Механична обработка на компоненти за медицински изделия

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 4/2020 • 10.06.2020

Обработката на детайли със сложна геометрия и фини повърхности е често срещана в аерокосмическия и автомобилния сектор, но производството на медицински изделия задава още по-високи изисквания към технологиите, определящи качеството, прецизността и надеждността на всеки детайл. С развитието на медицината изделията в областта стават все по-малки и по-сложни и включват по-високотехнологични и чувствителни материали. Ето защо машините за обработка на компоненти за медицински приложения трябва да осигуряват високопрецизна работа с минимални допуски. Дизайнерите на оригинално оборудване за сектора проектират все по-фини продукти с комплексни характеристики, което означава, че техническите изпълнители трябва да разполагат с технологии за обработка от последно поколение. Само така те биха могли да предложат конкурентно и ефективно производствено решение.

Все по-сложните геометрии, разбира се, създават множество предизвикателства при обработката. Проучванията на глобалния пазар сочат, че необходимостта от медицински изделия ще нараства, а с нея и конкуренцията между производителите.

Това поставя производствените компании пред избора да бездействат и да загубят предимството си или да инвестират в технологични иновации в сферата на конвенционалната и лазерната обработка. Такива са например по-малките режещи инструменти за конфигурации с ЦПУ, лазерните технологии и хибридните машини, комбиниращи лазерни системи с традиционно обработващо оборудване.

 

Материали

Както във всяка друга инженерна дисциплина, изборът на материал е от критично значение при производството на медицински изделия и импланти.

Експлоатационните свойства на материалите в сегмента имат две основни характеристики - биофункционалност и биосъвместимост. Биофункционалността е по-важна за изделия от пластмасови материали, докато необходимата функционалност на костните и ставни импланти се осигурява по-ефективно с използването на метали. При металните изделия биосъвместимостта е от основно значение – необходимо е проучване на корозионните свойства на метала и взаимодействието им с тъканите на тялото. Най-разпространените материали за изработка на импланти за коленна и тазобедрена става са кобалт-хромова сплав и титан. Титанът традиционно е с по-малка популярност, но приложенията му непрекъснато нарастват. Неръждаема стомана се използва за направата на временни импланти, тъй като е по-малко устойчива на корозия от кобалт-хрома или титана.

Прътовият материал, кованите заготовки и отливките обикновено са отправна точка за обработка, като следва шлайфане и полиране. Работата с тези материали може да бъде предизвикателство поради същите характеристики, които ги правят функционални в човешкото тяло – тяхната висока якост и твърдост. Кобалт-хромът например е твърд, абразивен и силно еластичен. Това може да доведе до интензивно износване на инструмента, свързано с ниската топлопроводимост на материала.

Титанът, от друга страна, притежава свойство за самозакаляване при работа, както и лоша топлопроводимост. В резултат по време на обработката се натрупва топлина в режещия ръб и лицето на инструмента.

Обичайното решение на проблема при тези видове материали е използването на много охлаждаща течност в областта на рязане. Традиционните охлаждащи течности обаче могат да замърсят медицинските импланти, което изисква скъпи и отнемащи време процеси на почистване. Поради тази причина някои производители разработват системи за охлаждане с течност, базирани на т. нар. свръхкритичен въглероден диоксид.

 

Конвенционални обработващи операции

Основна причина за използването на CNC машина при производството на медицински изделия е, че това позволява възпроизвеждането на един и същи детайл с малка или никаква нужда от намеса на оператор. Различните типове системи с ЦПУ – включително фрезови машини, стругове и шлифовъчни машини, изпълняват различни функции в тази индустрия. В зависимост от изработвания детайл подходящото оборудване може едновременно да извършва струговане и фрезоване.

В производството на медицински изделия могат да бъдат включени няколко машини или операции за обработка с цифрово управление, например шлифоване и триизмерен печат на метал. Методите за производство на детайли за медицински приложения на един обработващ център могат да включват груба обработка, груба обработка на жлебове, финишна обработка, фрезоване на фаски т. н. Целта е да се постигне необходимото качество на повърхностите само чрез механична обработка, като се намали нуждата от времеемко ръчно довършване. Петосните фрезови и шлифовъчни машини осигуряват множество предимства при работа със сложните форми и контури на ортопедичните импланти.

 

Лазерна обработка

При производството на медицински изделия обикновено се използва повече от един тип оборудване. Макар традиционната обработка с ЦПУ да е мултифункционална и прецизна, нетрадиционни технологии като лазерното и водоабразивното рязане също предлагат множество предимства. Като безконтактен метод, лазерната обработка позволява работа с множество различни материали, запазвайки целостта им. Водоструйната обработка пък съдейства за охлаждането на материалите и предотвратява повреждането на детайлите вследствие на топлинни ефекти.

Негативен резултат при водоструйната технология е, че трудно се контролира дълбочината на рязане. За разлика от това, когато прави триизмерни срезове, ЦПУ машината може да контролира дълбочината и по трите оси посредством траекторията си на рязане.

Подобно на водоструйната технология, лазерната обработка също включва обработка чрез поток. В случая това е поток светлина, преминаващ през серия лещи. Лазерният метод се използва в производството на медицински изделия за изрязване на детайли, отвори в метал и изработка на други структури. Тя дава възможност за контрол на дълбочината чрез корекция на скоростта и концентрацията на светлината.

Една от най-съвременните лазерни технологии, известна като рязане чрез разтопяване, се използва изключително за обработка на метали в медицинския сегмент.

Друга иновация в областта използва ултрабързи пикосекундни или фемтосекундни импулсни лазери и се отличава с много висок пиков импулс. Тази технология не стопява материала, а директно го изпарява. Повърхностната обработка, получена чрез метода, е с неравности от порядъка на един микрон.

Използването на импулсно-лазерна технология не налага прилагане на топлина, което е особено полезно при обработката на неметали, например полимери. Някои производители използват метода за рязане на биорезорбируеми стентове, съставени от специален хигроскопичен полимер, който е не само чувствителен към вода, но и към топлина.

 

Предимства и тенденции на развитие

Основно предимство на лазерната обработка е, че при нея не се осъществява физически контакт с детайла, за разлика от ЦПУ обработката. В резултат лазерната обработка не причинява износване на материала. При рязането с ЦПУ инструментът е подложен на износване и трябва периодично да се сменя. При водоструйната технология, от друга страна, може да се допусне замърсяване на водата, което да доведе до повреждане на материалите. Този проблем може да бъде избегнат, ако абразивната криогенна струя включва течен азот като работна течност, което обаче значително увеличава сложността и експлоатационните разходи.

Две водещи тенденции при лазерното рязане ще повлияят развитието на производството на медицински изделия през следващите няколко години, смятат експертите. Първата е преминаването към алтернативни материали при стентовете, включително полимери и композити като аналог на традиционните метали, поради множеството функционални предимства, които предлагат.

Миниатюризацията – втората тенденция, ще дефинира производството на медицински изделия за години напред, прогнозира актуален доклад на Weiler. Характеристиките на устройството стават все по-малки, а материалите – все по-тънки. Вследствие на това топлинният ефект, свързан с лазерната обработка, се явява проблем. В отговор на това в практиката навлиза атермалната или студена лазерна обработка. Използвайки лазери с къси импулси в пико- или фемтосекундния диапазон, атермалната лазерна обработка обработва материали, без да създава зона, засегната от топлина.

В комбинация с използването на нови материали, включително метални и неметални фолиа, миниатюризацията води до морална амортизация на много от съвременните обработващи инструменти днес. Ето защо индустрията ще трябва да заложи алтернативни методи, за да продължи да се справя ефективно с различните класове материали. Атермалната обработка може да се използва за обработка на всякакъв вид материали, което я прави добър кандидат за задоволяване на бъдещите изисквания на сектора за производство на медицински изделия.

 

Водоабразивно рязане

Водоструйното рязане предлага няколко водещи предимства пред останалите методи за изработка на медицински изделия и компоненти. Тази универсална производствена техника може да обработва повечето материали в режими от макро- до микромащаб, включително рефлективни и нерефлективни метали, както и неметали като композити, пластмаси, керамика и ламинати. За разлика от лазерната обработка, рязането с водна струя е процес на студено рязане, който не създава зона, засегната от топлина. В допълнение, една машина с водна струя може да изпълнява редица функции за обработка, включително рязане, пробиване, струговане, фрезоване, набраздяване и подготовка на повърхността без използване на специални инструменти, както става това при обработката с ЦПУ.

За повечето приложения абразивната обработка с водна струя предлага предостатъчна прецизност и висока производителност. Например повърхностният финиш при рязане на ръбове с много фини абразиви може да бъде с точност от порядъка на няколко микрона. Ултрабързите лазери могат да постигнат повърхностни финиши в субмикронния диапазон, което ги прави по-подходящи за високопрецизни медицински приложения.

Машините за водоструйно рязане могат да се използват и като инструменти за производство на прецизни детайли от трудни за обработка материали, включително от неръждаема стомана. Машините с ЦПУ обикновено режат стоманени детайли в отвърнато състояние и след това детайлите се обработват термично, за да се постигне желаната твърдост. Този метод обаче може да доведе до изкривяване на готовия детайл. За разлика от тях, водоструйните машини могат да изрежат детайли в закалено състояние, предотвратявайки изкривяването, което се получава при термична обработка след формирането им. Конвенционалните инструменти за обработка с ЦПУ страдат от износване, когато обработват абразивни материали като титан и закалена стомана, които в крайна сметка могат да изгорят повърхностите на детайла. Когато се използва в комбинация с ЦПУ обработка, водоструйното оборудване може да помогне за удължаване на живота на конвенционалните металорежещи машини.

Предимство на най-новите технологии за обработка е, че те могат да се използват за изработка на ортопедични или протезни устройства, съобразени с конкретните размери и форми на пациентите. Подобно на други системи, базирани на компютърно цифрово управление, водоструйните машини могат да проектират и произведат такива детайли за минути или часове, в зависимост от сложността им. Така модерните болници, рехабилитационни центрове и медицински заведения на отдалечени места и военни фронтове могат да бъдат оборудвани с водоструйни системи за бързо и прецизно производство на специализирани ортопедични устройства на място.
Преди няколко десетилетия водоструйните машини бяха подходящи само за груби операции по рязане, отбелязват експертите. Днес системите за водоабразивна обработка, които разполагат с хардуер за високопрецизно управление на движението и 3D кинематични механизми, са напълно способни да отговорят на повечето изисквания на индустрията за медицински изделия.

 

Напредък при традиционната обработка

С бързото развитие на възможностите за лазерно и водоструйно рязане традиционната обработка е изправена пред предизвикателството да заложи на решения за подобряване на скоростта, прецизността и допустимите отклонения. Изискванията са за минимални зони, засегнати от топлина, по-малко етапи на обработка и намалена нужда от вторични операции. Един от способите за постигане на тези цели е чрез повишаване степента на автоматизация. Обработващите центри с ЦПУ стават по-автоматизирани, особено при закрепването и разтоварването на детайли от машината, контрола на качеството и довършителните работи по детайлите. В някои случаи традиционните методи се комбинират и с адитивно производство.

Освен с усъвършенствана автоматизация и специализиран софтуер, новите модели машини с ЦПУ на пазара разполагат с по-универсална и лесна за внедряване роботика, интелигентни технологии за разпознаване на детайла, събиране на данни от обработващите операции, както и с повишена скорост, точност и гъвкавост.
Скоростта на производство винаги е от ключово значение за спечелването на дадена поръчка за изработка. По-голямата скорост означава също и по-чисто рязане, като са необходими по-малко вторични стъпки – друг начин за намаляване на разходите и по-бърза реализация на продуктите. Както скоростта на подаване, така и скоростта на шпиндела в съвременните конфигурации са толкова големи, че по-новите машини произвеждат по-малки медицински изделия в пъти по-бързо, отколкото вариантите само от преди няколко години.

Прецизното оборудване за електрохимична обработка (PECM) също осигурява конкурентни предимства в медицинското производство. То предлага ниска цена на детайл с висока точност и прецизно покритие. PECM методът също така намалява необходимостта от намеса на оператор, редуцира времето за настройка и оптимизира процесите на проверка. Технологията може да ускори времето за производство с 25% и да намали потребността от работна ръка с около 50%.

Друго решение за поддържане конкурентоспособността на обработката с ЦПУ е комбинацията от множество технологии в хибридна конфигурация. Лазерните машини от швейцарски тип например комбинират лазерно рязане и заваряване с традиционното струговане с подвижно седло. Тези машини могат да изпълняват множество процеси с една настройка, което също така опростява процеса на качествен контрол и намалява разходите чрез съкращаване на сроковете за изработка на прототипи.
Технологията позволява на компаниите да произвеждат цялостни компоненти с комбинация от конвенционална обработка и лазерно рязане в една стъпка, без да се налага пребазиране на детайла. В резултат се постигат по-висок производствен капацитет и икономия на разходи.

Новият брой 4/2020

брой 4-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top