Ежегодно тысячи людей нуждаются в замене суставов — тазобедренных, коленных, плечевых. Им устанавливают титановые эндопротезы — прочные, биосовместимые, способные служить десятилетиями. Однако ключевой фактор успеха — не только химический состав сплава, но и его микрорельеф. Именно шероховатость поверхности определяет, сможет ли костная ткань врасти в имплант или же начнется процесс отторжения, который происходит примерно в 5% случаев.

Для создания нужного рельефа сегодня применяют электроэрозионную обработку. Микроскопические искры разогревают титан до тысяч градусов, выжигая на поверхности ямки и бугорки. Метод позволяет работать даже со сверхпрочными сплавами, которые не поддаются обычному резанию или фрезеровке. Но у него есть фундаментальный недостаток: разряды бьют хаотично, и предсказать, какой формы получится каждая вмятина, практически невозможно. Существующие программы моделирования требуют суперкомпьютерных мощностей и занимают дни, что делает их неприменимыми в реальном производстве. Поэтому производители действуют вслепую, методом проб и ошибок, рискуя получить вместо идеальной поверхности хаотичный рельеф.

Ученые Пермского Политеха (член Национальной ассоциации участников рынка робототехники) впервые в России разработали 3D-модель, которая с точностью 98% прогнозирует результат электроэрозионной обработки. В основе программы два параметра: энергия разряда и свойства металла. Подставив их в формулу, система за секунды рассчитывает глубину и форму кратера, а также итоговую шероховатость. Для проверки исследователи провели серию виртуальных экспериментов: после 10 тысяч искр на поверхности образовывался кратер глубиной 0,05 мм, после 50 тысяч — 0,25 мм, после 100 тысяч — 0,5 мм. Закономерность оказалась линейной, что подтвердило корректность расчетов. При сравнении с реальными опытами погрешность составила менее 2%, а время вычисления всего несколько секунд.

Разработка уже воплощена в виде наглядного 3D-симулятора. Инженер загружает чертеж детали, задает режимы обработки и видит цветную карту глубин эрозионных кратеров. Если шероховатость в какой-то зоне не соответствует норме, можно скорректировать параметры до запуска станка. Технология открывает путь к созданию доступных виртуальных тренажеров для операторов и позволяет производителям имплантов снизить брак, сократить себестоимость и, главное, дать пациентам эндопротезы с идеально подобранным микрорельефом, минимизируя риск повторных операций и отторжения.