Newsletter / TS Raport 
Zamów

Projektowanie i konstrukcja 

27 maja 2014

Formy wypraski medyczne - Produkcja jednostkowa

Produkcja wyprasek medycznych kieruje się specyficznymi wymaganiami głównie ze względu na konieczność zachowania ścisłych procedur związanych z wymaganiami firm farmaceutycznych. Abstrahując jednak od wymagań higienicznych i proceduralnych w niniejszym artykule omówimy kryteria stosowane przy budowie form wtryskowych w zależności od typu produkcji – krótkiej serii lub produkcji masowej.

Wypraski medyczne muszą spełniać szereg ostrych wymagań, którym nie podlegają tzw. wypraski pospolite. Są to wymagania jakościowe i ekonomiczne.

Wymagania jakościowe:

  • wysoka czystość w momencie opuszczania formy (wolne od zanieczyszczeń np. typu smar z wypychaczy czy produkty ścierania prowadnic)
  • wąskie tolerancje wymiarowe (przykład to farmaceutyczne opakowanie leku wziewnego składające się z kilkunastu wyprasek)
  • wysoka jakość powierzchni bez smug, zapadów, niedolewów, wypływek, zatarć faktury
  • wolne od nitek a szczególnie mikronitek zwykle tworzących się przy wlewku GK

Wymagania ekonomiczne:

  • dla wyprasek masowych możliwie niski koszt jednostkowy - bardzo krótki cykl i duża krotność formy
  • możliwie wysoka trwałość narzędzia • łatwe i szybkie przeglądy okresowe i naprawy poprzez nieskomplikowaną wymianę matryc i stempli

Pogodzenie wymagań jakościowych z ekonomicznymi zmusza narzędziownie do stosowania:

  • nowoczesnych technik obliczeniowych i projektowych przy tworzeniu konstrukcji,
  • dokładnych i wydajnych obróbek,
  • odpowiednich materiałów (stale i stopy nieżelazne).

Z tych wymagań wynikają kryteria stosowane przy budowie formy wtryskowej. Zależnie od charakteru wypraski (produkcja masowa lub jednostkowa/małoseryjna) możemy podzielić wymagania na odnoszące się do jednej lub drugiej grupy wyprasek.

 

Zgodnie z metodologią przyjętą w Wadim Plast projektowanie formy zaczyna się od wstępnej koncepcji konstrukcyjnej a potem serii analiz. Tutaj nie jesteśmy odkrywczy, kanon „przez analizę do syntezy” obowiązuje całą działalność konstrukcyjną, a został rozwinięty już w wieku XIX przy projektowaniu konstrukcji stalowych (kratownice). Jeśli konstruktor nie chce być zaskoczony efektem swoich działań, obowiązkowo musi zacząć od szczegółowych analiz.

W części 1 artykułu omówimy sposoby realizacji wyżej przedstawionych wymagań dla produkcji krótkoseryjnej.

PRZYKŁAD wypraski małoseryjnej - Czasza krwista sztucznego serca

Pompa wspomagania serca ReligaHeart PED zaprojektowana została przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Jest pierwszą polską pediatryczną pompą wspomagania serca przeznaczoną do wspomagania pracy serca u dzieci i wchodzi w skład nowego systemu wspomagania serca ReligaHeart, opracowywanego w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Z.Religi.

Centrum wdrożeniowe Wadim Plast opracowało i wykonało zestaw form wtryskowych składających się na prototypowy egzemplarz pozaustrojowej pompy wspomagania serca Religa- Heart PED.

Zajmiemy się formą na najtrudniejszą wypraskę – czyli na czaszę krwistą, która jest najbardziej złożonym geometrycznie elementem całej konstrukcji pompy. Jest to wypraska z grupy „krótkie serie”, ale o bardzo ostrych wymaganiach dotyczących geometrii, jakości powierzchni i idealnej przezroczystości, produkowana z biozgodnego poliuretanu - „egzotycznego” dla nas materiału o bardzo wąskim oknie przetwórczym.

Z uwagi na jej skomplikowany asymetryczny kształt utrudniający możliwość bezkolizyjnego zdjęcia wypraski z rdzenia formy wtryskowej, proces projektowy wymagał zastosowania symulacji komputerowych.

Etap 1 – Koncepcja wstępna formy

Ze względu na króćce po obu stronach wypraski matrycę tworzą 2 suwaki

 

 

 

 

 

Przekrój przez króciec krwisty. W zielonym suwaku widać wnękę pod montaż czujnika temperatury Priamus.

 

 

 

 

 

Przekrój przez króciec czujnika – niebieski suwak. W niebieskim suwaku widać wnękę pod montaż czujnika ciśnienia Priamus.

 

 

 

 

Rozmieszczenie czujników ciśnienia i temperatury względem wypraski jest kluczowym zagadnieniem przy prowadzeniu procesu na podstawie pomiarów rzeczywistych parametrów procesu w gnieździe formy. Jak się okaże, przy tego typu wyprasce nietechnologicznej (duże różnice w grubościach ścian), zastosowanie czujników i technologii obróbki sygnału Priamus, umożliwi uzyskanie poprawnych wyprasek.

Etap 2 – Analizy szczegółowe

Analiza grubości ścian pokazuje, że mamy do czynienia z wypraską nietechnologiczną. Grubość zawiera się w zakresie od 0,8 do 6 mm. Takie wypraski sprawiają dużo problemów przy produkcji, zwłaszcza jeśli stawiane są wysokie wymogi co do jakości powierzchni.

Obraz wypełniania gniazda pozwala łatwo lokalizować miejsca łączenia frontów i pułapki powietrzne. Informuje o wielkości ciśnienia niezbędnego do wypełnienia gniazda i pokazuje szereg innych parametrów procesu.

    

Dla tej wypraski, która musi posiadać nieskazitelną powierzchnię, jakiekolwiek zapadnięcia są niedopuszczalne. Jak widać w obszarach grubych ścian występuje największy skurcz objętościowy i największe tendencje do zapadnięć. Przyjęty profil docisku, ciśnienie 250 bar i czas docisku 9s jest za niskie i za krótkie. Spróbujemy zmienić profil i wielkość docisku i zbadać jego wpływ na tworzenie się zapadnięć. Po kilku eksperymentach obliczeniowych mamy sytuację jak poniżej.

  

Profil docisku jak dla materiałów krystalicznych, ciśnienie 1200 bar, czas 18s. Max. skurcz objętościowy spadł do 3,4%, a max. skurcz na grubości ściany w miejscu najgrubszym nie przekracza 0,1 mm. Mimo tak dużego ciśnienia, nie można pozbyć się fragmentu, w którym wystąpi minimalny ale jednak zapad.

Co jest jeszcze niepokojące w przedstawionych wynikach?

  1. Króćce krwiste (najcieńsze ścianki) posiadają na grubości skurcz równy 0,008 mm
  2. Siła rozwierająca suwaki, kierunek osi X, przy tak dużym ciśnieniu docisku jest na poziomie 35 Ton

Wnioski wynikające z przedstawionej analizy zmusiły konstruktora do zmiany koncepcji formy:

  1. Konieczność zmiany sposobu uwolnienia króćców krwistych. W pierwszej koncepcji króćce są wyciągane ze szczeliny pomiędzy suwakiem a stemplem, co przy tendencji przywierania poliuretanu do powierzchni formującej może doprowadzić do ich urywania lub niedopuszczalnych deformacji.
  2. Zaryglowanie suwaków przez kliny oprawione w płycie matrycowej jest zbyt wiotkie. Kliny ryglujące suwaki powinny być integralne z płytą matrycową.

Etap 3 – Ostateczna koncepcja formy opisana w dalszej części artykułu (...)

 

We wrześniowym TS Raport 72/2014, ukaże się druga część artykułu opisująca przykład wypraski medycznej dla produkcji masowej.

 

Autor: Jerzy Dziewulski, Wadim Plast

Artykuł ukazał się w TS RAPORT nr 71/2014

Na górę