  . Как видно из рис. 3.29 на спирали Архимеда показаны характерные точки изменения радиуса скругления. В данных точках радиус скругления имеет фиксированное значение, и их расположение на спирали Архимеда имеет фиксированное значение. Дополнительные точки с фиксированным радиусом скругления профиля введены с целью устранения возможного заедания поверхностей трения шарнира, в момент их взаимного перемещения.

1.7.         Вырезание поверхностей.

Придание объекту построения признака симметричности осуществляется путем вырезания из него дополнительного тела приведенного на рис 3.29. Дополнительное тело строится путем вырезания выдавливания эскиза построенного в плоскости перпендикулярной плоскости, в которой находится спираль Архимеда.

Рисунок 3.29. – Придание объекту построения признака симметричности.

Таким образом, варьируя параметрами эскиза можно регулировать не только вырезаемый угол, но и величину отсекаемой части.

Используя аналогичные построения, показанные на рис. 3.25 строим еще 2 плоскости перпендикулярные к указанным выше плоскостям и пересекающиеся с ними по горизонтальной линии проектируемого контура (рис. 3.26). В данных плоскостях, согласно разработанному чертежу, строим проекции для создания объекта вырезания (рис. 3.30).

Рисунок 3.30. – Создание дополнительных вырезаемых тел.

Одним из основных действий при отсечении части тела является разделение мыщелок бедренного элемента ЭКСЧ (рис. 3.31).

Рисунок 3.31. – Разделение мыщелок бедренного элемента ЭКСЧ.

Таким образом, после проведения ряда построений, преобразований тел и поверхностей получены предварительные (габаритные) геометрические параметры 3-D модели.

1.8.         Построение базирующих поверхностей.

Построение базирующих поверхностей является одной из завершающих стадий построения 3-D модели. Данные поверхности выполняют сразу две функции, первая это базирование заготовки в приспособлении, вторая – крепление, при помощи костного цемента, детали к бедренной кости. Таким образом, в плоскости построения спирали Архимеда, согласно разработанным чертежам, строится эскиз замкнутого контура, из которого формируется вырезаемое тело (рис. 3.32).

Рисунок 3.32. – Построение базирующих поверхностей.

Для полноты отображения всех построений, проводимых на базовых поверхностях, следует отметить построение штифтов (базируют бедренный элемент ЭКСЧ в бедренной кости), построение ребра жесткости, построение технологических углублений по бокам бедренного элемента (необходимы для извлечения бедренного элемента из кости при проведении ревизионной операции) (рис. 3.33).

а.

б.

в.

Рисунок 3.33. – Дополнительные построения на базовых поверхностях бедренного элемента эндопротеза КС:

а. – построение штифтов;

б. – построение технологических углублений по бокам бедренного элемента;

в. – построение ребра жесткости.

Таким образом, после всех геометрических построений проведенных на основании разработанных чертежей получена 3-D модель бедренного элемента КС человека. Однако на завершающей стадии разработки модели необходимо провести ряд скруглений граней и ребер.

В результате проведения ряда скругления получена 3-D модель бедренного элемента КС человека (рис. 3.34), которая соответствует всем параметрам разработанных чертежей в Институте сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины.

Рисунок 3.34. – 3-D модель бедренного элемента КС человека.

В свою очередь, полученная 3-D модель бедренного элемента КС человека, является отправной точкой для генерирования управляющих G – кодов к станкам с ЧПУ.

В результате избирательного лазерного спекания из порошка полиамид получена демонстрационная модель бедренного элемента эндопротеза КС (рис. 3.35).

Рисунок. 3.35. – Демонстрационная модель бедренного компонента ЭКСЧ полученная методом «Рапид-прототайпинга».

На основании разработанной 3-D модели бедренного компонента ЭКСЧ разработанные чертежи детали бедренного элемента (рис. 3.36, 3.37) другие вынесенные в приложение Б.