
Кошка Дымка и немного ветеринарии


Ветеринарный хирург взялся за этот случай, так как некоторое время назад он впервые в мире уже поставил на все четыре лапы кота, о чем даже вышла развернутая научная статья в одном из профильных научных журналов. Опыт, полученный специалистом, помог и в этом случае. Однако, были свои трудности. Животные, как впрочем и люди, все разные. Особенности у каждого свои. Кости кошек тонкие, и требуется очень детальная и точная работа по моделированию будущего протеза.

Основой для моделирования стали рентгеновские снимки и опыт специалиста, который провел анализ наиболее подходящей конфигурации протеза с учетом анатомического строения зверя. В результате долгого прототипирования и подбора лучшего из вариантов, был напечатан образец будущего протеза с использованием 3D принтера. Специальный принтер напечатал протез из титана, который впоследствии был имплантирован кошке.

Протез протезу рознь
Операция продлилась более пяти часов и прошла удачно. Но этому успеху предшествовал ещё один важный этап. В анонсе статьи я обещал объяснить, почему я пишу эту статью на Хабре. Пришло время. Оказывается, хоть и титан является биосовместимым материалом, но есть важные особенности. Необходимы специальные сплавы и покрытия на титан, чтобы не начался процесс отторжения протеза, а костная ткань проникла в толщу протеза и закрепилась в нем. Для этого на подобные изделия необходимо нанести специальные покрытия.


Источник микродугового оксидирования
Процесс нанесения покрытия упрощенно можно объяснить следующим образом. В металлическую ванну из титана, которая является катодом, погружается деталь, на которую необходимо нанести покрытие. Деталь является анодом.



Чтобы обеспечить старт процесса МДО, необходимо за очень короткое время вкачать в нагрузку большой стартовый ток, что возможно сделать только используя батарею высоковольтных конденсаторов. Таких батарей две (КБ1 и КБ2). Заряд конденсаторных батарей осуществляет мощный 20 КВт источник постоянного тока ИП. Накопленный в конденсаторных батареях заряд с помощью двухканального блока формирования выходного импульса (БФВИ1 и БФВИ2) и контроллера К подается в нагрузку. Почему используется две конденсаторные батареи? Это связано с тем, что в системе необходимо коммутировать ток более 2000 А на частотах до 400 Гц, что требует выбора соответствующего силового ключа. Сильноточная электроника не из дешевых, поэтому подходящий прибор для коммутации таких токов на указанных режимах стоит порядка 3-4 тысяч долларов, и изготавливается практически только под заказ. К тому же ресурс такого прибора ограничен несколькими сотнями часов непрерывной работы. Это никуда не годится. Поэтому было принято решение необходимую выходную мощность разделить на два канала, а коммутацию осуществить двумя силовыми ключами МТКИ-1200-12КН.

Эти приборы хорошо себя зарекомендовали, да и цена их вполне приемлема. Ресурс непрерывной работы (на уровне 0,8 предельных режимов) составляет несколько тысяч часов. Бросок тока в начальный момент зарядки конденсаторных батарей может составлять десятки кА, поэтому в цепи питания конденсаторных батарей ставятся два мощных дросселя. Вообще силовая электроника вещь особенная. Здесь все узлы и детали большие и при изготовлении часто используется труд слесарей и токарей. К примеру, дроссель выглядит в виде блока, состоящего из нескольких метров медной фольги, закрученной на каркасе с зазорами, позволяющими осуществлять его охлаждение с помощью вентилятора.

Таким образом, вся установка укрупненно состоит из трёх блоков — источника питания, сильноточного коммутатора (который содержит конденсаторы, силовые ключи, дроссели и т.п.) и блока электроники, который всем этим управляет, формирует необходимые формы импульсов, следит за всеми режимами работы. Вся конструкция изготавливается в промышленной стойке, охлаждение осуществляет чиллер. Все собралось в таком вот виде.

Выбор источника питания конденсаторных батарей — важнейший вопрос, который решался в этой работе. Источник питания должен быть отвечать ряду жестких требований, иметь надежную систему защиты и систему управления, а также быть помехозащищенным, так как при коммутации больших токов в частотном режиме возникают различные помехи. Выбор пал на источники Научно-технического центра «Системы гарантированного электропитания», г. Новосибирск. Отличная компания, которая разрабатывает и производит различное оборудование для подобных задач. Порадовало то, что разработчики шли на встречу даже самым неожиданным нашим просьбам и запросам. Так, в частности, нам требовалось более детально знать конфигурацию некоторых узлов их оборудования с целью адаптации наших управляющих протоколов, что потребовало разработки новой прошивки и ребята сделали её в самые короткие сроки. Компания серьезно относится к составлению документации, техподдержка работает безукоризненно. Редкий пример добротного бизнеса, который стал нашим надежным партнером. Высоковольтный коммутатор и всю управляющую электронику мы уже делали сами.
Управление проектом
Читатели могут задать вопрос о том, как управлялся проект и сколько времени ушло на его выполнение. Поговорим немного об этом. Вообще для подобного рода проектов лучше всего придерживаться ГОСТ Р 15.301-2016 «Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство». Следуя рекомендациям ГОСТа легко правильно и эффективно выполнить проект, при условии, что все разработчики понимают и следуют его идеологии. Задача же координатора проекта (главного конструктора) четко поставить задачи и контролировать их выполнения на всем протяжении проекта. Работу выполнила группа из четырех основных разработчиков и инженера-техника (руки), которые были подписаны в сервисе Notion в одну рабочую группу. Сервис, подобный Notion не единственный для групповой работы команд разработчиков. Я использую его – мне удобно.

Три потока «Разработка и прототипирование», «Необходимые дополнительные работы» и «Закупки» заполняются по мере поступления задач, обозначаются сроки и ответственные исполнители. При выполнении задания, оно отправляется в архив. Вся документация и необходимые документы хранятся в облаке с возможностью доступа на любом из устройств. Один раз в неделю (как правило, по четвергам) — общий сбор, обсуждение текущих дел. Жесткое ограничение времени встречи — 45 минут. Самый важный и необходимый элемент взаимодействия команды. Каждый знает, что проект важный, на встрече все будут докладывать свои результаты, надо подготовиться, доделать, что не успеваешь и не ударить перед всеми в грязь лицом. Я, как генеральный конструктор, здесь выступаю подчас авторитетным преподавателем, принимающим домашнее задание своих студентов. В хорошем смысле) Что касается сроков. Сроки сжатые. При этом каждый из разработчиков знает конечные сроки сдачи проекта. С учетом того, что задача была поставлена практически с чистого листа, срок выполнения проекта до первых успешных испытаний составил порядка 10 месяцев. Срок сильно затягивали вопросы логистики, так как в разработке устройств сильноточной электроники комплектующие совсем не простые, поэтому, к примеру, подходящий снабберный конденсатор может идти и пару месяцев.

Конечно, все это было сделано не только для спасения кошки Дымка. Данная технология используется для нанесения защитных и биосовместимых покрытий имплантатов для людей, цветных покрытий на различные сплавы и металлические композиты.

Подобные изделия практически все заграничные и цена их соответствующая. А на самом деле в России вполне может быть налажено и развито производство подобных изделий в достаточном количестве. Необходима воля и желание не только постоянно открывать газопроводы и гнать ресурсы страны за бесценок за рубеж, а уже браться за развитие технологий, нормально поддерживать науку и производство.
Благодарности
Технология нанесения биосовместимых покрытий разработана в недрах научных лабораторий Томского политехнического университета, Института сильноточной электроники СО РАН и Томского научного центра. Отдельная благодарность хабражителю @NordicEnergy за полезные технические консультации при реализации проекта, ведь даже имея существенный опыт и технические компетенции, иногда нуждаешься в консультациях. В этом случае я всегда обращаюсь за помощью к участникам Хабр-сообщества и всегда найдется человек, который поможет разобраться. Также я буду признателен всем, кто даст полезные рекомендации по дальнейшей коммерциализации этой технологии или поможет с заказами. Моя почта asm@li.ru или в личку.
А что же наша героиня статьи кошка Дымка? С ней все хорошо. Операция прошла успешно, жизнь зверя идет своим чередом. Забавно потягивается, как и все кошки, проснувшись по утрам). Вообще развитие медицины и биотехнологий никак нельзя представить без особой роли животных в этом процессе. Да и труд ветеринарных специалистов всецело лично мною глубоко уважаем. Ведь не даром говорил великий нейрофизиолог И.П.Павлов — «Медицинский врач лечит человека, а ветеринарный врач – человечество». Я лично в этом с Иван Петровичем глубоко солидарен!

