CNC apdirbto plastiko taikymas elektronikos ir medicinos pramonėje

Medicinos Prietaisų Gamyba su CNC Apdirbtais Plastikais

Biokompatibilios Medžiagos: PEEK, Delrin® ir Medicininio Lygio Polimerai

CNC apdirbimo dirbtuvėse dirbama su labai aukštos kokybės plastikais, tokiu kaip PEEK (polieterio eterio ketonas), Delrin® acetalo homopolimeras bei įvairūs medicininio nilono tipai. Būtent šie specialieji medžiagų tipai reikalingi gamintojams, kurie gaminą dalis, atitinkančias griežtus FDA reikalavimus dėl saugumo žmogaus kūne. Gera žinia ta, kad šie polimerai puikiai atsparūs įvairiems kūno skysčiams, sukelia mažiau alerginių reakcijų lyginant su metalais ir gali būti daugkartiniam sterilizavimui be sunaikinimo. Paimkime, pavyzdžiui, PEEK – jo temptinė stipris yra apie 17 000 psi, o Delrin® slysta labai sklandžiai, su minimaliu trinties koeficientu. Tokia kombinacija daro abi medžiagas idealiais pasirinkimais dirbtinėms sąnarių protezėms, kur ilgaamžiškumas yra svarbiausias, taip pat jos dažnai naudojamos šiuolaikinėse vaistų tiekimo sistemose.

Chirurginių instrumentų ir implantų CNC apdirbimas

Chirurginiams įrankiams, tokiems kaip kaulų pjūklai, žnyplės ir endoskopų komponentai, reikia itin didelės tikslumo laipsnio – dažnai geriau nei ±0,001 colio, kad tinkamai veiktų. Skaičmeninio valdymo kompiuterinė technologija (CNC) leidžia gaminti šiuolaikinius sudėtingus titano stuburo implantus. Šie implantai turi specialias porėtas paviršius, kurie iš tiesų skatina naujo kaulo augimą, tuo pačiu mažindami kūno atmetimo riziką. Praeitais metais paskelbti kai kurie tyrimai taip pat parodė įspūdingus rezultatus. Tyrimas parodė, kad naudojant ortopedinius implantus, pagamintus CNC apdirbimo būdu, o ne tradiciniais liejimo metodais, pacientai po operacijos patyrė apie 22 % mažiau komplikacijų. Aišku, kodėl dabar tiek daug ligoninių perėjo prie šios metodikos.

Individualių protezų pritaikymas ir tikslumas

Naudojant CNC apdirbimo technologiją, gydytojai gali kurti individualius protezus, paremtus tiksliais pacientų anatomijos 3D skenavimais. Ypač kaukolės implantams, pagamintiems iš specialios plastikinės medžiagos, vadinamos PEEK, pasiekiamas įspūdingas tikslumas – apie 50 mikronų. Tai reiškia, kad šie implantai tiksliai atitinka kaulo formą ir padeda išvengti infekcijų, kurios gali atsirasti dėl tarpų tarp implanto ir kaukolės. Naujausi pasiekimai netgi leidžia gamintojams tą pačią dieną, kai atliekama operacija, gaminti polimerinius protezų lizdus. Pagal 2023 m. Ponemon Institute tyrimą, apie trečdalis amputuotųjų skundžiasi dėl netinkamo jų protezų pritaikymo. Tokiu būdu pasirenkama individuali konfigūracija iš tiesų sutrumpina atsigavimo laikotarpį beveik 20 % ir sumažina erzinančias pakartotines operacijas beveik 40 %. Kai pagalvoji, tai tikrai stulbinantis dalykas.

Diagnostikos ir vaizdinimo įrangos komponentai

CNC apdirbtų plastikų vaidmuo magnetinio rezonanso ir kompiuterinės tomografijos skenerių korpusuose

CNC apdirbimo būdu gaminamos plastikinės detalės svarbiausią vaidmenį atlieka magnetinio rezonanso (MRI) ir kompiuterinės tomografijos (CT) skenerių korpusuose, kadangi šios mašinos reikalauja medžiagų, kurios nepraleistų elektros, būtų lengvos, tačiau ilgai tarnautų. Medžiagos, tokios kaip PEEK ir POM (polioksimetilenas), užtikrina apsaugą nuo elektromagnetinės interferencijos, nesutrikdydamos jautrios vidaus vaizdavimo įrangos. Šios polimerinės medžiagos atitinka visas FDA ir ISO 13485 nustatytas reikalavimų dėl degimo ir sąveikos su biologinėmis audiniais, todėl yra saugios daugkartinei sterilizacijai. Pagal 2023 m. pranešimą apie medicinos prietaisų pramonę, gamintojai pastebėjo apie 60 % trūkumų sumažėjimą naudodami CNC apdirbimą, palyginti su tradiciniu injekciniu formavimu sudėtingų korpusų konstrukcijose, ypač naudinga gaminant mažesnes skenerių partijas.

Griežtų tolerancijų laikymasis elektroniniuose medicinos prietaisuose

CNC apdirbimo procesas gali pasiekti siaurus ±0,005 mm tikslumus, reikalingus tokiems dalykams kaip elektroniniai medicininiai prietaisai, įskaitant belaidžius sveikatos monitorius ir nešiojamąsias ultragarso mašinas. Daugelis gamintojų renkasi Delrin® medžiagą infuzijos siurblių jungtims, nes ji išlaiko stabilumą net kintant temperatūrai ir nesusiskaido veikiant įvairioms skysčių terpėms. Nesenai žurnale Journal of Medical Device Innovation paskelbtame straipsnyje nurodyta, kad pakeitus išspaudus metališkus komponentus CNC apdirbti nyloniniais detalėmis, EKG elektrodų signalo tikslumas padidėjo apie 34 %. Tokio tikslumo pasiekimas – ne tik gera praktika, bet būtina sąlyga atitinkant IEC 60601-1 saugos reikalavimus. Be to, tokie siauri toleransai leidžia sukurti mažesnius konstrukcinius sprendimus, kas ypač svarbu nešiojamiesiems gliukozės stebėjimo sistemoms ir kitai telemedicinos įrangai, kur vietos trūksta.

Elektronikos korpusai ir dangčiai iš CNC apdirbto plastiko

Didelės tikslumo CNC apdirbimo technologija miniatiūrizuotai elektronikai

Kai kalba eina apie miniatiūrizuotą elektroniką, korpusai turi būti itin tikslūs ir tvirti konstrukciškai. CNC apdirbti plastikai gali pasiekti siaurus ±0,005 mm tolerancijos reikalavimus, kurie reikalingi mikrosensorių korpusams ar nešiojamųjų įrenginių dangoms, todėl jie puikiai tinka prie PCB masyvų be jokių problemų. Pagal 2023 metų pramonės duomenis, apie 92 % gamintojų pradėjo naudoti CNC apdirbimą prototipams, nes tai leidžia greičiau atlikti dizaino pakeitimus, nei leidžia tradiciniai injekcinio formavimo metodai. Be to, šis procesas sumažina apie 40 % varginančių papildomų apdorojimo etapų, kas labai padeda mažinti išlaidas gamybos cikle, kai tuo pat metu gaminamos mažos skirtingų produktų partijos.

Medžiagų parinkimas šiluminei ir elektroizoliacijai

Medžiagos pasirinkimas tiesiogiai veikia elektronikos korpusų patikimumą:

• PEEK užtikrina UL 94 V-0 ugniai atsparumą ir gali veikti nuolatinei 250 °C temperatūrai.
• Polikarbonato mišiniai užtikrina 600 V/mm dielektrinį stiprumą, tinka aukštos įtampos jungtims.
• POM (polioksimetilenas) sumažina elektromagnetinį trikdį 15 dB lyginant su ABS.

Šios medžiagos atitinka IEC 60601-1 reikalavimus medicininės kokybės izoliacijai, kaip patvirtinta 2024 m. medžiagų analizėje.

Atvejo tyrimas: CNC apdirbtas POM PCB jungtuvuose ir izoliatoriuose

Vienas pirmaujantis automobilių elektronikos tiekėjas pasiekė 99,8 % jungties patikimumą naudodamas CNC apdorbtus POM izoliatorius. Dėl tik 0,5 % drėgmės sugerties POM neleidžia trumpųjų jungimų drėgnose aplinkose. Jo 10 GPa standumas sumažina signalo iškraipymą, o po apdorojimo EDMR bandymai parodė 30 % mažesnį lanko susidarymo dažnį lyginant su formuotais nyloniniais detalėmis.

Medžiagų palyginimas: POM, PEEK ir Delrin® medicinos ir elektronikos taikymuose

POM plastiko apdirbamumas ir našumas aukštos tikslumo detalėse

POM puikiai veikia, kai svarbios tikslūs tarpiniai matmenys, apie ±0,005 mm tikslumu, be to, jis natūraliai pasižymi žemu trinties koeficientu. Medžiagos vientisa sudėtis užtikrina glotnias veidrodinio paviršiaus būklę, reikalingą mažiems komponentams, tokiems kaip mini jungtys ar mažyčiai vožtuvai, naudojami medicinos įrangose. Įprastos plastikinės medžiagos linkusios sugerti drėgmę ir laikui bėgant iškrypsta, tačiau POM išlaiko dimensinę stabilumą net esant drėgnai aplinkai. Tai reiškia, kad nebūna nenorimų formos pokyčių, kurie galėtų dėvėti pavaras ar sukelti problemas judančiuose komponentuose. Iš gamybos požiūrio, POM taip pat yra protingas pasirinkimas. Jis sumažina įrankių keitimo poreikį apie 30 % lyginant su stiklu armuotais pakaitalais. Ir nepaisant to, kad su juo dirbti lengviau, jis vis dar pasižymi 70 MPa temptine stipriu, todėl tinka konstrukciniams komponentams, kuriuose svarbus ilgaamšiškumas.

PEEK termoinė ir mechaninė stipris reikalaujančiose aplinkose

PEEK gali išlaikyti temperatūras iki 250 laipsnių Celsijaus ir gerai atsparus agresyviems cheminėms medžiagoms, todėl jis tinka geriau už Delrin ir POM naudojant MRI detales, kurios nuolat sterilizuojamos. Medžiaga turi lenktinį stiprumą, svyruojantį nuo apie 90 iki 100 MPa, kas lygina ją su aviacijos aliuminiu, tačiau sveria maždaug 45 procentais mažiau. Ši savybė daro PEEK ypač tinkamą spinduliuotei atspariems korpusams mažuose gliukozės stebėsenos implantuose, kuriuos žmonės įsileidžia į kūnus. Kai tyrėjai atliko apkrovos bandymus, imituodami apie dešimt metų trukmės dėvėjimąsi ortopediniams implantams, jie nustatė, kad CNC būdu apdirbtas PEEK išlaikė apie 98 % savo pradinio suspaudimo stiprumo po visų bandymų. Palyginimui, titano hibridai išlaikė tik apie 82 %. Šie rezultatai buvo paskelbti žurnale „Biomaterials Research“ 2023 metais.

Kaina ir našumas: aukštos kokybės polimerų vertinimas

PEEK medžiaga gamintojams gali kainuoti apie 20 kartų daugiau nei POM, tačiau kalbant apie stuburo implantus, niekas nenori taupyti. Medžiaga turi išlaikyti dešimtmečius be gedimų ir atitikti griežtus FDA standartus. Galų gale, jei ten kažkas sugestų, medicinos specialistai susidurtų su rimtomis teisinėmis problemomis – pagal praėjusiais metais atliktą Ponemon tyrimą, netinkamo elgesio ieškiniai paprastai siekia apie 740 000 JAV dolerių. Dėl to ligoninės vis dar renkasi PEEK nepaisydamos kainos. Kita vertus, dalykams, tokiems kaip korpusai, kuriems nereikia sterilizacijos, kur kas logiškesnis pasirinkimas yra Delrin®. Jis atitinka saugos reikalavimus turėdamas degumo klase V0, o jo kaina yra maždaug 40 procentų žemesnė nei PEEK. Iš tikrųjų tai logiška – ten, kur gyvybės priklauso nuo kokybės, verta išleisti daugiau, o kitur – taupyti be didelės kokybės kompromisų.