Vanlige anvendelser av CNC-bearbeidet plast i elektroniske og medisinske industrier

Produksjon av medisinsk utstyr med CNC-bearbeidede plastmaterialer

Biokompatible materialer: PEEK, Delrin® og medisinske polymerer

I CNC-maskinverksteder arbeider de med noen alvorlige høytytende plastmaterialer som PEEK, som står for polyeter-eter-keton, samt Delrin® acetal homopolymer og ulike kvaliteter med medisinsk nylon. Disse spesielle materialene er det produsentene trenger når de skal lage deler som faktisk består de strenge FDA-testene for å være trygge inne i kroppen. Det gode er at disse polymerene tåler alle typer kroppsvæsker godt, gir færre allergiske reaksjoner sammenlignet med metaller, og kan steriliseres om og om igjen uten å brytes ned. Ta for eksempel PEEK – det har en imponerende strekkfasthet på omtrent 17 000 psi, mens Delrin® gliker lett med minimal friksjon. Denne kombinasjonen gjør begge materialene til perfekte valg for blant annet kunstige ledd der holdbarhet er viktigst, og de finnes også ofte i moderne medikamentleveringsenheter.

CNC-bearbeiding for kirurgiske instrumenter og implantater

Presisjonen som kreves for kirurgiske verktøy som ben-sager, tang og komponenter til endoskoper, må være ekstremt nøyaktig, ofte bedre enn pluss eller minus 0,001 tommer for å fungere skikkelig. Datamaskinstyring (CNC) gjør det mulig å lage de intrikate titanryggimplantatene vi ser i dag. Disse implantatene har spesielle porøse overflater som faktisk fremmer ny bevekst samtidig som de reduserer risikoen for at kroppen forkaster dem. Noen undersøkelser publisert i fjor viste også ganske imponerende resultater. Studien indikerte at når leger brukte ortopediske implantater laget med CNC-bearbeiding i stedet for tradisjonelle støpemetoder, hadde pasientene omtrent 22 % færre komplikasjoner etter operasjonen. Det er ikke rart så mange sykehus nå bytter til denne metoden.

Tilpasning og presisjon i pasientspesifikke proteser

Med CNC-bearbeidingsteknologi kan leger lage skreddersydde proteser basert på faktiske 3D-skanninger av pasienters anatomi. Spesielt for kraniale implantater, når de er laget av dette spesielle plastmaterialet kalt PEEK, oppnår de en imponerende nøyaktighet på omtrent 50 mikrometer. Det betyr at disse implantatene virkelig passer til beinskjemaet og hjelper med å forebygge infeksjoner som kan oppstå fra mellomrom mellom implantat og hodeskalle. De nyeste utviklingene gjør det til og med mulig for produsenter å fremstille polymerproteser samme dag som operasjonen. Ifølge forskning fra Ponemon Institute fra 2023 klager omtrent hver tredje amputert over dårlig passform av sine proteser. Skreddersyring gjennom disse metodene reduserer faktisk rehabiliteringsperioden med nesten 20 % og kutte ned antallet frustrerende etteroperasjoner med nesten 40 %. Ganske bemerkelsesverdig når man tenker over det.

Komponenter til diagnostisk og bildedannende utstyr

Rollen til CNC-bearbeidede plastmaterialer i husninger til MR- og CT-scannere

De plastdelene som er fremstilt gjennom CNC-bearbeiding, spiller en viktig rolle i kabinettene til MR- og CT-scannere, siden disse maskinene trenger materialer som ikke leder elektrisitet, er lette, men likevel holdbare over tid. Materialer som PEEK og POM, der POM står for polyoxymetylen, gir beskyttelse mot elektromagnetisk interferens uten å forstyrre den følsomme avbildningsutrustningen inni. Disse polymerene oppfyller alle nødvendige krav satt av FDA og ISO 13485 når det gjelder brennbarhet og interaksjon med biologisk vev, noe som gjør dem trygge for flere runder med desinfeksjon. Ifølge en bransjerapport fra 2023 om medisinsk utstyr, merket produsenter et omtrent 60 % lavere feilnivå når de brukte CNC-bearbeiding i stedet for tradisjonell injeksjonsformsprenging for disse komplekse kabinettkonstruksjonene, spesielt nyttig ved produksjon av mindre serier av scannere.

Oppfylle stramme toleranser i elektroniske medisinske enheter

CNC-bearbeidingsprosessen kan oppnå de nøyaktige toleransene på ±0,005 mm som er nødvendig for produkter som elektroniske medisinske enheter, inkludert trådløse helsesensorer og bærbare ultralydmaskiner. Mange produsenter velger Delrin®-materiale for infusjonspumpekoblinger fordi det forblir stabilt selv ved temperatursvingninger og ikke brytes ned når det utsettes for ulike væsker. En nylig publisert artikkel i Journal of Medical Device Innovation fant at utskiftning av stansede metallkomponenter med CNC-maskinerte nylon-deler økte signalkorrektheten i EKG-elektroder med omtrent 34 %. Å oppnå denne typen presisjon er ikke bare god praksis – det er avgjørende for å oppfylle sikkerhetskravene i IEC 60601-1. I tillegg muliggjør slike stramme toleranser mindre design, noe som er svært viktig for blant annet bærbare glukoseovervåkingssystemer og annet telemedisinsk utstyr der plass er avgjørende.

Elektronikkbokser og kabinetter laget av CNC-maskinert plast

Høy-presisjons CNC-bearbeiding for miniatyriserte elektronikk

Når det gjelder miniatyrisert elektronikk, må kabinettene være ekstremt nøyaktige og strukturelt holdbare. CNC-bearbeidede plastmaterialer kan oppnå de stramme toleransene på ±0,005 mm som kreves for eksempelvis mikrosensorhylser eller bærbare enheters kabinetter, noe som gjør at de passer godt sammen med PCB-arrayer uten problemer. Ifølge noen bransjeopplysninger fra 2023 har omtrent 92 % av produsentene begynt å foretrekke CNC-bearbeiding for sine prototyper, fordi de kan gjennomføre designendringer mye raskere enn hva tradisjonelle injeksjonsstøpemetoder tillater. Og det er en annen fordel også: prosessen reduserer de irriterende etterbehandlingsstegene med omtrent 40 %, noe som virkelig hjelper til med å kutte kostnadene ved produksjon av små serier med ulike produkter samtidig.

Materialvalg for termisk og elektrisk isolasjon

Materialvalg påvirker direkte påliteligheten i elektronikkkabinetter:

• PEEK tilbyr UL 94 V-0 flammehemming og kan fungere kontinuerlig ved 250 °C.
• Polycarbonatblandinger gir dielektrisk styrke på 600 V/mm, egnet for høyspenningskoblinger.
• POM (Polyoxymetylen) reduserer elektromagnetisk interferens med 15 dB sammenlignet med ABS.

Disse materialene oppfyller kravene i IEC 60601-1 for medisinsk isolasjon, som bekreftet i en materialeanalyse fra 2024.

Case-studie: CNC-bearbeidet POM i PCB-koblinger og isolatorer

En ledende leverandør av automatiske elektronikkomponenter oppnådde 99,8 % koblingspålitelighet ved bruk av CNC-bearbeidede POM-isolatorer. Med kun 0,5 % fuktabsorpsjonsrate forhindrer POM kortslutninger i fuktige miljøer. Dets stivhet på 10 GPa minimerer signalforvrengning, og EDMR-testing etter bearbeiding viste en reduksjon på 30 % i lysbueulykker sammenlignet med formede nylon-deler.

Materialsammenligning: POM, PEEK og Delrin® i medisinske og elektroniske applikasjoner

Bearbeidbarhet og ytelse til POM-plast i høypresisjonsdeler

POM fungerer svært godt når stramme toleranser er viktig, med en nøyaktighet på omtrent ±0,005 mm, i tillegg har det naturlig lave friksjonsegenskaper. Materialets jevne sammensetning gir de glatte speilaktige overflatene som trengs for små deler som minikontakter eller små ventiler brukt i medisinsk utstyr. Vanlige plastmaterialer tenderer til å absorbere fukt og forandre form over tid, men POM holder sin dimensjonelle stabilitet selv ved eksponering for luftfuktighet. Dette betyr ingen uønskede formendringer som kan slite ned gir eller forårsake problemer i bevegelige deler. Fra et produksjonsmessig synspunkt gir POM også mening. Det reduserer verktøybytter med omtrent 30 % sammenlignet med glassforsterkede alternativer. Og selv om det er lettere å bearbeide, har det fortsatt god styrke med 70 MPa strekkfasthet, noe som gjør det egnet for konstruksjonsdeler der holdbarhet er viktig.

Termisk og mekanisk styrke av PEEK i krevende miljøer

PEEK kan håndtere temperaturer opp til 250 grader celsius og tåler også sterke kjemikalier ganske godt, noe som gjør det bedre enn Delrin og POM når det brukes i MRI-deler som steriliseres hele tiden. Materialet har en bøyesterke på omtrent 90 til 100 MPa, noe som plasserer det på linje med luftfartøyaluminium, men med omtrent 45 prosent lavere vekt. Denne egenskapen gjør PEEK spesielt egnet til å lage strålingsresistente kabinetter i de små glukosemåler-implantatene mennesker setter inn i kroppen sin. Når forskere utførte spenningstester som simulerte omtrent ti års slitasje på ortopediske implantater, fant de ut at PEEK bearbeidet med CNC-metoder beholdt omtrent 98 % av sin opprinnelige trykkfasthet etter all testingen. Til sammenligning klarte titanlegeringer bare å beholde omtrent 82 %. Disse funnene ble publisert i Biomaterials Research tilbake i 2023.

Kostnad vs. ytelse: Vurdering av høytytende polymerer

PEEK kan koste produsenter omtrent 20 ganger mer enn POM, men når vi snakker om ryggmarksimplantater, vil ingen kutte hjørner. Materialet må vare i tiår uten å svikte, og det må også oppfylle de strenge FDA-kravene. Hvis noe går galt, står medisinske fagpersoner ovenfor alvorlige juridiske problemer, der erstatningskrav typisk ligger på rundt 740 000 dollar ifølge Ponemons undersøkelse fra i fjor. Derfor velger sykehus fortsatt PEEK, selv med den høye prislappen. På den andre siden gir Delrin® mye mer mening for eksempelvis kabinetter som ikke trenger sterilisering. Det oppfyller sikkerhetskravene med sin V0-brannsikkerhetsklasse og koster omtrent 40 prosent mindre enn PEEK. Det er logisk – bruk ekstra penger der liv står på spill, og spar penger andre steder uten å ofre for mye av kvaliteten.