王哲恒

捷普/耐普羅公司(上海) 上海 200233

引言

聚氨酯彈性體(TPU)基于聚酯,聚醚,特殊共聚物和聚氨酯的共混物和聚碳酸酯,展現(xiàn)廣泛的,適合許多不同的性能范圍不同的應(yīng)用。本文以較有代表性的彈性體(Texin 和Desmopan)牌號材料及其重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ),研究探討該彈性體材料從材料選擇,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造過程中的一些重要技術(shù)要點(diǎn)。

1 材料特性及醫(yī)療器械產(chǎn)品的應(yīng)用

熱塑性彈性體具備有以下突出特點(diǎn):

高拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。

·優(yōu)異的耐磨性

·優(yōu)異的耐燃料和耐油脂性能

·抗臭氧和氧氣氧化

·高彈性

·高承重

·低容量和硬度。

·耐水解和抗微生物

醫(yī)療器械產(chǎn)品各式各樣,不同種類的醫(yī)療器械也有著各不相同的使用場景。如一些醫(yī)用的繃帶鎖扣結(jié)構(gòu),在使用中常需要器械表面既能擁有一定的強(qiáng)度,又能提供相應(yīng)的柔性特質(zhì),這就可以利用到熱塑彈性體的高拉伸強(qiáng)度和彈性特征。如很多醫(yī)療器械需要到達(dá)防水防塵的設(shè)計(jì),因此熱塑性彈性體可以發(fā)揮其優(yōu)秀的耐水解和彈性特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對殼體的密封效果。又如很多醫(yī)療手術(shù)器械,為了實(shí)現(xiàn)更好的觸感體驗(yàn),增加操作的穩(wěn)定性,會(huì)需要在器械表面人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)部分包覆軟膠,以達(dá)到良好的觸感。

正是基于熱塑性彈性體的種種特點(diǎn)和醫(yī)療器械上的諸多具體要求,越來越多的醫(yī)療器械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都不斷采用熱塑彈性體材料,使得產(chǎn)品得到更好的使用體驗(yàn)。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選型

正如上面舉例,不同的醫(yī)療產(chǎn)品有著各自不同的使用,以達(dá)到不同的使用效果,在熱塑性材料選擇過程,有以下三個(gè)重點(diǎn)要特別注意.

2.1 材料的硬度要求,熱塑性彈性體能提供從60HA 到90HA 的硬度范圍要求,如果在特殊使用中的材料硬度需求超出了這個(gè)范圍,需要對材料做進(jìn)一步的材料配方改性。

2.2 材料的顏色要求,在很多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,熱塑彈性體一般都位于產(chǎn)品的外側(cè)表面,因此從產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)考慮,要求彈性體材料能達(dá)到指定的顏色要求。就材料本身而言,可以配合不同的產(chǎn)品的外觀要求,通過染色的方法達(dá)到要求的顏色效果。

2.3 材料和不同基材的結(jié)合特性,通常情況下,熱塑性彈性體都是配合一下其它的非彈性材料一起使用,通過復(fù)合成型工藝制成需要的產(chǎn)品殼體。因此殼體基礎(chǔ)材料的選擇也會(huì)影響到彈性體材料與其的結(jié)合性能。通過各種實(shí)驗(yàn),得出彈性體(TPU)與各種材料的結(jié)合特性。

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2.4 在選定材料的基礎(chǔ)上,相互結(jié)合包容的材料的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將是另一個(gè)影響到結(jié)合性能的關(guān)鍵,以下就舉例說明

3 熱塑性彈性體零件的模具設(shè)計(jì)

熱塑性彈性體的零件模具設(shè)計(jì)是涉及到眾多方面技術(shù)知識的一個(gè)系統(tǒng),這里挑選一些基礎(chǔ)和重點(diǎn)加以說明,“不積跬步,無以至千里”一個(gè)好的模具設(shè)計(jì)一定都是由點(diǎn)點(diǎn)滴滴的細(xì)節(jié)的累積以實(shí)現(xiàn)最終的成功。

3.1 模具材料選擇 通?？梢杂糜跓崴苄詮椥泽w成型的模具鋼材包括如AISI P-20,S-7,和H-13,考慮到小量或者短周期的產(chǎn)品,也可以考慮使用鋁材 如(6061 T-6型)作為模具材料。

3.2 模具型腔表面處理 因?yàn)門PU 樹脂容易吸附在高度拋光的表面,因此相對粗糙的模具表面光潔度會(huì)對彈性體零件的成型脫模取出有一定幫助。如SPI D-2表面處理,同時(shí)要特別注意,相應(yīng)的表面處理最好應(yīng)延伸到澆口襯套,流道等位置,以幫助確保整個(gè)產(chǎn)品的順利脫模

3.3 產(chǎn)品模具的縮水率 對于普通簡單形狀的產(chǎn)品,經(jīng)過測試,熱塑性彈性體的縮水率如下

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當(dāng)然針對一些形狀特別復(fù)雜的產(chǎn)品,可以在模具設(shè)計(jì)中材料模流分析的手段對產(chǎn)品進(jìn)行具體分析,以取得更加準(zhǔn)確的縮水率。

3.4 產(chǎn)品成型尺寸及公差 對于彈性體的尺寸測試及公差范圍的規(guī)定一直會(huì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和模具設(shè)計(jì)及成型品管控制遇到的比較棘手的困難,因?yàn)閺椥泽w的成型,測試等一系列環(huán)節(jié)都會(huì)影響到最終的測試結(jié)果。本文基于選定的彈性體材料(Texin 和Desmopan)以及簡單的成品造型結(jié)構(gòu)做了以下研究,結(jié)果如下供參考

4 成型設(shè)備和工藝

完成了好的材料選型,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),和好的模具設(shè)計(jì),如果沒有正確的零件加工手段和工藝,仍然不能取得最終的好的零件,因此加工成型將是關(guān)鍵的臨門一腳。結(jié)合具體的材料及日常的工作積累,總結(jié)了一些重點(diǎn)技術(shù)。

4.1 成型機(jī)器選擇 TPU(Texin和Desmopan)樹脂可以使用直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的螺旋式注塑機(jī)和柱塞注塑機(jī),螺旋式注塑機(jī)是比較好的選擇,因?yàn)樗a(chǎn)生更均勻的材料和更均勻的熔體溫度,同時(shí)它還支持在較低的溫度下的射出成型。

一般而言,需要調(diào)整機(jī)器的溫度到475°F(246°C)左右,注射壓力高達(dá)15,000 psi(103兆帕),模具夾緊力需要達(dá)到3-5 t/in.2(40-70 k Pa)的投影面積。

4.2 射出機(jī)螺桿的尺寸也會(huì)影響到成型的效率和成品品質(zhì),以(Texin和Desmopan)為例

選擇螺桿長徑比(L/D)為至少20:1為較優(yōu)選擇。壓縮比為2:0-1至3.0:1為理想?yún)?shù)。因此通常情況下使用2.5:1的壓縮率。壓縮比過大,造成融化溫度升高,容易產(chǎn)生材料降解,進(jìn)而影響到產(chǎn)品性能。建議使用鍍鉻的射出機(jī)螺桿,這樣便于清潔,同時(shí)達(dá)到耐磨特性,

4.3 材料的干燥 彈性材料和大多數(shù)的塑膠材料一樣,從塑膠粒子的生產(chǎn)產(chǎn)出開始就一直吸收空氣中的水蒸氣,如下圖的材料曝露時(shí)間和吸水性對應(yīng)表格,材料曝露在空氣中超過5分鐘,其吸水率就超過射出要求的0.03%

材料的含水量的控制一直是整個(gè)射出過程中要重點(diǎn)關(guān)注的。TPU 材料成型前需要特別干燥處理,通常要求在射出成型之前,材料需要連續(xù)在(93°-104°C)環(huán)境下干燥2小時(shí)以上。

5 結(jié)語與討論

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步,越來越多的方便可靠的醫(yī)療產(chǎn)品走入人們的視野,各種各樣的材料選擇和使用也進(jìn)一步豐富和完善了產(chǎn)品的功能。作為一個(gè)醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)公司,保持對新科技,新材料的敏銳和好奇,同時(shí)注重每個(gè)細(xì)節(jié),是不斷創(chuàng)造完美產(chǎn)品的堅(jiān)實(shí)基石。