Témata
Reklama

Výroba implantátů

19. 03. 2008

Jednou z možností využití tzv. CA (Computer Aided) technologií je i možnost výroby různých kostních náhrad skeletálního systému, který začal výrobou umělých kyčelních kloubů v 80. letech a pokračuje zejména v oblasti náhrad kolenních kloubů v současné době.

Prof. Miroslav Píška

Univerzální obráběč kovů, 48 let praxe a výzkumu v technologii obrábění a materiálovém inženýrství. Zakladatel a spoluzakladatel konferencí Frézování/Milling (5 ročníků),  NewTech (7 ročníků) a zástupce ČR ve vědecké konferenci New Trends in Fatigue and Fracture (NT4F, 20 ročníků). Člen předsednictva Svazu nástrojáren české republiky. Je profesorem oboru Strojírenská technologie na FSI VUT v Brně. 

Scopus ID 650795955

ORCID iD 0000-0002-1873-3750

H-index (Scopus): 9 , 40 dokumentů, 307 citací  v 295 dokumentech
H-index (WOS): 8, 28 dokumentů, 209 citací v 205 dokumentech
Celkem: 316 publikací, 1 305 citaci v odborných pracích

Další publikace pro MM Průmyslové spektrum: 

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Materiály pro řezné nástroje, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.84-95, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie frézování, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.26-46, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie soustružení, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.6-22, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vrtání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.52-61, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Technologie vyvrtávání, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.64-68, ISSN 1212-2572

PÍŠKA, M., HUMÁR, A.: Testování řezivosti nových nástrojových materiálů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.98-108, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M.: Upínání rotačních nástrojů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2004, (2004), No.Speciál IX, pp.70-82, ISSN 1212-2572

HUMÁR, A., PÍŠKA, M., PODRÁBSKÝ, T.:  Frézování kompozitů, MM Průmyslové spektrum, Vol.2000, (2000), No.4, pp.14-15, ISSN 1212-2572

Kolenní kloub

Matematický a technologický rozbor problému

Tyto výpočty zahrnují digitalizaci poškozeného místa - např. povrchu hlavice kosti (obr. 1) pomocí CT dat nebo jiných zobrazovacích metod ve výměnném formátu (Stl), který se používá i pro jiné technologie (rapid prototyping, reverzní inženýrství, CAM). Po získání tzv. mraku bodů, definujícího tvar kosti v prostoru, lze využít několik způsobů vyhlazení dat [1, 2]:

- pomocí programovacího jazyku C++ aplikovaného na NURBS křivky sgenerováním lineárních G01 bloků;

- interpolace pomocí CNC systémů - CIP interpolace (výsledná kontura se popisuje pomocí kruhových oblouků, které jsou nejčastěji generovány nadřazeným postprocesorem) nebo NURBS interpolace, eliminující nevýhody lineární interpolace nahrazením dávky dat 5 až 10 lineárních bloků jedním kubickým polynomem (Sinumerik 840D) sprogramovatelnou přesností.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 2a. Interpolační křivka
Obr. 2b. Interpolační plocha

Pro naměřené hodnoty polohy bodů v prostoru lze použít několika způsoby tzv. B-spline interpolaci dráhy CNC nástroje z mraku bodů. Obvykle je dáno  řídicích bodů  a uzlový vektor , který se určí pomocí středové metody.  B-spline křivka stupně  pro řídicí body  a uzlový vektor  jsou pak definovány jako                                                                                               

kde  jsou bázové B-spline funkce. Když se ke každému bodu přidá váha , kterou ovlivňujeme polohy v prostoru, vznikne NURBS křivka, resp. celá plocha - obr. 2, 3. Tato křivka se pak proloží úsečkami s volitelnou přesností a po zpracování do CNC řídicího programu se daná součást vyrobí technologií třískového obrábění.

Obr. 3 Prostorový model individuální náhrady
Obr. 4 Volba a optimalizace obráběcí strategie - TowelMill

Příklad aplikace - totální kolenní náhrada

Vlastní obrábění (CAM) sestává z volby obráběcí strategie, která zohledňuje tvar obráběcího nástroje, různé trajektorie obrábění (obr. 4), kvalitu obrobeného povrchu  (obr. 5, 6), výpočet CL dat, postprocesorové zpracování do G-kódu a CNC programu řídicího systému (např. Sinumerik 840D). Po případné verifikaci experimentálního obrábění  (obr. 7)  následuje reálné CNC obrábění kovového/kompozitního prototypu  (obr. 8) a jeho povrchové úpravy. 

Při výkonu vlastní operace je významnou pomocí počítačem asistovaná chirurgie [3], která umožňuje ortopedovi výrazně zmenšit přístupovou cestu k postiženému místu a zároveň kontrolovat přesnost opracování kostí i správné umístění implantátu (obr. 9).  Lékař nejdříve dotykem sondy načte do počítače zvolené anatomické body, které jsou použity pro prostorovou navigaci a SW navigační systém pak ukazuje ortopedovi přesnou trasu chirurgického výkonu.

Obr. 5. CAM hrubování
Obr. 6. CAM dokončování
Obr. 7 Verifikace pětiosého CNC obrábění - MCV1210V/Sinumerik 840D
Obr. 8. Hotový prototyp.
Obr. 9. Počítačem asistovaná chirurgie

Význam pro praxi a zdraví

Totální kolenní náhrada je v podstatě výměna kostních povrchů nemocného kloubu za vhodný implantát, kterých se ve světě každoročně naimplantuje kolem 800 000. Nejnovější trendy v operačním řešení kolenního kloubu spočívají v minimalizaci poškození tkáně (v tzv. mini-invazivním přístupu), která urychluje uzdravení pacienta.

Tento příspěvek ukazuje na možnost vedení chirurgického zákroku na kolenním kloubu za účelem zachování stehenní kosti ve větším rozsahu než doposud, neboť zohledňuje individuální dispozice pacienta. Jenom v nemocnici u sv. Anny v Brně se provádí cca 400 operací kolenních náhrad ročně. Tyto operace jsou prakticky v plném rozsahu pokrývány zahraničními výrobci, což je finančně značně náročné. Zachování kostní hmoty je důležité i pro ortopedy, protože v případě postupného selhání femorální komponenty (např. aseptickým uvolněním při postupné resorpci kosti) je nutné tuto komponentu vyměnit. Každá původní zachovaná část kosti je pro implantaci revizní komponenty a zejména pacienta výhodou. Při velké ztrátě kosti jsou revizní endoprotézy výrazně dražší než endoprotézy primární. To vše zvýrazňuje nutnost potřeby maximální tvarové i rozměrové přesnosti protéz, které tyto soudobé CAD/CAM a CNC technologie umožňují.

Josef Sedlák, Miroslav Píška

Literatura

1. SEDLÁK, J., et al. Přímá B-spline interpolace dráhy CNC nástroje z mraku bodů. In Sborník odborné konference „Frézování IV". s. 147-154. ISBN 80-214-3239-X.

2. URBAN, J. Řídicí systém a výroba forem a nástrojů technologií HSC. MM Průmyslové spektrum Květen 2003, č. 5, s. 43-45. ISSN 1212-2572.

3. Miniinvazivní operační přístupy a počítačová navigace. B. Braun Medical, s.r.o., Česká republika. Dostupné na //www.bbraun.cz/braunnoviny/HI-TECH/hi-tech_2006_02b.htm.

VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství

piska@fme.vutbr.cz

//ust.fme.vutbr.cz/

Reklama
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Související články
Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Setkávání

Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

Od správy nástrojů po simulaci NC programů

V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

Softwarové řešení pro přípravu NC programů

Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

CAM pro CMM

V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

Racionalizace obráběcích operací s podporou CAD/CAM systému

V roce 2010 společnost Montupet zahájila výrobu na nové obráběcí lince v Laigneville ve Francii s cílem optimalizovat výrobu hlav spalovacích motorů a dalších slévárenských dílců pro automobilový průmysl. Mladý tým zkušebního centra pro podporu a vývoj technologií, který se v průběhu let rozrostl ze dvou na deset lidí, si vybral Missler Software jako ideálního partnera na pomoc při racionalizaci pracovních procesů ve svých závodech. TopSolid CAD a CAM jsou velmi vhodné pro systemizaci procesů obrábění a přesné zdokumentování jednoho každého výrobního postupu.

Komplexní CAM systém s metrologickými nástroji

Je tomu již několik let, kdy se systém Surfcam zařadil do portfolia produktů společnosti Vero Software, která je součástí nadnárodního technologického koncernu Hexagon. Takováto součinnost softwarových gigantů zaručuje optimální kombinaci nejmodernějších technologií v oblasti výroby a špičkových metrologických nástrojů.

Nové funkce pro automatizaci obráběcího procesu

Nová verze CAD/CAM softwaru TopSolidAM V7.13 přináší především jednodušší programování s funkcemi, které se velmi snadno používají. Výsledkem je úspora času, které lze dosáhnout díky novému vysoce výkonnému režimu analýzy kolizí a možnosti provádět řadu úloh zcela automaticky, což přináší celkově vyšší úrovně automatizace obráběcích procesů. V nové verzi najdeme i novou strategii najíždění, která zajistí vyšší životnost obráběcích nástrojů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit