管道,型材和管道挤出 | 6分钟阅读

医用导管:使用模拟故障排除,优化加工和模具

挤压模拟可用于预测问题和运行“假设”方案的大小挤出机和设计挤出项目的模具。它应该在任何项目的早期阶段使用,以避免尝试和错误以及重新制作工具。
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也许油管最重要的应用是在医学领域中,用于提供静脉内用药,限制血液流动,在导管系统中捆绑伤口和许多其他目的。确保医疗器械功能并正当执行可以真正成为生命或死亡的情况。医务人员必须绝对确定他们的工具将安全地表现,而不会对患者或使用它们的环境对健康风险带来健康风险。

与大多数医疗惯例一样,对于所使用的所有管道,严格要求清洁。更重要的是,材料选择非常有限,因为在与患者接触时,材料不应引起过敏或其他不利的反应。

用模拟方法解决医用导管问题

图1医用管材挤出常见问题:超大槽型混合器的降解;沿适配器壁的聚合物滞止;从断路器板过渡到适配器的退化;以及降解材料从管模内表面周期性放电。

医用管挤出的典型问题包括聚合物降解、产品开发时间长、工艺的敏感性或不稳定性、模具设计和废品率高(见图1)。这些问题可以通过适当的工程设计和优化设备和工艺条件来减少或消除。例如,是什么导致了退化?答案包括低剪应力,长停留时间,操作错误,过高的温度,非常高的剪应力。

我们最近由使用18-和25毫米挤出机的处理器从事L / D比,分别为24:1和30:1,用于医用管工程。为该项目进行了模具,但试验表明材料的降解,聚合物停滞,过渡时的烧伤,挤出产品的标记,以及耐受变化。我们使用VEL(虚拟挤出实验室Compuplast)仿真软件,减少试验和错误,否则会涉及找到这些问题的源以及时间,金钱和材料的所产生的浪费。

利用仿真解决医用管中的问题

剪切速率和剪切应力

表1(上面)显示了该处理器使用的典型桶式加热器温度设置。剪切应力、剪切粘度与剪切速率的关系如下:

τ = η × γ

在哪里:

τ=剪切应力
η=剪切粘度
ϒ =剪切速率

图2显示了五种温度下TPU的典型剪切粘度与剪切速率数据。这种类型的材料数据对于挤压设备的适当工程是必需的。图中的值强调了粘度如何随温度和剪切速率变化。

利用仿真解决医用管中的问题

图2典型的TPU在五种温度(T)下的剪切粘度与剪切速率数据。图中的值强调了粘度如何随温度和剪切速率变化。

剪切稀释是聚合物的一种普遍行为,它是决定材料如何通过模具的主要材料特性。材料施加在金属壁上的剪应力(壁面剪应力)决定了系统是“自洁”还是会促进降解。如果没有足够的壁面剪应力,就会形成一层本质上停滞的材料,并且随着时间的推移会降解。

剪切稀释是聚合物的一种普遍行为,它是决定材料如何通过模具的主要材料特性。

保持足够的墙面剪切应力有助于避免这种类型的劣化,并允许设备在需要拆卸和清洁之前延长时间更长的时间。什么是足够高的剪切压力?嗯,它尚不为某些并且可能取决于聚合物的类型,但这里有一些已经成功使用的设计值。

  • 低密度聚乙烯:30 kPa
  • PVC:35 KPA
  • HDPE:30 KPA
  • LLDPE: 30 kPa
  • EVOH: 50 kPa

(剪切速率应大于8 1/s)

请注意,这些是“设计值”,并包含一些安全因素,以允许生产速率的变化。实际的临界值可能是上述报告数字的50 - 70%。

挤出机模拟

表1显示了挤出机螺杆轮廓图(未显示飞行)以及典型的工艺条件。在这种情况下,所需的产量是1.5公斤/小时。

选择螺钉几何和工艺条件以模拟18毫米螺钉的性能。图3和4分别示出了沿螺杆的剪切速率和剪切应力。

利用仿真解决医用管中的问题

图3沿螺杆的剪切速率曲线。图中蓝色阴影区域显示了“临界值”以下的区域,应该避免这个区域。临界壁面剪切速率为8 1/s,大部分螺杆表面低于此值。

利用仿真解决医用管中的问题

图4沿螺杆的剪切应力曲线。蓝色的,
阴影区域揭示,螺杆表面的大区域具有低于30kPa的“临界值”的壁剪切应力。

图中的蓝色阴影区域显示应避免的“关键值”低于“临界值”。临界壁剪切速率为8.1 / s,并且大部分螺纹表面低于该值(图3)。图4是壁剪切应力的相应图,并且表示螺杆表面的大区域具有低于30kPa的壁剪切应力。已经通过大量的流场凭经验确定了这种“临界值”,并将墙壁上的降解材料的观察与剪切速率和剪切应力相关。

图5示出了具有由低剪切速率和剪切应力引起的具有降解材料层的螺旋表面。螺杆上的退化材料可以在产品中显示为黑色斑点,影响产品质量和美学。

利用仿真解决医用管中的问题
螺杆表面上的物质劣化。

表2总结了现有18和25毫米直径螺钉的最小剪切速率和剪切应力,在不同的工艺条件下,吞吐量为1.5公斤/小时。

利用仿真解决医用管中的问题

处理器提出的所有条件都导致非常低的壁面剪切速率,一些也有较低的壁面剪切应力。结论是,处理器的挤出机对于这样一个低产量的挤出项目来说太大了。

表3显示了一种模拟的DOE,其中评估了不同的设计以在所需输出处进行足够的剪切速率和剪切应力。还示出了预测的温度变化。

如果在模具内表面发生了材料的退化,通常很难认识到在模具中有材料的成形

使用表3中的VEL软件进行的模拟结果显示,15毫米设计产生了足够的壁面剪切速率和壁面剪应力,同时也提供了可接受的熔体温度变化。安装了一种新的、更小的挤出机,采用优化后的螺杆,处理器报告称在启动过程中废品显著减少,产品中的黑点完全消除。

利用仿真解决医用管中的问题

在这个项目中,发现制造商可用的设备对于该项目所需的相对较低的输出来说太大了。因此,聚合物在螺杆表面上降低。最终,仿真识别较小的挤出机,螺钉优化为低速,更适用于该项目。

通过模拟也确定了模具没有被优化,因为它在金属表面上也有许多低剪切速率和低剪切应力区域,聚合物最终会在这些区域降解。如果在模具内表面发生了材料的退化,通常很难认识到在模具中有材料的成形。帮助制造商设计更适合该项目的模具的后续分析计划在后续出版物中进行。

作者简介:Ben Chouchaoui博士是温莎工业发展实验室公司的技术顾问,温莎,安大略省。自2009年以来,他一直在美国工作。在他的职业生涯中,他提升了雇主在FEA/CAE和CFD/CAM方面的技术能力;为要求严格的功能系统建立实验室和仿真工具;与产品加工和耐久性试验相关的数值计算;监督工程师;管理政府资助的研究;开发和维护客户(客户);对新工程师和研发人员进行有限元分析和CFD培训。联系:226-340-7212;bencho@windsorlabs.ca

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