医疗组装：医疗器械组件的成型

塑料注塑成型提供众多的优缺点。

许多人在访问医生办公室或医院时欣赏枪击或注射。具有讽刺意味的是，一种较小的痛苦的注射类型正在给予医疗设备工程师呼喊。

制造商一直在采用新的塑料注射成型技术，以提高产量，提高质量，降低生产成本。它对套管、导管、连接器、过滤器、吸入器、整形外科设备、泵、注射器、管道、阀门和其他医疗产品的组装方式产生了巨大的影响。

当然，注射成型并不新鲜。这是一项经过验证的技术，已经被成功地用于制造从汽车尾灯到动物园垃圾桶的一切东西。然而，由于各种复杂的几何形状和复杂的设计都可以很容易地成型，因此对于生产大批量、一次性使用的医疗设备来说，这也是一个极具吸引力的过程。

塑料注射成型有许多优点，如:

相对于其他材料，塑料树脂的成本较低。
通过使用多腔模具，零件的单位成本可以非常低。
注射成型是一个非常可重复的过程，借以自身紧公差规格。
塑料树脂具有许多不同的性能，涵盖了医疗保健行业中几乎所有的应用。
注塑方法产生相对于其他过程非常干净的部件;通常，不需要清洁后。

“由于其成本效益，注射成型技术在医疗设备中越来越受欢迎，”Accellent公司(科利奇维尔，宾夕法尼亚州)在加州阿普兰德的装配厂运营总监Rocky Morrison说，该公司是一家领先的医疗设备合同制造商。“在一次性一次性设备中，注塑成型技术更胜一筹。这有助于保持比可重复使用设备更低的患者交叉污染。”

ATS自动化工具系统公司(Cambridge, ON)医疗产品销售经理Mark White补充说:“在足够大的容量下，成型是唯一的选择。“注射成型为表面光洁度、颜色和轮廓提供了更多选择，从而使医疗设备制造商更好地差异化。”

成型通常是一种比其他替代品更具成本效益的制造过程，但这取决于具体应用。“在模具成本方面，”Where“中没有一种简单的方法可以在10个单词中以10字或更少的方式给出16个字。”“最好是单独服用每个组件，以确定使用注塑与其他更昂贵的过程是否具有成本效益。”

这个怎么运作

注射成型是一种将聚合物加热到高度塑性状态，并在高压下迫使其流入模具腔内凝固的过程。高压用于获得快速的充型速度和防止模具过度充型。通常，注射成型用于形成热塑性塑料。但是，一些弹性体和热固性材料也可以模塑。

Rotheiser设计公司(伊利诺伊州高地公园)总裁Jordan Rothheiser说:“模具的能力、材料的广泛可用性和极大的可控性是这个过程成功的关键。”“模具制造商已经成功地构建了难以置信的复杂模具，侧芯几乎可以从任何可以想象的角度进入。

“倒塌的核心不再是稀有性，并且具有特殊的设备，甚至热固性件可以注塑成型，”加入塑料加入的作者（汉莱德加德纳出版物，辛辛那提）。“注塑成型能够底切，侧芯，控制的壁厚，非凡的细节和最紧固的塑造公差。因此，按压拟合和快速拟合。”

然而，自攻螺钉和螺纹成型螺钉也可用于模压部件。阳螺纹和阴螺纹都可以模制进去。此外，胶粘剂和塑料焊接工艺，如超声波，可以用于连接注塑零件。

注塑机由两个基本部件组成：塑料注入单元和模具夹紧单元。注射单元像挤出机一样用。它由桶组成，该桶由包含塑料粒料供应的料斗从一端喂食。

夹紧单元以正确的对准保持模具的两半，并通过施加足以抵抗喷射力的夹紧力来保持模具在注射期间闭合。它通常由固定压板和可移动压板组成，该压板附接到系杆。

当树脂通过料斗进入加热室时，注射成型工艺开始。旋转螺杆将树脂朝向喷嘴移动。整个螺杆向前移动，将塑料的镜头推入压力下压力。当螺钉缩回时，回流止回阀防止材料拉回腔室。

摩根工业公司(Long Beach, CA)总裁查尔斯·兰德(Charles Land)说，注塑可以简化为四个简单的独立步骤:

塑化-聚合物材料从常温下正常的坚硬颗粒状形态转变为在正确的熔体温度下注入所需的液体浓度。
注入-熔体被注入模具以完全填满一个或多个空腔的阶段。
冷却——将熔化物的热量从液态转变回原来的刚性状态的过程。当材料冷却时，它也会收缩。这个阶段可以消耗70%到80%的总周期时间;这在很大程度上取决于零件的壁厚。
从模腔和任何芯或镶件中取出冷却的模制零件。当模具打开时，顶杆与顶出机构接触，将零件推出模具。

“这些步骤中的每一个都是不同的形式，”土地说。“对每个过程的正确控制对于总过程的成功至关重要。”

传统上，注塑机使用液压活塞。但是，这种情况正在开始改变。

Accellent公司的莫里森说:“目前的发展方向是全电动或混合动力注塑机。”“与液压机相比，全电动机器消耗的能源更少，而且通常更具可重复性。”

电动注塑设备提供了显著的成本节省。例如，它们可以减少高达50%的能源成本。减少的零件数量和模块化设计有助于节省成本。注射单元通常由一个皮带驱动器和一个通过滚珠丝杠的伺服电机驱动。这使得高射击重量一致性和精确的定位。此外，电动机器不需要油，这使得它们非常适合通常需要洁净室环境的医疗设备应用。

“全电动注塑机打开了广泛应用的大门，”Milacron公司(Batavia, OH)的市场总监Bob Strickley说。电动机器可以将生产率提高30%，并使小型部件(如医疗设备)更易成型。

Gambro Ab（斯德哥尔摩，瑞典）正在采用电气注塑设备批量生产小肾透析过滤器，射精重量为1.2克。“到目前为止，如果不是不可能的话，射击重量低于2克的活塞机低于2克，”斯特里克利指出。“螺杆所需的机械稳定性阻止了几何形状的任何降低，并且注射期间的轴向运动需要比较大的射击重量更高的精度。”

型内装配

注塑成型的最大趋势之一是一种称为“模内装配”的新工艺。该过程也被称为包覆成型，多次，多压力和双射线成型。采用模具组件，部件成型并组装在模具中。在模塑两部分后，组装完成，从而提高了可重复性。

“增值应用是在模具中完成的，”Strickley说，“而不是在零件成型和顶出之后。性感的应用有两种不同熔体差异和性能差异的材料。在这种情况下，两个部件可以相互模制，形成统一的贴合，甚至形成凹腔和轴承表面。”

对注塑成型的单个零件进行超声波焊接是一种广泛应用于生产具有功能内饰的中空零件的工艺。“然而，采用两种工艺的缺点——每一种都需要自己的监控——往往会因质量问题而加剧，尤其是在使用多腔模具时，”Strickley指出。装配元件通常来自不同的腔，可能会出现微小的形状变化，导致焊接过程中的高报废率。

用内模装配，零件和连接都在一个周期内完成。当这些部件还被压板固定时，它们就被连接在一起了。这两种传统的分离工艺的结合可以降低生产成本，同时提高质量和生产率。

产品设计公司Czuba Enterprises Inc. (Lombard, IL)的总裁Len Czuba说:“模内组装是使用注射成型技术来消除成型后组装步骤的众多过程之一。”Czuba是一家专门从事塑料医疗设备的产品设计公司。

例子包括:

内模贴标签。该过程广泛用于消费者和家庭护理产品中的瓶子。
两射超出模糊。该过程用于在各种产品的壳体上形成减震角和弹性体轮辋，例如医院泵，便携式计算机，遥控设备，PDA，旅行杯和笔。

“另一个内模装配示例也使用双拍成型作为其过程，”Czuba说。“这可以包括通过包覆成型或双射线成型产生可移动的一组。”该模塑过程通常用于玩具行业，以组装具有移动臂或腿的娃娃或动作图。

Czuba补充说:“使用模内组装，两针成型工艺可以制作出具有活动手臂和腿的活动人偶，但不需要单独的组装操作。”over模压部分的选择方式，以防止粘或融合的表面。这使手臂或腿可以活动。”

根据Czuba的说法，类似的双射回包覆成型技术可用于产生否则需要组装两个单独的碎片的部分。一个例子是具有柱塞尖端的注射器柱塞。“这里，模内组件可以产生更好的部分，可能具有柱塞尖端粘附到柱塞上，”克巴巴解释。“这不仅可以消除次要装配步骤，还不会产生更好的部分，其中尖端一旦包覆成型就不会移除。”

Foboha GmbH（Haslach，德国）最近推出了一种革命性的双转立方体堆叠模具系统。它具有三个“分开线”，允许单喷射机来模制两个精密零件，从两种不同的材料，标签和装配成品。当模具关闭时，在注入过程中发生组装操作，从而节省了相当大的循环时间。

一款用于一家用于无烟烟草的领先生产商的示范系统，在两块立方体的各个面上具有16个腔，在Ferromatik Milacron K-TEC 250双组分喷射机之间设置。成品部件用作烟草中内置的微小的盖子痰盂，可以盖上盖子。可以在注射机的固定端的立方体A的一面上用红色聚丙烯均聚物喷射罐盖，而在与移动压板相对的B-CUBE面上注射较小的黑色聚丙烯盖。

随着机器的每个循环的立方体索引90度，每个立方面面上的成品部分在中心分开线上在中心分开在一起，并且完成的组件通过机器人在立方体的下一个转向上被移除。演示中的循环时间约为6.5秒。

基本机器可以与多达六个不同尺寸的喷射单元相结合，用于大射击预制件，对二次颜色或材料相应较小的镜头。在第一立方体的自由站，可以通过进料机构将用于内模组件的标签或金属部件插入模具中。Foboha工程师开发的特殊驱动器和协调机制控制了两个立方体的开启和关闭。

Ferromatik Milacron美国总经理Bob Hare说:“这是一项强大的技术，可以在零件还在拉杆之间的时候为其增值。”“双翻叠系统可以消除第二注塑机;所有辅助设备;一个标签系统;一个装配机;运行所有这些的能源成本;额外的劳动;维护成本;控制和接口;在制品存货; and the inconsistency and scrap that result from secondary processes.

“每平方米产量更高;每千瓦的产量更高;每单位资本成本的产出比生产这部分的任何可比技术都要大，”Hare说。

设计的挑战

塑件成型有许多挑战。例如，制造工程师必须确保配合零件的公差叠加不会造成装配干扰。ATS精密塑料组件公司(Bowmanville, ON)的模具经理Rob Ecob说:“另一个大挑战是在整个组装过程中保持成型过程中所要求的清洁度。”

当使用塑料注射成型技术时，必须考虑许多设计问题。Ecob指出，“壁厚、吃水、通风、编织流线，以及潜在的空隙、沉降、漏气或表面缺陷，除了收缩和经纱，”都必须考虑在内。

由于其对循环时间的影响，壁厚非常重要。墙壁太厚，即使在零件的一小部分中，也可以延长冷却时间并提高成本。减少壁厚需要较低的射击重量和更短的冷却时间。

“我们看到的三个最大的设计错误缺乏均匀的墙壁厚度，对门控没有足够的考虑，并且没有足够的考虑到从模具中喷射，”注意莫里森。“有许多良好的设计指南[该工程师]可以使用。我们建议在设计过程中提前带来塑料专家。”

Morrison说，在选择用于注射成型的塑料时，了解零件的功能、操作环境、树脂性能和树脂稳定性是很重要的。他建议:“选择一个最积极、最不消极的项目。”“树脂的性能差别很大。我们经常看到在选择树脂时只考虑一种“闪亮”性能，而不考虑有时会超过这一性能的负面因素。在需求上寻求平衡，并在设计过程的早期与专家合作。”

模具设计还应考虑零件将如何装配。例如，许多注塑零件在碗式给料机中存在定向问题。“最大的挑战是弄清楚如何将模压零件送入装配线，”米克龙公司(Mikron Corp.， Rochester, NY)董事总经理尼尔斯•哈默里奇(Nils Hammerich)说。“紧握、握住和放置零件也会引起许多头痛。

哈默里奇补充说:“生产工程师必须了解模塑部件的独特能力。尺寸公差、抗拉强度和温度可能是非常复杂的。它们决定了会发生多少收缩。当然，您还必须避免过度设计。这可能会增加额外的时间和费用。”

不幸的是，许多制造工程师未能理解塑料注塑过程的流变和约束。“它们倾向于将注塑成型部件视为加工或压铸件相同，”ECOB指出。他说，重要的是考虑刚度，准确性，可重复性和操作循环的每个阶段等因素是很重要的。

通常，制造工程师对整个注塑过程以及所有设计选择之间的相互关系都没有完全的了解。莫里森说:“我们经常看到为了省钱而做出的努力被用在了错误的地方，比如模具。”“降低模具成本的尝试通常以失败告终。模具既昂贵又复杂。要想节约成本，就需要对模具设计和结构的权衡进行彻底的了解。”