劉宇航,李 巖,李 林,陳義保

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

隨著人類年齡的增長(zhǎng)及生活、工作壓力的增大,大腦內(nèi)部的某些神經(jīng)核團(tuán)會(huì)出現(xiàn)功能失調(diào)的現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致一系列的精神活動(dòng)或運(yùn)動(dòng)障礙疾病[1],如帕金森病。因藥物(如左旋多巴)治療具有較強(qiáng)的副作用,腦深部刺激術(shù)(Deep brain stimulation, DBS)以損傷小、療效好、并發(fā)癥少、參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)成為該類病癥的最佳治療手段[2-5]。

DBS手術(shù)中,套管電極從額中回沿腦實(shí)質(zhì)穿刺至靶點(diǎn)區(qū)域,穿刺路徑長(zhǎng)約50 mm。穿刺過程中,套管電極圓柱側(cè)壁表面與腦組織之間會(huì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生穿刺摩擦力[6]。隨著穿刺深度的增加,穿刺摩擦力不斷增大,不僅會(huì)引起腦組織變形、移位,還會(huì)持續(xù)地剪切、拖拽和牽拉穿刺路徑上的腦組織[6],使腦組織產(chǎn)生疤痕、水腫、神經(jīng)膠質(zhì)等現(xiàn)象[3],從而減小了DBS的有效刺激范圍。因此,為了提高手術(shù)的治療效果,降低手術(shù)過程中對(duì)腦組織的損傷及并發(fā)癥的產(chǎn)生,應(yīng)盡可能降低穿刺摩擦力。

結(jié)合大量的研究成果,對(duì)光滑的摩擦表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒖棙?gòu)化處理,將起到較好的減摩作用[7,8]。表面上的微織構(gòu)不僅能降低摩擦副之間的直接接觸面積,配合潤(rùn)滑劑還能形成微動(dòng)壓潤(rùn)滑軸承,在摩擦副之間形成隔膜,可以進(jìn)一步減小摩擦副之間的有效接觸面積[9];當(dāng)存在潤(rùn)滑劑時(shí),表面微織構(gòu)具有儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑,為摩擦副之間提供“二次潤(rùn)滑”的功能[10]。因此,在套管電極表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒖棙?gòu)化處理,或許可以起到較好的減摩效果,以提高手術(shù)效果。

套管電極為直徑1.5 mm、壁厚約150 μm的316L不銹鋼套管。圓柱套管表面的易加工微織構(gòu)為軸向直線型溝槽。因此,在套管電極圓柱表面加工微織構(gòu)的關(guān)鍵前提是優(yōu)化316L不銹鋼表面直線型溝槽的加工工藝參數(shù)。

腦細(xì)胞之間物理連接緊密,并非離散分布,為防止腦細(xì)胞進(jìn)入微織構(gòu)溝槽,直線型溝槽的寬度應(yīng)介于腦細(xì)胞的尺寸水平(10～20 μm)[11]。因此,套管電極表面直線型溝槽的寬度標(biāo)準(zhǔn)為:盡量減小溝槽寬度,以減輕或防止腦細(xì)胞進(jìn)入溝槽內(nèi)部。套管電極表面直線型溝槽的深度影響腦脊液的捕捉量,為了不影響套管電極的導(dǎo)向功能,溝槽深度應(yīng)不超過幾十微米。Nd:YAG泵浦固體納秒激光系統(tǒng)具有操作過程簡(jiǎn)單、工作能量可調(diào)、加工效率高的特點(diǎn)[12-13],可作為316L不銹鋼表面直線型溝槽的微織構(gòu)化工具。

激光加工工藝參數(shù)直接影響微織構(gòu)的寬度、深度及表面的熱損傷效應(yīng)。加工微織構(gòu)時(shí),選擇低激光能量范圍,以減小溝槽寬度,降低材料表面的熱損傷,但單次掃描后的溝槽深度將減小,從而減少溝槽對(duì)腦脊液的捕捉量。為了增大溝槽深度,需增加激光掃描次數(shù),但材料表面的熱損傷會(huì)隨掃描次數(shù)的增加而加重。因此,利用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化Nd:YAG泵浦固體納秒激光系統(tǒng)對(duì)316L醫(yī)用不銹鋼的加工工藝參數(shù),以達(dá)到減小溝槽寬度、增大溝槽深度及材料表面無明顯熱損傷的目的,指導(dǎo)套管電極表面直線型溝槽的有效加工。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 加工材料

實(shí)驗(yàn)的加工材料為20 mm×20 mm×5 mm的316L醫(yī)用不銹鋼方板,表1為316L不銹鋼的材料屬性[14]。進(jìn)行加工前,需將316L不銹鋼方板上下表面進(jìn)行研磨、拋光,使表面粗糙度Ra≤500 nm,并放入無水乙醇中進(jìn)行2次超聲波清洗,每次10 min,清洗完成后將其置于吸紙上,在空氣中自然干燥。

表1 316L不銹鋼的材料力學(xué)屬性

1.2 激光加工工藝參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案

在316L不銹鋼方板上,使用激光束掃描方板表面,完成微織構(gòu)的加工。表2為激光束的固有參數(shù)。激光系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)為以下4種:激光功率P(0～20 W)、重復(fù)頻率f(0～80 kHz)、掃描速度v(0～600 mm/s)及掃描次數(shù)n(1～n)。

表2 激光束的固有參數(shù)

正交實(shí)驗(yàn)的因素為以上4種可調(diào)參數(shù),指標(biāo)設(shè)為微織構(gòu)的寬度和深度。表3為正交實(shí)驗(yàn)的4種因素,4種因素均選用5個(gè)水平,以提高正交實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可信度。

表3 正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平

1.3 激光束對(duì)直線型微織構(gòu)的正交實(shí)驗(yàn)過程

圖1為微織構(gòu)的激光加工平臺(tái)。首先,在激光系統(tǒng)的工作臺(tái)上擺放微位移平臺(tái),并調(diào)整微位移平臺(tái)的軸線,使其與工作臺(tái)的邊緣對(duì)正,保證微位移平臺(tái)的調(diào)整方向與激光束的掃描方向垂直。其次,將316L不銹鋼方板的邊緣與微位移平臺(tái)的位移調(diào)整方向?qū)φ蠓胖迷谖⑽灰破脚_(tái)上。在激光加工過程中,直線型溝槽的間距可通過微位移平臺(tái)進(jìn)行便捷調(diào)整。

圖1 微織構(gòu)的激光加工平臺(tái)

對(duì)工件進(jìn)行激光對(duì)焦,然后按照正交表的方案設(shè)計(jì)順序依次在316L不銹鋼方板上采用直線掃描的方式加工微織構(gòu)。加工直線段長(zhǎng)度設(shè)為20 mm。旋轉(zhuǎn)微位移平臺(tái)旋鈕,使316L不銹鋼方板沿垂直于激光束的掃描方向移動(dòng)0.5 mm,進(jìn)行下組實(shí)驗(yàn)方案的便捷加工。重復(fù)上述過程,以完成所有預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)方案。

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將加工完成后的316L不銹鋼方板置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗,每次清洗10 min,共計(jì)2次。清洗完成后置于吸紙上,干燥后對(duì)直線型溝槽進(jìn)行寬度、深度及表面灼燒程度的分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 直線型微織構(gòu)的形貌分析

正交實(shí)驗(yàn)中各溝槽的形貌以及表面熱損傷情況均使用超景深光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察測(cè)量。圖2(a)—(e)依次為正交實(shí)驗(yàn)方案9、13、3、21和8,按掃描次數(shù)增加的順序排列的直線型微織構(gòu)的二維、三維形貌及尺寸測(cè)量曲線。

圖2 超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)微織構(gòu)形貌及尺寸的觀測(cè)結(jié)果

觀察微織構(gòu)全貌發(fā)現(xiàn),溝槽呈火山口堆積狀,且兩側(cè)邊緣出現(xiàn)不規(guī)則的凸起,此種形態(tài)與蚊子吸血鼻器上的剛毛及具有不光滑外形的寄生蟲產(chǎn)卵器相似[11,15]。圖2可知,溝槽深度隨掃描次數(shù)的增加而增大,但加劇了溝槽附近的灼燒效應(yīng)。當(dāng)掃描次數(shù)為1和2時(shí),微織構(gòu)表面較整潔,熱影響區(qū)改性范圍小、顏色淺且無明顯重熔濺射現(xiàn)象,微織構(gòu)加工質(zhì)量較好。當(dāng)掃描次數(shù)為3時(shí),微織構(gòu)表面凹凸不平,熱影響區(qū)改性范圍廣、顏色深且溝槽兩側(cè)存在較多圓球狀熔渣,微織構(gòu)加工質(zhì)量低。當(dāng)掃描次數(shù)為4和5時(shí),激光熔融物對(duì)溝槽型腔的堵塞嚴(yán)重,微織構(gòu)化表面加工質(zhì)量差。因此,掃描次數(shù)對(duì)溝槽深度及表面灼燒程度影響很大。

分析認(rèn)為,激光能量隨著激光脈沖數(shù)量的累加而增多,當(dāng)掃描次數(shù)增加時(shí),溝槽內(nèi)累計(jì)的激光脈沖增多,激光能量累加增大,勢(shì)必拋出更多待加工材料,導(dǎo)致溝槽深度增大。由于溝槽深度的加深,使溝槽底部材料拋出困難,且氣化或液化的材料急劇冷卻后會(huì)快速冷凝,從而引起了溝槽型腔堵塞的現(xiàn)象。

綜上所述,綜合考慮溝槽深度和微織構(gòu)化表面加工質(zhì)量,激光的最佳掃描次數(shù)為2次。

2.2 直線型微織構(gòu)的寬度和深度分析

利用超景深光學(xué)顯微鏡測(cè)量316L不銹鋼方板上溝槽的寬度和深度并記錄。將基體表面到溝槽底部的高度差作為測(cè)量溝槽深度的標(biāo)準(zhǔn),以排除溝槽凹凸不同邊緣對(duì)深度的影響。計(jì)算溝槽寬度、深度的平均值和極值,并填入表4中。為更加直觀分析正交實(shí)驗(yàn)的4種因素對(duì)溝槽寬度及深度的影響效應(yīng),根據(jù)表4中的數(shù)據(jù),繪制圖3、4中的效應(yīng)曲線。

圖3 溝槽寬度的效應(yīng)曲線

表4 激光加工工藝參數(shù)的直觀分析

表4(續(xù))

本次實(shí)驗(yàn)的目的是在減小溝槽寬度的情況下,增加溝槽深度。分析表4中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),對(duì)比不同因素、不同水平下溝槽寬度的均值可以得出各因素的最優(yōu)水平:P5、f1、v5、n5。因此P(0.10 W)、f(80 kHz)、v(400 mm/s)、n(5)為減小溝槽寬度的最優(yōu)參數(shù)組合。分析各因素下溝槽寬度的極差,總結(jié)影響溝槽寬度的激光加工因素順序:n>P>f>v。

套管電極的壁厚為150 μm,由表4可知,溝槽深度的最大值為7.528 μm,在溝槽深度遠(yuǎn)小于套管電極壁厚的前提下,應(yīng)增大溝槽深度。對(duì)比不同因素、不同水平下溝槽深度的均值可得各因素的最優(yōu)水平:P2、f2、v5、n5。因此P(0.04 W)、f(75 kHz)、v(400 mm/s)、n(5)是增大溝槽深度的最優(yōu)參數(shù)組合。分析各因素下溝槽深度的極差,總結(jié)影響溝槽深度的激光加工因素順序:n>v>f>P。

通過分析圖3中各曲線可知:當(dāng)激光功率增大時(shí),溝槽寬度曲線基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì);當(dāng)重復(fù)頻率和掃描速度增大時(shí),溝槽寬度曲線上下波動(dòng);當(dāng)掃描次數(shù)增加時(shí),溝槽寬度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。因此,影響溝槽寬度大小的最主要因素為激光掃描次數(shù)。

分析圖4中各曲線可知:當(dāng)激光功率0.04 W、重復(fù)頻率75 kHz、掃描速度400 mm/s時(shí),溝槽深度分別體現(xiàn)為最大值;且溝槽深度隨掃描次數(shù)的增加,呈現(xiàn)顯著增大趨勢(shì)。因此,影響溝槽深度的最主要因素同樣為激光掃描次數(shù)。

圖4 溝槽深度的效應(yīng)曲線

綜上所述,激光的掃描次數(shù)為影響溝槽寬度、深度的最主要因素。忽略掃描次數(shù)時(shí),減小溝槽寬度與增大溝槽深度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合并不相同,由于本實(shí)驗(yàn)的目的需優(yōu)先考慮溝槽深度,故選用增大溝槽深度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合;當(dāng)掃描次數(shù)過多時(shí),會(huì)加重微織構(gòu)表面的熱損傷,考慮材料表面的熱損傷情況,應(yīng)降低激光掃描次數(shù)。表5為激光加工316L不銹鋼材料的最佳工藝參數(shù)組合。

表5 激光對(duì)316L不銹鋼材料的最優(yōu)加工工藝參數(shù)

3 小 結(jié)

結(jié)合微織構(gòu)減摩機(jī)理,本論文提出了在套管電極表面加工微織構(gòu),以降低摩擦力的思路;針對(duì)制備套管電極的材料,本文采用激光加工技術(shù)及正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了納秒激光對(duì)316L醫(yī)用不銹鋼材料的加工工藝參數(shù)。得出了如下結(jié)論:

(1) 整體上看,直線型微織構(gòu)的形貌呈火山口堆積狀。掃描次數(shù)對(duì)溝槽的寬度和深度影響不同,當(dāng)掃描次數(shù)增加時(shí),溝槽寬度急劇增加,而溝槽深度急劇降低,且溝槽表面熱損傷加重。因此,掃描次數(shù)是影響溝槽深度、寬度及表面灼燒程度的最主要因素。

(2) 正交實(shí)驗(yàn)的4種因素對(duì)溝槽深度與寬度的影響具有很大的差異性。忽略掃描次數(shù),其他3種因素對(duì)溝槽寬度及深度的影響順序不同,為實(shí)現(xiàn)正交實(shí)驗(yàn)的目的,優(yōu)先考慮增大溝槽深度的激光加工工藝參數(shù)組合。

(3) 綜合考慮溝槽寬度、深度及表面損傷情況,求出了激光加工316L不銹鋼材料的最佳工藝參數(shù)組合,以指導(dǎo)套管電極表面直線型溝槽的有效加工。