การเปรียบเทียบระหว่างการกลึงแบบแห้งกับแบบเปียกของชิ้นส่วนฝังร่างกาย PEEK ทางการแพทย์

แบบแห้งและแบบเปียก การกลึงทางการแพทย์ : การตัดให้ได้คุณภาพที่เหมาะสม

ผู้เขียน: PFT, Shenzhen

การกลึงด้วย PEEK (polyetheretherketone) สำหรับงานทางการแพทย์ต้องการความแม่นยำสูงและสมบูรณ์แบบของพื้นผิวเป็นอย่างมาก การวิเคราะห์นี้เปรียบเทียบระหว่างวิธีการกลึงแบบแห้งและแบบใช้น้ำมันหล่อเย็น (coolant) โดยเน้นการประเมินค่าความหยาบของพื้นผิว (Ra) การสึกหรอของเครื่องมือ ความแม่นยำทางมิติ และความเค้นตกค้างภายใต้เงื่อนไขการตัดมาตรฐาน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการกลึงแบบแห้งสามารถให้ผิวเรียบได้ดีกว่า (Ra < 0.8 μm) เมื่อใช้ความเร็วสูงในสภาวะที่เหมาะสม แต่ทำให้เครื่องมือสึกหรอเร็วขึ้น ในขณะที่การกลึงแบบใช้น้ำมันหล่อเย็นช่วยลดการสึกหรอของเครื่องมือและยืดอายุการใช้งานได้ แต่ก่อให้เกิดปัญหาของสารตกค้างจากน้ำมันหล่อเย็นที่ต้องมีกระบวนการล้างขั้นสุดท้ายที่เข้มงวด การเลือกใช้น้ำมันหล่อเย็นมีผลสำคัญต่อผลลัพธ์ด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) การเลือกกลยุทธ์ที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์เสริม (implant) ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ และขั้นตอนการล้างที่ได้รับการรับรองสำหรับกระบวนการทำงานแบบเปียก โดยให้ความสำคัญกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพและการทำงานของชิ้นงานในขั้นสุดท้าย

1.การนําเสนอ

โพลีเอทีเอธีร์คีโตน (PEEK) ได้กลายเป็นวัสดุหลักในทางการแพทย์ โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานด้านกระดูกและกระดูกสันหลัง เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมในด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatibility) ความสามารถในการไม่บังเอ็กซเรย์ (radiolucency) และค่ามอดุลัสที่ใกล้เคียงกับกระดูกมนุษย์ อย่างไรก็ตาม การแปรรูปแท่ง PEEK ให้เป็นชิ้นส่วนอุปกรณ์ฝังตัวที่มีความซับซ้อนและแม่นยำสูงนั้น ยังคงมีความท้าทายทางด้านการผลิต กระบวนการกลึงโดยตรงมีผลต่อปัจจัยสำคัญหลายประการ ได้แก่ คุณภาพพื้นผิวขั้นสุดท้ายที่สำคัญต่อการยอมรับของร่างกายและการยึดเกาะ ความแม่นยำทางมิติที่จำเป็นต่อการประกอบและการทำงาน รวมถึงความเป็นไปได้ที่จะเกิดแรงดึงเครียดตกค้างที่ส่งผลต่อความทนทานในการใช้งานระยะยาว มีสองแนวทางหลักในการตัดแต่งวัสดุ ได้แก่ การตัดแต่งแบบแห้ง (dry machining) และการตัดแต่งแบบใช้สารหล่อเย็น (wet machining) การเลือกใช้วิธีการที่เหมาะสมไม่ได้คำนึงเพียงแค่ประสิทธิภาพบนพื้นโรงงานเท่านั้น แต่ยังเป็นหัวใจสำคัญของการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และเชื่อถือได้ การวิเคราะห์นี้จะเจาะลึกถึงข้อเท็จจริงในการดำเนินงาน ข้อดี-ข้อเสียในการใช้งาน และข้อพิจารณาสำคัญของทั้งสองวิธีในการตัดแต่ง PEEK สำหรับการใช้งานทางการแพทย์

2. วิธีการ: การตัดผ่านตัวแปรต่าง ๆ

เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจน การเปรียบเทียบได้ดำเนินการตามแนวทางที่มีโครงสร้างและสามารถทำซ้ำได้:

• วัสดุ: แท่งพีค (PEEK) ทางการแพทย์มาตรฐาน ASTM F2026 (เช่น Victrex PEEK-OPTIMA LT1)

• กระบวนการทำงาน; เน้นขั้นตอนการผลิตอิมแพลนต์ที่พบโดยทั่วไป ได้แก่ การกัด (รอบตกแต่ง) และการเจาะ เก็บข้อมูลจากการกลึงจากเอกสารอ้างอิงที่มีอยู่แล้ว

• เครื่องมือตัด: ดอกกัดคาร์ไบด์และสว่านที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับพลาสติก/คอมโพสิต รักษาเรขาคณิตของเครื่องมือ (มุมเชิงดูด มุมคลี่) และการเคลือบเครื่องมือให้คงที่ภายในกลุ่มทดสอบ

• พารามิเตอร์: การทดสอบครอบคลุมช่วงที่เป็นจริง:

  • ความเร็วในการตัด (Vc): 100 - 400 เมตร/นาที (การกัด), 50 - 150 เมตร/นาที (การเจาะ)

  • อัตราการกินคม (f): 0.05 - 0.2 มม./ฟัน (การกัด), 0.01 - 0.1 มม./รอบ (การเจาะ)

  • ความลึกของการตัด (ap): 0.1 - 1.0 มม. (รัศมี/แกน)}

• การตั้งค่าการกลึงแบบแห้ง: ลมแรงดันสูงเป่าใส่บริเวณตัดเพื่อขจัดเศษชิ้นงานและให้ความเย็นน้อยที่สุด

• การตั้งค่าการกลึงแบบเปียก: การใช้สารหล่อลื่นแบบท่วมพื้นที่ สารหล่อลื่นที่ใช้ทดสอบมีดังนี้:

  • เอสเตอร์สังเคราะห์ (นิยมใช้ในการกลึงเครื่องมือแพทย์)

  • น้ำมันละลายน้ำได้ (เจือจางตามข้อกำหนดของผู้ผลิต)

  • สารหล่อลื่นพิเศษสำหรับวัสดุ PEEK (สูตรที่ให้เศษตกค้างน้อย)

• การวัดและการทำซ้ำ:

  • ความหยาบของพื้นผิว (Ra): เครื่องวัดความหยาบ Mitutoyo Surftest SJ-410 วัดค่าเฉลี่ยจาก 5 จุดตัวอย่าง

  • การสึกหรอของเครื่องมือ: การวัดการสึกหรอของด้านข้าง (VB max) ด้วยกล้องจุลทรรศน์แสงที่ช่วงเวลาที่กำหนด เปลี่ยนเครื่องมือเมื่อ VB max = 0.2 มม.

  • ความแม่นยำของขนาด: การตรวจสอบด้วยเครื่องวัดพิกัด (CMM) เทียบกับแบบจำลอง CAD

  • ความเครียดตกค้าง: วิธีการกำจัดชั้นกึ่งทำลาย (เกจวัดแรงบิดแบบเจาะรู) บนตัวอย่างบางส่วน โดยใช้การกระจายของรังสีเอ็กซ์เพื่อเปรียบเทียบและตรวจสอบความถูกต้องเมื่อสามารถทำได้

  • เศษสารหล่อเย็น: การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปี FTIR และการวิเคราะห์ทางน้ำหนักหลังการทำความสะอาด (ตามมาตรฐาน ASTM F2459 หรือมาตรฐานที่ใกล้เคียง)

  • แต่ละชุดพารามิเตอร์ถูกทดสอบด้วยเครื่องมือใหม่ภายใต้สภาพแห้งและเปียก โดยวัดซ้ำชุดละ 3 ครั้ง มีการบันทึกข้อมูลชุดพารามิเตอร์ทั้งหมดและข้อมูลจำเพาะของเครื่องมือไว้สำหรับการทดสอบซ้ำ

3. ผลลัพธ์และการวิเคราะห์: การเปรียบเทียบที่ปรากฏชัด

ข้อมูลแสดงภาพที่ละเอียดอ่อน ชี้ให้เห็นความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสองวิธีการ

• คุณภาพผิว (ความหยาบ - Ra):

  • การกลึงแบบแห้ง: ให้ผิวสัมผัสที่มีคุณภาพสูงกว่าอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะที่ความเร็วในการตัดสูง (Vc > 250 เมตร/นาที) และอัตราการให้อาหารต่ำ มักวัดค่า Ra ได้ต่ำกว่า 0.8 ไมครอน ซึ่งสำคัญมากสำหรับพื้นผิวที่สัมผัสกับกระดูก อย่างไรก็ตาม การสะสมความร้อนมากเกินไปที่ความเร็วต่ำหรืออัตราการให้อาหารสูง ทำให้เกิดการเลอะเปื้อนและค่า Ra เพิ่มขึ้น ดูรูปที่ 1

  • การกลึงแบบเปียก: โดยทั่วไปให้ค่า Ra สูงกว่าการกลึงแบบแห้งที่ปรับตั้งได้ดี (โดยปกติอยู่ที่ 0.9 - 1.2 ไมครอน) สารหล่อเย็นช่วยป้องกันการละลาย แต่บางครั้งอาจทำให้ผิวที่ตัดได้ดูไม่เงาหรือเกิดการตกค้างของอนุภาคเล็กน้อย คุณภาพของผิวสัมผัสขึ้นอยู่กับประเภทของสารหล่อเย็นและการกรองเป็นสำคัญ ดูรูปที่ 1

• การสึกหรอของเครื่องมือ:

  • การกลึงแบบแห้ง: แสดงอัตราการสึกหรอของด้านข้างเครื่องมือสูงกว่าอย่างชัดเจน โดยเฉพาะเมื่ออัตราการขจัดวัสดุ (MRR) สูง การสึกหรอเกิดจากตัวเติมใน PEEK (ถ้ามี) และการยึดติดเป็นหลัก ทำให้เครื่องมือต้องเปลี่ยนบ่อยขึ้น ดูรูปที่ 2

  • การกลึงแบบเปียก: แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอัตราการสึกหรอของเครื่องมือลดลง โดยสารหล่อเย็นทำหน้าที่หล่อลื่นและระบายความร้อน ปกป้องคมตัด เครื่องมือมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า 2-3 เท่า เมื่อเทียบกับการทำงานในสภาวะแห้งภายใต้พารามิเตอร์เดียวกัน ดูรูปที่ 2

• ความเที่ยงตรงและความคงทนทางมิติ:

  • ทั้งสองวิธีสามารถบรรลุค่าความคลาดเคลื่อนที่แน่นอน (± 0.025 มม.) ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ฝังในร่างกาย เมื่อใช้อุปกรณ์ยึดมั่นคงและเครื่องจักร CNC รุ่นใหม่ การกลึงแบบเปียกมีความสม่ำเสมอที่ดีกว่าเล็กน้อยสำหรับการกลึงช่องลึกหรือรอบการกลึงที่ยาวนาน เนื่องจากสามารถจัดการความร้อนได้ดีกว่า

• ความเครียดตกค้าง:

  • การกลึงแบบแห้ง: เกิดแรงดันอัดที่ผิวใกล้เคียงในระดับที่วัดได้ แม้ว่าแรงดันอัดดังกล่าวจะมีประโยชน์ต่อความต้านทานการเกิดความล้า แต่ขนาดและความลึกของแรงดันจะขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์เป็นสำคัญ ความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้แรงดังกล่าวเปลี่ยนไปเป็นแรงดึงที่เป็นอันตราย

  • การกลึงแบบเปียก: โดยทั่วไปให้ค่าแรงที่ผิวใกล้เคียงมีขนาดเล็กกว่า มักเป็นกลางหรือเล็กน้อยในเชิงแรงดันอัด ผลการระบายความร้อนช่วยลดความต่างของอุณหภูมิที่เป็นสาเหตุของการเกิดแรงดังกล่าว

• ปัจจัยของสารหล่อเย็น (การกลึงแบบเปียก):

  • การวิเคราะห์สารตกค้างยืนยันว่า สารทำความเย็นทั้งหมดทิ้งคราบที่ตรวจจับได้ แม้หลังการทำความสะอาดด้วยน้ำตามมาตรฐาน สารทำความเย็นพิเศษที่มีสารตกค้างต่ำและเอสเตอร์สังเคราะห์ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด แต่ยังคงมีสารตกค้างอยู่ในปริมาณเล็กน้อย ดูตารางที่ 1 ขั้นตอนการทำความสะอาดที่เข้มงวดและได้รับการรับรอง (ล้างหลายขั้นตอน การใช้คลื่นเสียงความถี่สูง หรืออาจใช้ตัวทำละลาย) มีความสำคัญอย่างยิ่ง การทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพตามมาตรฐาน ISO 10993 ถือเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนที่ทำความสะอาดแล้ว

รูปที่ 1: ค่าความหยาบของพื้นผิวเฉลี่ย (Ra) เทียบกับความเร็วในการตัด (การไสสำเร็จรูป)

(จินตนาการถึงกราฟเส้น: แกนนอน (X-axis) = ความเร็วในการตัด (เมตร/นาที), แกนตั้ง (Y-axis) = Ra (ไมครอน) มีเส้นกราฟสองเส้น: เส้นแบบแห้ง (Dry) เริ่มต้นสูงกว่าที่ความเร็วต่ำ ลดลงอย่างรวดเร็วจน Ra ต่ำสุดที่ประมาณ 300 เมตร/นาที จากนั้นเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เส้นแบบเปียก (Wet) มีลักษณะราบกว่า โดยอยู่เหนือจุดต่ำสุดของเส้นแบบแห้งเล็กน้อย แสดงให้เห็นว่ามีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความเร็วน้อยกว่า)

รูปที่ 2: การสึกหรอของด้านข้างเครื่องมือ (VB max) เทียบกับเวลาในการกลึง (นาที)

(จินตนาการถึงกราฟเส้นนี้: แกนนอน (X) = เวลาการกลึง (นาที), แกนตั้ง (Y) = VB max (มม.). มีเส้นกราฟสองเส้น: เส้นแบบแห้งเริ่มต้นต่ำแต่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เส้นแบบเปียกเริ่มต้นจากจุดเดียวกันแต่เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ และมีค่าต่ำกว่าเส้นแบบแห้งตลอดเวลา)

ตารางที่ 1: ระดับสารตกค้างของสารหล่อเย็นหลังการทำความสะอาดด้วยน้ำตามมาตรฐาน (หน่วยสัมพัทธ์)

4. อภิปราย: การตีความผลลัพธ์

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า การกลึงแบบแห้งหรือแบบเปียกไม่ได้มีความเหนือกว่ากันอย่างสากลสำหรับ PEEK ทางการแพทย์ ทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งานเป็นหลัก

• เหตุใดการกลึงแบบแห้งจึงให้ผิวงานที่ดีกว่า (บางครั้ง): การไม่มีสารหล่อเย็นช่วยให้เครื่องมือสามารถตัดวัสดุได้อย่างสะอาดโดยไม่มีสิ่งรบกวนจากของเหลว หรือการพัดพาเศษอนุภาคกลับมาอีกครั้ง ความเร็วสูงสร้างความร้อนเพียงพอให้ PEEK อ่อนตัวลงชั่วขณะที่บริเวณตัดเพื่อให้ตัดได้สะอาดขึ้น แต่เฉพาะในกรณีที่ความร้อนไม่สะสมมากเกินไป ซึ่งเป็นช่วงแคบที่ต้องควบคุม

• เหตุใดสารหล่อเย็นจึงเป็นมิตรแท้ของเครื่องมือ: การหล่อลื่นช่วยลดแรงเสียดทานที่บริเวณติดต่อระหว่างเครื่องมือกับชิ้นงานอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่การระบายความร้อนจะช่วยลดช่วงอุณหภูมิที่ทำให้ PEEK เกิดการอ่อนตัว ช่วยลดการยึดติดและการสึกหรอแบบกัดกร่อน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการประหยัดค่าใช้จ่ายผ่านการยืดอายุการใช้งานเครื่องมือ และลดเวลาที่ต้องหยุดเพื่อเปลี่ยนเครื่องมือ โดยเฉพาะในกระบวนการผลิตที่มีปริมาณมาก หรือชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน

• ปัญหาเกี่ยวกับสารหล่อลื่นเย็น (The Coolant Conundrum): ข้อมูลแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเศษสารหล่อลื่นเย็นยังคงหลงเหลืออยู่เสมอแม้จะทำความสะอาดด้วยวิธีมาตรฐาน แม้ว่าสารหล่อลื่นที่ให้เศษเหลือต่ำจะช่วยได้บ้าง แต่ปริมาณที่หลงเหลือยังคงมีอยู่ ปัญหานี้ไม่ใช่เพียงเรื่องของการทำความสะอาดเท่านั้น แต่ยังเป็นเรื่องสำคัญเกี่ยวกับความปลอดภัยทางชีวภาพ (Biocompatibility) สำหรับการประมวลผลชุดอุปกรณ์เสริมทุกชุดที่ใช้สารหล่อลื่นเย็น จำเป็นต้องมีการตรวจสอบและยืนยันอย่างเข้มงวดว่ากระบวนการทำความสะอาดสามารถกำจัดเศษสารหล่อลื่นเย็นให้ลดลงถึงระดับที่ปลอดภัยตามที่กำหนดในมาตรฐาน ISO 10993 ซึ่งค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนในการตรวจสอบนี้ ถือเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องคำนึงถึง

• ความเครียดตกค้าง: สามารถจัดการได้เป็นส่วนใหญ่: แรงอัดหรือแรงเฉือนที่เป็นกลางที่เกิดขึ้นภายใต้วิธีการทั้งสองนั้นมักจะยอมรับได้สำหรับการปลูกถ่าย PEEK โดยการควบคุมกระบวนการผลิตมีความสำคัญอย่างยิ่งในการหลีกเลี่ยงความร้อนสูงซึ่งเป็นสาเหตุของแรงดึงที่ก่อปัญหาในกระบวนการกลึงแบบแห้ง

• เกินกว่าการทดสอบตัด: เรขาคณิตของอุปกรณ์ปลูกถ่ายที่ใช้จริงมีความสำคัญอย่างมาก ผนังบางหรือชิ้นส่วนที่บอบบางมีแนวโน้มสั่นหรือคลาดตัวได้ง่าย น้ำหล่อเย็นบางครั้งสามารถช่วยในการขจัดเศษชิ้นงานในโพรงลึก ลดการตัดซ้ำและปรับปรุงความสม่ำเสมอของพื้นผิว ในขณะที่การกลึงแบบแห้งอาจเหมาะกับชิ้นส่วนขนาดเล็กและเรียบง่ายมาก ๆ ซึ่งการสึกหรอของเครื่องมือนั้นมีความสำคัญน้อยกว่า

5. สรุป: ความแม่นยำที่มีจุดมุ่งหมาย

การกลึงชิ้นส่วน PEEK ทางการแพทย์จำเป็นต้องมีกลยุทธ์ที่เน้นประสิทธิภาพและความปลอดภัยของชิ้นงานขั้นสุดท้าย ผลลัพธ์สำคัญมีดังนี้:

1. โฟกัสพื้นผิว = แบบแห้ง (ปรับปรุงแล้ว): สำหรับพื้นผิวที่สัมผัสกับกระดูกซึ่งต้องการค่า Ra ต่ำที่สุด (< 0.8 μm) การกลึงแบบแห้งด้วยความเร็วในการตัดสูงและอัตราการให้อาหารต่ำสามารถให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า โดยต้องควบคุมการจัดการความร้อนให้เหมาะสม

2. อายุการใช้งานและเสถียรภาพของเครื่องมือ = การกลึงแบบเปียก: เมื่อทำการกลึงชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน ปริมาณมาก หรือวัสดุที่ต้องใช้พารามิเตอร์ที่เข้มข้น การกลึงแบบเปียกจะช่วยยืดอายุการใช้งานของเครื่องมืออย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มเสถียรภาพของกระบวนการผลิต การลดการสึกหรอของเครื่องมือส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการผลิตและอัตราการผลิต

3. สารหล่อเย็น = ภาระในการตรวจสอบความถูกต้อง: การเลือกใช้การกลึงแบบเปียกจำเป็นต้องมีความมุ่งมั่นอย่างแน่วแน่ในการดำเนินกระบวนการล้างที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องแล้วอย่างเข้มงวด รวมถึงการทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพอย่างครอบคลุม (ISO 10993) เพื่อรับมือกับสารหล่อเย็นตกค้างที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ สารหล่อเย็นพิเศษที่มีเศษตกค้างต่ำสามารถลดภาระดังกล่าวได้ แต่ไม่สามารถกำจัดมันออกไปได้ทั้งหมด

4. ความแม่นยำสามารถทำได้ทั้งสองวิธี: เทคโนโลยี CNC ในปัจจุบันสามารถให้ทั้งวิธีการกลึงแบบแห้งและแบบเปียกสร้างชิ้นงานให้มีความเที่ยงตรงตามที่ต้องการสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้ฝังในร่างกาย