التطبيقات الشائعة للبلاستيك المشغول باستخدام التصنيع بالكمبيوتر (CNC) في الصناعات الإلكترونية والطبية

تصنيع الأجهزة الطبية باستخدام البلاستيك المُعالَج بالتحكم العددي (CNC)

المواد القابلة للتوافق الحيوي: PEEK، Delrin®، والبوليمرات ذات الدرجة الطبية

في ورش التشغيل باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، يعملون مع بعض البلاستيكات عالية الأداء مثل مادة PEEK، وهي اختصار لـ polyether ether ketone (البولي إثير إثير كيتون)، إلى جانب مادة Delrin® الأسيتال الهوموبوليمر وأنواع مختلفة من النايلون الطبي. هذه المواد الخاصة هي ما يحتاجها المصنعون عند إنتاج أجزاء تجتاز بالفعل الاختبارات الصارمة من هيئة الغذاء والدواء (FDA) لكونها آمنة داخل الجسم. الخبر الجيد هو أن هذه البوليمرات تقاوم جيدًا مختلف أنواع السوائل الجسدية، وتُسبب استجابات تحسسية أقل مقارنةً بالمعادن، ويمكن تعقيمها مرارًا وتكرارًا دون أن تتدهور. على سبيل المثال، فإن مادة PEEK تمتلك تصنيف قوة شد مثير للإعجاب يبلغ حوالي 17,000 رطل/بوصة مربعة، في حين تتميز مادة Delrin® بالانزلاق السلس وبحد أدنى من الاحتكاك. يجعل هذا التوليف من الخصائص كلا المادتين خيارين مثاليين لأجهزة مثل المفاصل الاصطناعية حيث تكون المتانة أمرًا بالغ الأهمية، كما تُستخدم هاتان المادتان بشكل شائع أيضًا في أجهزة توصيل الدواء الحديثة.

التشغيل باستخدام الحاسب الآلي (CNC) للأدوات الجراحية والغرسات

تتطلب الأدوات الجراحية مثل مناشير العظام والملاقط ومكونات المناظير دقة عالية جدًا، وغالبًا ما تكون التسامحات أقل من ±0.001 بوصة لكي تعمل بشكل صحيح. تتيح تقنية التحكم العددي بالحاسوب (CNC) إمكانية تصنيع زراعات العمود الفقري المصنوعة من التيتانيوم التي نراها حاليًا، والتي تتميز بأسطح مسامية خاصة تحفّز فعليًا نمو عظام جديدة وتقلل من احتمالية رفض الجسم لها. كما أظهرت بعض الدراسات المنشورة العام الماضي نتائج مثيرة للإعجاب أيضًا. فقد أشارت دراسة إلى أن المرضى الذين خضعوا لزراعة قطع عظمية تم تصنيعها باستخدام تقنية التحكم العددي بالحاسوب بدلًا من الطرق التقليدية الصب، عانوا من مضاعفات بعد الجراحة أقل بنسبة 22%. وهذا يفسر سبب انتقال العديد من المستشفيات حاليًا إلى هذا النهج.

التخصيص والدقة في الأطراف الصناعية المخصصة للمريض

باستخدام تقنية التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، يمكن للأطباء إنشاء أطراف صناعية مخصصة بناءً على عمليات مسح ثلاثية الأبعاد فعلية لهيكل المريض التشريحي. وبالنسبة للغرسات الجمجمية على وجه التحديد، عندما تُصنع من هذا البلاستيك الخاص المسمى PEEK، فإنها تصل إلى مستوى دقة مثير للإعجاب يبلغ حوالي 50 ميكرون. وهذا يعني أن هذه الغرسات تتناسب فعلاً مع شكل العظام وتساعد على الوقاية من الالتهابات التي قد تنشأ من الفراغات بين الغرسة والجمجمة. بل إن أحدث التطورات تتيح للمصنّعين إنتاج قواعد الأطراف الصناعية البوليمرية في نفس يوم إجراء الجراحة. ووفقاً لأبحاث معهد بونيمون لعام 2023، فإن نحو ثلث البترى يشكون من عدم تناسب أطرافهم الصناعية بشكل صحيح. وفي الواقع، يؤدي التخصيص من خلال هذه الأساليب إلى تقليل فترات التعافي بنسبة تقارب 20٪، ويقلل من العمليات الجراحية المتكررة المحبطة بنسبة تقارب 40٪. شيءٌ مذهل بالفعل إذا توقفنا للتفكير فيه.

مكونات معدات التشخيص والت Imaging

دور البلاستيك المصقول باستخدام الحاسب الآلي في وحدات التغليف الخاصة بأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي

تلعب الأجزاء البلاستيكية المصنوعة باستخدام تقنية التصنيع بالتحكم العددي (CNC) دورًا حيويًا في وحدات أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وأجهزة التصوير المقطعي (CT)، نظرًا لحاجة هذه الأجهزة إلى مواد لا توصل الكهرباء، وتكون خفيفة الوزن، ومع ذلك تتمتع بمتانة عالية. توفر مواد مثل PEEK وPOM، المعروف أيضًا باسم البولي أوكسي ميثيلين، حماية من التداخل الكهرومغناطيسي دون التأثير على المعدات الحساسة للتصوير الموجودة داخليًا. تستوفي هذه البوليمرات جميع المتطلبات الضرورية التي حددها كل من هيئة الغذاء والدواء (FDA) والمعيار ISO 13485 فيما يتعلق باشتعالها وتفاعلها مع الأنسجة البيولوجية، مما يجعلها آمنة لخضوعها لعمليات التعقيم المتعددة. وفقًا لتقرير صناعي صادر عام 2023 حول الأجهزة الطبية، لاحظ المصنعون انخفاضًا بنسبة 60٪ تقريبًا في العيوب عند استخدام التصنيع بالتحكم العددي مقارنةً بطرق الصب بالحقن التقليدية في تصميمات الهياكل المعقدة، وهي نتيجة مفيدة بشكل خاص عند إنتاج كميات صغيرة من أجهزة التصوير.

تحقيق تحملات ضيقة في الأجهزة الطبية الإلكترونية

يمكن لعملية التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC) تحقيق دقة عالية تصل إلى ±0.005 مم، وهي المطلوبة في أشياء مثل الأجهزة الطبية الإلكترونية بما في ذلك أجهزة مراقبة الصحة اللاسلكية وأجهزة الموجات فوق الصوتية المحمولة. يلجأ العديد من المصنّعين إلى مادة ديلرين® (Delrin®) لموصلات مضخات التسريب لأنها تظل مستقرة حتى مع تقلبات درجات الحرارة ولا تتفكك عند تعرضها لمختلف السوائل. وجدت دراسة حديثة نُشرت في مجلة ابتكار الأجهزة الطبية أن استبدال الأجزاء المعدنية المطبوعة بأجزاء نايلون مصنعة باستخدام الحاسب الآلي عزز دقة الإشارة في أقطاب تخطيط القلب (ECG) بنسبة تقارب 34%. إن تحقيق هذا النوع من الدقة ليس فقط ممارسة جيدة، بل ضروري للامتثال للوائح السلامة IEC 60601-1. بالإضافة إلى ذلك، تتيح هذه التحملات الضيقة تصاميم أصغر، وهو أمر بالغ الأهمية في أنظمة مراقبة الجلوكوز القابلة للارتداء وغيرها من معدات الطب عن بُعد حيث يكون توفر المساحة محدودًا جدًا.

الهياكل والأغلفة الإلكترونية باستخدام البلاستيك المصقول بالتحكم العددي (CNC)

التشغيل عالي الدقة باستخدام التحكم العددي الحاسوبي للإلكترونيات المصغرة

عندما يتعلق الأمر بالإلكترونيات المصغرة، يجب أن تكون الأغلفة دقيقة جدًا وقوية من الناحية الهيكلية. يمكن للبلاستيك المشغول باستخدام التحكم العددي الحاسوبي تحقيق تحملات ضيقة جدًا تصل إلى ±0.005 مم، وهي المطلوبة في أشياء مثل أغلفة المجسات الدقيقة أو هياكل الأجهزة القابلة للارتداء، مما يجعلها تناسب تمامًا مع صفائف اللوحات الإلكترونية دون أي مشاكل. وفقًا لبعض بيانات الصناعة لعام 2023، بدأ حوالي 92% من الشركات المصنعة بالاعتماد على التشغيل باستخدام التحكم العددي الحاسوبي لتصنيع نماذج أولية، لأن هذه الطريقة تتيح إجراء تغييرات في التصميم بشكل أسرع بكثير مقارنة بطرق الصب بالحقن التقليدية. وهناك فائدة إضافية أيضًا، حيث تقلل هذه العملية خطوات ما بعد المعالجة المزعجة بنسبة تقارب 40%، مما يساعد حقًا في خفض التكاليف عند إنتاج دفعات صغيرة من منتجات مختلفة في وقت واحد.

اختيار المواد للعزل الحراري والكهربائي

يؤثر اختيار المادة بشكل مباشر على موثوقية الأغلفة الإلكترونية:

• (بيك) يوفر مقاومة للهب وفقًا لمعيار UL 94 V-0 ويمكنه العمل باستمرار عند درجة حرارة 250°م.
• خليطات البولي كربونات توفر قوة عازلة تبلغ 600 فولت/مم، وهي مناسبة للموصلات عالية الجهد.
• POM (بولي أوكسي ميثيلين) يقلل التداخل الكهرومغناطيسي بنسبة 15 ديسيبل مقارنةً بـ ABS.

تفي هذه المواد بمتطلبات IEC 60601-1 الخاصة بالعازل الطبي، كما تم التأكد منها في تحليل المواد لعام 2024.

دراسة حالة: أجزاء POM المشغولة باستخدام CNC في موصلات ولوحات الدوائر المطبوعة

حقق مورد إلكترونيات سيارات رائد موثوقية بنسبة 99.8% في الموصلات باستخدام عوازل POM مشغولة باستخدام CNC. ومع معدل امتصاص رطوبة لا يتجاوز 0.5%، يمنع POM حدوث دوائر قصيرة في البيئات الرطبة. وتقلل صلابته البالغة 10 جيجا باسكال التشويش الإشاري، وأظهرت نتائج اختبار EDMR بعد التشغيل انخفاضًا بنسبة 30% في حالات التقوس الكهربائي مقارنةً بأجزاء النايلون المصبوغة.

مقارنة المواد: POM، PEEK، وDelrin® في التطبيقات الطبية والإلكترونية

سهولة التشغيل والأداء لبلاستيك POM في الأجزاء عالية الدقة

يعمل مادة البولي أوكسي ميثيلين (POM) بشكل جيد للغاية عندما تكون الأبعاد الضيقة مهمة، حيث تبلغ الدقة حوالي ±0.005 مم، بالإضافة إلى أن لها خصائص احتكاك منخفضة بشكل طبيعي. إن التركيبة الموحّدة للمادة تُنتج تشطيبات ناعمة تشبه المرآة، وهي ضرورية للقطع الصغيرة مثل الموصلات الصغيرة أو الصمامات الصغيرة المستخدمة في المعدات الطبية. بينما تميل البلاستيك العادية إلى امتصاص الرطوبة والانحناء مع مرور الوقت، تظل مادة POM مستقرة أبعادياً حتى عند التعرض للرطوبة. وهذا يعني عدم حدوث تغيرات شكلية غير مرغوب فيها قد تتسبب في تآكل التروس أو تؤدي إلى مشاكل في الأجزاء المتحركة. من منظور تصنيعي، فإن مادة POM منطقية أيضاً. فهي تقلل من تغيير الأدوات بنسبة تصل إلى 30٪ مقارنة بالبدائل المعبأة بالزجاج. وعلى الرغم من سهولة التعامل معها، إلا أنها لا تزال تتمتع بقوة شد تبلغ 70 ميجا باسكال، مما يجعلها مناسبة للمكونات الهيكلية التي تتطلب المتانة.

القوة الحرارية والميكانيكية لمادة البولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) في البيئات القاسية

يمكن لبوليمر البولي إيثير الكيتون (PEEK) تحمل درجات حرارة تصل إلى 250 درجة مئوية، كما يتميّز بمقاومته الجيدة للمركبات الكيميائية القاسية، مما يجعله أفضل من ديلرين وPOM عند استخدامه في أجزاء التصوير بالرنين المغناطيسي التي تُعقّم باستمرار. يتراوح مقاومة الانحناء للمادة بين 90 و100 ميجا باسكال، وهي خاصية تضعه في مستوى يعادل الألومنيوم المستخدم في صناعة الطيران، لكن بوزن أقل بنسبة 45 بالمئة تقريبًا. تجعل هذه الخاصية من PEEK مادة ممتازة لتصنيع أغلفة مقاومة للإشعاع في زراعات أجهزة مراقبة الجلوكوز الصغيرة التي يضعها الناس داخل أجسامهم. وعندما أجرى الباحثون اختبارات إجهاد شبيهة بعشر سنوات من الاستخدام والاهتراء على زراعات عظمية، وجدوا أن PEEK المشغول باستخدام طرق CNC حافظ على نحو 98% من قوته الأصلية في الضغط بعد كل تلك الاختبارات. وللمقارنة، لم تتمكن السبائك الهجينة من التيتانيوم سوى من الحفاظ على حوالي 82%. نُشرت هذه النتائج في مجلة Biomaterials Research عام 2023.

التكلفة مقابل الأداء: تقييم البوليمرات عالية الأداء

قد تكلف مادة PEEK الشركات المصنعة حوالي 20 ضعف تكلفة مادة POM، ولكن عندما نتحدث عن زراعة العمود الفقري، لا أحد يرغب في التنازل عن الجودة. يجب أن تدوم المادة عقوداً دون أن تفشل، ويجب أن تستوفي أيضاً المعايير الصارمة لهيئة FDA. ففي النهاية، إذا حدث خطأ ما، فإن الكوادر الطبية قد تواجه مشكلات قانونية جسيمة، حيث تبلغ مطالبات الإهمال الطبي عادةً نحو 740,000 دولار وفقاً لأبحاث Ponemon الصادرة العام الماضي. ولهذا السبب تواصل المستشفيات استخدام مادة PEEK على الرغم من تكلفتها العالية. من ناحية أخرى، بالنسبة لأشياء مثل الأغلفة التي لا تحتاج إلى تعقيم، فإن مادة Delrin® تكون أكثر منطقية. فهي تحقق متطلبات السلامة بتصنيف اشتعال V0 مع كلفة أقل بنسبة 40 بالمئة تقريباً من PEEK. وهذا أمر منطقي حقاً – إنفاق المال الإضافي حيث تكون الأرواح على المحك، وتوفير المال في أماكن أخرى دون التفريط كثيراً في الجودة.