劉繪龍,劉亞雄,孫文森,趙廣賓

(西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安)

聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone,PEEK)具有優(yōu)良的生物相容性、放射線透過性,磁共振掃描不會產(chǎn)生偽影,與皮質(zhì)骨的彈性模量接近,不會產(chǎn)生安檢報警和冬涼夏暖問題等優(yōu)點,多年來一直備受骨科專家和材料研究人員的青睞[1-3],多用于整形外科、顱骨修復(fù)[4]。

目前,PEEK的主要加工工藝有數(shù)控加工、增材制造和注塑3種。對于PEEK等高分子材料以及常用的金屬材料,數(shù)控加工能達(dá)到很高的加工精度。但是,數(shù)控加工材料浪費嚴(yán)重、加工成本高,尤其是加工異形薄壁零件時,制造工藝復(fù)雜、成品率較低。

增材制造(3D打印)雖然能提高材料利用率,不受零件復(fù)雜程度的限制,但國內(nèi)推出的高溫3D打印機FUNMAT HT等通過增材制造(如熔融沉積、選擇性激光燒結(jié)[5-9])方式制造的PEEK零件,普遍存在材質(zhì)疏松、零件分層、力學(xué)性能低的問題,機械性能難以滿足行業(yè)使用的要求[4,10-12]。

傳統(tǒng)注塑加工高分子材料,由于需要金屬模具,主要用于大批量生產(chǎn),加工小批量及單件零件的成本高、效率低。金屬模具注塑高分子材料,由于金屬模具冷卻較快,影響了高分子材料的結(jié)晶,必須在注塑時加熱模具,注塑件取出后進行熱處理環(huán)節(jié)改善結(jié)晶情況,設(shè)備要求多,工藝復(fù)雜。因此,對于個性化PEEK假體植入物,使用金屬模具注塑,加工成本高、效率低[13]。因此,如何用較低的成本制造優(yōu)異機械性能和生物相容性的個體化植入物成為一個亟待解決的問題。

增材制造技術(shù)的優(yōu)點是擅長制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和個性化結(jié)構(gòu),缺點是制件性能不足,即增材制造擅長控形,但控性能力不足。制造過程是一個不同工藝復(fù)合疊加的過程,如果片面強調(diào)增材制造獨立于其他工藝之外,單獨實現(xiàn)一個產(chǎn)品的各種性能要求,并不能真正發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢。將增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合,而不是單獨使用增材制造技術(shù),一直是重要的應(yīng)用方法和應(yīng)用方向。

為了克服個性化假體數(shù)控加工材料浪費嚴(yán)重、加工成本高、異形薄壁件加工困難,以及增材制造力學(xué)性能不足的問題,本文提出一種利用光固化3D打印技術(shù)制造個性化PEEK假體的耐高溫樹脂注塑模具,并進一步通過注塑工藝獲得高強度個性化假體方案。該工藝擴展了增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用,個性化PEEK假體有望應(yīng)用于顱骨、下頜骨、關(guān)節(jié)、脊椎骨骼等各種復(fù)雜骨科場合。

1 工藝設(shè)計及特點

本文采用的3D打印與注塑技術(shù)相結(jié)合的工藝方案的基本步驟是:①將病人的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件,生成病人的骨骼STL模型;②通過3-matic軟件設(shè)計出個性化PEEK修復(fù)假體;③基于假體結(jié)構(gòu)進行布爾運算和抽殼設(shè)計,獲得注塑模芯;④利用光固化3D打印設(shè)備制造出注塑模芯;⑤將注塑模芯安裝固定進行注塑。

該方案的主要優(yōu)點有兩個:一是制造出的個體化PEEK假體具有3D打印假體的個體化結(jié)構(gòu)特征;另一個是制造出的PEEK假體具備注塑工藝的良好綜合力學(xué)性能。與本課題組之前提出的個性化PEEK顱骨植入物多點柔性注塑工藝[4]相比,該方案的優(yōu)勢包括:①模芯的構(gòu)建過程大大簡化,節(jié)省了大量的人力物力;②注塑件精度高,不需要后續(xù)的打磨去除臺階效應(yīng);③該3D打印的注塑模芯的密封性優(yōu)于其大量鋼針?biāo)鶚?gòu)建的模具內(nèi)表面空間,因此注塑件的致密性更高,強度更高;④該注塑模芯由于是高分子材料,導(dǎo)熱性較差、散熱慢。相比P20模具鋼的導(dǎo)熱系數(shù)51.5 W/(m· ℃),ABS導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.18 W/(m· ℃)[14]。高分子模芯注塑PEEK材料的優(yōu)點為:模芯在注塑過程中不需要模具加熱系統(tǒng),較差的導(dǎo)熱性有利于PEEK內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的生長、完善與平衡,使得PEEK樣件的結(jié)晶充分、凝固穩(wěn)定。

2 模芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

該方案中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是個性化PEEK假體模芯的設(shè)計,具體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 個性化PEEK假體模芯設(shè)計流程

模芯設(shè)計的內(nèi)容具體包括:分型面選擇、合模方式、抽殼設(shè)計、進膠口位置選擇、排氣孔設(shè)計等。模芯為高分子材質(zhì),容易擴充進膠口和排氣孔的尺寸,因此模芯進膠口和排氣孔的設(shè)計尺寸以較小為宜,進膠口一般設(shè)計直徑為6～8 mm,排氣孔一般設(shè)計直徑為0.7 mm。模芯厚度根據(jù)注塑PEEK假體的體積大小和注塑參數(shù)來確定。

2.1 分型面選擇

在模芯設(shè)計過程中,分型面的選擇極為重要。傳統(tǒng)金屬模具分型面的選取原則:便于塑件脫模和簡化模具機構(gòu);盡可能不影響塑件外觀,產(chǎn)生的溢料便于消除和修整;利于排氣;便于模具加工[15-17]。金屬模具剛性大,為了便于產(chǎn)品脫模,分型面一般選在產(chǎn)品的最大輪廓線處。針對少數(shù)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品,金屬模具必須設(shè)置多個分型面才能完整取出注塑產(chǎn)品。

個性化PEEK假體的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜多變,經(jīng)常會出現(xiàn)多個局部最大輪廓線。因此,選擇合適的分型面至關(guān)重要,它不僅影響著PEEK假體的成型效果和脫模工序,而且影響著設(shè)計模具的人力成本和生產(chǎn)效率。針對單個分型面很難滿足注塑PEEK假體的脫模要求的問題,提出以下3種模芯分型面選擇方案。

(1)最大輪廓線。最大輪廓線分型符合傳統(tǒng)模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),也是模芯分型面設(shè)計中最基本的一種設(shè)計開模方式。金屬模具的最大輪廓線分型面一般是平面分型面或臺階分型面,特殊情況下加入圓弧等曲面構(gòu)成曲面分型面。

個性化PEEK假體形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,最大輪廓線基本是三維空間結(jié)構(gòu)。注塑模芯分型面全部屬于不規(guī)則曲面分型面。最大輪廓線分型面是一種適合大體積、非復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PEEK假體模芯設(shè)計,便于加工和注塑假體脫模,如圖2所示。

圖2 胸椎骨假體模芯最大截面面積分型面

胸椎骨假體模芯就是根據(jù)最大輪廓線原則設(shè)計的分型面。由圖2可以看出,分型面從假體的最大輪廓線向外延伸,與六面體的4個邊界相交,完成模芯的分型任務(wù)。PEEK假體經(jīng)過注塑成型,可以很容易取出,不會破壞模具結(jié)構(gòu),模具可以實現(xiàn)多次重復(fù)注塑,大大提高了樹脂的利用價值。

(2)局部破壞模芯。增材制造的模芯是一種高分子聚合物,相對于無法破壞的金屬模具,高分子模芯具有一定程度的靈活性和可塑性。當(dāng)嵌入模具的PEEK假體難以取出時,可以采用局部破壞模芯的辦法,取出假體。個性化PEEK假體中存在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的假體,單個分型面無法取出PEEK假體,只能破壞模芯的結(jié)構(gòu),取出完整的假體。關(guān)節(jié)窩模芯設(shè)計如圖3所示。

(a)關(guān)節(jié)窩假體模型

(b)關(guān)節(jié)窩模芯圖3 關(guān)節(jié)窩模芯設(shè)計

圖3a為關(guān)節(jié)窩假體的三維模型結(jié)構(gòu)。由于該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單個分型面無法使其完全脫模,多個分型面不僅會降低模芯的強度和精度,影響假體的表面質(zhì)量,而且增加了模具設(shè)計和裝配的難度。采用局部破壞模具的方法,不僅減少模具設(shè)計工作量,而且注塑的PEEK假體精度更高、可靠性更高。

高分子模芯雖然可以破壞,但需要考慮破壞模具的時間成本和模具成本。尤其在破壞模具的過程中容易損傷PEEK假體表面,甚至造成假體面片撕裂。在模具設(shè)計過程中,應(yīng)盡量避免破壞模具。

(3)省略分型面。省略分型面即不設(shè)計分型面,將剖切模具的理念發(fā)揮到極致。高分子模芯包裹注塑PEEK樣件,注塑完成后包裹的模芯全部破壞去掉。

此方案是將復(fù)雜且體積較小的PEEK假體注塑模具設(shè)計成封閉式模芯。模芯表面只設(shè)計注塑進料口和排氣孔。注塑PEEK假體一旦成形,需要破壞模芯才能取出PEEK假體,且取出的假體表面質(zhì)量極高,沒有分型面造成的飛邊痕跡。省略分型面模芯與局部破壞模芯不同,省略分型面模芯尺寸略大于PEEK假體尺寸,強度不高,易破壞,模芯外表面需要輔助更大的模具作為強度支撐框架。此方案使用范圍較局限,一般用于微型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的注塑件的模具設(shè)計,如圖4所示。

PEEK螺釘結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸微小,適合使用省略分型面設(shè)計注塑模芯?？紤]到PEEK螺釘?shù)穆菁y連續(xù)性,帶分型面的注塑模芯會形成不連續(xù)的分型面飛邊,造成螺紋的紋路斷裂錯位。因此,PEEK螺釘通過一個較薄的包裹模芯來塑形見圖4b,注塑完成后直接破壞掉包裹模芯,保留下完整的螺紋路徑。

2.2 模芯合模方式

注塑模具分型面又稱為合模面。金屬模具合模面一般為平面,為了保證注塑模具動模和定模合模時的精確定位和自動導(dǎo)向,模具結(jié)構(gòu)一般設(shè)計有導(dǎo)向機構(gòu)。導(dǎo)向機構(gòu)的形式一般有導(dǎo)柱導(dǎo)向和錐面定位兩種。金屬模具一般以大批量、自動化注塑為主,導(dǎo)柱導(dǎo)向機構(gòu)使用較為普遍[18-19]。

借鑒金屬模具的設(shè)計經(jīng)驗,結(jié)合個性化PEEK假體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點,我們選擇錐面定位的導(dǎo)向機構(gòu)。光固化模芯的分型面一般為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu),具有一定的傾斜角度,使得模具扣合時可以自動定位。這種合模方式不僅具有自動導(dǎo)向定位作用,而且可以承受一定的側(cè)壓力。因此,模芯的合模方案包括3種方案:斜面自動扣合、密布螺栓連接、稀疏螺栓連接。

(1)斜面自動扣合。由于增材制造的模芯合模面為傾斜面,可以自動定位扣合,只需要兩側(cè)夾緊,就可以保證模芯的合模強度,如圖5所示。這種方案結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,是一種常見的選擇方案。但是,考慮到注塑壓力較高,偶爾會有PEEK熔融膠體溢出,所以模芯兩側(cè)的夾緊力要求加高,一般兩側(cè)加鋼板固定。

圖5 顱骨假體模芯斜面自動扣合方式

(2)密布螺栓連接是一種連接強度極高的合模方案。密布螺栓連接的合模強度極高,模芯受力均勻,是最可靠的合模方案。但是,密布的螺釘導(dǎo)致裝卸螺釘?shù)墓ぷ髁看蟠笤黾?使用不方便。密布螺栓連接一般使用在精度要求較高、假體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況,如圖6所示。

圖6 拉伸樣件模芯密布螺栓連接合模方式

(3)稀疏螺栓連接是斜面自動扣合和密布螺栓連接的折中方案。為了滿足一定的合模強度和不增加太大的工作量,選擇稀疏螺栓連接方案,取得一個強度和效率的平衡點。

圖7的模芯用于注塑PEEK力學(xué)拉伸測試樣件。模芯中間有兩個螺釘連接固定,輔助其他支撐工具增加合模強度。在大量制造標(biāo)準(zhǔn)樣件的實驗中可以大大減少合模固定時間。

圖7 拉伸樣件模芯稀疏螺栓連接合模方式

2.3 模芯抽殼設(shè)計

光固化模芯注塑PEEK假體的成本主要取決于耐高溫樹脂材料的耗用量。在能夠滿足注塑使用的前提下,減少樹脂消耗量,可以大大減少工藝成本,在商業(yè)應(yīng)用中,極大地提高產(chǎn)品的市場競爭力。

減少耐高溫樹脂的使用量的方法一般是在模芯厚的部位進行抽殼設(shè)計。由于增材制造工藝不考慮成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工成本,通過局部抽殼設(shè)計可以大大減少部分樣件的樹脂使用量。抽殼空心部分可以使用石膏等背襯材料填充。根據(jù)是否抽殼加填充材料,模芯可以分為單一材質(zhì)模芯和抽殼填充模芯兩種類型。

(1)單一材質(zhì)模芯。普通模芯,尤其是PEEK假體尺寸較小的注塑模芯,都是直接設(shè)計成單一材質(zhì)模芯,不加填充材料。單一材質(zhì)模芯設(shè)計簡單,強度比抽殼填充其他材質(zhì)的模芯強度要高,使用性能更好。牙齒注塑模芯、小段下頜骨模芯等體積較小,基本都是單一材質(zhì)模芯,如圖8所示。

圖8 牙橋單一材質(zhì)模芯

(2)抽殼填充模芯。體積較大的PEEK假體如顱骨、大段下頜骨的模芯設(shè)計過程中,需要添加抽殼設(shè)計,減少耐高溫樹脂使用量。該類型模芯一般結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較大,抽殼后節(jié)省的樹脂量比較可觀,是一種十分具有經(jīng)濟效益的方法。抽殼后的填充材料一般選用速固的石膏、錫鉛合金等材料。由于采用的樹脂本身導(dǎo)熱性比較差,因此抽殼設(shè)計并不會對模芯散熱造成影響。

圖9為顱骨PEEK假體的光固化注塑模芯。通過抽殼設(shè)計,模芯的側(cè)壁形成填充空腔,降低了樹脂的使用量。經(jīng)測量,該模芯抽殼后體積為實心模芯體積的24.05%,意味著可以減少24.05%的光固化樹脂使用量。

圖9 石膏增強型模芯

3 注塑機與模芯連接裝置

注塑成型工藝能一次成型出外形復(fù)雜、尺寸精確、可帶有各種金屬嵌件的三維尺寸模塑制品,注塑成型的制品占塑料制品總量的20%～30%。注塑機與金屬模具適用于大批量、高精度制品的生產(chǎn)制造,一般有固定的裝配定位標(biāo)準(zhǔn)[20-21]。為了將增材制造的個性化PEEK假體模芯應(yīng)用于普通注塑機上,設(shè)計相應(yīng)的金屬連接固定裝置,此處稱之為外模具框架結(jié)構(gòu)。外模具結(jié)構(gòu)對外應(yīng)滿足注塑機的定位裝夾標(biāo)準(zhǔn),對內(nèi)能固定支撐高分子模芯。

根據(jù)人體顱骨尺寸,暫定注塑模具尺寸內(nèi)部包容體積為150 mm×150 mm×100 mm,外部邊緣突出尺寸為30 mm,配合注射機的固定尺寸。模具的澆口尺寸參考注塑標(biāo)準(zhǔn)和注塑機的要求來確定[22]。定位圈的外孔、內(nèi)孔、厚度尺寸分別為100 mm、35 mm、15 mm;澆口套尺寸為B型40 mm×20 mm,澆口套的尾端需要切削加工成與模芯連接的45°倒角。根據(jù)相關(guān)模具的設(shè)計原則[23],進行外模具的設(shè)計和加工,如圖10所示。

圖10 金屬模具框架結(jié)構(gòu)

4 個性化PEEK假體注塑實驗

(1)PEEK顱骨修復(fù)體注塑。該病例為病人車禍導(dǎo)致顱骨大面積缺損,個性化PEEK顱骨假體設(shè)計厚度為3 mm,最大長度98 mm,模芯設(shè)計厚度為2 mm。使用個性化PEEK假體注塑工藝,分型面采用最大輪廓線原則,合模方式采用斜面自動扣合方式,采用模芯抽殼填充石膏的設(shè)計方案,獲得成形良好的顱骨PEEK修復(fù)假體,如圖11所示。本實驗為體外手術(shù)模擬實驗,非手術(shù)植入使用。

(a)PEEK顱骨假體

(b)PEEK顱骨假體組裝圖11 注塑個性化PEEK顱骨假體

(2)PEEK下頜骨假體注塑。根據(jù)某患者的下頜骨CT數(shù)據(jù),通過軟件重建出患者的骨骼模型,進而設(shè)計出個性化的下頜骨假體。分型面采用最大輪廓線原則,合模方式采用密布螺栓連接方式,采用單一材質(zhì)模芯的設(shè)計方案,制造出個性化PEEK下頜骨假體,如圖12所示。

圖12 注塑個性化PEEK下頜骨假體

5 個性化PEEK假體組織觀察

5.1 差示掃描量熱法(DSC)結(jié)晶度測試

采用DSC測量PEEK注塑樣件的結(jié)晶度[24]。對于結(jié)晶聚合物,用DSC測定其結(jié)晶熔融時,得到的熔融峰曲線和基線所包圍的面積,可直接換算成熱量。此熱量是聚合物中結(jié)晶部分的熔融熱。PEEK完全結(jié)晶的熔融函取130 J/g,溫升區(qū)間為25～400 ℃,升溫速率為每分鐘10 ℃。

圖13為PEEK吸熱曲線,從圖中可以得到:個性化PEEK假體注塑工藝制造的PEEK樣件的結(jié)晶度為30.82%,剖面線區(qū)代表PEEK里結(jié)晶部分的熔融熱量。外科植入物用PEEK聚合物的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定:注塑PEEK假體的結(jié)晶度標(biāo)準(zhǔn)范圍20%～45%之間。實驗結(jié)果符合PEEK醫(yī)療器械植入物的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

圖13 PEEK吸熱曲線圖

5.2 電鏡組織觀察

對個性化PEEK假體樣件進行表面噴金處理,使用掃描式電子顯微鏡觀察PEEK假體內(nèi)部微觀組織形態(tài)。所用掃描式電子顯微鏡為日本日立公司所產(chǎn)的S-3000N設(shè)備。

從圖14中可以看出:PEEK注塑件組織致密,無孔隙和缺損。相比較3D打印工藝,注塑制造的PEEK假體的致密性得到了很大的提升。

圖14 PEEK樣件掃描電鏡圖(×500)

6 結(jié) 論

(1)為了克服個性化假體數(shù)控加工材料浪費嚴(yán)重、加工成本高、異形薄壁件加工困難,以及增材制造力學(xué)性能不足的問題,本文提出一種利用光固化制造個性化PEEK假體的耐高溫樹脂注塑模具,并進一步通過注塑工藝獲得高強度個性化假體的方案。

(2)模芯分型面的設(shè)計方案包括最大輪廓分型面設(shè)計、局部破壞模芯設(shè)計、省略分型面設(shè)計。常規(guī)模芯設(shè)計使用最大輪廓分型面設(shè)計,局部破壞模芯分型面設(shè)計適用于大尺寸且復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣件的分型面,省略分型面設(shè)計適用于體積較小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的PEEK假體注塑模芯設(shè)計。

(3)模芯的合模固定方式包括斜面自動扣合、密布螺栓連接、稀疏螺栓連接。斜面自動扣合是常用的模芯合模固定方式,當(dāng)合模強度不足時,選擇密布螺栓連接和稀疏螺栓連接,區(qū)別是前者使用螺釘更多,連接更穩(wěn)固,操作更復(fù)雜。

(4)以模芯是否加填充材料分為單一材質(zhì)模具和抽殼填充模具。模芯加背襯復(fù)合材料可以降低耐高溫樹脂的消耗量,減少成本,但同時降低了模具的強度,增加了設(shè)計工作量。體積較小的模芯適合單一材質(zhì)模具,體積較大的模芯適合制成抽殼填充模具。

(5)采用本文提出的工藝方案制造了個性化PEEK顱骨和下頜骨假體,并對注塑件進行結(jié)晶度測試、組織觀察。結(jié)果顯示,PEEK注塑件的結(jié)晶度為30.82%,注塑件組織致密,無孔隙和缺損,說明采用增材制造和注塑相結(jié)合的方案制造具有綜合力學(xué)性能的個性化PEEK植入物是可行的。