CNC-työstettyjen muovien yleisiä sovelluksia elektroniikka- ja lääketekniikkateollisuudessa

Lääketekniikkalaitteiden valmistus CNC-työstetyillä muoveilla

Biokompatibiliset materiaalit: PEEK, Delrin® ja lääketeollisuuden luokan polymeerit

CNC-jyrsintätehtaissa käsitellään erittäin suorituskykyisiä muoveja, kuten PEEK:ia (polyeteeri eteeri ketoni), Delrin®-asetaalihomopolyymejä ja erilaisia lääketieteellisen nylonin lajikkeita. Näitä erikoismateriaaleja tarvitaan valmistettaessa osia, jotka täyttävät tiukat FDA-määräykset elimistöön asennettavien tuotteiden turvallisuudesta. Hyvä uutinen on, että nämä polymeerit kestävät hyvin erilaisia elimistön nesteitä, aiheuttavat vähemmän allergisia reaktioita verrattuna metalleihin ja ne kestävät toistuvaa sterilointia hajoamatta. Otetaan esimerkiksi PEEK, jolla on vaikuttava vetolujuus noin 17 000 psi, kun taas Delrin® liukuu sileästi vähimmällisellä kitkalla. Tämä yhdistelmä tekee molemmista materiaaleista erinomaiset vaihtoehdot tekojäsien kaltaisiin sovelluksiin, joissa kestävyys on tärkeintä, ja niitä käytetään myös yleisesti nykyaikaisissa lääkkeiden annostelulaitteissa.

CNC-jyrsintä kirurgisiin instrumentteihin ja implantteihin

Kirurgisten välineiden, kuten luusahojen, hempeiden ja endoskooppien osien, tarkkuuden on oltava erittäin suuri, usein parempi kuin plus tai miinus 0,001 tuumaa, jotta ne toimisivat asianmukaisesti. Tietokoneohjattu numeronohjaus (CNC) mahdollistaa nykyisin nähtävien monimutkaisten titaanisten selkärangaimplanttien valmistuksen. Näillä implantteilla on erityisiä huokoisia pintoja, jotka todella edistävät uuden luun kasvua samalla kun vähentävät kehon hylkintäreaktioiden mahdollisuutta. Viime vuonna julkaistu tutkimus osoitti myös melko vaikuttavia tuloksia. Tutkimus osoitti, että kun lääkärit käyttivät ortopedisia implantteja, joita oli valmistettu CNC-jyrsinnällä perinteisten valumenetelmien sijaan, potilailla esiintyi noin 22 % vähemmän komplikaatioita leikkauksen jälkeen. On helppo ymmärtää, miksi niin monet sairaalat siirtyvät nyt tähän menetelmään.

Räätälöinti ja tarkkuus potilaskohtaisissa proteeseissa

CNC-jyrsintätekniikalla lääkärit voivat valmistaa räätälöityjä proteeseja potilaiden todellisten 3D-kuvien perusteella. Kallon implantteihin tarkoitettuna, kun ne on valmistettu erityisestä muovimateriaalista nimeltä PEEK, tarkkuus saavuttaa noin 50 mikrometrin tason. Tämä tarkoittaa, että implantit sopivat hyvin luun muotoon ja auttavat estämään infektioita, jotka voisivat syntyä implantin ja kallon väliseen rakoon. Viimeisimmät kehitysaskelmat mahdollistavat jopa polymeristen proteesiliitosten valmistuksen samana päivänä kuin leikkaus. Vuoden 2023 Ponemon Instituten tutkimuksen mukaan noin joka kolmas amputoitu potilas valittaa proteesinsa huonosta istuvuudesta. Näillä menetelmillä tapahtuva räätälöinti vähentää tosiasiallisesti kuntoutumisaikaa lähes 20 %:lla ja vähentää turhia uusintaleikkauksia lähes 40 %:lla. Melko uskomatonta, kun asiaan miettii.

Diagnostiikan ja kuvantamislaitteiden osat

CNC-jyrsittyjen muoviosien rooli MRI- ja CT-skannerien koteloinneissa

CNC-muovauksella valmistetut muoviosat ovat keskeisessä asemassa MRI- ja CT-skannerien koteloiden valmistuksessa, koska näihin laitteisiin tarvitaan materiaaleja, jotka eivät johda sähköä, ovat kevyitä mutta silti kestäviä. Materiaalit, kuten PEEK ja POM (polyoksymetyyli), tarjoavat suojauksen sähkömagneettiselta häiriöltä rikkomatta skannerin sisällä olevaa herkkää kuvauslaitteistoa. Nämä polymeerit täyttävät FDA:n ja ISO 13485 -standardin asettamat vaatimukset niiden palamisesta ja vuorovaikutuksesta biologisten kudosten kanssa, mikä tekee niistä turvallisia useita kertoja sterilointia varten. Vuoden 2023 alan raportin mukaan lääketeknisten laitteiden valmistajat huomasivat noin 60 %:n laskun virheissä käytettäessä CNC-muovausmenetelmää perinteisen painevalumuovauksen sijaan monimutkaisten koteloiden valmistuksessa, erityisesti hyödyllistä pienien sarjojen skannerien tuotannossa.

Tiukkojen toleranssien noudattaminen sähköisissä lääketieteellisissä laitteissa

CNC-jyrsintäprosessi pystyy saavuttamaan tiukat ±0,005 mm toleranssit, jotka tarvitaan esimerkiksi sähköisissä lääketieteellisissä laitteissa, kuten langattomissa terveysseurannassa ja kannettavissa ultraäänikoneissa. Monet valmistajat käyttävät Delrin®-materiaalia infuusiopumppujen liittimiin, koska se säilyy stabiilina lämpötilan vaihdellessa eikä hajoa erilaisten nesteiden vaikutuksesta. Tuoreessa Journal of Medical Device Innovation -julkaisussa julkaistussa artikkelissa todettiin, että leikattujen metalliosien korvaaminen CNC-jyrinnyillä nylonosilla paransi EKG-elektrodien signaalin tarkkuutta noin 34 %. Tämän tason tarkkuus ei ole vain hyvä käytäntö, vaan välttämätön IEC 60601-1 -turvallisuusmääräysten noudattamiseksi. Lisäksi nämä tiukat toleranssit mahdollistavat pienemmät suunnitteluratkaisut, mikä on erityisen tärkeää esimerkiksi kantavissa glukoosinseurantajärjestelmissä ja muussa telelääketieteen laitteistossa, joissa tila on erittäin rajallista.

Elektronisten koteloiden ja kotelosten valmistus CNC-jyrinnyillä muoveilla

Tarkkuus-CNC-muovaus miniatyyri-elektroniikkaan

Kun on kyse miniatyyri-elektroniikasta, koteloiden täytyy olla erittäin tarkkoja ja rakenteellisesti kestäviä. CNC-muovattu muovi saavuttaa tiukat ±0,005 mm toleranssit, jotka vaaditaan esimerkiksi mikroanturien koteloihin tai käytettävien laitteiden runkoihin, jolloin ne sopivat hyvin yhteen piirilevyjen kanssa ilman ongelmia. Joidenkin vuoden 2023 teollisuusalan tietojen mukaan noin 92 % valmistajista on alkanut suosia CNC-muovauksia prototyypeissään, koska niillä voidaan toteuttaa suunnittelumuutoksia paljon nopeammin kuin perinteisillä puristusmuovausmenetelmillä. On myös toinen etu: prosessi vähentää ärsyttäviä jälkikäsittelyvaiheita noin 40 %, mikä todella auttaa pienentämään kustannuksia, kun tuotetaan samanaikaisesti pieniä eri tuotteiden eriä.

Materiaalin valinta lämpö- ja sähköeristykseen

Materiaalin valinta vaikuttaa suoraan elektronisten koteloiden luotettavuuteen:

• Peek tarjoaa UL 94 V-0 -tulenvastuksen ja voi toimia jatkuvasti 250 °C:ssa.
• Polycarbonaattiseokset tarjoavat 600 V/mm:n eristysvahvuuden, sopivat korkeajänniteyhteyksiin.
• POM (polyoxymetyyli) vähentää sähkömagneettista häiriötä 15 dB verrattuna ABS:ään.

Nämä materiaalit täyttävät IEC 60601-1 -vaatimukset lääkinnälliseen käyttöön tarkoitettuun eristykseen, kuten vuoden 2024 materiaalianalyysi vahvisti.

Tapausstudy: CNC-työstetty POM levykytkinten ja eristeiden valmistuksessa

Johtava autoteollisuuden elektroniikkatoimittaja saavutti 99,8 %:n kytkinten luotettavuuden käyttäen CNC-työstettyjä POM-eristeitä. Vain 0,5 %:n kosteuspitoisuudella POM estää oikosulut kosteissa olosuhteissa. Sen 10 GPa jäykkyys minimoii signaalivääristymiä, ja työstön jälkeinen EDMR-testaus osoitti 30 %:n vähennyksen kaarimisilmiöissä verrattuna muovattuihin nyloniin.

Materiaalivertailu: POM, PEEK ja Delrin® lääketieteellisissä ja elektroniikkasovelluksissa

POM-muovin työstettävyys ja suorituskyky korkean tarkkuuden osissa

POM toimii erittäin hyvin, kun tarkat toleranssit ovat tärkeitä, noin ±0,005 mm:n tarkkuudella, ja sillä on lisäksi luonnollisesti alhaiset kitkaominaisuudet. Aineen yhtenäinen koostumus mahdollistaa peilikkaat pintakarvojen saavuttamisen, jotka tarvitaan pienille osille, kuten miniliittimiä tai pieniä venttiilejä lääkinnällisessä laitteistossa. Tavalliset muovit ottavat helposti kosteutta ja vääristyvät ajan myötä, mutta POM säilyttää mittojensa vakautta myös kosteassa ympäristössä. Tämä tarkoittaa, ettei tapahdu epätoivottuja muodonmuutoksia, jotka kuluttaisivat hammaspyöriä tai aiheuttaisivat ongelmia liikkuvissa osissa. Valmistusnäkökulmasta POM on järkevä vaihtoehto myös muista syistä. Se vähentää työkalunvaihtojen määrää noin 30 % verrattuna lasikuituvahvisteisiin vaihtoehtoihin. Ja huolimatta siitä, että sitä on helpompi työstää, sillä on silti 70 MPa:n vetolujuus, mikä tekee siitä soveltuvan rakennemateriaalin kestävyysvaativiin komponentteihin.

PEEKin lämpö- ja mekaaninen kestävyys vaativissa olosuhteissa

PEEK kestää lämpötiloja jopa 250 astetta Celsius-asteikolla, ja se säilyttää ominaisuutensa hyvin myös kovien kemikaalien vaikutuksesta, mikä tekee siitä paremman vaihtoehdon Delrin- ja POM-muoveihin verrattuna MRI-osissa, joita steriloidaan jatkuvasti. Materiaalin taivutuslujuus vaihtelee noin 90–100 MPa välillä, mikä asettaa sen suorituskykynsä lentokonealumiinin tasolle, mutta noin 45 prosenttia kevyemmassä muodossa. Tämä ominaisuus tekee PEEK:sta erityisen soveltuvan materiaalin säteilynsietoisille koteille pienissä verensokerin mittauslaitteissa, jotka ihmiset asentavat kehoonsa. Kun tutkijat testasivat ortopedisiin implantteihin kohdistuvaa rasitusta simuloiden noin kymmenen vuoden käyttöikää, he huomasivat, että CNC-konepuraamalla valmistetun PEEK-implementin puristuslujuus säilyi noin 98 %:n tasolla kaikkien testien jälkeen. Vertailun vuoksi titaaniseokset pystyivät säilyttämään vain noin 82 %. Tulokset julkaistiin Biomaterials Research -julkaisussa vuonna 2023.

Hinta vs. suorituskyky: korkean suorituskyvyn polymeerien arviointi

PEEK voi maksaa noin 20 kertaa enemmän kuin POM, mutta kun puhutaan selkärankaimplantteista, kukaan ei halua tehdä leikkuuja. Materiaalin on kestettävä vuosikymmeniä pettämättä, ja sen on myös täytettävä tiukat FDA-määräykset. Loppujen lopuksi, jos alueella ilmenee ongelmia, sairaanhoitajat kohtaavat vakavia oikeudellisia seurauksia: virheellisen hoidon vaatimukset ovat keskimäärin noin 740 000 dollaria viimevuotisen Ponemonin tutkimuksen mukaan. Siksi sairaalat edelleen valitsevat PEEKin hintalapusta huolimatta. Toisaalta asioissa, kuten koteloinneissa, joissa sterilointia ei tarvita, Delrin® on järkevämpi vaihtoehto. Se täyttää turvallisuusvaatimukset V0-paloluokituksellaan ja maksaa noin 40 prosenttia vähemmän kuin PEEK. Tämä on järkevää – käytetään ylimääräiset rahat silloin, kun kyseessä on ihmishenkien pelastaminen, ja säästetään muualla ilman, että laadusta juuri tinkitään.