יישומים נפוצים של פלסטיק עיבוד ב-CNC בתעשיית האלקטרוניקה והרפואה

ייצור של מכשירים רפואיים באמצעות פלסטיكي עיבוד CNC

חומרים ביוסовместימים: PEEK, Delrin® ופולימרים מדרגת רפואה

במסחרי עיבוד CNC, עובדים עם פלסטיק ביצועים גבוהים ממש כמו PEEK, שפירושו פוליאתר אטר קטון, יחד עם דלרין® אצטל הומופולימר ודרגות שונות של ניילון רפואי. חומרים מיוחדים אלו הם מה שיצרנים צריכים בעת ייצור חלקים העוברים את מבחני ה-FDA הקפדניים לשלמות בתוך הגוף. החדשות הטובות הן שחומרי הפולימר הללו עמידים היטב בפני כל מיני נוזלי גוף, גורמים לתגובות אלרגיות מינימליות בהשוואה למתכות, ויכולים להסבול סטריליזציה חוזרת ונשנית מבלי להתפרק. קחו לדוגמה את ה-PEEK, שיש לו דירוג עוצמה מתיחה מרשים של כ-17,000 psi, בעוד שדלרין® מחליק בצורה חלקה עם חיכוך מינימלי. צירוף זה הופך את שני החומרים לאפשרויות מושלמות למשהו כמו פרוסות מלאכותיות שבהן עמידות היא החשוב ביותר, וגם נפוצים במכשירי אספקת תרופות מודרניים.

עיבוד CNC לכלי ניתוח ולשתלים

הדיוק הנדרש בכלים ניתוחיים כגון סכיני עצמות, מלקחיים ורכיבים של אנדוסקופים חייב להיות גבוה ביותר, לעתים טוב יותר מפלוס/מינוס 0.001 אינץ', כדי שיפעלו כראוי. טכנולוגיית בקרה מספרית ממוחשבת (CNC) מאפשרת את ייצור תותבי השדרה מטיטניום המורכבים שאנו רואים כיום. לתותבים יש פני שטח מחוררים מיוחדים שממש מקדמים צמיחה של עצם חדשה, ובמקביל מקטינים את הסיכוי לדחיקה על ידי הגוף. מחקר מסוים שפורסם בשנה שעברה הראה גם תוצאות מרשים למדי. המחקר הראה כי כאשר רופאים השתמשו בתותבי אורתופדיה שיוצרו באמצעות עיבוד CNC במקום שיטות יציקה מסורתיות, החולים חוו בערך 22% פחות مضاعות לאחר הניתוח. ברור למה כל כך הרבה בתי חולים עוברים כעת לשיטה זו.

התאמה אישית ודיוק בהתקנות פרוסתטיות מותאמות למטופל

באמצעות טכנולוגיית עיבוד CNC, רופאים יכולים ליצור איברים תותבים מותאמים אישית בהתבסס על סריקות תלת-ממד של האנטומיה של המטופלים. במיוחד בהשתלות גולגולתיות, כאשר הן מיוצרות מחומר פלסטיק מיוחד הנקרא PEEK, הן מגיעות לרמת דיוק מרשים של כ-50 מיקרון. כלומר, ההשתלות מתאימות באמת לצורת העצמות ועוזרות למנוע זיהומים שעלולים להיגרם מפערים בין ההשתלה לבין הגולגולת. הפיתוחים החדשים ביותר מאפשרים אפילו לייצר חיבורים פולימריים לאיברים תותבים באותו היום של הניתוח. לפי מחקר של מכון Ponemon משנת 2023, בערך שליש מהקטועי איברים מתלוננים על כך שאיבריהם התותבים אינם מתאימים כראוי. התאמה אישית באמצעות שיטות אלו ממש מקטינה את תקופות ההתאוששות בכמעט 20% ומחזיקה את כמות הניתוחים החוזרים המטרידים בכמעט 40%. דברים די מרתקים כשחושבים עליהם.

רכיבים לציוד אבחון ויצירת דימות

התפקיד של פלסטיקים מעובדים ב-CNC בשרשראות של מכונות MRI ו-CT

חלקי הפלסטיק המיוצרים באמצעות עיבוד CNC ממלאים תפקיד חשוב בקופסאות של מכשירי MRI ו-CT, כיוון שמכונות אלו זקוקות לחומרים שאינם מוליכים חשמל, שמאפשרים לשמור על משקל קל, אך עם זאת עמידים לאורך זמן. חומרים כגון PEEK ו-POM, שפירושו פוליאוקסימטילן, מספקים הגנה מפני הפרעות אלקטרומגנטיות מבלי לפגוע בציוד הדימות המורכב שבתוך המכונה. הפולימרים הללו עומדים בכל הדרישות הנדרשות על ידי ה-FDA ו-ISO 13485 בנוגע להבערה ולתגובתם עם רקמות ביולוגיות, מה שהופך אותם לבטוחים לשימוש במספר מחזורי סטריליזציה. לפי דוח תעשייה משנת 2023 על ציוד רפואי, יצרנים ציינו ירידה של כ-60% בכשלים בעת שימוש בעיבוד CNC בהשוואה לשיטות ייצור מסורתיות כמו זריקת פלסטיק, במיוחד כשמדובר בעיצובי גוף מורכבים, מה שמועיל במיוחד בייצור כמויות קטנות של סורקים.

ה cumplment של סובלנות צפופה במכשירים רפואיים אלקטרוניים

תהליך עיבוד ה-CNC יכול להגיע לסטיות הצרות של ±0.005 מ"מ הנדרשות לרכיבים כמו מכשירי רפואה אלקטרוניים, כולל שומרי בריאות אלחוטיים ומכונות אולטראסאונד ניידות. יצרנים רבים פונים לחומר דלרין® לקופלי משאבות תזונה כיוון שהוא נשאר יציב גם כשיש תנודות בтемпературות ולא מתפרק כאשר הוא נחשף לנוזלים שונים. מחקר שהפורסם לאחרונה בכתב העת Journal of Medical Device Innovation גילה כי החלפת חלקים מפלדה דקופים בחלקים מניילון בעיבוד CNC הגבירו את דיוק האות באלקטרודות ECG בכ-34%. השגת דיוק זה אינה רק פרקטיקה טובה, אלא הכרחית כדי לעמוד בתקנות הבטיחות IEC 60601-1. יתר על כן, סטיות צרות אלו מאפשרות עיצובים קטנים יותר, מה שחשוב במיוחד במערכות ניטור גלוקוז הניתנות להלבשה ובציוד טלקומוניקציה רפואית אחר שבהם כל מילימטר חשוב.

שגרות ואבזרים אלקטרוניים באמצעות פלסטיק בעיבוד CNC

עיבוד CNC בפונצ'יות גבוהות לאלקטרוניקה ממוזערת

כשמדובר באלקטרוניקה ממוזערת, המעטפות צריכות להיות מדויקות במיוחד ויציבות מבניים. פלסטיק מעובד באמצעות CNC מסוגל להשיג פונצ'יות צרות בגודל ±0.005 מ"מ הנדרשות לרכיבים כמו מעטפות חיישנים מיקרו או גופי התקנים נטענים, מה שמאפשר התאמה מושלמת עם מערכים של לוחות חשמל ללא כל בעיה. לפי נתוני תעשייה מ-2023, כ-92% מייצרנים החלו להעדיף עיבוד CNC לדוגמיות ראשונות, מאחר שניתן לבצע בהן שינויים בתכנון הרבה יותר במהירות בהשוואה לשיטות ייצור של יציקה תבניתית קלאסית. יש גם יתרון נוסף – התהליך מקטין את הצעדים המפרכים של אחרי העיבוד בכ-40%, מה שמסייע באמת לצמצם עלויות בייצור של כמויות קטנות של מוצרים שונים בו זמנית.

בחירת חומר לבידוד חום וחשמל

בחירת החומר משפיעה ישירות על האמינות של מעטפות אלקטרוניות:

• פיק מציע עמידות להבערה לפי UL 94 V-0 ויכול לפעול באופן רציף ב-250° צלזיוס.
• תערובות פוליקרבונט מספקים חוזק דיאלקטרי של 600 וולט/מ"מ, מתאימים למוצרי חיבור לזרם גבוה.
• POM (פוליאוקסימטילן) מפחית הפרעות אלקטרומגנטיות ב-15 דציבל בהשוואה ל-ABS.

חומרים אלו עומדים בדרישות IEC 60601-1 לבידוד ברמה רפואית, כפי שמאושר בניתוח חומרים משנת 2024.

מקרה לדוגמה: POM עיבוד CNC במוצרי חיבור ומבידדים ל-PCB

ספק אלקטרוני לענף הרכב השיג אמינות של 99.8% במוצרי החיבור באמצעות מבודדי POM בעיבוד CNC. עם ספיגת לחות של רק 0.5%, ה-POM מונע קצר ב סביבות לחות. קשיחותו של 10 GPa ממזערת עיוותי אות, ובבדיקות EDMR לאחר העיבוד נרשמה ירידה של 30% במקרי קשת חשמלית, בהשוואה לחלקי ניילון מוזהמים.

השוואת חומרים: POM, PEEK ו-Delrin® ביישומים רפואיים ואלקטרוניים

קלות עיבוד וביצועים של פלסטיק POM בחלקים עמידי דיוק גבוה

POM עובד ממש טוב כשמדובר בסיבולת צפופה, דיוק של כ-±0.005 מ"מ, בנוסף לכך יש לו תכונות חיכוך נמוכות באופן טבעי. הרכב החומר האחיד יוצר את המראה החלק והמאיר, דמוי המראה, הנדרש לחלקיקים קטנים כמו מיני מחברים או שסתומים זעירים המשמשים בציוד רפואי. פלסטיק רגיל נוטה לספוג לחות ולעוות עם הזמן, אך POM נשאר יציב במימדיו גם בהשפעת רטיבות. כלומר, אין שינויים בצורתו שיגרמו לשחיקה של גלגלי שיניים או לבעיות בחלקים נעים. מנקודת מבט של ייצור, גם כאן POM הוא בחירה הגיונית. הוא מקטין את הצורך בשינוי כלים בכ-30% בהשוואה לחלופות ממולאות זכוכית. ובעוד שהוא קל יותר לעבד, עדיין יש לו חוזק מתיחה של 70 MPa, מה שהופך אותו מתאים לרכיבים מבניים בהם חשוב עמידות.

חוזק תרמי ומיכני של PEEK בסביבות קשות

PEEK יכול לעמוד בدرجות חום של עד 250 מעלות צלזיוס וمقاים די טוב גם מול כימיקלים קשוחים, מה שהופך אותו לטốt יותר מ-Delrin ו-POM כשמשתמשים בו בחלקי MRI שמוסתרים כל הזמן. לחומר יש עמידות כפיפה שמתגבה בין כ-90 ל-100 MPa, מה שממקם אותו ברמה של אלומיניום תעשיית תעופה, אך במשקל קל יותר בכ-45 אחוז. מאפיין זה הופך את PEEK למושלם לייצור מחסנים עמידים בפני קרינה בשעירות גלוקוז זעירות שאותן מתקינים בתוך הגוף האנושי. כשחוקרים ביצעו מבחני מתח שסימulu כ-10 שנים של שחיקה על שתלים אורתופדיים, הם גילו ש-PEEK שנעשה באמצעות שיטות CNC שמר על כ-98% מכוח הכיווץ המקורי שלו לאחר כל המבחנים. להשוואה, תערובות טיטניום שמרו רק על כ-82%. ממצאים אלו פורסמו בכתב העת Biomaterials Research בשנת 2023.

עלות לעומת ביצועים: דירוג של פולימרים בעלי ביצועים גבוהים

חומר PEEK עלול לעלות לייצרנים כ-20 פעמים יותר מאשר חומר ה-POM, אך כשמדובר בשילובי עמוד שדרה, אף אחד לא רוצה לחסוך בזויות. החומר חייב לשרוד עשרות שנים ללא כשל, והוא חייב לעמוד גם בתקנים המחמירים של ה-FDA. בסופו של דבר, אם קורה תקלה באזור הזה, אנשי מקצוע בתחום הרפואה עומדים בפני בעיות משפטיות חמורות, ותביעות לשונות רשלנות מגיעות בדרך כלל לסכום של כ-740,000 דולר, לפי מחקר של Ponemon משנה שעברה. בגלל זה בתי חולים ממשיכים לבחור ב-PEEK למרות המחיר הגבוה. מאידך, למטרות כמו מעטפות שאינן דורשות סטריליזציה, Delrin® הוא בחירה הגיונית בהרבה. הוא עומד בדרישות הבטיחות עם דירוג דליקות V0, ועולה בערך 40 אחוז פחות מ-PEEK. ההיגיון ברור – משקיעים את הסכום הנוסף במקום שבו חיי אדם על הכף, וחוסכים כסף בשאר המקומות מבלי להקריב יותר מדי באיכות.