โลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีสังกะสีเป็นธาตุผสมหลัก มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม มีความยืดหยุ่นสูง ความแข็งแรงสูง ความเหนียว และความต้านทานต่อความล้าที่ดี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการแยกตัวของธาตุในระดับจุลภาค ทำให้มีแนวโน้มที่จะเปราะมากกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมอื่นๆ แต่ความต้านทานต่อการกัดกร่อนดีกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมซีรีส์ 2000 อย่างเห็นได้ชัด เป็นหนึ่งในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในงานโครงสร้างที่รับแรงเค้นสูง ไม่เพียงแต่ใช้กันอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเท่านั้น ปัจจุบันยังเป็นที่นิยมในด้านหุ่นยนต์ทางการแพทย์อีกด้วย
1. คุณสมบัติของโลหะผสมอลูมิเนียมเกรดทางการแพทย์ 7075
โลหะผสมอะลูมิเนียมเกรดทางการแพทย์ 7075 มีคุณสมบัติเด่นคือมีความแข็งแรงสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่อการกัดกร่อน และมีประสิทธิภาพในการแปรรูปที่ดี เป็นหนึ่งในวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์ทางการแพทย์ประสิทธิภาพสูงและชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่มีความแม่นยำสูง โดยมีส่วนประกอบหลักคืออะลูมิเนียมและมีธาตุผสมอื่นๆ เช่น สังกะสี แมกนีเซียม และทองแดง ด้วยกระบวนการอบชุบความร้อนที่เหมาะสม ทำให้ได้ความแข็งแรงดึงและความแข็งแรงครากสูง ในขณะที่ยังคงมีน้ำหนักค่อนข้างเบา จึงมีข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนในสถานการณ์การใช้งานที่ต้องการความแข็งแรงและความสะดวกในการพกพาในระดับสูง
1.1 ความแข็งแรงสูงพิเศษ
ในสภาวะการอบชุบความร้อนแบบ T6 ความแข็งแรงดึงของโลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 สามารถสูงถึง 570 MPa และความแข็งแรงครากอยู่ที่ประมาณ 503 MPa ค่านี้ใกล้เคียงหรือสูงกว่าเหล็กบางชนิด (เช่น ความแข็งแรงดึงของเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 515 MPa) ในขณะที่ความหนาแน่นของมันมีเพียงหนึ่งในสามของเหล็ก (2.8 กรัม/ซม³ เทียบกับ 7.9 กรัม/ซม³) ซึ่งหมายความว่าภายใต้ข้อกำหนดด้านความแข็งแรงที่เท่ากัน น้ำหนักของชิ้นส่วน 7075 จะเป็นเพียงหนึ่งในสามของชิ้นส่วนเหล็ก
1.2 ทนทานต่อความเหนื่อยล้าได้ดีเยี่ยม
ชิ้นส่วนข้อต่อและระบบส่งกำลังของหุ่นยนต์ทางการแพทย์ต้องรับแรงกระทำซ้ำๆ นับล้านครั้งในระหว่างการใช้งานระยะยาว ความแข็งแรงต่อความล้าของโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 อยู่ที่ประมาณ 160 MPa ซึ่งสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียม 6061 มาก (ประมาณ 95 MPa) จึงสามารถต้านทานการเกิดและการขยายตัวของรอยแตกขนาดเล็กที่เกิดจากการเคลื่อนไหวซ้ำๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อมูลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า ขีดจำกัดความล้าของโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 หลังจากการอบชุบความร้อนที่เหมาะสมแล้ว สามารถคงอยู่ในช่วง 150-170 MPa ภายใต้แรงกระทำซ้ำ 10⁷ รอบ ซึ่งเพียงพอต่อความต้องการความน่าเชื่อถือในระยะยาวที่เข้มงวดของหุ่นยนต์ผ่าตัดและระบบโครงกระดูกภายนอก
1.3 ความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม
โลหะผสมอลูมิเนียม 7075 ที่ผ่านการอบชุบแบบ T6 มีความแข็งแบบบริเนลล์ประมาณ 150-180 HBW หลังจากผ่านกระบวนการอะโนไดซ์แข็งแล้ว ความแข็งของพื้นผิวสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 400-600 HV ซึ่งช่วยเพิ่มความทนทานต่อรอยขีดข่วนและความทนทานต่อการสึกหรอได้อย่างมาก
1.4. ประสิทธิภาพการทำงานที่ยอดเยี่ยมในอุณหภูมิต่ำ
แตกต่างจากเหล็กบางชนิดที่เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติจนเปราะแตกง่ายที่อุณหภูมิต่ำ โลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 กลับมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ ที่อุณหภูมิ -196℃ ความแข็งแรงดึงของมันสามารถสูงถึงกว่า 590 MPa ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ที่เกี่ยวข้องกับการบำบัดด้วยความเย็น
1.5 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ
| วัสดุ | แรงดึง (MPa) | ความหนาแน่น (g / cm³) | ความแข็งแรงจำเพาะ (MPa·cm³/g) | ความเหนื่อยล้า (MPa) |
| อลูมิเนียมอัลลอยด์ 7075-T6 | 570 | 2.80 | 204 | 160 |
| อลูมิเนียมอัลลอยด์ 6061-T6 | 310 | 2.70 | 115 | 95 |
| เหล็กสแตนเลส 304 | 515 | 7.93 | 65 | 240 |
2. การเปรียบเทียบโลหะผสมอลูมิเนียมเกรดทางการแพทย์ 7075 กับวัสดุอื่นๆ
2.1 7075 เทียบกับ 6061
6061 และ 7075 เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมสองชนิดที่ใช้กันมากที่สุดในด้านหุ่นยนต์ทางการแพทย์ ความแตกต่างหลักระหว่างทั้งสองชนิดมีดังนี้:
2.1.1 ความแข็งแรงและความแข็งแรงเฉพาะด้าน
7075-T6 มีความแข็งแรงดึง 570 MPa ซึ่งสูงกว่า 6061-T6 (310 MPa) ประมาณ 1.8 เท่า ความแข็งแรงจำเพาะ (204) สูงกว่า 6061 (115) ประมาณ 1.8 เท่า ภายใต้น้ำหนักเท่ากัน 7075-T6 สามารถรับน้ำหนักได้มากกว่า ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างรับน้ำหนักที่ต้องการน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ เช่น ตัวเรือนข้อต่อหุ่นยนต์ผ่าตัดและโครงสร้างภายนอกของหุ่นยนต์
2.1.2 ประสิทธิภาพการกลึงและการเชื่อม
เหล็กกล้า 6061 มีความแข็งและความแข็งแรงค่อนข้างต่ำ และสามารถขึ้นรูปได้ดีกว่าเหล็กกล้า 7075 โดยมีการสึกหรอของเครื่องมือน้อยกว่า เหล็กกล้า 6061 เชื่อมได้ดี และความแข็งแรงสามารถคืนตัวได้หลังจากการอบชุบความร้อนหลังการเชื่อม อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้า 7075 เนื่องจากมีปริมาณสังกะสีสูง จึงมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวหลังการเชื่อม และโดยทั่วไปถือว่าไม่สามารถเชื่อมได้ วิธีการเชื่อมต่อหลักจึงใช้สลักเกลียวหรือการตอกหมุด
2.1.3 ความต้านทานการกัดกร่อน
เหล็กกล้าไร้สนิม 6061 มีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า 7075 และทำงานได้เสถียรกว่าในสภาพแวดล้อมการฆ่าเชื้อทางการแพทย์และสภาวะชื้น ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิม 7075 จำเป็นต้องปรับปรุงคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนด้วยการปรับสภาพพื้นผิว เช่น การชุบอะโนไดซ์
2.1.4 คู่มือการคัดเลือกแอปพลิเคชัน
| สถานการณ์การคัดเลือก | วัสดุที่แนะนำ |
| ชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษและรับน้ำหนักได้สูง | 7075-T6 |
| โครงที่ต้องประกอบโดยการเชื่อม | 6061-T6 |
| พื้นผิวที่ซับซ้อน การกลึงโพรงลึก | 6061-T6 |
| การสัมผัสกับสารฆ่าเชื้อเป็นเวลานาน | 6061 (หลังการชุบอะโนไดซ์) |
2.2 7075 เทียบกับ 2024
เช่นเดียวกับโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 โลหะผสมอลูมิเนียม 2024 ก็ถูกนำมาใช้บ่อยในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตปีกและลำตัวเครื่องบิน คุณสมบัติความแข็งแรงสูงทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเหล่านี้ โลหะผสมอลูมิเนียม 2024 เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความต้านทานต่อความล้าสูง ในขณะที่โลหะผสมอลูมิเนียม 7075 เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความต้านทานต่อความเค้น/ความเครียดสูง
คุณสมบัติการเชื่อมของโลหะผสมทั้งสองชนิดนี้คล้ายคลึงกัน สามารถใช้การเชื่อมแบบจุดหรือการเชื่อมแบบแฟลชได้ แต่ไม่แนะนำให้ใช้การเชื่อมแบบอาร์คและการเชื่อมแบบแก๊ส ประสิทธิภาพในการแปรรูปก็คล้ายคลึงกันเช่นกัน ประสิทธิภาพในการแปรรูปของ 2024 ดีกว่าเล็กน้อย ในขณะที่ความต้านทานการกัดกร่อนของ 7075 ดีกว่าเล็กน้อย
3. การประยุกต์ใช้วัสดุ 7075 ในหุ่นยนต์ทางการแพทย์
3.1 ส่วนประกอบโครงสร้างของหุ่นยนต์ผ่าตัด
หุ่นยนต์ผ่าตัดมีความต้องการสูงมากในด้านความแม่นยำและความเสถียรของแขนกล ในขณะเดียวกันก็จำเป็นต้องรวมตัวขับและเซ็นเซอร์หลายตัวไว้ในพื้นที่จำกัด ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายสองประการต่อความเบาและความแข็งแรงของชิ้นส่วนโครงสร้าง
กรณีการใช้งาน: ส่วนประกอบต่างๆ ของแขนหุ่นยนต์ เช่น ข้อต่อ ตัวปรับเกียร์ และตัวยึดปลายแขนของหุ่นยนต์ผ่าตัดผ่านกล้อง มักใช้โลหะผสมอลูมิเนียม 7075-T6 ซึ่งมีความแข็งแรงดึงสูงถึง 570 MPa ทำให้สามารถลดความหนาของผนังข้อต่อลงเหลือเพียง 2-3 มม. ซึ่งช่วยลดโมเมนต์ความเฉื่อยได้อย่างมาก ในขณะเดียวกันก็ยังคงความแข็งแกร่งและเพิ่มความเร็วในการตอบสนองและความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งของแขนหุ่นยนต์
ข้อกำหนดสำคัญ: ความคลาดเคลื่อนของแกนกลางของรูติดตั้งแบริ่งต้องไม่เกิน 0.01 มม. ความเรียบของพื้นผิวติดตั้งต้องไม่เกิน 0.02 มม. และความแข็งของพื้นผิวหลังการชุบแข็งแบบอะโนไดซ์ต้องไม่น้อยกว่า 400 HV เพื่อให้ทนต่อการฆ่าเชื้อซ้ำๆ
3.2 ระบบนำทางและกำหนดตำแหน่งกระดูกและข้อ
ระบบนำทางสำหรับการผ่าตัดกระดูกและข้อ (เช่น หุ่นยนต์ผ่าตัดกระดูกสันหลังและระบบนำทางสำหรับการผ่าตัดเปลี่ยนข้อ) จำเป็นต้องใช้โครงสร้างกำหนดตำแหน่งที่แข็งแรงมากและอุปกรณ์ยึดตรึงผู้ป่วยเพื่อให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการนำทางระหว่างการผ่าตัด
กรณีศึกษา: โครงกำหนดตำแหน่งและอุปกรณ์ยึดตรึงผู้ป่วยในอุปกรณ์ทางการแพทย์ภายในประเทศ เช่น หุ่นยนต์ผ่าตัดกระดูกและข้อ Dimensity ทำจากโลหะผสมอลูมิเนียม 7075-T6 ด้วยการปรับปรุงโครงสร้างให้เหมาะสม ทำให้ได้การออกแบบที่มีน้ำหนักเบา ลดน้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างลงได้ประมาณ 34% ในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงตามข้อกำหนด
ข้อกำหนดสำคัญ: มีเสถียรภาพในระยะยาวโดยไม่เสียรูปทรง วัสดุต้องไม่เป็นแม่เหล็ก (เหมาะสมสำหรับระบบที่ใช้งานร่วมกับเครื่อง MRI ได้) และการเคลือบผิวต้องทนต่อการเช็ดด้วยน้ำยาฆ่าเชื้อที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบ
3.3 โครงโครงกระดูกภายนอกเพื่อการฟื้นฟู
โครงสร้างภายนอกเพื่อการฟื้นฟูเป็นอุปกรณ์สวมใส่ทั่วไป และน้ำหนักของอุปกรณ์ส่งผลโดยตรงต่อระดับความเหนื่อยล้าและประสิทธิภาพการฟื้นฟูของผู้ใช้ การลดน้ำหนักจึงเป็นความต้องการที่สำคัญที่สุดในด้านนี้
กรณีการใช้งาน:แขนรองรับต้นขา ก้านเชื่อมต่อส่วนน่อง และโมดูลส่วนเชิงกรานของโครงสร้างภายนอกสำหรับการฟื้นฟูสมรรถภาพขา ผลิตจากโลหะผสมอลูมิเนียม 7075-T6 ซึ่งรวมความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบาเข้าด้วยกัน เมื่อรวมกับการออกแบบลดวัสดุเป็นรูปทรงรังผึ้งและการออกแบบรูลดน้ำหนักแบบหน้าต่าง น้ำหนักโดยรวมของบางรุ่นจึงสามารถควบคุมได้ภายใน 8-12 กิโลกรัม
ข้อกำหนดที่สำคัญคือ การควบคุมการเสียรูปในการแปรรูปผนังบางเป็นปัญหาหลัก จำเป็นต้องแยกการแปรรูปหยาบและการแปรรูปละเอียด เว้นระยะเผื่อ 0.2-0.5 มม. เพื่อคลายความเครียด และใช้เครื่องมือจับยึดพิเศษ เช่น ถ้วยดูดสุญญากาศ
3.4 ส่วนประกอบโครงสร้างของอุปกรณ์รังสีรักษา
ในอุปกรณ์การรักษาด้วยรังสี (เช่น ระบบแกมมาไนฟ์และระบบการรักษาด้วยโปรตอน) ชิ้นส่วนโครงสร้างต้องรักษาเสถียรภาพด้านมิติในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีสูง นอกจากนี้ยังมีความต้องการพิเศษเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุและความสม่ำเสมอของความหนาแน่นด้วย
กรณีศึกษา:ระบบจัดตำแหน่งผู้ป่วยและโครงยึดคอลลิเมเตอร์บางชนิดใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์ 7075 แทนเหล็ก ซึ่งช่วยลดน้ำหนักโดยรวมของอุปกรณ์ และยังช่วยลดการกระเจิงของรังสีเอ็กซ์ที่ส่งผลต่อความแม่นยำในการรักษาอีกด้วย
ข้อกำหนดสำคัญ:วัสดุต้องผ่านการตรวจสอบความคงตัวของขนาดในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีพลังงานสูง การเคลือบผิวต้องทนต่อการเสื่อมสภาพจากรังสี
3.5 ความท้าทายหลักในการผลิตชิ้นส่วนหุ่นยนต์ทางการแพทย์ด้วยเครื่องจักรกล
แม้ว่าโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 จะมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม แต่ก็ยังคงเผชิญกับความท้าทายหลายประการในการผลิตชิ้นส่วนสำหรับหุ่นยนต์ทางการแพทย์:
3.5.1 การควบคุมการเสียรูปของผนังบาง:
โดยทั่วไปชิ้นส่วนหุ่นยนต์ทางการแพทย์มักใช้โครงสร้างผนังบางเพื่อลดน้ำหนัก อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการตัดโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 การคลายตัวของความเครียดภายในอาจทำให้ชิ้นส่วนบิดเบี้ยวหรือระยะห่างของรูเปลี่ยนไป วิธีแก้ปัญหา ได้แก่ การใช้กลยุทธ์การกำจัดส่วนเผื่อแบบสมมาตร การบ่มตามธรรมชาติเป็นเวลา 24 ถึง 48 ชั่วโมงหลังจากการกลึงหยาบ และการใช้ถ้วยดูดสุญญากาศเพื่อกระจายแรงยึดในระหว่างการกลึงละเอียด
3.5.2 ความสมบูรณ์ของพื้นผิว:
ชิ้นส่วนทางการแพทย์มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับคุณภาพพื้นผิว พารามิเตอร์การตัดที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ความเค้นดึงตกค้างหรือรอยแตกขนาดเล็กบนพื้นผิว ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งาน การควบคุมความเร็วในการตัด อัตราการป้อน และมุมของรูปทรงเครื่องมือต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด
3.5.3 ความเสถียรของมิติ:
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของโลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 (23.6×10⁻⁶/°C) สูงกว่าเหล็กกล้า ในสภาพแวดล้อมที่มีความผันผวนของอุณหภูมิสูง ควรพิจารณาการชดเชยขนาด หรือควรดำเนินการแปรรูปอย่างละเอียดภายใต้สภาวะการทำงานในโรงงานที่มีอุณหภูมิคงที่
3.6 แนวโน้มและโอกาสในอุตสาหกรรม:
เนื่องจากหุ่นยนต์ทางการแพทย์กำลังพัฒนาไปสู่การมีน้ำหนักเบาขึ้น ขนาดเล็กลง และฉลาดขึ้น การใช้งานโลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 จึงขยายวงกว้างออกไปจากชิ้นส่วนโครงสร้างไปสู่พื้นที่ใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น แนวโน้มในอนาคต ได้แก่:
- การทดแทนวัสดุคอมโพสิต: การพัฒนาวัสดุคอมโพสิต 7075 เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอน คาดว่าจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงจำเพาะและความต้านทานต่อความล้าให้ดียิ่งขึ้น
- การผลิตสารเติมแต่ง: ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 จะช่วยให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นด้วยการปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิต และสร้างวัสดุปลูกถ่ายเฉพาะบุคคลได้
- การปรับแต่งพื้นผิว: ด้วยการออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์ค การปรับสภาพพื้นผิวด้วยเลเซอร์ และเทคโนโลยีอื่นๆ พื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม 7075 สามารถมีคุณสมบัติทางชีวภาพในการต้านเชื้อแบคทีเรียและต้านการแข็งตัวของเลือดได้
4. กระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเครื่องจักรสำหรับวัสดุ 7075 ในหุ่นยนต์ทางการแพทย์
โลหะผสมอลูมิเนียม 7075 ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนหุ่นยนต์ทางการแพทย์ คุณสมบัติความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบาทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับตัวเรือนข้อต่อหุ่นยนต์ผ่าตัด โครงโครงกระดูกภายนอกสำหรับการฟื้นฟู และชิ้นส่วนโครงสร้างสำหรับการนำทางด้านศัลยกรรมกระดูก เพื่อให้ได้การขึ้นรูปวัสดุ 7075 ที่มีความแม่นยำสูง กระบวนการหลักสี่กระบวนการมีดังนี้:
4.1 มิลลิ่งซีเอ็นซี
การกัด CNC เป็นวิธีการแปรรูปที่สำคัญที่สุดสำหรับชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัลลอยด์ 7075 เหมาะสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ตัวเรือนข้อต่อ ตัวยึดเซ็นเซอร์ และตัวเชื่อมเฟรม ความแข็งแรงสูงของ 7075 หมายถึงแรงตัดที่ค่อนข้างมาก ดังนั้นจึงควรเลือกเครื่องมือกลที่มีความแข็งแกร่งสูงและเครื่องมือตัดโลหะผสมแข็งที่คม ในระหว่างกระบวนการกัด ควรใช้ความเร็วป้อนสูงในขั้นตอนการกัดหยาบเพื่อกำจัดส่วนเกินอย่างรวดเร็ว แต่ต้องควบคุมความร้อนจากการตัดเพื่อหลีกเลี่ยงการสึกหรอของเครื่องมือ ในขั้นตอนการตกแต่งขั้นสุดท้าย คุณภาพพื้นผิวจะได้รับการรับประกันโดยการใช้กลยุทธ์ความลึกของการตัดต่ำและความเร็วรอบสูง และความหยาบของพื้นผิวการติดตั้งที่สำคัญสามารถเข้าถึง Ra 0.8-1.6 μm สำหรับเปลือกผนังบาง ควรใช้กลยุทธ์การตัดแบบสมมาตรเพื่อป้องกันการเสียรูปของชิ้นงาน และควรค่อยๆ คลายความเครียดภายในผ่านกระบวนการกึ่งสำเร็จรูปหลายขั้นตอน
4.2 การกลึงแบบเชื่อมโยงหลายแกน
ตัวเรือนข้อต่อและโครงยึดปลายแขนของหุ่นยนต์ทางการแพทย์มักมีพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนและรูปทรงไม่สม่ำเสมอ ซึ่งจำเป็นต้องใช้เครื่องจักรกลซีเอ็นซีแบบ 4 แกนหรือ 5 แกน เพื่อทำการประมวลผลหลายพื้นผิวในการจับยึดครั้งเดียว การตัดเฉือนแบบ 5 แกนสามารถขจัดข้อผิดพลาดสะสมที่เกิดจากการพลิกหลายครั้งในการตัดเฉือนแบบ 3 แกนแบบดั้งเดิม ทำให้มั่นใจได้ถึงความตรงแนวของรูแบริ่งและความแม่นยำของตำแหน่งพื้นผิวการติดตั้ง เมื่อทำการตัดเฉือนแบบหลายแกนบนโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 ควรให้ความสำคัญกับการปรับเส้นทางการเคลื่อนที่ของเครื่องมือให้เหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงรอยสั่นสะเทือนบนพื้นผิวหรือการบิ่นของเครื่องมือที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทิศทางการตัดอย่างกะทันหัน
4.3 การเจาะที่แม่นยำ
ชิ้นส่วนทางการแพทย์มีรูที่มีความแม่นยำสูงจำนวนมาก ซึ่งใช้สำหรับการติดตั้งตลับลูกปืน การวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ และการเชื่อมต่อแบบเกลียว การเจาะรูที่มีความแม่นยำสูงในวัสดุ 7075 จำเป็นต้องควบคุมความคลาดเคลื่อนของเส้นผ่านศูนย์กลางรู (โดยปกติ ±0.01 มม.) และความหยาบของผนังรูอย่างเข้มงวด ควรใช้กระบวนการคว้านหรือขยายรูเพื่อให้แน่ใจว่าเส้นผ่านศูนย์กลางรูมีความสม่ำเสมอ ในระหว่างการเจาะรูลึก ควรใช้การเจาะแบบกระแทกพร้อมระบบหมุนเวียนการกำจัดเศษวัสดุร่วมกับการระบายความร้อนภายในด้วยแรงดันสูงเพื่อป้องกันการอุดตันของเศษวัสดุและความเสียหายต่อผนังรู
| กระบวนการ | จุดควบคุมหลัก | ช่วงความอดทน |
| มิลลิ่งซีเอ็นซี | การเสียรูปของผนังบาง คุณภาพพื้นผิว | ± 0.01-0.05 มม |
| CNC Turning | ความกลม, ความเป็นศูนย์กลาง | ± 0.005mm |
| การตัดเฉือนแบบหลายแกน | ความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่ง คุณภาพพื้นผิว | ± 0.01mm |
| เจาะแม่นยำ | ความสม่ำเสมอของเส้นผ่านศูนย์กลางรูและความหยาบ | ± 0.01mm |
5. การประมวลผลหลังการผลิตของวัสดุ 7075 ในหุ่นยนต์ทางการแพทย์
หลังจากผ่านกระบวนการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC แล้ว ชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัลลอยด์ 7075 โดยทั่วไปจะต้องผ่านกระบวนการปรับปรุงคุณภาพเพิ่มเติมอีกหลายขั้นตอน เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ความต้านทานการสึกหรอ คุณภาพพื้นผิว และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของหุ่นยนต์ทางการแพทย์ในด้านความน่าเชื่อถือในระยะยาวและความปลอดภัยในการสัมผัสกับมนุษย์
5.1 การชุบอะโนไดซ์แบบแข็ง
การชุบอะโนไดซ์แบบแข็งเป็นวิธีการปรับปรุงคุณภาพหลังการผลิตที่พบได้บ่อยและสำคัญที่สุดสำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 7075
หลักการของกระบวนการ:
ชิ้นส่วนนี้ใช้เป็นขั้วบวกและ undergoes การออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าในสารละลายกรดซัลฟิวริกเพื่อสร้างฟิล์มเซรามิกหนาแน่นของอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) บนพื้นผิว
พารามิเตอร์ที่สำคัญ:
- ความหนาของฟิล์มออกไซด์: > 15 ไมโครเมตร (มาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างทางการแพทย์) และอาจสูงถึง 40-60 ไมโครเมตรในบริเวณที่มีการสึกหรอสูง
- ความแข็งของพื้นผิว: สามารถสูงถึง 400-600 HV ซึ่งสูงกว่าวัสดุพื้นฐานมาก (ประมาณ 150 HBW)
- ความต้านทานการกัดกร่อน: การทดสอบการพ่นละอองเกลือสามารถดำเนินต่อไปได้นานกว่า 500 ชั่วโมงโดยไม่มีการกัดกร่อนที่เห็นได้ชัด
คุณค่าของหุ่นยนต์ทางการแพทย์:
- ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอของตัวเรือนข้อต่อและพื้นผิวเฟรมได้อย่างมาก ทนทานต่อการเคลื่อนไหวหลายล้านครั้ง
- ทนทานต่อการกัดกร่อนทางเคมีของน้ำยาฆ่าเชื้อในห้องผ่าตัด (น้ำยาฆ่าเชื้อที่มีคลอรีน แอลกอฮอล์ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์)
- โครงสร้างที่มีรูพรุนของฟิล์มออกไซด์สามารถใช้เป็นฐานที่ดีสำหรับสีหรือสารเคลือบหล่อลื่นได้
ข้อควรระวัง: การชุบอะโนไดซ์แบบแข็งจะทำให้ขนาดของชิ้นส่วนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (ประมาณ 50% ของความหนาของฟิล์มจะขยายตัวออกด้านนอก และ 50% จะแทรกซึมเข้าไปด้านใน) สำหรับพื้นผิวที่ต้องการความแม่นยำสูง ควรเผื่อระยะการกลึงไว้ 0.02-0.05 มม.
5.2 การออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์ค (MAO)
การออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์คเป็นเทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวที่ล้ำหน้ากว่าการชุบอะโนไดซ์แบบแข็ง และการนำไปใช้กับชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 7075 ก็เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ
คุณสมบัติของกระบวนการ:
- ความหนาของฟิล์มออกไซด์สามารถสูงถึง 100-200 ไมโครเมตร ซึ่งมากกว่าการชุบอะโนไดซ์แบบแข็งถึง 2-4 เท่า
- ความแข็งของพื้นผิวสามารถสูงถึง 1500-2000 HV ซึ่งใกล้เคียงกับระดับเซรามิก
- ฟิล์มออกไซด์นี้ยึดติดกับพื้นผิวด้วยพันธะโลหะวิทยาที่มีความแข็งแรงในการยึดเกาะสูงมาก และไม่สามารถลอกออกได้ง่าย
การประยุกต์ทางการแพทย์:
- ตัวเรือนแบริ่งข้อต่อและหมุดกำหนดตำแหน่งที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอสูงมาก
- ส่วนประกอบโครงสร้างที่มองเห็นได้ ซึ่งจำเป็นต้องทนต่อการฆ่าเชื้อและการทำความสะอาดด้วยเครื่องจักรซ้ำๆ
- สามารถใช้เป็นตัวนำสำหรับสารเคลือบต้านแบคทีเรีย (การออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์คที่บรรจุเงิน) ซึ่งจะทำให้พื้นผิวมีคุณสมบัติต้านแบคทีเรียอย่างมีประสิทธิภาพ
ข้อจำกัด:พื้นผิวค่อนข้างหยาบหลังจากกระบวนการออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์ค (Ra 1.0-2.0 μm) และจำเป็นต้องประเมินว่าจำเป็นต้องมีการเจียรละเอียดหรือขัดเงาเพิ่มเติมหรือไม่ โดยพิจารณาจากหน้าที่การใช้งานของชิ้นส่วน
5.3 การขัดเงาด้วยสารเคมีและการขัดเงาด้วยไฟฟ้า
สำหรับชิ้นส่วน 7075 ที่สัมผัสกับผิวหนังหรือเนื้อเยื่ออ่อนของมนุษย์ ความเรียบของพื้นผิวส่งผลโดยตรงต่อความสบายในการสวมใส่และความสะดวกในการทำความสะอาด
การเปรียบเทียบกระบวนการ:
| กระบวนการ | หลัก | ผลกระทบพื้นผิว | การประยุกต์ทางการแพทย์ |
| ขัดเคมี | สารละลายเคมีจะละลายส่วนที่ยื่นออกมาขนาดเล็กบนพื้นผิว | ค่า Ra สามารถสูงถึง 0.2-0.4 μm | พื้นผิวด้านในของโครงกระดูกภายนอกที่สัมผัสกับผิวหนัง |
| ไม่มีไฟฟ้า | การละลายด้วยไฟฟ้าเคมี ช่วยขจัดชั้นที่ได้รับผลกระทบจากการกลึง | ค่า Ra สามารถสูงถึง 0.05-0.1 μm | ด้ามจับเครื่องมือผ่าตัด, ตัวเรือนเซ็นเซอร์ |
คุณค่าของหุ่นยนต์ทางการแพทย์:
- ช่วยขจัดร่องรอยจากการผลิตและเสี้ยนเล็กๆ ลดจุดที่แบคทีเรียจะเกาะติด
- ลดการเสียดสีกับผิวหนัง ช่วยให้สวมใส่สบายยิ่งขึ้น
- การขัดเงาด้วยไฟฟ้าช่วยขจัดชั้นความเค้นตกค้างและรอยแตกขนาดเล็กที่เกิดจากการตัด ทำให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
5.4 การเคลือบผิวและการปิดผนึก
การเคลือบผิวและการปิดผนึกเป็นกระบวนการเสริมที่จำเป็นหลังจากกระบวนการชุบอะโนไดซ์หรือการออกซิเดชันด้วยไมโครอาร์ค
การเคลือบผิว:การเคลือบผิวด้วยน้ำร้อน ไอน้ำ หรือเกลือของนิกเกล/โคบอลต์ จะเข้าไปเติมเต็มรูพรุนขนาดเล็กของฟิล์มออกไซด์ ทำให้ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีขึ้นและป้องกันการเปลี่ยนสี ชิ้นส่วนทางการแพทย์มักใช้การเคลือบผิวด้วยน้ำร้อนหรือไอน้ำเพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพจากสารตกค้างของเกลือโลหะหนัก
การบำบัดด้วยการเคลือบผิว: การบำบัดด้วยการเคลือบผิวทางเคมีจะดำเนินการกับพื้นผิวที่ไม่เกิดออกซิเดชันของโลหะผสม 7075 (เช่น พื้นผิวสัมผัสที่มีความแม่นยำสูงและรูเกลียว) เพื่อสร้างฟิล์มเคลือบผิวที่บางและหนาแน่น ป้องกันการกัดกร่อนจากการสัมผัส
5.5 การเคลือบ
| ชนิดเคลือบผิว | ฟังก์ชัน | แอพลิเคชันทั่วไป |
| การเคลือบ PTFE | ลดแรงเสียดทาน หล่อลื่นในตัว | พื้นผิวเลื่อนร่วม |
| การเคลือบ DLC | ความแข็งสูงมาก แรงเสียดทานต่ำ | พื้นผิวสัมผัสการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยำสูง |
| สารเคลือบต้านแบคทีเรียที่มีส่วนประกอบของเงิน | กำจัดแบคทีเรียบนพื้นผิวได้อย่างมีประสิทธิภาพ | ด้ามจับและพื้นผิวสัมผัสของอุปกรณ์ฟื้นฟูสมรรถภาพ |
| สารเคลือบโพลียูรีเทนเกรดทางการแพทย์ | ช่วยให้สัมผัสดีขึ้น และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีขึ้น | พื้นผิวด้านนอกของชิ้นส่วนที่ถือด้วยมือ |
วัสดุ 7075 นั้นไม่มีคุณสมบัติในการต้านเชื้อแบคทีเรียโดยตัวมันเอง ในกรณีที่ต้องการคุณสมบัติในการต้านเชื้อแบคทีเรียหรือการปรับปรุงพื้นผิว จึงจำเป็นต้องใช้สารเคลือบผิว
ข้อกำหนดทางการแพทย์:สารเคลือบทั้งหมดต้องผ่านการทดสอบความเข้ากันได้ทางชีวภาพตามมาตรฐาน ISO 10993 เพื่อให้มั่นใจได้ว่าจะไม่มีการปล่อยสารพิษต่อเซลล์
5.6 การตรวจสอบและรับรองคุณภาพ
หลังจากผ่านกระบวนการหลังการผลิตแล้ว ชิ้นส่วนทางการแพทย์ 7075 จะต้องผ่านการทดสอบต่อไปนี้ก่อนออกจากโรงงาน:
5.6.1 การตรวจสอบคุณภาพการเคลือบผิว
การวัดความหนาของฟิล์มออกไซด์:
ความหนาของฟิล์มออกไซด์วัดโดยใช้วิธีกระแสไหลวนหรือวิธีทางโลหะวิทยา เพื่อให้แน่ใจว่ามีความหนามากกว่า 15 ไมโครเมตร
การทดสอบความแข็ง:
การทดสอบความแข็งแบบไมโคร-วิคเกอร์สเพื่อวัดความแข็งของพื้นผิว
การทดสอบการยึดเกาะ:
การทดสอบแบบตัดขวางหรือการทดสอบแบบตกกระแทกเพื่อตรวจสอบการยึดเกาะของสารเคลือบ
5.6.2 การตรวจสอบความต้านทานการกัดกร่อน
การทดสอบสเปรย์เกลือ:
โดยทั่วไป ไม่จำเป็นต้องมีการกัดกร่อนที่เห็นได้ชัดเจนเป็นเวลา ≥168 ชั่วโมง (ตามมาตรฐาน ASTM B117)
การทดสอบรอบการฆ่าเชื้อ:
จำลองกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยอุณหภูมิสูงและความดันสูง รวมถึงการแช่ในสารฆ่าเชื้อทางเคมี เพื่อตรวจสอบความเสถียรของพื้นผิว
5.6.3 การวัดขนาดใหม่
การประมวลผลภายหลังอาจส่งผลกระทบเล็กน้อยต่อขนาดไฟล์
พื้นผิวสัมผัสที่สำคัญจะต้องได้รับการวัดใหม่โดยใช้เครื่องวัดพิกัด CMM
5.6.4 การวัดขนาดใหม่
กระบวนการปรับแต่งหลังการผลิตอาจส่งผลกระทบเล็กน้อยต่อขนาด พื้นผิวสัมผัสที่สำคัญจะต้องได้รับการวัดใหม่ด้วยเครื่องวัดพิกัด
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนแปลงขนาดอยู่ในช่วงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ก่อนทำการประกอบ
6เหตุใดจึงควรเลือก NOBLE สำหรับคุณr ทางการแพทย์ ส่วน ผู้ผลิต?
NOBLE เป็นบริษัทแปรรูปโลหะที่ได้รับการรับรอง โดยมีประสบการณ์มากกว่า 12 ปีในการผลิตชิ้นส่วนโลหะคุณภาพสูง
จากที่ตั้งของเราในเมืองเซินเจิ้น ประเทศจีน เราให้บริการแปรรูปโลหะแผ่นและชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่มีความแม่นยำสูงสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ หุ่นยนต์ และการแพทย์ ตั้งแต่ปี 2012 เราได้เป็นพันธมิตรที่เชื่อถือได้สำหรับผู้ผลิตชิ้นส่วนสำหรับยานพาหนะอุตสาหกรรมและชิ้นส่วนหุ่นยนต์ โดยนำเสนอเส้นทางการผลิตที่ครบวงจร ตั้งแต่การแปรรูปเบื้องต้นไปจนถึงชิ้นส่วนสำเร็จรูป
สิ่งที่ทำให้เราแตกต่างคือการมุ่งเน้นไปที่นวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ด้วยการผสานระบบอัตโนมัติขั้นสูงเข้ากับฝีมือช่างผู้เชี่ยวชาญ เราจึงมั่นใจได้ว่าทุกชิ้นส่วนมีคุณภาพตามมาตรฐานที่เข้มงวด โรงงานของเราได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO 9001 และ ISO 13485 ซึ่งตอกย้ำความมุ่งมั่นของเราในการบริหารจัดการคุณภาพ ความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อม และความปลอดภัยในที่ทำงาน
สิ่งนี้ทำให้บริษัทของคุณมีพันธมิตรที่เชื่อถือได้สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงสม่ำเสมอ การตรวจสอบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ และการปฏิบัติตามมาตรฐานสากลอย่างครบถ้วน ตั้งแต่การผลิตชิ้นส่วนโลหะแผ่นที่ซับซ้อนไปจนถึงชิ้นส่วนเชิงกลสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง ทีมงานของเราพร้อมที่จะตอบสนองเป้าหมายการผลิตของคุณ
F&Q
1.อะไรคือสิ่งที่ดีที่สุด โลหะผสมอลูมิเนียมสำหรับงานกลึง CNC?
อะลูมิเนียม 6082 เป็นอะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงสุดในซีรีส์ 6000 และโดยรวมแล้วเป็นโลหะผสมเชิงพาณิชย์ที่มีความแข็งแรงปานกลาง ในรูปแบบแผ่น อะลูมิเนียมชนิดนี้กลายเป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมที่นิยมใช้ในการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC มากที่สุด เนื่องจากต้นทุนต่ำและสามารถขึ้นรูปได้ง่าย โดยมีประสิทธิภาพสูง
2. โลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 มีการใช้งานในด้านใดบ้าง?
7075 ยังถูกเรียกว่าโลหะผสม "เกรดอากาศยาน" เนื่องจากเป็นหนึ่งในโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงที่สุดในตลาด มีการนำไปใช้ในยานอวกาศ เครื่องบิน ขีปนาวุธ และการใช้งานด้านการป้องกันประเทศอื่นๆ
3. อะลูมิเนียม 7075 ยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรมากกว่าอะลูมิเนียม 6061 หรือไม่?
ใช่ครับ เหล็กกล้าไร้สนิม 7075 สามารถขึ้นรูปได้ดี แต่ความแข็งแรงที่สูงกว่าอาจทำให้เครื่องมือสึกหรอเร็วกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม 6061 ครับ
4. คุณสามารถเชื่อมอลูมิเนียม 7075 ได้หรือไม่?
โดยทั่วไปแล้วไม่แนะนำให้ใช้โลหะผสม 7075 ในการเชื่อม เนื่องจากกระบวนการเชื่อมอาจลดคุณสมบัติทางกลและเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกร้าวได้
5. เหตุใดโลหะผสมอลูมิเนียม 7075 จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมอุปกรณ์ทางการแพทย์ในปัจจุบัน?
โลหะผสมอะลูมิเนียม 7075 มีคุณสมบัติเด่นด้านความแข็งแรงจำเพาะสูง ผสานความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา รองรับการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC ที่แม่นยำ และทนต่อการฆ่าเชื้อซ้ำๆ หลังจากการปรับสภาพพื้นผิว จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างรับน้ำหนักสูงของหุ่นยนต์และอุปกรณ์ทางการแพทย์
