個性化聚醚醚酮植入物的制造工藝研究

劉繪龍,劉亞雄,孫文森,趙廣賓

(西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710049,西安)

聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone,PEEK)具有優良的生物相容性、放射線透過性,磁共振掃描不會產生偽影,與皮質骨的彈性模量接近,不會產生安檢報警和冬涼夏暖問題等優點,多年來一直備受骨科專家和材料研究人員的青睞[1-3],多用于整形外科、顱骨修復[4]。

目前,PEEK的主要加工工藝有數控加工、增材制造和注塑3種。對于PEEK等高分子材料以及常用的金屬材料,數控加工能達到很高的加工精度。但是,數控加工材料浪費嚴重、加工成本高,尤其是加工異形薄壁零件時,制造工藝復雜、成品率較低。

增材制造(3D打印)雖然能提高材料利用率,不受零件復雜程度的限制,但國內推出的高溫3D打印機FUNMAT HT等通過增材制造(如熔融沉積、選擇性激光燒結[5-9])方式制造的PEEK零件,普遍存在材質疏松、零件分層、力學性能低的問題,機械性能難以滿足行業使用的要求[4,10-12]。

傳統注塑加工高分子材料,由于需要金屬模具,主要用于大批量生產,加工小批量及單件零件的成本高、效率低。金屬模具注塑高分子材料,由于金屬模具冷卻較快,影響了高分子材料的結晶,必須在注塑時加熱模具,注塑件取出后進行熱處理環節改善結晶情況,設備要求多,工藝復雜。因此,對于個性化PEEK假體植入物,使用金屬模具注塑,加工成本高、效率低[13]。因此,如何用較低的成本制造優異機械性能和生物相容性的個體化植入物成為一個亟待解決的問題。

增材制造技術的優點是擅長制造復雜結構和個性化結構,缺點是制件性能不足,即增材制造擅長控形,但控性能力不足。制造過程是一個不同工藝復合疊加的過程,如果片面強調增材制造獨立于其他工藝之外,單獨實現一個產品的各種性能要求,并不能真正發揮增材制造的優勢。將增材制造技術與傳統制造工藝相結合,而不是單獨使用增材制造技術,一直是重要的應用方法和應用方向。

為了克服個性化假體數控加工材料浪費嚴重、加工成本高、異形薄壁件加工困難,以及增材制造力學性能不足的問題,本文提出一種利用光固化3D打印技術制造個性化PEEK假體的耐高溫樹脂注塑模具,并進一步通過注塑工藝獲得高強度個性化假體方案。該工藝擴展了增材制造技術在醫療領域的應用,個性化PEEK假體有望應用于顱骨、下頜骨、關節、脊椎骨骼等各種復雜骨科場合。

1 工藝設計及特點

本文采用的3D打印與注塑技術相結合的工藝方案的基本步驟是:①將病人的CT數據導入Mimics軟件,生成病人的骨骼STL模型;②通過3-matic軟件設計出個性化PEEK修復假體;③基于假體結構進行布爾運算和抽殼設計,獲得注塑模芯;④利用光固化3D打印設備制造出注塑模芯;⑤將注塑模芯安裝固定進行注塑。

該方案的主要優點有兩個:一是制造出的個體化PEEK假體具有3D打印假體的個體化結構特征;另一個是制造出的PEEK假體具備注塑工藝的良好綜合力學性能。與本課題組之前提出的個性化PEEK顱骨植入物多點柔性注塑工藝[4]相比,該方案的優勢包括:①模芯的構建過程大大簡化,節省了大量的人力物力;②注塑件精度高,不需要后續的打磨去除臺階效應;③該3D打印的注塑模芯的密封性優于其大量鋼針所構建的模具內表面空間,因此注塑件的致密性更高,強度更高;④該注塑模芯由于是高分子材料,導熱性較差、散熱慢。相比P20模具鋼的導熱系數51.5 W/(m· ℃),ABS導熱系數僅為0.18 W/(m· ℃)[14]。高分子模芯注塑PEEK材料的優點為:模芯在注塑過程中不需要模具加熱系統,較差的導熱性有利于PEEK內部晶體結構的生長、完善與平衡,使得PEEK樣件的結晶充分、凝固穩定。

2 模芯結構設計

該方案中的一個關鍵環節就是個性化PEEK假體模芯的設計,具體設計流程如圖1所示。

圖1 個性化PEEK假體模芯設計流程

模芯設計的內容具體包括:分型面選擇、合模方式、抽殼設計、進膠口位置選擇、排氣孔設計等。模芯為高分子材質,容易擴充進膠口和排氣孔的尺寸,因此模芯進膠口和排氣孔的設計尺寸以較小為宜,進膠口一般設計直徑為6～8 mm,排氣孔一般設計直徑為0.7 mm。模芯厚度根據注塑PEEK假體的體積大小和注塑參數來確定。

2.1 分型面選擇

在模芯設計過程中,分型面的選擇極為重要。傳統金屬模具分型面的選取原則:便于塑件脫模和簡化模具機構;盡可能不影響塑件外觀,產生的溢料便于消除和修整;利于排氣;便于模具加工[15-17]。金屬模具剛性大,為了便于產品脫模,分型面一般選在產品的最大輪廓線處。針對少數形狀復雜的產品,金屬模具必須設置多個分型面才能完整取出注塑產品。

個性化PEEK假體的結構形狀復雜多變,經常會出現多個局部最大輪廓線。因此,選擇合適的分型面至關重要,它不僅影響著PEEK假體的成型效果和脫模工序,而且影響著設計模具的人力成本和生產效率。針對單個分型面很難滿足注塑PEEK假體的脫模要求的問題,提出以下3種模芯分型面選擇方案。

(1)最大輪廓線。最大輪廓線分型符合傳統模具設計標準,也是模芯分型面設計中最基本的一種設計開模方式。金屬模具的最大輪廓線分型面一般是平面分型面或臺階分型面,特殊情況下加入圓弧等曲面構成曲面分型面。

個性化PEEK假體形狀結構復雜,最大輪廓線基本是三維空間結構。注塑模芯分型面全部屬于不規則曲面分型面。最大輪廓線分型面是一種適合大體積、非復雜結構的PEEK假體模芯設計,便于加工和注塑假體脫模,如圖2所示。

圖2 胸椎骨假體模芯最大截面面積分型面

胸椎骨假體模芯就是根據最大輪廓線原則設計的分型面。由圖2可以看出,分型面從假體的最大輪廓線向外延伸,與六面體的4個邊界相交,完成模芯的分型任務。PEEK假體經過注塑成型,可以很容易取出,不會破壞模具結構,模具可以實現多次重復注塑,大大提高了樹脂的利用價值。

(2)局部破壞模芯。增材制造的模芯是一種高分子聚合物,相對于無法破壞的金屬模具,高分子模芯具有一定程度的靈活性和可塑性。當嵌入模具的PEEK假體難以取出時,可以采用局部破壞模芯的辦法,取出假體。個性化PEEK假體中存在一些復雜結構的假體,單個分型面無法取出PEEK假體,只能破壞模芯的結構,取出完整的假體。關節窩模芯設計如圖3所示。

(a)關節窩假體模型

(b)關節窩模芯圖3 關節窩模芯設計

圖3a為關節窩假體的三維模型結構。由于該模型結構復雜,單個分型面無法使其完全脫模,多個分型面不僅會降低模芯的強度和精度,影響假體的表面質量,而且增加了模具設計和裝配的難度。采用局部破壞模具的方法,不僅減少模具設計工作量,而且注塑的PEEK假體精度更高、可靠性更高。

高分子模芯雖然可以破壞,但需要考慮破壞模具的時間成本和模具成本。尤其在破壞模具的過程中容易損傷PEEK假體表面,甚至造成假體面片撕裂。在模具設計過程中,應盡量避免破壞模具。

(3)省略分型面。省略分型面即不設計分型面,將剖切模具的理念發揮到極致。高分子模芯包裹注塑PEEK樣件,注塑完成后包裹的模芯全部破壞去掉。

此方案是將復雜且體積較小的PEEK假體注塑模具設計成封閉式模芯。模芯表面只設計注塑進料口和排氣孔。注塑PEEK假體一旦成形,需要破壞模芯才能取出PEEK假體,且取出的假體表面質量極高,沒有分型面造成的飛邊痕跡。省略分型面模芯與局部破壞模芯不同,省略分型面模芯尺寸略大于PEEK假體尺寸,強度不高,易破壞,模芯外表面需要輔助更大的模具作為強度支撐框架。此方案使用范圍較局限,一般用于微型且結構復雜的注塑件的模具設計,如圖4所示。

PEEK螺釘結構復雜,尺寸微小,適合使用省略分型面設計注塑模芯。考慮到PEEK螺釘的螺紋連續性,帶分型面的注塑模芯會形成不連續的分型面飛邊,造成螺紋的紋路斷裂錯位。因此,PEEK螺釘通過一個較薄的包裹模芯來塑形見圖4b,注塑完成后直接破壞掉包裹模芯,保留下完整的螺紋路徑。

2.2 模芯合模方式

注塑模具分型面又稱為合模面。金屬模具合模面一般為平面,為了保證注塑模具動模和定模合模時的精確定位和自動導向,模具結構一般設計有導向機構。導向機構的形式一般有導柱導向和錐面定位兩種。金屬模具一般以大批量、自動化注塑為主,導柱導向機構使用較為普遍[18-19]。

借鑒金屬模具的設計經驗,結合個性化PEEK假體復雜結構的特點,我們選擇錐面定位的導向機構。光固化模芯的分型面一般為復雜的空間曲面結構,具有一定的傾斜角度,使得模具扣合時可以自動定位。這種合模方式不僅具有自動導向定位作用,而且可以承受一定的側壓力。因此,模芯的合模方案包括3種方案:斜面自動扣合、密布螺栓連接、稀疏螺栓連接。

(1)斜面自動扣合。由于增材制造的模芯合模面為傾斜面,可以自動定位扣合,只需要兩側夾緊,就可以保證模芯的合模強度,如圖5所示。這種方案結構簡單,操作方便,是一種常見的選擇方案。但是,考慮到注塑壓力較高,偶爾會有PEEK熔融膠體溢出,所以模芯兩側的夾緊力要求加高,一般兩側加鋼板固定。

圖5 顱骨假體模芯斜面自動扣合方式

(2)密布螺栓連接是一種連接強度極高的合模方案。密布螺栓連接的合模強度極高,模芯受力均勻,是最可靠的合模方案。但是,密布的螺釘導致裝卸螺釘的工作量大大增加,使用不方便。密布螺栓連接一般使用在精度要求較高、假體結構復雜的情況,如圖6所示。

圖6 拉伸樣件模芯密布螺栓連接合模方式

(3)稀疏螺栓連接是斜面自動扣合和密布螺栓連接的折中方案。為了滿足一定的合模強度和不增加太大的工作量,選擇稀疏螺栓連接方案,取得一個強度和效率的平衡點。

圖7的模芯用于注塑PEEK力學拉伸測試樣件。模芯中間有兩個螺釘連接固定,輔助其他支撐工具增加合模強度。在大量制造標準樣件的實驗中可以大大減少合模固定時間。

圖7 拉伸樣件模芯稀疏螺栓連接合模方式

2.3 模芯抽殼設計

光固化模芯注塑PEEK假體的成本主要取決于耐高溫樹脂材料的耗用量。在能夠滿足注塑使用的前提下,減少樹脂消耗量,可以大大減少工藝成本,在商業應用中,極大地提高產品的市場競爭力。

減少耐高溫樹脂的使用量的方法一般是在模芯厚的部位進行抽殼設計。由于增材制造工藝不考慮成型復雜結構的加工成本,通過局部抽殼設計可以大大減少部分樣件的樹脂使用量。抽殼空心部分可以使用石膏等背襯材料填充。根據是否抽殼加填充材料,模芯可以分為單一材質模芯和抽殼填充模芯兩種類型。

(1)單一材質模芯。普通模芯,尤其是PEEK假體尺寸較小的注塑模芯,都是直接設計成單一材質模芯,不加填充材料。單一材質模芯設計簡單,強度比抽殼填充其他材質的模芯強度要高,使用性能更好。牙齒注塑模芯、小段下頜骨模芯等體積較小,基本都是單一材質模芯,如圖8所示。

圖8 牙橋單一材質模芯

(2)抽殼填充模芯。體積較大的PEEK假體如顱骨、大段下頜骨的模芯設計過程中,需要添加抽殼設計,減少耐高溫樹脂使用量。該類型模芯一般結構簡單、尺寸較大,抽殼后節省的樹脂量比較可觀,是一種十分具有經濟效益的方法。抽殼后的填充材料一般選用速固的石膏、錫鉛合金等材料。由于采用的樹脂本身導熱性比較差,因此抽殼設計并不會對模芯散熱造成影響。

圖9為顱骨PEEK假體的光固化注塑模芯。通過抽殼設計,模芯的側壁形成填充空腔,降低了樹脂的使用量。經測量,該模芯抽殼后體積為實心模芯體積的24.05%,意味著可以減少24.05%的光固化樹脂使用量。

圖9 石膏增強型模芯

3 注塑機與模芯連接裝置

注塑成型工藝能一次成型出外形復雜、尺寸精確、可帶有各種金屬嵌件的三維尺寸模塑制品,注塑成型的制品占塑料制品總量的20%～30%。注塑機與金屬模具適用于大批量、高精度制品的生產制造,一般有固定的裝配定位標準[20-21]。為了將增材制造的個性化PEEK假體模芯應用于普通注塑機上,設計相應的金屬連接固定裝置,此處稱之為外模具框架結構。外模具結構對外應滿足注塑機的定位裝夾標準,對內能固定支撐高分子模芯。

根據人體顱骨尺寸,暫定注塑模具尺寸內部包容體積為150 mm×150 mm×100 mm,外部邊緣突出尺寸為30 mm,配合注射機的固定尺寸。模具的澆口尺寸參考注塑標準和注塑機的要求來確定[22]。定位圈的外孔、內孔、厚度尺寸分別為100 mm、35 mm、15 mm;澆口套尺寸為B型40 mm×20 mm,澆口套的尾端需要切削加工成與模芯連接的45°倒角。根據相關模具的設計原則[23],進行外模具的設計和加工,如圖10所示。

圖10 金屬模具框架結構

4 個性化PEEK假體注塑實驗

(1)PEEK顱骨修復體注塑。該病例為病人車禍導致顱骨大面積缺損,個性化PEEK顱骨假體設計厚度為3 mm,最大長度98 mm,模芯設計厚度為2 mm。使用個性化PEEK假體注塑工藝,分型面采用最大輪廓線原則,合模方式采用斜面自動扣合方式,采用模芯抽殼填充石膏的設計方案,獲得成形良好的顱骨PEEK修復假體,如圖11所示。本實驗為體外手術模擬實驗,非手術植入使用。

(a)PEEK顱骨假體

(b)PEEK顱骨假體組裝圖11 注塑個性化PEEK顱骨假體

(2)PEEK下頜骨假體注塑。根據某患者的下頜骨CT數據,通過軟件重建出患者的骨骼模型,進而設計出個性化的下頜骨假體。分型面采用最大輪廓線原則,合模方式采用密布螺栓連接方式,采用單一材質模芯的設計方案,制造出個性化PEEK下頜骨假體,如圖12所示。

圖12 注塑個性化PEEK下頜骨假體

5 個性化PEEK假體組織觀察

5.1 差示掃描量熱法(DSC)結晶度測試

采用DSC測量PEEK注塑樣件的結晶度[24]。對于結晶聚合物,用DSC測定其結晶熔融時,得到的熔融峰曲線和基線所包圍的面積,可直接換算成熱量。此熱量是聚合物中結晶部分的熔融熱。PEEK完全結晶的熔融函取130 J/g,溫升區間為25～400 ℃,升溫速率為每分鐘10 ℃。

圖13為PEEK吸熱曲線,從圖中可以得到:個性化PEEK假體注塑工藝制造的PEEK樣件的結晶度為30.82%,剖面線區代表PEEK里結晶部分的熔融熱量。外科植入物用PEEK聚合物的標準規范規定:注塑PEEK假體的結晶度標準范圍20%～45%之間。實驗結果符合PEEK醫療器械植入物的標準范圍。

圖13 PEEK吸熱曲線圖

5.2 電鏡組織觀察

對個性化PEEK假體樣件進行表面噴金處理,使用掃描式電子顯微鏡觀察PEEK假體內部微觀組織形態。所用掃描式電子顯微鏡為日本日立公司所產的S-3000N設備。

從圖14中可以看出:PEEK注塑件組織致密,無孔隙和缺損。相比較3D打印工藝,注塑制造的PEEK假體的致密性得到了很大的提升。

圖14 PEEK樣件掃描電鏡圖(×500)

6 結 論

(1)為了克服個性化假體數控加工材料浪費嚴重、加工成本高、異形薄壁件加工困難,以及增材制造力學性能不足的問題,本文提出一種利用光固化制造個性化PEEK假體的耐高溫樹脂注塑模具,并進一步通過注塑工藝獲得高強度個性化假體的方案。

(2)模芯分型面的設計方案包括最大輪廓分型面設計、局部破壞模芯設計、省略分型面設計。常規模芯設計使用最大輪廓分型面設計,局部破壞模芯分型面設計適用于大尺寸且復雜結構樣件的分型面,省略分型面設計適用于體積較小且結構復雜的PEEK假體注塑模芯設計。

(3)模芯的合模固定方式包括斜面自動扣合、密布螺栓連接、稀疏螺栓連接。斜面自動扣合是常用的模芯合模固定方式,當合模強度不足時,選擇密布螺栓連接和稀疏螺栓連接,區別是前者使用螺釘更多,連接更穩固,操作更復雜。

(4)以模芯是否加填充材料分為單一材質模具和抽殼填充模具。模芯加背襯復合材料可以降低耐高溫樹脂的消耗量,減少成本,但同時降低了模具的強度,增加了設計工作量。體積較小的模芯適合單一材質模具,體積較大的模芯適合制成抽殼填充模具。

(5)采用本文提出的工藝方案制造了個性化PEEK顱骨和下頜骨假體,并對注塑件進行結晶度測試、組織觀察。結果顯示,PEEK注塑件的結晶度為30.82%,注塑件組織致密,無孔隙和缺損,說明采用增材制造和注塑相結合的方案制造具有綜合力學性能的個性化PEEK植入物是可行的。