Ein Leitfaden für Ingenieure zum Entwerfen und Spezifizieren kundenspezifischer Rohre

von Robert LaDuca

27. September 2019

09:00

Die Bedeutung der Beziehung zwischen dem Abzugsverhältnis und den mechanischen Eigenschaften des Rohrs ist ein Faktor, der die mechanischen Eigenschaften des Rohrs stark beeinflussen kann. Die gleichen genauen Abmessungen und Materialien können je nach diesem wichtigen Verarbeitungsfaktor zu völlig unterschiedlichen Leistungsergebnissen führen. Im Allgemeinen führt ein höherer Reckvorgang zu einer stärkeren Ausrichtung der Molekülketten innerhalb des Polymers, was zu einem Produkt mit höherem Zugmodul in axialer Richtung und größerer Endzugfestigkeit führt als ein Schlauch, der mit einem niedrigeren Reckverhältnis hergestellt wird. Produkte, die aufgrund höherer Abzugsverhältnisse einen höheren Grad an axialer Molekülausrichtung aufweisen, haben auch einen höheren Grad an resultierender Spannung in der Rohrwand, die möglicherweise ein Glühen zum Entspannen erfordert, um das Auftreten von Dimensionsänderungen zu vermeiden, nicht nur während zusätzlicher thermischer Verarbeitungsschritte B. beim Kleben und Reflow-Laminieren, aber auch während des Transports, wo erhöhte Temperaturen auftreten können.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Einfluss der Düsentemperatur auf die Oberflächenbeschaffenheit. Eine kältere Düsentemperatur kann den Oberflächen des Schlauchs eine „mattierte“ Oberfläche verleihen, die die Klebrigkeit verringert, auf Kosten der Klarheit und der verliehenen Oberflächenstruktur. Ebenso kann eine heiße Werkzeugtemperatur die Klarheit des Materials verbessern und sich auf nachfolgende thermische Bindungs- und Laminierungsvorgänge auswirken. Bei der Validierung von Extrusionsprozessen sollte der Parameterbereich breit genug sein, um die Auswirkungen auf nachfolgende Prozesse sowie die Auswirkungen zu verstehen, die Schwankungen im Molekulargewicht des in den Extrusionsprozess eintretenden Rohmaterials sowohl im Extrusionsprozess als auch im Extrusionsprozess verursachen können die nachgelagerten Prozesse.

Eine Vielzahl von Materialien werden zu Schlauchprodukten extrudiert. Daher ist es wichtig zu wissen, was bei der Spezifikation von Materialien für die Extrusion zu beachten ist, um sicherzustellen, dass ein Material für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Der Ausgangspunkt besteht darin, die Benutzerbedürfnisse vollständig zu definieren und iterativ zu einer qualifizierten Spezifikation überzugehen.

Nach ISO-konformen Designkontrollen wird das verifizierte Design, sobald die Designergebnisse gemessen wurden und den Designeingaben entsprechen, anhand objektiver Beweise validiert, um zu zeigen, dass das Design für den Benutzer wie beabsichtigt funktioniert. Der Produktdesigner ist dafür verantwortlich, alle Benutzeranforderungen für die beabsichtigte Nutzungsdauer des Produkts zu ermitteln und sicherzustellen, dass der für die Erstellung des Designs erforderliche Herstellungsprozess geeignet ist.

Für medizinische Anwendungen hat die Foster Corporation ihre HLS-Marke Heat auf den Markt gebracht, ein Lichtstabilisatorpaket, das einer Vielzahl von Harzen wie Nylons, Polyurethanen, Polyethylenen usw. zugesetzt werden kann. Wenn das Produkt mit einer hydrophilen Beschichtungslösung mit UV-Strahlung beschichtet werden soll Nach dem Aushärten trägt die Zugabe eines UV-Stabilisators dazu bei, den Abbau des Polymers während der anschließenden Verarbeitung zu verhindern. Wenn der extrudierte Schlauch einem anschließenden Laminierungs-Reflow-Prozess unterzogen werden soll, bei dem ein entfernbarer Wärmeschrumpf zum Hinzufügen von Verstärkungen in die Wand des Schlauchs, wie z. B. Geflechte oder Spulen, zum Einsatz kommt, kann die Verwendung eines Wärmestabilisators im Additivpaket die bei der Extrusion auftretenden Verarbeitungsschwankungen verringern Nachbearbeitungs-Reflow-Schritte. Dies ermöglicht eine höhere Präzision des Endprodukts und führt zu engeren Toleranzen, einer verbesserten Herstellbarkeit und ermöglicht sogar neue Kathetertechnologien, wenn neue Designs eine Ausweitung bestehender Grenzen erfordern.

Andere physikalische Eigenschaften ändern sich durch die Zugabe von röntgendichten Zusatzstoffen, um die Sichtbarkeit während der Verwendung unter Fluoroskopie oder Ultraschallbildgebung zu gewährleisten. Zu diesen Veränderungen gehören eine erhöhte Oberflächenhärte, eine verringerte Zugfestigkeit und ein geringerer Berstdruck sowie eine geringere Oberflächenklebrigkeit. Dies ist insbesondere bei weicheren Materialien wie 40A Chronoprene von AdvanSource Biomaterials, weichen Urethanen wie NEUsoft UR842A von PolyOne und SEBS mit niedriger Härte wie Kratons SEBS G1642 der Fall. Der Beladungsprozentsatz variiert je nach Grad der erforderlichen Sichtbarkeit sowie der Wandstärke, wobei eine dickere Wand weniger Strahlenschutzmittel verbrauchen kann. Die typische Beladung für Wandstärken von 0,005 Zoll bis 0,050 Zoll kann 20–25 Gew.-% Bariumsulfat betragen, während Glasmikrokugeln in Beladungsprozentsätzen von 50 Gew.-% oder mehr hinzugefügt werden können, um die Echogenität von Polymeren zu verbessern.

Da Bariumsulfat eine weißliche Farbe hat, können zusätzliche Pigmente wie TiO2 hinzugefügt werden, um die Farbe auf ein helles Weiß zu bringen, oder es können alternative Farben an Pantone-Farben angepasst werden. Es ist zu beachten, dass Füllstoffe eine Verteilung der Partikelgrößen aufweisen, was zu Fehlern im Schlauch führen kann, da Agglomerate eine Oberflächenrauheit am Innen- oder Außendurchmesser sowie Schleifspuren, Nadellöcher, Klumpen, Hälse und Dellen verursachen können. Daher ist es bei der Angabe der Bestandteile in der Compoundierungsphase wichtig, die Wandstärke des zu extrudierenden Schlauchs zu ermitteln, damit sie mit der Partikelgrößenverteilung des Füllstoffs verglichen werden kann. Dies ermöglicht die Auswahl eines ausreichend feinen Pulvers, das die Häufigkeit dieser Art von Defekten vermeidet oder verringert.

Nichtsdestotrotz und unabhängig davon, welchen Einfluss Zusatzstoffe auf die Qualität der hergestellten Schläuche haben, können Gele in natürlichen Materialqualitäten vorhanden sein, wie sie beispielsweise in Amiden, HDPE und Urethanen vorkommen. Bei der Spezifikation von Schläuchen aus Materialien, bei denen Gele nicht akzeptabel sind, wie z. B. Ballonschläuche, können die Spezifikationen die Anforderung beinhalten, dass der Verarbeiter am Ausgang des Einschneckenextruders einen Kerzenfilter verwenden muss, der dabei hilft, Gele in kleinere Größen zu zerlegen und die Anzahl der Gele zu reduzieren landen im Schlauch. Diese Inline-Einzelschneckenfilterung wird dem Betrieb eines separaten Schmelzprozesses auf einer Doppelschnecken-Compoundierungslinie mit einem Inline-Kerzenfilter vorgezogen, da der zusätzliche Wärmeverlauf und die mechanische Scherung des zusätzlichen Durchgangs die Kettenlänge des molekularen Polymers verringern und die resultierenden Schläuche eine schlechtere Leistung aufweisen hinsichtlich der Zug- und Berstfestigkeit, die bei Ballonkatheteranwendungen von entscheidender Bedeutung sind.

Neben den ästhetischen Aspekten kann die Zugabe von Pigmenten auch dazu beitragen, die Klebrigkeit sehr weicher Materialien zu verbessern und den Unterschied bei der Durchführung nachfolgender Montageschritte wie dem Einsetzen von Dornen aus der Katheterkonstruktion ausmachen. Eine potenzielle Gefahr, die es zu beachten gilt, ist die Möglichkeit einer unvollständigen Zersetzung der Farbbestandteile während des Einschneckenextrusionsprozesses. Dies tritt typischerweise bei der Verwendung von Farbkonzentraten auf, die am Einfüllstutzen des Extruders mit Pellets natürlicher Qualität gemischt werden. Diese unzerkleinerten Farbkonzentrate können wie eingebettete Fremdstoffe wirken und zu einer Nichteinhaltung der visuellen Kriterien führen. Ein ähnlicher Fehler kann beim Extrudieren von dünnwandigem Material mit einer Dicke von weniger als 0,005 Zoll beobachtet werden, wo Farbstreifen neben klareren Bereichen zu sehen sind, in denen der Farbstoff durch die Scherung des Materials in der Schnecke und im Zylinder nicht gut verteilt wurde. Diese Probleme können auftreten können durch die Verwendung von vorcompoundiertem farbigem Material, das in Masterbatches hergestellt wird, vermieden werden.

Ein damit verbundenes Problem ist die Spezifikation der Verpackung, damit das Schlauchprodukt durch Transport und Handhabung nicht unbrauchbar wird. Dies ist besonders wichtig im Hinblick auf weiche, klebrige Materialien, die dazu neigen können, mit sich selbst zu verschweißen, wenn sie während des Transports zusammengedrückt werden. Um Verluste aufgrund von Beschädigungen zu vermeiden, können weiche Schläuche aufgeblasen geliefert werden, um ein Zusammenfallen des Innendurchmessers zu verhindern.

Durch die Verwendung spezieller Verpackungskonfigurationen wie einzelner Kammern kann außerdem verhindert werden, dass der Schlauch mit anderen Schläuchen in Kontakt kommt. Alternative Verpackungsdesigns umfassen die Bereitstellung des Schlauchs auf einem Dorn, um die Durchführung nachfolgender Vorgänge zu ermöglichen, ohne dass ein Reflow-Dorn in klebrige, eng anliegende Lumen eingeführt werden muss, was problematisch und zeitaufwändig sein kann.

Zusammenfassend sind dies einige der wichtigen Aspekte, die Konstrukteure berücksichtigen sollten, wenn sie Materialien und Prozesse spezifizieren, um die Ergebnisse der Produktentwicklung zu optimieren. Die enge Zusammenarbeit mit Extrusionsverarbeitungsexperten, die bei der Bereitstellung anwendungsspezifischer Kundenlösungen zusammenarbeiten, kann bei der Erreichung von Designzielen bei der Entwicklung neuer Anwendungen für medizinische Schläuche von großem Nutzen sein.

von Robert LaDuca

27. September 2019

09:00