Совершенствование режима селективного лазерного плавления для изготовления пористых структур из сплава Ti–6Al–4V медицинского назначения

This article describes approaches to the optimization of regimes of selective laser melting (SLM) used in the fabrication of porous materials from medical grade Ti–6Al–4V alloy with thin structural elements and a low level of defect porosity. Improved fusion of thin elements based on SLM regimes is achieved due to a significant decrease in the distance between laser passes (from 0.11 to 0.04–0.05 mm). Moreover, the balance between the laser energy density and building rate is compensated by changing the laser speed and laser power. The results of the study of defect porosity and hardness of samples fabricated according to experimental SLM regimes allowed three promising sets of parameters to be defined. One was selected for studying mechanical properties in comparison with the reference SLM regime. In the aims of this study, the samples were developed and fabricated using the structures of rhombic dodecahedron and Voronoi types with a porosity of 70–75 %. The decrease in defect porosity was established at ≈1.8 % to 0.6 %, depending on the SLM regime. This promotes a significant increase in strength properties of the material, including an increase in the yield  strength  of  rhombic dodecahedron from 76 to 132 MPa and the Voronoi structure from 66 to 86 MPa. The low Young module (1–2 GPa) remains, corresponding to the rigidity level of spongy bone tissue.Разработаны подходы к оптимизации режима селективного лазерного плавления (СЛП) для получения пористых материалов из сплава Ti–6Al–4V медицинского назначения с тонкими конструкционными элементами и низким уровнем дефектной пористости. Улучшенное проплавление тонких элементов с применением разработанных экспериментальных режимов СЛП достигается за счет значительного снижения расстояния между проходами лазера (с 0,11 до 0,04–0,05 мм), а баланс между плотностью энергии лазера и скоростью построения скомпенсирован путем изменения скорости пробега и мощности лазера. Результаты изучения дефектной пористости и твердости образцов, изготовленных по экспериментальным режимам СЛП, позволили установить 3 наиболее перспективных набора параметров, один из которых выбран для исследования механических свойств в сравнении со стандартным режимом СЛП. Для этого исследования разработаны и изготовлены образцы на основе структур типа ромбического додекаэдра и полиэдра Вороного пористостью 70–75 %. Установлено, что снижение уровня дефектной пористости с ≈1,8 % до 0,6 %, обеспеченное применением разработанного режима СЛП, способствует значительному повышению прочностных характеристик материала. Увеличение условного предела текучести ромбического додекаэдра с 76 до 132 МПа и Вороного с 66 до 86 МПа. При этом сохраняется низкий модуль Юнга (1–2 ГПа), соответствующий уровню жесткости губчатой костной ткани

Влияние комбинации радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки на напряженно-деформированное состояние прутковой заготовки малого диаметра из титановых сплавов

The paper focuses on the finite element method used to simulate the stress-strain state of a small-diameter bar stock during hot-forming in a combination of radial shear rolling (RSR) and rotary forging (RF). Simulation was carried out using the rheological model of the Ti-6Al-4V titanium-based alloy with the QForm VX software. A combination of radial shear rolling of a workpiece with a diameter of 15 mm to 12 mm bar in one pass and subsequent rotary forging in one, two and three passes to obtain bars with diameters 11, 10 and 8 mm is simulated. During the simulation, step-by-step accumulation of plastic deformation was taken into account in the conditions of its nonuniform distribution. The intermediate and finite fields of plastic deformation, strain rate and average stress are obtained. It is shown that plastic deformation distribution after RSR has an expressed gradient with a maximum value (3 or more) at the periphery of the cross-section and a minimum value (about 1) at the center. As a result of RF, even with small reductions, the stress-strain state becomes much more uniform compared with a workpiece of the same diameter after radial shear rolling only. In addition, residual tensile stresses due to compressive stresses during rotary forging are reduced. Direct experimental testing of the combined deformation method was carried out for a promising medical-grade Ti-Zr-Nb shape memory alloy when manufacturing 7-8 mm diameter rods in experimental production conditions. Qualitative confirmation of modeling results is obtained by metallographic analysis. It is shown that the combination of radial shear rolling and rotary forging is promising for creating industrial technologies for the manufacture of small-diameter rods with a highly uniform finely-dispersed structure.Работа посвящена конечно-элементному моделированию напряженно-деформированного состояния прутковой заготовки малого диаметра при горячей обработке давлением в комбинации радиально-сдвиговой прокатки (РСП) и ротационной ковки (РК). Моделирование выполнено с использованием реологической модели титанового сплава Ti—6Al—4V с помощью программы QForm VX. Смоделировано сочетание радиально-сдвиговой прокатки за 1 проход заготовки диаметром 15 мм на пруток диаметром 12 мм и последующей ротационной ковки в 1, 2 и 3 прохода с получением прутков диаметрами 11, 10 и 8 мм. Учитывалось пооперационное накопление пластической деформации в условиях неравномерности ее распределения. Получены промежуточные и конечные поля пластической деформации, скорости деформации и среднего напряжения. Показано, что распределение пластической деформации после РСП имеет выраженную градиентность с максимальным значением (3 и более) на периферии сечения и минимальным (около 1) в центре. В результате РК даже с небольшими обжатиями напряженно-деформированное состояние становится существенно более однородным по сравнению с заготовкой такого же диаметра только после радиально-сдвиговой прокатки. Кроме того, уменьшаются остаточные напряжения растяжения из-за сжимающих напряжений при ротационной ковке. Прямое экспериментальное опробование комбинированного способа деформации проведено для перспективного сплава Ti—Zr—Nb с памятью формы медицинского назначения при изготовлении прутков диаметром 7—8 мм в условиях опытно-промышленного производства. Получено качественное подтверждение результатов моделирования металлографическим анализом. Показана перспективность сочетания радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки для создания индустриальных технологий изготовления прутков малого диаметра с высокой однородностью мелкодисперсной структуры

Пути снижения частоты высоких ампутаций, постампутационных осложнений и летальности при синдроме диабетической стопы

Despite the success in treatment, currently 30.0% of patients with diabetic foot syndrome (DFS) still undergo high amputations with a mortality rate of up to 54.0–68.0 %. The causes of high low limb amputations in 28.0 % of patients are infection, and in 46.0 % – arterial insufficiency in the stage of critical limb ischemia.Objective: to improve the results of patients treatment by reducing the number of high amputations of the lower extremities, reducing the occurrence of complications and deaths of the disease.Materials and methods. To study the results of treatment of patients with DFS, they were divided into two comparison groups and two main groups. From 1982 to 2019, the frequency of amputations, mainly at the hip level, was 71.0 % (177 amputations in 248 patients). These patients formed the first comparison group of observations. The second comparison group (1988–1994) included 58.3 % of patients in whom amputations were performed according to more stringent indications (157 amputations in 269 patients). The first main group of observations (1995–2013) included 9.9 % of patients with DFS who were amputated only for wet gangrene, incurable critical limb ischemia, and infection with a systemic inflammatory response (130 amputations out of 1312 patients). In ischemia with preserved blood flow through the deep artery of the thigh, amputation of the lower leg was performed in a sequential-two-flap method with removal of the soleus muscle. Amputations were completed with the imposition of drainage removable muscle-fascial sutures. The second main group (2014) consisted of 11.4 % of patients who underwent amputations only for sepsis or wet gangrene (124 amputations in 1083 patients). The difference between the second main group and the first was the division of the high amputation intervention into 2 stages.Results. Comparison of the treatment results in the main groups and in the comparison groups revealed a 6-fold decrease in the number of high amputations (from 64.6 to 10.69 %) and a significant improvement in the main quality indicators. This concerns a 6-fold decrease in mortality, which was a consequence of the introduction of a two-stage tactic for high amputation treatment of the most severe patients and the limitation of indications for amputation of the hip. Using of removable drainage muscle-fascial sutures decreased postoperative wound complications from 51.9 to 13.0 %, and the number of re-amputations decreased in 17th times.Conclusion. Amputation of the lower extremities for irreversible critical limb ischemia can be performed with a decrease in TcP02 of the stitched stump tissues to no more than 30 mm Hg. Preserving the knee joint improves the possibilities of prosthetics, which allows older diabetics to lead an active life. Methods of performing parallel- or sequential-two-flap high amputation improve the conditions for cutting out racquet-shaped wound flaps, which provides free displacement of the soft tissues of the stump connected by removable drainage sutures.Несмотря на успехи в лечении, в настоящее время у 30,0 % больных синдромом диабетической стопы (СДС) до сих пор выполняют высокие ампутации с летальностью до 54,0–68,0 %. Причинами ампутаций у 28,0 % больных служит инфекция, а у 46,0 % – артериальная недостаточность в стадии критической ишемии.Цель исследования: улучшение результатов лечения больных за счет сокращения числа высоких ампутаций нижних конечностей, снижения возникновения осложнений и летальных исходов заболевания.Материалы и методы исследования. Для исследования результатов лечения пациентов с СДС их разделили на две группы сравнения и на две основные группы. С 1982 по 2019 г. частота ампутаций, главным образом на уровне бедра, составила 71,0 % (177 ампутаций у 248 больных). Эти больные образовали первую группу сравнения наблюдений. Во вторую группу сравнения (1988–1994 гг.) включены 58,3 % пациентов, у которых ампутации выполняли по более строгим показаниям (157 ампутаций у 269 больных). В первую основную группу наблюдений (1995–2013 гг.) вошли 9,9 % больных СДС, которых ампутировали только по поводу влажной гангрены, неизлечимой критической ишемии и инфекции с системной воспалительной реакцией (130 ампутаций из 1312 больных). При ишемии с сохраненным кровотоком по глубокой артерии бедра ампутацию голени выполняли последовательно-двухлоскутным способом с удалением камбаловидной мышцы. Ампутации завершали наложением дренирующих съемных мышечно-фасциальных швов. Вторая основная группа (2014 г.) состояла из 11,4 % больных, которым ампутации выполнили только по поводу сепсиса или влажной гангрены (124 ампутации у 1083 больных). Отличие второй основной группы от первой заключалось в разделении ампутационного вмешательства на 2 этапа.Результаты исследования. Сравнение результатов лечения в основных группах и в группах сравнения выявило снижение числа высоких ампутаций в 6 раз (с 64,6 до 10,69 %) и достоверное улучшение основных качественных показателей. Это касается шестикратного уменьшения летальности, что явилось следствием внедрения двухэтапной тактики ампутационного лечения самых тяжелых больных и ограничения показаний для ампутации бедра. Благодаря использованию съемных дренирующих мышечно-фасциальных швов послеоперационные раневые осложнения сократились с 51,9 до 13,0 %, а количество реампутаций уменьшилось в 17 раз.Заключение. Ампутацию голени по поводу необратимой критической ишемии можно выполнять при снижении TcP02 сшиваемых тканей культи не более чем до 30 мм рт. ст. Сохранение коленного сустава улучшает возможности протезирования, что позволяет пожилым диабетикам вести активную жизнь. Методы выполнения параллельно- или последовательно- двухлоскутной ампутации улучшают условия для выкраивания раневых лоскутов ракеткообразной формы, что обеспечивает свободную смещаемость соединенных съемными дренирующими швами мягких тканей культи

Сравнительное исследование горячей радиально-сдвиговой прокатки заготовок из сверхупругого сплава сиcтемы Ti–Zr–Nb и серийного сплава ВТ6 методом QForm-моделирования

A comparative simulation of hot radial shear rolling (RSR) of billets made of a superelastic Ti–Zr–Nb and a commercial VT6 alloy was performed using the QForm finite element modeling program. Rolling in 48 modes with a variable feed angle and elongation ratio at 4 levels and initial rolling temperature at 3 levels was investigated for each alloy. The Ti–Zr–Nb alloy rheology during hot deformation was determined experimentally by hot upset forging and imported into the QForm program. The presence of maxima on the flow curves at the initial stage of deformation, which are absent in the VT6 alloy, is revealed. Simulation results are presented in the form of fields of the stiffness coefficient, strain rate intensity, cumulative strain degree in the maximum reduction section depending on the rolling mode. General regularities of the Ti–Zr–Nb and VT6 behavior in RSR are similar. The gradient of the fields studied decreases, and the roll pressure and torque increase with an increase in the feed angle and elongation ratio. The initial rolling temperature does not significantly affect the deformation pattern, but it significantly affects the roll pressure and torque. At the same time, the experimental alloy demonstrated the greater tendency to localize deforming forces in the near-contact zone and to increase the gradient of stress-strain state parameters over the billet section. The study of the tightening shape and depth of rolled billet ends showed that the Ti–Zr–Nb alloy has a 3.5–9.6 % greater tightening depth. It is shown that experimental alloy rolling requires 1.6–2.4 times higher roll pressure and torque as compared to the commercial alloy.В программе конечно-элементного моделирования QForm выполнено сравнительное исследование горячей радиально-сдвиговой прокатки (РСП) заготовок из сверхупругого сплава сиcтемы Ti–Zr–Nb и серийного сплава ВТ6. Для каждого сплава исследована прокатка по 48 вариантам режимов с варьированием угла подачи и коэффициента вытяжки на 4 уровнях и начальной температуры процесса на 3 уровнях. Реология сплава Ti–Zr–Nb при горячей деформации определена экспериментально методом горячей осадки и импортирована в программу QForm. Выявлено наличие максимумов на кривых течения в начальной стадии деформации, которые отсутствуют у сплава ВТ6. Результаты моделирования представлены в виде полей коэффициента жесткости, интенсивности скорости деформации и степени накопленной деформации в сечении максимального обжатия в зависимости от режима прокатки. Общие закономерности поведения сплавов Ti–Zr–Nb и ВТ6 при РСП имеют сходный характер. С повышением угла подачи и коэффициента вытяжки градиентность исследуемых полей снижается, а усилие и момент прокатки увеличиваются. Температура в начале прокатки не оказывает особого влияния на картину деформации, но существенно влияет на усилие и момент. При этом выявлена бóльшая склонность экспериментального сплава к локализации деформирующих усилий в приконтактной зоне и повышению градиента параметров напряженно-деформированного состояния по сечению заготовки. Исследование формы и глубины утяжки торцев прокатанной заготовки показало, что у сплава Ti–Zr– Nb глубина утяжки больше на 3,5–9,6 %. Показано, что для прокатки опытного сплава требуются усилия и момент прокатки в 1,6–2,4 раза выше, чем для серийного сплава