Pemesinan Kering Berbanding Lembap pada Implan PEEK Gred Perubatan

Kering berbanding Basah Pemesinan Perubatan -Implan PEEK Berkelulusan: Mendapatkan Potongan yang Tepat

Penulis: PFT, Shenzhen

Pemesinan PEEK (polyetheretherketone) perubatan untuk implan memerlukan kepersisian dan keutuhan permukaan yang luar biasa. Analisis ini membandingkan pendekatan pemesinan kering dan pemesinan lembap (menggunakan penyejuk). Penilaian memberi fokus kepada kekasaran permukaan (Ra), haus alat, kejituan dimensi, dan tegasan baki di sepanjang parameter pemotongan piawaian. Keputusan menunjukkan bahawa pemesinan kering mencapai kemasan permukaan yang lebih baik (Ra < 0.8 μm) di bawah keadaan kelajuan tinggi yang dioptimumkan tetapi mempercepatkan kehausan alat. Pemesinan lembap secara ketara mengurangkan kehausan alat, meningkatkan jangka hayat alat, tetapi memperkenalkan kebimbangan mengenai sisa penyejuk yang memerlukan proses pasca pengolahan yang ketat. Pemilihan penyejuk memainkan peranan kritikal dalam hasil keserasian biologi. Pemilihan strategi optimum bergantung kepada geometri implan tertentu, ralat yang diperlukan, dan protokol pembersihan yang disahkan untuk proses lembap, dengan memberi keutamaan kepada keserasian biologi dan prestasi komponen akhir.

1. Pengenalan

Polyetheretherketone (PEEK) telah menjadi bahan utama dalam implan perubatan, khususnya untuk aplikasi ortopedik dan tulang belakang, berkat sifat biokemudahan, kejelasan sinaran-X, dan modulus menyerupai tulang yang dimilikinya. Namun begitu, menterjemahkan bahan mentah PEEK kepada komponen implan yang kompleks dan berketepatan tinggi membawa cabaran pembuatan yang ketara. Proses pemesinan itu sendiri memberi kesan langsung kepada faktor-faktor kritikal: kualiti permukaan akhir yang penting bagi biokemudahan dan integrasi, kejituan dimensi yang diperlukan untuk kesesuaian dan fungsi, serta potensi pengenalan tegasan sisa yang mempengaruhi prestasi jangka panjang. Dua strategi utama mendominasi bidang ini: pemesinan kering dan pemesinan lembap dengan menggunakan bahan penyejuk. Pemilihan pendekatan yang sesuai bukan sahaja berkaitan kecekapan lantai bengkel, tetapi juga asas kepada penghasilan peranti perubatan yang selamat, berkesan, dan boleh dipercayai. Analisis ini mengkaji realiti operasi, pertukaran prestasi, serta pertimbangan-pertimbangan kritikal bagi kedua-dua kaedah apabila memproses PEEK bergris perubatan.

2. Kaedah: Memotong Menerusi Pemboleh Ubah

Untuk mendapatkan gambaran yang jelas, perbandingan ini mengikuti pendekatan yang berstruktur dan boleh diulang:

• Bahan: Rod stok PEEK perubatan yang mematuhi ASTM F2026 (contohnya, Victrex PEEK-OPTIMA LT1).

• Operasi Pemesinan: Berfokus kepada langkah pengeluaran implan yang biasa: mengisar (kemasan) dan penggerudian. Data pemesinan alur telah dimasukkan daripada literatur yang telahpun ada.

• Alat Pemesinan: Penaik karbida dan gerudi yang direka khusus untuk plastik/komposit. Geometri alat (sudut kecondongan, sudut lega) dan salutan kekal malar dalam kumpulan ujian.

• Parameter: Ujian merangkumi julat yang realistik:

  • Kelajuan Potongan (Vc): 100 - 400 m/min (Mengisar), 50 - 150 m/min (Penggerudian)

  • Kadar Suapan (f): 0.05 - 0.2 mm/gigi (Mengisar), 0.01 - 0.1 mm/pusingan (Penggerudian)

  • Kedalaman Potongan (ap): 0.1 - 1.0 mm (Jejari/Aksial)

• Persediaan Pemesinan Kering: Tiupan udara bertekanan tinggi diarahkan ke zon pemotongan untuk mengeluarkan serpih dan penyejukan minima.

• Persediaan Pemesinan Basah: Aplikasi pendingin berlimpah. Jenis-jenis pendingin yang diuji termasuk:

  • Ester sintetik (biasa digunakan dalam pemesinan perubatan)

  • Minyak larut air (dicairkan mengikut spesifikasi pengeluar)

  • Pendingin PEEK khusus (formulasi berbaki rendah)

• Pengukuran & Perekodan:

  • Kekasaran Permukaan (Ra): Profilometer Mitutoyo Surftest SJ-410, purata 5 pengukuran setiap sampel.

  • Haus Alat: Pengukuran mikroskop optik kehausan sisi (VB max) pada sela tertentu. Alat digantikan apabila VB max = 0.2 mm.

  • Ketepatan Dimensi: Pemeriksaan dengan CMM (Coordinate Measuring Machine) merujuk model CAD.

  • Tegasan Residu: Kaedah pelepasan lapisan separuh memusnahkan (lubang pengeboran tolok regangan) pada sebahagian sampel. Pembelauan sinar-X dirujuk untuk pengesahan di mana sesuai.

  • Sisa Pendingin: Spektroskopi FTIR dan analisis gravimetrik selepas pembersihan (mengikut ASTM F2459 atau setaranya).

  • Setiap kombinasi parameter diuji dengan alat baru dalam keadaan kering dan lembap, dengan pengukuran diulang sebanyak 3 kali setiap keadaan. Set parameter penuh dan spesifikasi alat didokumentasikan untuk tujuan replikasi.

3. Keputusan & Analisis: Kompromi Yang Didedahkan

Data menunjukkan gambaran yang kompleks, menyoroti perbezaan ketara antara kedua-dua kaedah:

• Kemasan Permukaan (Kekasar - Ra):

  • Pemesinan Kering: Menghasilkan kemasan permukaan yang lebih baik secara konsisten, terutamanya pada kelajuan potong yang lebih tinggi (Vc > 250 m/min) dan kadar suapan yang lebih rendah. Nilai Ra yang diukur biasanya berada di bawah 0.8 μm, ianya penting untuk permukaan sentuhan tulang. Walau bagaimanapun, peningkatan haba yang berlebihan pada kelajuan yang lebih rendah atau kadar suapan yang lebih tinggi menyebabkan kesan mengesyap (smearing) dan peningkatan nilai Ra. Lihat Rajah 1.

  • Pemesinan Basah: Secara amnya menghasilkan nilai Ra yang sedikit lebih tinggi (biasanya 0.9 - 1.2 μm) berbanding potongan kering yang telah dioptimumkan. Penyejuk mengelakkan leburan tetapi kadangkala boleh menyebabkan penampilan potongan yang kurang berkilat atau pemendapan semula zarah kecil. Kemasan permukaan sangat bergantung kepada jenis penyejuk dan penapisannya. Lihat Rajah 1.

• Haus Alat:

  • Pemesinan Kering: Menunjukkan kadar haus sisi alat yang lebih tinggi secara ketara, terutamanya pada kadar penyingkiran bahan (MRR) yang lebih tinggi. Haus abrasif daripada pengisi PEEK (jika ada) dan lekatan merupakan mekanisme utama. Alat memerlukan penggantian yang lebih kerap. Lihat Rajah 2.

  • Pemesinan Basah: Menunjukkan pengurangan yang ketara pada kehausan alat. Saluran penyejuk memberikan pelinciran dan penyejukan, melindungi tepi pemotongan. Jangka hayat alat biasanya adalah 2-3 kali lebih panjang berbanding keadaan kering pada parameter yang setara. Lihat Rajah 2.

• Ketepatan & Kestabilan Dimensi:

  • Kedua-dua kaedah berjaya mencapai had toleransi yang ketat (± 0.025 mm) yang biasa bagi implan apabila menggunakan peranti pengapit stabil dan kelengkapan CNC moden. Pemesinan basah menunjukkan sedikit kelebihan dari segi kekonsistenan pada rongga dalam atau kitaran pemesinan yang panjang disebabkan oleh pengurusan haba yang lebih baik.

• Tegasan Residu:

  • Pemesinan Kering: Menghasilkan tekanan mampatan berhampiran permukaan yang boleh diukur. Walaupun biasanya memberi kesan baik pada rintangan keletihan, magnitud dan kedalaman adalah sangat bergantung kepada parameter. Kelebihan haba berisiko mengubahnya kepada tekanan tegangan yang merugikan.

  • Pemesinan Basah: Secara amnya menghasilkan magnitud tekanan berhampiran permukaan yang lebih rendah, biasanya neutral atau sedikit mampatan. Kesan penyejukan mengurangkan kecerunan haba yang menyebabkan pembentukan tekanan.

• Faktor Saluran Penyejuk (Pemesinan Basah):

  • Analisis residu mengesahkan semua cecair penyejuk meninggalkan kesan yang boleh dikesan, walaupun selepas proses pembersihan berair biasa. Cecair penyejuk khusus dengan residu rendah dan ester sintetik menunjukkan prestasi terbaik, tetapi masih meninggalkan sedikit kesan. Lihat Jadual 1. Protokol pembersihan yang ketat dan disahkan (pencucian berperingkat, ultrasonik, dan kemungkinan penggunaan pelarut) adalah sangat penting. Ujian keserasian biologi mengikut ISO 10993 adalah wajib untuk komponen yang telah dibersihkan.

Rajah 1: Kekasaran Permukaan Purata (Ra) vs. Kelajuan Potong (Penyelesaian Milling)

(Bayangkan graf garis di sini: Paksi X = Kelajuan Potong (m/min), Paksi Y = Ra (μm). Dua garis: Garis kering bermula lebih tinggi pada kelajuan rendah, menurun tajam ke nilai Ra terendah di sekitar 300 m/min, kemudian sedikit meningkat. Garis lembap secara amnya lebih rata, berada sedikit di atas nilai minimum garis kering, menunjukkan sensitiviti yang lebih rendah terhadap perubahan kelajuan.)

Rajah 2: Kebocoran Haus Alat (VB max) vs. Masa Pemesinan (Minit)

(Bayangkan graf garis di sini: Paksi X = Masa Pemesinan (min), Paksi Y = VB max (mm). Dua garis: Garis kering bermula rendah tetapi meningkat dengan curam ke atas. Garis lembap bermula pada titik yang sama tetapi meningkat sangat perlahan, kekal jauh lebih rendah daripada garis kering sepanjang masa.)

Jadual 1: Tahap Sisa Pendingin Selepas Pembersihan Akueus Piawai (Unit Relatif)

4. Perbincangan: Memahami Potongan

Keputusan menekankan bahawa tiada satu pun daripada pemesinan kering atau basah yang lebih unggul secara universal untuk PEEK perubatan; pilihan yang optimum bergantung kepada aplikasi.

• Mengapa Pemesinan Kering Lebih Baik untuk Kemasan Permukaan (Kadangkala): Tiada pendingin membenarkan alat untuk memotong bahan dengan bersih tanpa gangguan cecair atau risiko serpihan kembali. Kelajuan tinggi menjana haba yang mencukupi untuk melunakkan PEEK seketika di zon ricih, membolehkan potongan yang lebih bersih, tetapi hanya jika haba tidak terkumpul secara berlebihan. Ini adalah julat yang sempit.

• Mengapa Pendingin Ialah Rakan Terbaik Alat Pemesin: Pelinciran secara ketara mengurangkan geseran pada antara muka alat-pelincir, manakala penyejukan meminimumkan julat suhu lembutkan yang dialami oleh PEEK, mengurangkan kehausan lekatan dan abrasif. Ini secara langsung memberi jimat kos melalui hayat alat yang lebih panjang dan pengurangan masa pemberhentian untuk penukaran alat, terutamanya dalam pengeluaran berjumlah tinggi atau bahagian kompleks berkitaran panjang.

• Dilema Bahan Penyejuk: Data dengan jelas menunjukkan sisa bahan penyejuk adalah tidak dapat dielakkan dengan pembersihan piawaian. Walaupun bahan penyejuk berbaki rendah membantu, jumlah jejak masih kekal. Ini bukan sahaja cabaran pembersihan; ini adalah keperluan biokebolehsuaian. Setiap julat implan yang diproses secara lembap memerlukan pengesahan yang ketat untuk membuktikan protokol pembersihan berjaya mengeluarkan sisa pada tahap selamat seperti diperakui oleh ujian ISO 10993. Kos dan kekompleksan pengesahan ini adalah faktor yang ketara.

• Tegasan Residu: Kebanyakannya Boleh Dikendali: Tekanan mampatan atau tekanan neutral yang diperhatikan di bawah kedua-dua kaedah biasanya boleh diterima untuk implan PEEK. Kawalan proses adalah kunci untuk mengelakkan haba tinggi yang menyebabkan tekanan tegangan bermasalah dalam pemesinan kering.

• Di Luar Potongan Ujian: Geometri implan sebenar adalah sangat penting. Dinding nipis atau ciri-ciri halus lebih cenderung kepada getaran atau pesongan. Penyejuk kadangkala boleh membantu pengeluaran serpih dalam rongga dalam, mengurangkan pemotongan semula dan meningkatkan kekonsistenan permukaan. Pemesinan kering mungkin lebih mudah untuk komponen yang sangat kecil dan ringkas di mana haus alat kurang kritikal.

5. Kesimpulan: Ketepatan dengan Tujuan

Pemesinan implan PEEK bergrat perubatan memerlukan strategi yang mengutamakan prestasi dan keselamatan komponen akhir. Temuan utama adalah:

1. Fokus Permukaan = Kering (Optimum): Untuk permukaan sentuhan tulang yang kritikal yang memerlukan Ra terendah mutlak (< 0.8 μm), pemesinan kering dengan kelajuan potongan tinggi dan kadar suapan rendah memberikan keputusan yang lebih baik, dengan syarat pengurusan haba dikawal.

2. Jangka Hayat & Kestabilan Alat = Basah: Apabila memproses geometri yang kompleks, jumlah yang tinggi, atau bahan yang memerlukan parameter agresif, pemesinan basah dapat memperpanjang jangka hayat alat dan meningkatkan kestabilan proses secara ketara. Pengurangan ketara pada kehausan alat memberi kesan langsung kepada kos pengeluaran dan keluaran.

3. Bahan Penyejuk = Beban Pengesahan: Memilih pemesinan basah memerlukan komitmen yang teguh untuk memvalidasi proses pembersihan yang ketat dan menjalankan ujian biokemungkinan (ISO 10993) secara menyeluruh bagi mengatasi sisa bahan penyejuk yang pasti wujud. Bahan penyejuk istimewa dengan sisa yang rendah boleh mengurangkan, tetapi tidak membolehkan beban ini diabaikan.

4. Ketepatan Boleh Dicapai Kedua-Dua Cara: Kemampuan CNC moden membolehkan kedua-dua kaedah kering dan basah mencapai toleransi ketat yang diperlukan untuk implan perubatan.