李萬虎
1 研發(fā)背景
隨著微/納米科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展,產(chǎn)品逐漸向微型化、小型化、輕量化方向發(fā)展,塑料成型技術(shù)也正悄然發(fā)生變化,傳統(tǒng)的塑料擠出成型技術(shù)也正朝著微型化方向發(fā)展,出現(xiàn)了塑料微擠出成型技術(shù)。成型出的微小截面塑料制品如介入導管、新型塑料光纖、汽車油氣路塑料微管等在醫(yī)學、通訊、汽車等領(lǐng)域應用越來越多,尤其是高技術(shù)含量、高附加值的介入療法用微細導管。介入治療是一種新興療法,在不開刀的情況下,通過皮膚、血管上的微小通道,利用影像設(shè)備和醫(yī)療器械直接對病處進行局部微創(chuàng)治療,由于這是一種簡便安全、創(chuàng)傷小、副作用小的治療方法,患者恢復速度快,藥物使用量少,故發(fā)展迅速。介入醫(yī)療器械除導管外還包括導管接頭和導絲等,隨著介入醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展,其需求量越來越大。介入導管是連接人體內(nèi)外管腔制品的總稱,在排液、投藥、采血、灌流、輔助導入其他醫(yī)療器具和通過感應原件檢測生物體狀況等方面應用廣泛。其具有尺寸微?。ㄍ鈴?2隱、壁厚<0.2隱)、截面形狀復雜、幾何精度高、衛(wèi)生指標高、生化穩(wěn)定性高等特點。受擠出設(shè)備、擠出模具和配套生產(chǎn)工藝技術(shù)的制約,目前我國醫(yī)用介入導管主要依賴進口,其價格昂貴,每支從幾十至幾百或上千美元,嚴重制約了我國介入醫(yī)學技術(shù)的研究和臨床應用。醫(yī)用導管目前已成為一個高附加值、高技術(shù)含量的新興產(chǎn)業(yè),作為醫(yī)療器械的重要組成部分,具有很大的發(fā)展?jié)摿?。在某種程度上,一個國家醫(yī)用制品的生產(chǎn)技術(shù)、消費水平和產(chǎn)量,反映了該國的科技和經(jīng)濟水平.導管接頭的主要作用是輔助導管完成介入治療過程,其類型豐富,有接頭開關(guān)、單腔管接頭、雙腔管接頭、螺紋管接頭、Y型接頭等多種結(jié)構(gòu)形式,每種接頭均發(fā)揮著其不同的作用,可以滿足不同的使用需求,如輔助控制導管的走向、將導管與其他裝置相連、保護導管和控制藥劑流量等。通過不同導管接頭間的配合使用,各類介入醫(yī)療器械被整合成一個整體,為治療過程提供了方便。研發(fā)意義聚合物擠出成型中,擠出模具是基礎(chǔ),也是擠出成型的重點和難點,它直接決定了擠出制品的質(zhì)量和形狀。對多腔微管擠出機頭來說,合理的流道設(shè)計是擠出流動均勻性達到最佳,得到最好質(zhì)量和形狀產(chǎn)品的關(guān)鍵。
目前,國內(nèi)外微擠出模具設(shè)計主要通過理論計算或軟件模擬仿真兩種途徑來完成。模具流變學設(shè)計公式一般較為復雜,需要進行大量的計算,設(shè)計周期較長,耗費了大量人力物力。軟件模擬仿真雖然不用人為進行大量計算,但盲目性較大,為達到最優(yōu)設(shè)計,需要反復對具有不同尺寸參數(shù)的機頭進行模擬分析。舉例來說,如果有四個未知尺寸參數(shù),每個參數(shù)取四個水平值,就需要進行4X4X4X4=256次模擬試驗,即使采用正交試驗方法,選用4因素4水平正交試驗表,也需進行至少16次試驗,每次試驗均需手動進行三維建模和CAE分析,消耗了大量時間。此外,有限元法對使用者的軟件使用水平要求較高,使用者需要花費大量的時間進行軟件學習,t能保證模擬結(jié)果的準確性,所以設(shè)計周期仍然較長。
擠出模CAD系統(tǒng)將計算機技術(shù)與擠出機頭設(shè)計方法有機的結(jié)合在一起,利用計算機技術(shù)實現(xiàn)擠出模設(shè)計的參數(shù)化和自動化。擠出模CAD系統(tǒng)通過特征建模的方法建立數(shù)據(jù)模型,方便了數(shù)據(jù)的直觀輸入和加工信息的提取,并根據(jù)聚合物流變學理論規(guī)范了機頭結(jié)構(gòu)。同時,擠出模CAD系統(tǒng)也是擠出模柔性制造單元(FMC)的信息源頭和基礎(chǔ),為擠出模多品種、小批量的高效率、低成本加工提供了保證。研究的擠出模CAD系統(tǒng),通過微擠出機頭流變學設(shè)計理論公式的自動化計算、三維參數(shù)化建模和仿真,實現(xiàn)了擠出模從尺寸計算、模擬仿真到零件設(shè)計再到工程圖出圖的一體化設(shè)計,可以大幅度縮短設(shè)計周期,并有效提高設(shè)計精度,具有重要的研究意義和應用價值。介入導管接頭可以通過注塑成型來進行量產(chǎn),隨著介入醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展,對導管接頭尺寸精度和互換性以及衛(wèi)生質(zhì)量要求越來越高,本文在導管研究的基礎(chǔ)上,對兩種類型的微管接頭注塑模具進行了研制,搭配擠出模具,形成了較為完整的介入醫(yī)療器械生產(chǎn)體系,具有重要的實用意義。
2 擠出成型工藝過程
微管擠出成型的過程是:聚合物從擠出機料筒加入后,在旋轉(zhuǎn)螺桿作用下向前運動,在向前輸送過程中,由于螺打?的剪切、擠出機的加熱和聚合物顆粒之間的相互摩擦,使塑料塑化格融,之后,流經(jīng)具有特定截面形狀的擠出機頭,在冷卻定形和牽引裝置作用下,成為橫截面和擠出機頭出口模腔截面形狀相似的型材,最后,在切割裝置作用下被切斷成所需的塑料管材。
3 擠出模具的結(jié)構(gòu)
擠出機頭結(jié)構(gòu)通常有直通式和直角式兩種,微管,尤其是多腔微管,成型時每個管腔均需要通氣,且每個管腔的通氣量也需要嚴格控制,如果使用直通式結(jié)構(gòu),氣道加工十分不便,因此通常采用直角式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)示意圖及各組成零件名稱。聚合物溶體通過連接管進入機頭,此K域稱為入口區(qū)域;焰體向前流動,在芯棒尾的作用下轉(zhuǎn)過90°角,我們稱此四分之一橢圓弧附近區(qū)域為轉(zhuǎn)角區(qū)域;溶體繼續(xù)向前流過機頭體與芯棒尾之間的平直流道,稱為平直段區(qū)域;流過平直段后,到達由托架、口模和芯棒頭組成的漏斗形區(qū)域,稱為ffi縮區(qū);過了壓縮區(qū),溶體就來到擠出機頭的最后一個區(qū)域一定型段區(qū),定型段區(qū)由口模和芯棒頭的平直部分圍成。鄭州大學的擠出CAE分析系統(tǒng)Z-Swell,是其Z-Mold軟件中的一個模塊,運用有限元和有限差分相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了擠出成型過程中離模膨脹現(xiàn)象的數(shù)值模擬。華南理工大學的劉斌等[19]利用UG自頂向下的裝配建模技術(shù),以Visual C++為開發(fā)語言,構(gòu)建了一個參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng),實現(xiàn)了直通式審腔管材擠出機頭的參數(shù)化設(shè)計,通過建立關(guān)系型SQL數(shù)據(jù)庫進行機頭參數(shù)智能選擇,并能夠自動生成零件三維模型。武漢交通科技大學王仲君,陳定方等用模塊化設(shè)計思想,利用功能區(qū)圖形庫進行擠出模結(jié)構(gòu)選擇和零件設(shè)計,搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。系統(tǒng)總共包括智能設(shè)計、自繪圖、參數(shù)化繪圖、立體圖形、流道修整和系統(tǒng)說明等六個模塊。整個系統(tǒng)是在AutoCAD基礎(chǔ)上 發(fā)的。東南大學的郭麗華等]針對單腔直通式介入導管擠出機頭,以UGNX 2. 0作為二次開發(fā)平臺,完成了 CAD系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了與UG系統(tǒng)的無縫集成,具有良好的人機交互性,主要用于完成機頭零件的三維設(shè)計。武漢交通科技大學王仲君,陳定方等提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的擠出模型芯選擇方法,并搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。該方法減小了經(jīng)驗公式使用過程中人的因素的影響,有效地提高了模具的設(shè)計精度,縮短了設(shè)計周期。合肥工業(yè)大學的朱元吉等開發(fā)的塑料異型材擠出模CAD系統(tǒng)Exmold-CAD,主要由五大模塊組成:輸入程序、圖形數(shù)據(jù)庫、設(shè)計程序、分析程序和輸出程序。該系統(tǒng)是在386微機上 發(fā)的,以Turbo Pascal語言作為程序設(shè)計語言,由AutoCAD完成圖形的繪制,編輯和儲存等作業(yè)。系統(tǒng)充分模擬了人的設(shè)計思維過程,擁有數(shù)據(jù)查詢和計算、圖形顯示和繪制等功能。昆明大學的陳玲,黃曉燕[24]提出一種 式擠出模通用機頭結(jié)構(gòu),并開發(fā)出具有設(shè)計柔性的參數(shù)化CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SolidWorks 2006為平臺,利用其提供的API接口及大量OLE對象,山VB語言二次開發(fā)完成。系統(tǒng)可以實現(xiàn)產(chǎn)品截面二維圖讀入、零部件參數(shù)化設(shè)計和模擬裝配等功能。大連理工大學的趙丹陽等總結(jié)了各種設(shè)計規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗,在KBE(KnowledgeBased Engineering)技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用VB6. 0對SolikWorks 2000進行二次開發(fā),并以O(shè)racle 8i作為數(shù)據(jù)庫,搭建了基于知識的擠出模CAD系統(tǒng)。合肥工業(yè)大學的朱元吉,王曉楓[26]搭建了擠出定型模冷卻CAD系統(tǒng),程序運行結(jié)果表明,利用該系統(tǒng)可以精確可靠的進行擠出定型模設(shè)計。中科院合肥智能機械研究所的孫戰(zhàn)里應用VBA程序設(shè)計語言對AutoCAD 2000進行二次 發(fā),并利用FL0W2000軟件對設(shè)計完成的參數(shù)進行校正,搭建了擠出模CAD系統(tǒng)。大連理工大學的趙丹陽等構(gòu)建了一種基于網(wǎng)絡的擠出模CAD系統(tǒng),在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ)上,建立了擠出模參數(shù)化圖形庫,采用客戶/服務器模式,實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)庫操作。武漢交通科技大學的陳定方等對擠出模CAD/CAM系統(tǒng)總體框架和關(guān)鍵技術(shù)(如專家系統(tǒng)、高級人機界面、智能化仿真技術(shù)、多媒體工作環(huán)境、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和可視化技術(shù)等)進行了系統(tǒng)闡述,提出了將軟件工程思想(并行工程、多軌制分析程序、閉環(huán)CAD等)應用于擠出模CAD/CAM系統(tǒng) 發(fā),并搭建了相應的擠出模CAD/CAM系統(tǒng)。