Системный подход к поиску технических решений изготовления малоприпусковых штамповок из титановых сплавов для применения в медицине



В статье автор исследует применение методического инструментария системного инжиниринга к формированию требований к системе и выбору оптимального технологического процесса в условиях изменений внешней среды, а также при поиске технических решений.

Ключевые слова: системный инжиниринг, выбор оптимальной технологии, поиск технических решений, приоритезация функций, функциональный анализ, многопараметрическая оптимизация

Введение

В современном мире медицина активно развивается, и одним из ключевых направлений является использование металлических имплантатов. Титановые сплавы, в частности сплав ВТ6 (аналог Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4VELI), являются одними из самых востребованных материалов благодаря своей биосовместимости и прочности. В данной статье рассматриваются преимущества системного подхода к разработке технологического процесса изготовления малоприпусковых штамповок из титановых сплавов для применения в медицине.

Основными требованиями к медицинским имплантатам являются:

— надёжность, которая характеризуется способностью выполнять функцию замещения костной ткани в течение длительного срока службы;

— точность изготовления, которая характеризуется отклонением геометрических параметров, а также стабильностью их получения;

— биосовместимость: материал имплантата должен быть совместим с тканями организма и не вызывать иммунного ответа;

— прочность: имплантат должен выдерживать механические нагрузки, возникающие во время функционирования;

— коррозионная стойкость: материал имплантата должен быть устойчив к воздействию биологических жидкостей и окружающей среды;

— стоимость готового изделия.

Разные участники жизненного цикла изделий больше ценят разные характеристики. Например, пациенту больше важны долговечность и стоимость, хирургу важны биосовместимость и точность, а изготовителю — технологичность производства и низкие затраты. Для определения наилучшего способа изготовить изделие, максимально удовлетворяющее всех участников жизненного цикла, рекомендуется применять элементы методического инструментария системного инжиниринга.

Процесс выбора технических решений состоит из нескольких этапов:

— сбор и формулирование требований заказчика («голос потребителя);

— систематизация и уточнение требований («голос заказчика»);

— функциональный анализ и приоритезация функций;

— выбор оптимальных решений.

1. Определение функциональных требований
   1. «Голос потребителя»

Следует начать с изучения «голоса потребителя», т. е. конечного пользователя изделия, изготовителя изделий и хирургов. Необходимо тщательно изучить все требования к изделию, системе (технологии), даже те, которые описаны на качественном уровне. Например, это могут быть:

— необходимо получить изделия с требуемой геометрией;

— необходимо получить изделия с требуемыми механическими свойствами;

— необходимо получить изделия с высокой надежностью;

— необходимо получить изделия с хорошей поверхностью;

— система должна управлять техпроцессом;

— система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал.

1.2. «Голос заказчика»

Следует заметить, что такие достаточно «размытые» требования не позволяют сформировать качественные требования к системе. Поэтому после сбора и группировки всех требований необходимо «оцифровать» данные требования, превратив их в «голос заказчика».

Например, для требования «необходимо получить изделия с требуемой геометрией» это могут быть:

— отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм;

— остаток облоя должен быть не более 1 мм.

Для требования «необходимо получить изделия с требуемыми механическими свойствами»:

— условный предел текучести не менее 780 МПа;

— предел прочности не менее 860 МПа;

— относительное удлинение не менее 10 %.

Для требования «необходимо получить изделия с высокой надежностью»:

— срок службы изделий не менее 15 лет.

Для требования «необходимо получить изделия с хорошей поверхностью»:

— шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм;

— отсутствие дефектов, видимых невооруженным глазом;

— отсутствие инородных тел на поверхности.

Для требования «система должна управлять техпроцессом»:

— частота контроля параметров 1 раз в 5 сек;

— допуск на температуру нагрева ±10⁰С;

— допуск на скорость деформации ±5мм/с;

— срок хранения параметров не менее 5 лет.

Для требования «система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал»:

— количество вредных выбросов не должно превышать ПДК;

— отсутствие работников в опасных зонах.

1.3. Функциональный анализ

После «оцифровки» требований рекомендуется перейти к описанию функциональных требований подсистем и расстановки приоритетов. Для этого необходимо для функциональных требований к элементам системы и подсистем определить функции, которые должны выполняться элементами системы.

Укрупненно существует 4 основные подсистемы технологического процесса, которые будут выполнять выбранные функции:

1. подсистема дозирования заготовки должна обеспечить дозирование заготовки с заданной точностью;

2. формообразующая подсистема должна обеспечивать переработку исходной заготовки в поковку штампованную, повторяющую форму гравюры штампов;

3. подсистема термической обработки должна обеспечить получение изделий со свойствами в соответствии с требованиями спецификации;

4. подсистема отделки/подготовки поверхности должна обеспечить точность изделий (геометрические размеры, шероховатость) в соответствии с требованиями чертежа.

После определения функций можно достаточно легко подобрать элементы технических решений (устройства, датчики, технические решения и др.) для каждой функции или группы функций. Достаточно удобно и наглядно это можно представить в виде таблицы. Пример такого анализа представлен в табл. 1.

Таблица 1

Функциональные требования

Функциональные требования	Функции	Элементы технического решения
Получить изделия с требуемой геометрией	F1 обеспечить отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм	Е1 Автоматизированный раскрой заготовок E2 Входной контроль на производстве Е3 Уменьшение припусков на промежуточных операциях
	F2 обеспечить остаток облоя должен быть не более 1 мм	Е4 Автоматическая укладка в обрезной штамп Е5 Контроль параметров кромки обрезного штампа
Получить изделия с требуемыми механическими свойствами	F3 обеспечить условный предел текучести не менее 780 МПа	Е6 Входной контроль качества заготовки Е7 Контроль режимов горячей деформации Е8 Контроль режимов термообработки Е9 Применение защитных покрытий при нагреве
	F4 обеспечить предел прочности не менее 860 МПа
	F5 обеспечить относительное удлинение не менее 10 %
Получить изделия с высокой надежностью	F6 обеспечить срок службы изделий не менее 15 лет
Получить изделия с хорошей поверхностью	F7 обеспечить шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм	Е10 Применение защитных покрытий при штамповке Е11 Автоматический контроль за температурой штампа
	F8 обеспечить поверхность без дефектов, видимых невооруженным глазом
	F9 обеспечить поверхность без инородных тел	Е12 Автоматическая продувка и смазка штампов
Система должна управлять техпроцессом	F10 обеспечить частоту контроля параметров 1 раз в 5 сек	Е13 Сервер для хранения и обработки параметров техпроцессов
		Е14 Датчики контроля
	F11 допуск на температуру нагрева ±10⁰С	Е15 Термопара
		Е16 Устройство аварийной сигнализации
		Е17 Устройство автоматического отключения
	F12 допуск на скорость деформации ±5мм/с	Е18 Датчик скорости Е19 Устройство регулировки скорости
	F13 cрок хранения параметров не менее 5 лет	Е20 Дублирующий сервер для хранения параметров техпроцессов
Система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал	F14 количество вредных выбросов не должно превышать ПДК	Е21 Газоанализатор
		Е22 Устройство аварийной сигнализации
	F15 отсутствие работников в опасных зонах	Е23 Датчики присутствия
		Е24 Устройство блокировки

1.4. Оценка значимости функций системы

Для сравнения функций проведем относительную оценку значимости этих функций (см. табл. 2) и интегральную оценку значимости функций (см. табл. 3).

Таблица 2

Относительная оценка значимости функций

* правило для оценок: «1» значимость функции в строке меньше, чем в столбце; «2» значимость функций равнозначна; «3» значимость функции в строке больше, чем в столбце

Таблица 3

Интегральная оценка значимости функций

Функции	Приоритет	Рейтинг
F1 обеспечить отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм	841	0,060
F2 обеспечить остаток облоя не более 1 мм	441	0,031
F3 обеспечить условный предел текучести не менее 780 МПа	1600	0,114
F4 обеспечить предел прочности не менее 860 МПа	1600	0,114
F5 обеспечить относительное удлинение не менее 10 %	1600	0,114
F6 обеспечить срок службы изделий не менее 15 лет	1296	0,092
F7 обеспечить шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм	400	0,028
F8 обеспечить поверхность без дефектов, видимых невооруженным глазом	676	0,048
F9 обеспечить поверхность без инородных тел	576	0,041
F10 обеспечить частоту контроля параметров 1 раз в 5 сек	529	0,038
F11 допуск на температуру нагрева ±10⁰С	900	0,064
F12 допуск на скорость деформации ±5м/с	961	0,068
F13 cрок хранения параметров не менее 5 лет	484	0,034
F14 количество вредных выбросов не должно превышать ПДК	1089	0,077
F15 отсутствие работников в опасных зонах	1089	0,077

Приоритет рассчитывается по формуле Пр= ,

где Пр — приоритет, X — относительная оценка значимости функции (табл. 3).

Рейтинг — это нормированный показатель значимости функции.

На диаграмме (рис. 1) представлен результат произведенного анализа интегральной значимости функций, который дает оценку каждой функции с учетом всех взаимодействий, внесенных в матрицу.

Рис. 1. Интегральная значимость функций

2. Выбор оптимальных решений

Далее с учетом приоритетов функций, а также с учетом накопленного опыта, анализа рынка оборудования и мнения экспертов можно выбрать необходимые устройства или оборудование. Возьмем для примера систему формообразования.

Подсистема формообразования:

— получение фасонной заготовки: радиально-ковочная машина (РКМ), трехплунжерный пресс (ТП), горизонтально-ковочная машина (ГКМ);

— штамповка: гидравлический пресс (ГП), механический пресс (МП), электровинтовой пресс (ЭВП), паровоздушный молот (ПМ).

Рассмотрим альтернативы с помощью интегрального параметра Гермейера (всего 12 вариантов в различных сочетаниях).

В таблице 4 приведен анализ альтернативных решений (в таблице приведены экспертные оценки, где «1» — лучшее значение, остальные значения установлены в долях от лучшего значения).

Таблица 4

Анализ альтернативных решений

Оценка оптимальности приведена в таблице 5. Интегральные критерии Гермейера выведены из таблицы на слайде 8 путем пересчета по формуле X=(Xbest-Xi)/(Xbest*Ki), где Х — интегральный критерий Гермейера, Xbest — наилучшее значение параметра, Xi — текущее значение параметра, Ki — рейтинг функции.

Чем меньше интегральный критерий, тем лучше решение.

Таблица 5

Оценка оптимальности альтернативных вариантов

Из рассмотренных альтернатив есть 2 способа, лидирующих по интегральному показателю Гермейера — фасонирование на 3-х плунжерном прессе + штамповка на гидравлическом прессе и фасонирование на 3-х плунжерном прессе + штамповка на электровинтовом прессе.

При изменении приоритетов функций вследствие внешних или внутренних факторов (изменение требований потребителя, законодательства, доступности оборудования, условий на рынках и т. д.) данная методика позволяет достаточно быстро и точно выбрать наиболее оптимальный вариант системы в новых условиях.

Заключение

Системный подход к разработке технологического процесса позволяет достаточно быстро выбрать наилучший технологический процесс для удовлетворения требований разных заказчиков с учетом минимизации затрат и исключения (или уменьшения) избыточных требований.

Литература:

1. Бородкин А. А., Ефименко Г. А. «Системный инжиниринг для поиска технических решений. Введение». Сборник лекций. Дайджест. 6 издание, 2019

2. Романов А. А. 2012–2023 Курс лекций «Основы системного инжиниринга»

3. Романов А. А. Прикладной системный инжиниринг. М.: Физматлит, 2015. — 555 с

4. Гермейер Ю. Б. Введение в теорию исследования операций. — М.: Наука, 1971. — 384 с. — (Оптимизация и исследование операций).