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第 8 卷- 2020 年 12 月刊
医学植入物中的光饰技术应用








为什么要对植入物做最佳的表面抛光

不同的工件需要不同的表面抛光

如今,制造工程师们比过去更加关注表面抛光处理。在骨科植入物领域,情况更是如此。举例来说,对于人造股骨假体的表面处理的好坏就能严重影响到臀部、膝盖和其他关节植入物的使用寿命。
虽然并非所有的骨科植入物都需要同样的表面抛光。在某些情况下,只要对植入物表面的毛刺进行简单的去除、倒角倒圆即可,但在一些案例中,对于关键的表面部位,必须要进行超精抛光,将表面粗糙度降至最低。

骨缝植入物

目前,用来连接断骨的骨板、骨钉、连杆、线绳均由不锈钢、钛合金、钴合金、铬合金等高合金金属制作而成。
骨钉通常只需稍稍去除毛刺和倒圆倒角即可,而不应损伤其螺旋螺纹的“锋利度”。而骨板、骨钉和连杆的锋利边缘就必须进行精细的打磨,并对其表面进行平滑/抛光处理。这样就能极大地促进植入物嵌入和移除的整体处理,并且有助于手术前的消毒工作。

关节植入物

这些工件也需要去除毛刺与边缘的倒角倒圆。但是,对于关节类植入物而言,最主要的关注点还是在研磨方面。比如说,与膝关节及股骨的接触面就必须非常平滑,以减少与胫骨平台植入物之间的摩擦及长期运动而造成的磨损。提升了接触面的平滑程度,大大延长了植入物的使用寿命。

光饰技术

术语“光饰技术”所描述的机械工艺指的是将待抛光的工件放入装有磨料的加工槽中。通过振动力和旋转力使工件与磨料之间不断地相互摩擦,从而对工件表面起到研磨和抛光的效果。
通常情况下,抛光过程中会不断向加工槽中注入水和化学助剂,以清洁工件和磨料,冲掉包括磨料、金属粉末和其他诸如油污等在内的污垢。
针对抛光处理,罗斯勒还有无需加水的干式抛光工艺。

设备

旋转式振动光饰机和直槽式光饰机:目前市场上常见的光饰设备有旋转式振动光饰机和直槽式光饰机,这两款被称作振动光饰机中的“主力”。这类设备常用来做整体去毛刺、倒圆倒角以及轻度表面抛光处理。设备的选型取决于工件的尺寸和重量。旋转式振动光饰机用以处理小型和中型工件。而在处理大型、重型或者很长的工件,特别是无法放入旋转式振动光饰机加工时,那么直槽式光饰机就是更为理想的选择。

离心盘式光饰系统:与振动光饰机相比,离心盘式系统的处理强度更大,它拥有高达10倍的金属切磨削率。该系统主要应用于处理材质比较硬且相对较小、不易破碎的工件,对其进行深度去毛刺、倒圆倒角处理。

拖曳式光饰机:拖曳式光饰机配有旋转式的圆盘,或称转盘,该转盘可装配4-6个旋转工作位/工件轴。使用客户自行定制设计的工装夹具将工件装夹后连接到工件轴,嵌入装有研磨或抛光磨料的工艺槽中,然后在磨料中打圈旋转拖拽工件。全面覆盖在研磨、抛光磨料下的工件整体表面都会因此得到高效的光饰处理。根据客户的工装夹具不同,可一次性加工36或48件工件。最重要的一个因素是,这种设备的金属磨削率与振动光饰机相比,提升了高达50倍。
由于在拖曳式光饰机中,工件是由特殊工装夹具固定的,因此不存在振动式或离心盘式光饰系统中的件对件直接接触问题。出于这个缘故,针对有高精度抛光和极其表面平滑平整要求的易碎型、高价值工件,拖曳式光饰机是一种最佳的抛光选择。
废水处理:含有金属与磨料粉末以及其它污染物的污水将经过离心过滤器等特殊污水处理系统进行处理净化后循环使用。处理净化后的废水可以再次用于振动光饰处理,节水率高达95%以上。

磨料与化学助剂

近年来,磨料与化学助剂的性能特征大幅改善,特别是在高精度预抛光处理领域中,情况更是如此。最新定制的研磨磨料能带来以往不敢设想的表面抛光效果。为高质量要求的骨科植入物领域的光饰处理打开了全新的、宽广的应用之门。

骨科植入物的光饰技术

目前,并没有哪个单一的光饰工艺能够满足全系列骨科植入的需求。抛光目标、产能产量、成本考量,以及最重要的整体光饰要求,都决定了抛光工艺、设备类型和磨料与化学助剂的选择。
通常情况下,抛光工艺包含了多个步骤,比如粗磨、精磨与抛光。

以下是罗斯勒在不同光饰机处理植入物中的实际案例分享:

旋转式振动光饰机
用以处理相对较小、且不能在加工过程中受接触损伤的工件。客户工件:钛合金骨盆植入物。抛光目标:精磨,一步处理。最终方案处理时间:约几十分钟。

高能离心盘式光饰机
鉴于这款设备有很强金属磨削能力,是用以处理产量大且质量轻巧的工件的去毛刺、倒圆倒角处理的理想选择。
钛、钴、铬合金制成的骨钉和骨板。客户抛光目标:去毛刺、倒圆倒角与表面抛光,一步处理。最终方案处理时间:60-90分钟。
不锈钢及钛合金骨钉。客户抛光目标:去毛刺、轻度倒圆倒角,抛光时不损伤螺纹的完整性。最终方案处理时间:约30分钟。
一般情况下,骨钉也可使用振动光饰机处理。

拖曳式光饰机
拖曳式光饰机专门应用于处理易碰伤、高价值且不能在作业时彼此接触的工件:
不锈钢膝关节,客户抛光目标:经CBN磨削后并做研磨抛光处理,表面粗糙度从Ra=1.0µm降至Ra=0.02µm。三步处理。每批次可处理最多28个工件(4个工件轴的设备)。最终方案处理时间:约150分钟。
钴、铬、钛或钛合金制成的股骨柄、胫骨、裸关节植入物。客户抛光目标:精磨和抛光。二至三步处理。最终方案处理时间:约150分钟。
近年来,在骨科植入物领域,拖曳式光饰机取代了许多机器臂抛光系统。

如何获得最优的抛光解决方案?

光饰技术是一种实验式的技术,它需要考量很多不同的因素,例如工件的制作材料、工件几何结构、表面光饰要求、产能产量、光洁度因素和环保规定。工艺研发通常是一个极其复杂的繁琐过程。

实验测试的重要性

最适宜也最经济的表面抛光工艺都来自于一次次的实验测试。实验测试决定了设备、磨料与化学助剂以及废水处理之间的最优搭配。

植入物生产商与
设备供应商之间的紧密沟通交流

由于不同的植入物生产商都有自己的设计理念,诸如膝关节股骨等有着同样用途的工件,却有可能带有不同的几何外形。与植入物生产商和光饰设备供应商的深入交流能够确保最少的设计变动,进而在不损害工件功能的前提下,极大地提高表面抛光处理。同样,这种深入交流也适用于制造设备和光饰设备的供应商。在项目最早的阶段进行深入交流,可以为各个参与方都带来双赢局面。最终,它会改善终端产品的质量!

工件装卸与自动化

确定抛光工艺之后,植入物生产商还必须要决定怎样解决工件装卸的问题。生产商应从独立式光饰机、半自动化或全自动化系统中做出选择。

一直以来,罗斯勒都以“追寻更好”为原则,努力为客户提供最优化的表面抛光工艺解决方案。



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