Разработка способов постобработки сетчатых металлических метаматериалов, полученных электронно-лучевым плавлением

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Павельева, Александра Андреевна Отделение экспериментальной физики (ОЭФ)
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

В данной работе была произведена разработка способов постобработки сетчатых металлических метаматериалов трижды периодических поверхностей минимальных энергий типа “гироид” , изготовленных с помощью электронно-лучевого плавления из титанового сплава Ti-6Al-4V. В качестве применяемых методов постобработки были выбраны пескоструйная обработка, ультразвуковое воздействие и химическое травление. Было исследовано влияния данных методов на микроструктуру, морфологию поверхности, механические свойства и топологию структуры.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 17
1.1 Аддитивные технологии…………………………………………………………………… 20
1.2 Электронно-лучевое плавление ………………………………………………………… 21
1.3 Требования к сетчатым материалам …………………………………………………. 23
1.4 Метаматериалы ……………………………………………………………………………….. 25
2 Материалы и методы …………………………………………………………………………….. 41
2.1 Получение образцов…………………………………………………………………………. 41
2.2 Методы постобработки ……………………………………………………………………. 42
2.2.1 Пескоструйная постобработка …………………………………………………….. 42
2.2.2 Химическое травление ……………………………………………………………….. 43
2.2.3 Ультразвуковое воздействие ………………………………………………………. 45
2.3 Методы исследования………………………………………………………………………. 47
2.3.1 Сканирующая электронная микроскопия ……………………………………. 47
2.3.2 Компьютерная томография …………………………………………………………. 49
2.4 Механические испытания ………………………………………………………………… 50
3 Результаты…………………………………………………………………………………………….. 51
3.1 Этап постобработки …………………………………………………………………………. 51
3.1.1 Пескоструйная обработка …………………………………………………………… 51
3.1.2 Ультразвуковое воздействие ………………………………………………………. 51
3.1.3 Химическое травление ……………………………………………………………….. 52
3.2 Сканирующая электронная микроскопия………………………………………….. 52
3.2.1 Морфология поверхности ……………………………………………………….. 52
3.2.2 Изучение микроструктуры………………………………………………………….. 55
3.3 Компьютерная томография ………………………………………………………………. 58
3.4 Механические испытания ………………………………………………………………… 62
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 70
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность …………………………………. 72
и ресурсосбережение ……………………………………………………………………………….. 72
4.1 Предпроектный анализ …………………………………………………………………….. 73
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследований ……………… 73
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……………………………………… 73
4.3 SWOT-анализ…………………………………………………………………………………… 74
4.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации……………………………… 79
4.4.1 Инициация проекта …………………………………………………………………….. 81
4.4.2 Организационная структура проекта …………………………………………… 82
4.5 Планирование управления научно-техническим проектом ……………….. 83
4.6 Бюджет научного исследования ……………………………………………………….. 85
4.7 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ . 86
4.8. Основная заработная плата ……………………………………………………………… 86
4.9 Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала89
4.10 Отчисления на социальные нужды …………………………………………………. 90
4.11 Накладные расходы ……………………………………………………………………….. 90
4.12 Организационная структура проекта ………………………………………………. 91
4.13 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования …………………… 92
4.14 Динамические методы экономической оценки инвестиций …………….. 92
4.15 Чистая текущая стоимость (NPV) …………………………………………………… 93
4.16 Дисконтированный срок окупаемости…………………………………………….. 94
4.17 Внутренняя ставка доходности (IRR) ……………………………………………… 95
4.18 Индекс доходности (рентабельности) инвестиций (PI) ……………………. 97
4.19 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………… 97
4.20 Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………… 98
Вывод по разделу ………………………………………………………………………………… 101
5 Социальная ответственность ……………………………………………………………….. 103
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …. 104
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства …………………………………………………… 104
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя …………………………………………………………………………………… 105
5.2 Производственная безопасность …………………………………………………….. 107
5.2.1 Анализ вредных производственных факторов …………………………… 108
5.2.2 Анализ опасных факторов ………………………………………………………… 115
5.3 Экологическая безопасность…………………………………………………………… 118
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………….. 119
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований …………………………………………………………………. 119
5.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС …………………………………… 120
Выводы по разделу ……………………………………………………………………………… 122
Используемая литература ……………………………………………………………………….. 123
2. Materials and methods ………………………………………………………………………….. 131
2.1 Obtaining samples ……………………………………………………………………………. 131
2.2 Post-processing methods …………………………………………………………………… 132
2.2.1 Sandblasting post-processing ……………………………………………………….. 132
2.2.2 Chemical etching ……………………………………………………………………….. 133
2.2.3 Ultrasonic vibration ……………………………………………………………………. 134
2.3 Research methods ……………………………………………………………………………. 135
2.3.1 Scanning Electron Microscopy …………………………………………………….. 135
2.3.2 Computed tomography ……………………………………………………………….. 137
2.4 Mechanical tests ………………………………………………………………………………. 138

Ткани человеческого организма имеют ограниченную способность к
регенерации, которая снижается с возрастом. И в настоящее время проблема
потери костной ткани может быть решена путем замены недостающей части
кости специальными каркасами, т. е. костными имплантатами [1,2].
Данные имплантаты должны иметь определенные физико-механические
и биохимические показатели. К главным механическим показателям относятся
модуль Юнга структуры и материала, предел прочности и текучести, которые
напрямую зависят от структуры и выбранного материала, дополнительным и не
менее важным критерием для структуры имплантатов является минимально
возможное количество концентраторов напряжений в структуре [3]. Учет
вышеперечисленных критериев позволяет более точно прогнозировать
поведение имплантата в организме человека при различных нагрузках, а также
минимизировать риск его разрушения в процессе эксплуатации [2, 3].
Дополнительным важным критерием в применении имплантатов
является взаимное расположение и размер пор структуры, что не только влияет
на механические показатели структур, но и определяет успешность процесса их
приживаемости в организме, а также прочность фиксации в необходимой
области организма [1-3]. Это объясняется тем, что пористость имплантата
необходима для обеспечения возможности прорастания костных клеток и
сосудистой системы организма в объем каркаса [2, 3]. Костные клетки
дополнительно фиксируют имплант в необходимом месте и положении, а вновь
выросшие сосуды обеспечивают транспорт кислорода и питательных веществ [3-
5].
Таким образом, архитектура готового изделия является одним из
решающих факторов в выполнении комбинации механических и биологических
требований [2-5].
Рассматривая применимость каркасов с точки зрения материалов, из
которых они изготовлены, стоит отметить некоторые важные особенности:
используемые материалы должны быть биосовместимы, иметь достаточную
прочность, тепло- и электропроводность, иметь необходимые физико-
химические свойства поверхности [4, 6, 7]. Указанным критериям свойств
удовлетворяют титан и сплавы на его основе, что объясняет их широкую
применимость в костном, зубном и суставном протезированиях [2-7].
Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что метод для создания
протезов должен позволять задавать и выдерживать в процессе производства
необходимый размер пор, а также иметь возможность работы с металлами.
Сохранять необходимые условия формы в процессе производства и
работать с металлами позволяют аддитивные технологии (АТ). Одним из
методов аддитивных технологий является электронно-лучевое плавление (ЭЛП).
Данный метод заключается в послойном наплавлении металлического порошка,
которое производится в вакуумной камере с помощью специального
программного обеспечения. Данное программное обеспечение позволяет
производить микропористые структуры с глобальными морфологическими
свойствами, которые строго контролируются в процессе производства [2,5,7].
Также, для костных протезов необходимо высокое качество конечной
поверхности, обеспечивающее сохранность запланированных механических
свойств и более успешное прорастание сосудистых и костных тканей в объем
каркаса, что является проблемой при данном методе производства [2-4,8].
Частицы порошка, которые были расплавлены неполностью, остаются на
изготовленных каркасах припеченными к поверхности как внешней, так и
внутриструктурной, т. е. в порах. Трудность вызывает удаление порошка с
внутренней поверхности, которая возрастает при увеличении плотности сетки
[7-9].
Очищение поверхности костных имплантатов необходимо для
выполнения эксплуатационных условий [9]. Что становится возможным при
проведении этапа постобработки [7,8,10,11]. Необходимо отметить, что данный
этап не должен ухудшать механические или физико-химические свойства
образцов.
Таким образом, целью данной работы является разработка способов
постобработки сетчатых металлических метаматериалов, полученных
электронно-лучевым плавлением.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие
задачи:
1. Изучить особенности топологии трижды периодических поверхностей
минимальной энергии (ТППМЭ) типа «гироид», обеспечивающей уменьшение
количества концентраторов напряжений в синтезируемом сетчатом
металлическом метаматериале;
2. Изучить и определить возможные методы постобработки сетчатого
металлического метаматериала с гироидной топологией;
3. Определить наиболее подходящие способы постобработки сетчатой
конструкции с гироидной топологией;
4. Осуществить постобработку выбранными способами;
5. Оценить влияние параметров постобработки сетчатой конструкции на
микроструктуру с помощью сканирующей электронной микроскопии;
6. Оценить влияние параметров постобработки сетчатой конструкции на
механические свойства с помощью механических испытаний;
7. Оценить влияние постобработки сетчатой конструкции на изменение
формы и толщины стенок с помощью компьютерной томографии;
8. Сделать выводы о проделанной работе.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать «Разработка способов постобработки сетчатых металлических метаматериалов, полученных электронно-лучевым плавлением»

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 Выполненных работ
    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Модифицирование поверхности полученного с помощью аддитивной технологии титанового сплава Ti-6Al-4V
    📅 2021 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Изучение процессов термостимулированного и неравновесного выхода изотопов водорода из Pd, Ni, Pt, Zr, Ti
    📅 2021 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)