การประยุกต์ใช้พลาสติกที่กลึงด้วย CNC ทั่วไปในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมการแพทย์

การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ด้วยพลาสติกที่กลึงด้วยเครื่อง CNC

วัสดุที่เข้ากันได้กับร่างกาย: PEEK, Delrin® และพอลิเมอร์เกรดการแพทย์

ในร้านเครื่องจักรกลซีเอ็นซี (CNC) มีการใช้วัสดุพลาสติกสมรรถนะสูงหลายชนิด เช่น PEEK ซึ่งย่อมาจากโพลีเอทเทอร์ เอทเทอร์ คีโทน (polyether ether ketone) พร้อมกับเดลริน® แอซิทัล โฮโมพอลิเมอร์ (Delrin® acetal homopolymer) และไนลอนทางการแพทย์หลายเกรด วัสดุพิเศษเหล่านี้คือสิ่งที่ผู้ผลิตจำเป็นต้องใช้ในการสร้างชิ้นส่วนที่ต้องผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดขององค์การอาหารและยาสหรัฐฯ (FDA) เพื่อรับรองความปลอดภัยเมื่ออยู่ภายในร่างกาย ข่าวดีคือ พอลิเมอร์เหล่านี้มีความทนทานต่อของเหลวในร่างกายได้หลากหลายประเภท ก่อให้เกิดอาการแพ้น้อยกว่าโลหะ และสามารถทนต่อการทำความสะอาดแบบฆ่าเชื้อซ้ำแล้วซ้ำเล่าโดยไม่เสื่อมสภาพ ยกตัวอย่างเช่น PEEK มีค่าความแข็งแรงต่อแรงดึงสูงถึงประมาณ 17,000 psi ในขณะที่เดลริน® มีคุณสมบัติลื่นเรียบและมีแรงเสียดทานต่ำ การรวมกันนี้ทำให้วัสดุทั้งสองเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น ข้อต่อเทียมที่เน้นความทนทานเป็นหลัก นอกจากนี้ยังพบได้ทั่วไปในอุปกรณ์ส่งยาในยุคปัจจุบันด้วย

การกลึงซีเอ็นซีสำหรับเครื่องมือผ่าตัดและอุปกรณ์ฝัง

เครื่องมือผ่าตัด เช่น เลื่อยกระดูก คีมจับ และชิ้นส่วนของกล้องส่องทางเดิน ต้องการความแม่นยำสูงมาก มักต้องมีค่าความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ±0.001 นิ้ว เพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง เทคโนโลยีควบคุมตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์ฝังกระดูกสันหลังจากไทเทเนียมที่ซับซ้อนได้ในปัจจุบัน อุปกรณ์เหล่านี้มีพื้นผิวแบบรูพรุนพิเศษ ซึ่งช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของกระดูกใหม่ และลดโอกาสการปฏิเสธจากร่างกาย งานวิจัยบางชิ้นที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วแสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอย่างมาก โดยการศึกษาชี้ให้เห็นว่า เมื่อแพทย์ใช้อุปกรณ์ฝังกระดูกที่ผลิตด้วยเครื่องจักร CNC แทนวิธีการหล่อแบบดั้งเดิม ผู้ป่วยมีภาวะแทรกซ้อนหลังการผ่าตัดลดลงประมาณ 22% จึงไม่แปลกใจที่โรงพยาบาลจำนวนมากเริ่มเปลี่ยนมาใช้วิธีนี้

การปรับแต่งเฉพาะบุคคลและความแม่นยำในอวัยวะเทียมสำหรับผู้ป่วย

ด้วยเทคโนโลยีการกลึงแบบ CNC แพทย์สามารถสร้างอวัยวะเทียมที่ออกแบบเฉพาะบุคคลได้โดยอ้างอิงจากการสแกน 3 มิติของร่างกายผู้ป่วยโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอวัยวะเทียมสำหรับกะโหลกศีรษะ เมื่อผลิตจากพลาสติกพิเศษชนิดหนึ่งที่เรียกว่า PEEK จะมีความแม่นยำสูงถึงประมาณ 50 ไมครอน ซึ่งหมายความว่าอวัยวะเทียมเหล่านี้สามารถเข้ารูปพอดีกับโครงกระดูกได้อย่างแท้จริง และช่วยป้องกันการติดเชื้อที่อาจเกิดขึ้นจากช่องว่างระหว่างอวัยวะเทียมกับกะโหลกศีรษะ พัฒนาการล่าสุดยังทำให้ผู้ผลิตสามารถผลิตเบ้าอวัยวะเทียมจากโพลิเมอร์ได้ในวันเดียวกับการผ่าตัดเลยทีเดียว ตามรายงานการวิจัยจาก Ponemon Institute ในปี 2023 พบว่าประมาณหนึ่งในสามของผู้ที่สูญเสียอวัยวะปลายแขนหรือขา ร้องเรียนเกี่ยวกับการสวมใส่อวัยวะเทียมที่ไม่พอดีตัว การปรับแต่งเฉพาะบุคคลด้วยวิธีการเหล่านี้ ช่วยลดระยะเวลาการฟื้นตัวลงได้เกือบ 20% และลดจำนวนการผ่าตัดซ้ำที่น่าหงุดหงิดใจลงได้เกือบ 40% นับเป็นสิ่งที่น่าทึ่งมากเมื่อได้ไตร่ตรองดู

ส่วนประกอบของอุปกรณ์วินิจฉัยและถ่ายภาพทางการแพทย์

บทบาทของพลาสติกที่ผลิตด้วยเครื่องจักร CNC ในการทำเคสหุ้มเครื่อง MRI และ CT Scanner

ชิ้นส่วนพลาสติกที่ผลิตด้วยเครื่องจักร CNC มีบทบาทสำคัญในเปลือกเครื่อง MRI และ CT เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้ต้องการวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า มีน้ำหนักเบา แต่ทนทานต่อการใช้งานยาวนาน วัสดุเช่น PEEK และ POM ซึ่งย่อมาจากโพลีออกซีเมทิลีน ให้การป้องกันการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่ทำให้อุปกรณ์ถ่ายภาพภายในเสียหาย โพลิเมอร์เหล่านี้ผ่านข้อกำหนดทั้งหมดที่กำหนดโดย FDA และ ISO 13485 เกี่ยวกับการเผาไหม้และการปฏิกิริยากับเนื้อเยื่อชีวภาพ ทำให้มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยในการฆ่าเชื้อซ้ำหลายครั้ง ตามรายงานอุตสาหกรรมปี 2023 เกี่ยวกับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ผู้ผลิตพบว่าข้อบกพร่องลดลงประมาณ 60% เมื่อใช้การกลึงด้วย CNC แทนวิธีการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิมสำหรับการออกแบบโครงสร้างที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประโยชน์มากเมื่อผลิตเครื่องสแกนเนอร์เป็นจำนวนมาก่อน

การบรรลุค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบในอุปกรณ์การแพทย์อิเล็กทรอนิกส์

กระบวนการกลึงด้วยเครื่อง CNC สามารถทำให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบมากถึง ±0.005 มม. ซึ่งจำเป็นสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น อุปกรณ์การแพทย์อิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงเครื่องตรวจสุขภาพแบบไร้สาย และเครื่องอัลตราซาวนด์แบบพกพา ผู้ผลิตจำนวนมากเลือกใช้วัสดุเดลริน® (Delrin®) สำหรับขั้อต่อปั๊มฉีดยา เพราะวัสดุดังกล่าวมีความคงตัวแม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง และไม่เสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับของเหลวต่างๆ งานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Medical Device Innovation พบว่า การแทนที่ชิ้นส่วนโลหะแบบตีขึ้นรูปด้วยชิ้นส่วนไนลอนที่ผลิตด้วยเครื่อง CNC ช่วยเพิ่มความแม่นยำของสัญญาณในขั้วไฟฟ้า ECG ได้ประมาณ 34% การบรรลุความแม่นยำระดับนี้ไม่ใช่เพียงแค่แนวทางปฏิบัติที่ดี แต่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านความปลอดภัย IEC 60601-1 นอกจากนี้ ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบนี้ยังช่วยให้ออกแบบชิ้นส่วนให้มีขนาดเล็กลง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เช่น ระบบตรวจสอบระดับน้ำตาลแบบสวมใส่ได้ และอุปกรณ์โทรคมนาคมทางการแพทย์อื่นๆ ที่พื้นที่มีจำกัด

ฮาวส์ซิ่งและเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ที่ผลิตจากพลาสติกโดยเครื่อง CNC

การกลึง CNC ความแม่นยำสูงสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ขนาดมินิแอทเทอร์

เมื่อพูดถึงอิเล็กทรอนิกส์ขนาดมินิแอทเทอร์ ตัวเรือนจำเป็นต้องมีความแม่นยำสูงมากและมีโครงสร้างที่แข็งแรง พลาสติกที่ผ่านการกลึงด้วยเครื่อง CNC สามารถบรรลุค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบเพียง ±0.005 มม. ซึ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนเช่น ตัวเรือนไมโครเซนเซอร์ หรือตัวเรือนอุปกรณ์สวมใส่ ทำให้สามารถประกอบเข้ากับแผงวงจรพีซีบีได้อย่างพอดีโดยไม่มีปัญหา ตามข้อมูลอุตสาหกรรมบางส่วนในปี 2023 ผู้ผลิตประมาณ 92% เริ่มหันมาใช้การกลึงด้วยเครื่อง CNC สำหรับต้นแบบ เนื่องจากสามารถปรับเปลี่ยนการออกแบบได้รวดเร็วกว่าวิธีการฉีดขึ้นรูปแบบดั้งเดิม และยังมีข้อดีอีกอย่างคือ กระบวนการนี้ช่วยลดขั้นตอนการตกแต่งหลังการผลิตที่ยุ่งยากลงได้ประมาณ 40% ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้อย่างมากเมื่อผลิตสินค้าหลายชนิดพร้อมกันเป็นจำนวนมากเล็กน้อย

การเลือกวัสดุสำหรับฉนวนความร้อนและฉนวนไฟฟ้า

การเลือกวัสดุมีผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของตัวเรือนอิเล็กทรอนิกส์:

• PEEK มีคุณสมบัติทนไฟตามมาตรฐาน UL 94 V-0 และสามารถทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 250°C ได้
• ส่วนผสมของโพลีคาร์บอเนต ให้ความต้านทานการรั่วของกระแสไฟฟ้าได้ 600 V/mm เหมาะสำหรับขั้วต่อไฟฟ้าแรงสูง
• POM (พอลิออกซิเมทิลีน) ลดการรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลง 15 dB เมื่อเทียบกับ ABS

วัสดุเหล่านี้เป็นไปตามข้อกำหนด IEC 60601-1 สำหรับฉนวนเกรดทางการแพทย์ ตามที่ยืนยันในรายงานการวิเคราะห์วัสดุปี 2024

กรณีศึกษา: การใช้ POM ที่กลึงด้วยเครื่อง CNC ในขั้วต่อและฉนวนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ผู้จัดจำหน่ายชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ชั้นนำรายหนึ่งบรรลุความน่าเชื่อถือของขั้วต่อได้ถึง 99.8% โดยใช้ฉนวน POM ที่กลึงด้วยเครื่อง CNC ด้วยอัตราการดูดซับความชื้นเพียง 0.5% POM จึงช่วยป้องกันการลัดวงจรในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น อีกทั้งยังมีความแข็งแรง 10 GPa ซึ่งช่วยลดการบิดเบือนของสัญญาณ และผลการทดสอบ EDMR หลังกระบวนการกลึงแสดงให้เห็นว่าเกิดเหตุการณ์การอาร์กไฟฟ้าลดลง 30% เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนไนลอนที่ขึ้นรูปแบบโมลด์

การเปรียบเทียบวัสดุ: POM, PEEK และ Delrin® ในการประยุกต์ใช้งานทางการแพทย์และอิเล็กทรอนิกส์

ความสามารถในการกลึงและการทำงานของพลาสติก POM ในชิ้นส่วนความแม่นยำสูง

พีโอเอ็มทำงานได้ดีมากเมื่อต้องการความแม่นยำสูง โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนประมาณ ±0.005 มม. และยังมีคุณสมบัติเรื่องแรงเสียดทานต่ำตามธรรมชาติ โครงสร้างวัสดุที่สม่ำเสมอช่วยให้เกิดผิวเรียบเงาคล้ายกระจก ซึ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก เช่น ขั้วต่อขนาดจิ๋ว หรือวาล์วขนาดเล็กที่ใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ พลาสติกทั่วไปมักดูดซับความชื้นและบิดเบี้ยวตามกาลเวลา แต่พีโอเอ็มยังคงความมั่นคงของขนาดแม้สัมผัสกับความชื้น ส่งผลให้ไม่เกิดการเปลี่ยนรูปร่างโดยไม่ตั้งใจ ซึ่งอาจทำให้เฟืองสึกหรอหรือเกิดปัญหากับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ จากมุมมองการผลิตแล้ว พีโอเอ็มก็เหมาะสมเช่นกัน เพราะช่วยลดการเปลี่ยนเครื่องมือลงได้ประมาณ 30% เมื่อเทียบกับวัสดุประเภทที่ผสมใยแก้ว และถึงแม้จะง่ายต่อการประมวลผล แต่ก็ยังมีความแข็งแรงสูงถึง 70 เมกะพาสคัล ทำให้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่ต้องการความทนทาน

ความแข็งแรงเชิงความร้อนและเชิงกลของพีอีเคในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง

พีอีเค (PEEK) สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 250 องศาเซลเซียส และมีความต้านทานต่อสารเคมีรุนแรงได้ดี ซึ่งทำให้มันเหนือกว่าเดลรินและพีโอเอ็มเมื่อนำไปใช้ในชิ้นส่วนเครื่อง MRI ที่ต้องผ่านการฆ่าเชื้ออยู่บ่อยครั้ง วัสดุมีความแข็งแรงต่อการโค้งงออยู่ในช่วงประมาณ 90 ถึง 100 เมกะปาสกาล ซึ่งเทียบเท่ากับอลูมิเนียมที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แต่มีน้ำหนักเบากว่าประมาณ 45 เปอร์เซ็นต์ คุณสมบัตินี้ทำให้ PEEK เหมาะมากสำหรับการผลิตเปลือกหุ้มที่ทนต่อรังสีในอุปกรณ์ฝังชนิดเล็กๆ ที่ใช้ตรวจระดับน้ำตาลในเลือด ซึ่งผู้คนฝังไว้ภายในร่างกาย เมื่อนักวิจัยทำการทดสอบความเครียดที่จำลองสภาพการสึกหรอเป็นเวลาประมาณสิบปีในอุปกรณ์เสริมกระดูก พบว่า PEEK ที่ผลิตด้วยวิธี CNC ยังคงความแข็งแรงต่อแรงอัดเดิมไว้ได้ประมาณ 98% หลังจากการทดสอบทั้งหมด ขณะที่ไฮบริดไทเทเนียมรักษาระดับไว้ได้เพียงประมาณ 82% เท่านั้น ผลการศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Biomaterials Research เมื่อปี 2023

ต้นทุนเทียบกับประสิทธิภาพ: การประเมินพอลิเมอร์ประสิทธิภาพสูง

วัสดุ PEEK อาจมีราคาสูงกว่าวัสดุ POM ประมาณ 20 เท่า แต่เมื่อพูดถึงอุปกรณ์ฝังกระดูกสันหลังแล้ว ไม่มีใครต้องการตัดทอนคุณภาพ เพราะวัสดุนี้จำเป็นต้องมีอายุการใช้งานยาวนานหลายทศวรรษโดยไม่เกิดความล้มเหลว และยังต้องผ่านมาตรฐานอย่างเข้มงวดจาก FDA อีกด้วย ท้ายที่สุด หากเกิดปัญหาขึ้นมา บุคลากรทางการแพทย์จะต้องเผชิญกับปัญหาทางกฎหมายร้ายแรง โดยคดีความจากการละเลยหน้าที่โดยทั่วไปมีมูลค่าประมาณ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ตามการวิจัยของ Ponemon ในปีที่แล้ว นั่นจึงเป็นเหตุผลที่โรงพยาบาลยังคงเลือกใช้วัสดุ PEEK แม้จะมีราคาแพง แต่ในทางกลับกัน สำหรับสิ่งของเช่น ตู้ครอบอุปกรณ์ ที่ไม่จำเป็นต้องฆ่าเชื้อ Delrin® กลับเหมาะสมกว่ามาก มันผ่านเกณฑ์ด้านความปลอดภัยด้วยค่าการติดไฟระดับ V0 และมีต้นทุนต่ำกว่า PEEK ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งก็สมเหตุสมผลดี—ควรใช้จ่ายเพิ่มเติมในจุดที่เกี่ยวข้องกับชีวิตมนุษย์ แต่ประหยัดเงินในส่วนอื่นๆ โดยไม่ลดทอนคุณภาพมากเกินไป