醫(yī)用球囊成型工藝與壁厚關(guān)系研究

對(duì)于球囊成型過(guò)程的研究，一直以來(lái)是一種“黑箱”藝術(shù)。球囊的成型過(guò)程復(fù)雜，期間伴隨著溫度、拉伸速度、吹脹壓力等多個(gè)工藝參數(shù)的變化，數(shù)值模擬有一定難度。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)球囊成型的數(shù)值模擬研究報(bào)道較少，僅有Menary和 Armstrong兩人通過(guò)ABAQUS有限元軟件對(duì)球囊成型的一次拉伸階段進(jìn)行了數(shù)值模擬，然后借助高速攝像機(jī)拍攝的球囊成型過(guò)程與模擬過(guò)程比對(duì)，驗(yàn)證了模擬的正確性。

數(shù)值模擬法為球囊成型機(jī)理的研究提供了一種新的思路，它可以代替試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)快速確定管坯的尺寸及成型過(guò)程參數(shù)的優(yōu)選，因此為克服傳統(tǒng)試錯(cuò)法的弊端，促進(jìn)新球囊的開(kāi)發(fā)以及球囊生產(chǎn)過(guò)程適當(dāng)工藝條件的確定，本研究采用有限單元數(shù)值分析方法，研究球囊成型過(guò)程工藝與壁厚的關(guān)系。

由于球囊要求苛刻，大部分球囊材料采用PA12。PA12具有表面光滑、良好的熱塑性、尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、熔點(diǎn)低和易加工的特點(diǎn)，可以滿足醫(yī)用球囊的要求。本文數(shù)值模擬的對(duì)象取材料為PA12的PTA球囊，規(guī)格為9×40mm。

圖1 球囊成型過(guò)程示意圖

球囊的成型過(guò)程可以用雙軸拉伸的機(jī)理來(lái)解釋。PA12材料被加熱到玻璃化溫度和黏流溫度之間以后，通過(guò)雙軸拉伸取向成型。目前，球囊的生產(chǎn)工藝大多采用INTERFACE公司提供的生產(chǎn)工藝。該工藝流程被分為兩步，第一步是在料管拉伸機(jī)上對(duì)管坯進(jìn)行拉伸，生成料泡；第二步是將料泡置入模具中，在球囊成型機(jī)上進(jìn)行球囊成型。成型示意圖如圖1所示。本研究借助有限元軟件，模擬球囊在成型機(jī)上的成型過(guò)程。

球囊成型的關(guān)鍵是在球囊成型機(jī)上工藝參數(shù)設(shè)置。按照工藝參數(shù)的變化，可將其過(guò)程分為五步，本研究球囊每步的工藝參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 球囊成型參數(shù)

第一步是將料泡置入球囊成型機(jī)模具后，通入氮?dú)猓３值蛪簤毫?.6MPa，逐步升高模具溫度到110℃。

第二步是模具達(dá)到指定溫度110℃時(shí)，對(duì)料泡進(jìn)行雙向拉伸，模具內(nèi)壓力保持低壓2.6MPa，兩端夾具的拉伸速度為70mm/s，拉伸距離為35mm。

第三步是穩(wěn)定經(jīng)過(guò)第一次拉伸后成型的型坯。

第四步是升高壓力的同時(shí)對(duì)料泡進(jìn)行二次拉伸，兩端夾具的拉伸速度為10mm/s，拉伸

距離為5mm。二次拉伸的目的是通過(guò)高壓使球囊完全貼合模具壁，并減薄其錐部與中間段。

第五步是加熱保壓和冷卻脫模階段，這一步是為了使成型好的球囊完成結(jié)晶取向，并將取向的高分子鏈冷卻固化下來(lái)。

球囊成型最關(guān)鍵的部分就是第二、第三和第四步，這三步?jīng)Q定了球囊的外形及壁厚分布。由于在這三步工藝中，模具溫度并未變，所以本研究模擬采用等溫模型對(duì)球囊在低吹壓力下的一次拉伸和高吹壓力下的二次拉伸成型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 幾何模型

在球囊成型機(jī)上，參與球囊成型的主要部分為左、右兩端夾具、模具和料泡。夾具和模具在成型過(guò)程中認(rèn)為是剛體，基本不變形。料泡在成型過(guò)程中為變形體，經(jīng)歷了大變形。料泡和目標(biāo)球囊的結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖2、圖3所示。

圖2 料泡的結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 目標(biāo)球囊的結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 網(wǎng)格劃分

最終球囊成型的結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu)，且料泡其他方向尺寸遠(yuǎn)大于壁厚尺寸，所以選用薄殼單元。對(duì)料泡進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4，料泡的拉伸段不參與成型，網(wǎng)格劃分相對(duì)疏一些；而料泡的未拉伸段是球囊成型的主體，網(wǎng)格劃分密一些。網(wǎng)格單元總數(shù)為12240。

圖4 球囊成型有限元模型

2.3 材料參數(shù)

料泡未拉伸段材料模型選為yeoh高彈模型，擬合PA12雙軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線得到模型參數(shù)為C10=5.04808、C20=-0.0162656、C30=0.00445334。PA12作為一種半結(jié)晶塑料，經(jīng)過(guò)拉伸取向之后，結(jié)晶度提高，導(dǎo)致其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度也提高。在球囊成型過(guò)程中，料泡拉伸段不參與成型，所以這里設(shè)為線彈性材料，彈性模量為200MPa，泊松比為0.33。

球囊成型的數(shù)值模擬過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的比對(duì)見(jiàn)圖5。一次拉伸結(jié)束后，球囊基本已經(jīng)成型，從數(shù)值模擬中可以看出，只有模具的錐部倒角部分還沒(méi)有貼壁成型。在二次拉伸結(jié)束后，球囊在高壓和拉伸作用下已經(jīng)完全貼壁，這時(shí)球囊已經(jīng)完全成型。對(duì)比二者，數(shù)值模擬所描述的球囊成型過(guò)程和實(shí)際過(guò)程相符合。

圖5 球囊成型的數(shù)值模擬過(guò)程與實(shí)驗(yàn)過(guò)程比對(duì)

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際成型球囊工作段的壁厚分布對(duì)比圖如圖6所示。二者有相近的變化趨勢(shì)，盡管二者存在差異：工作段主要部分的實(shí)際壁厚值比模擬的壁厚值小，靠近錐部部分實(shí)際壁厚值大于模擬的壁厚值。實(shí)際值整體偏小的可能是由于一次拉伸和二次拉伸結(jié)束以后高溫保壓和冷卻階段，材料產(chǎn)生結(jié)晶和回縮導(dǎo)致壁厚減小，這在模擬中沒(méi)有考慮。

錐部附近壁厚模擬值偏大的原因可能是模擬采用的本構(gòu)方程沒(méi)有考慮粘性因素，實(shí)際加工時(shí)的PA12會(huì)有一定的粘性，粘性會(huì)導(dǎo)致材料在錐部附近堆積。鑒于以上分析可以確定數(shù)值模擬方法考察工藝參數(shù)對(duì)球囊工作段中間點(diǎn)壁厚的影響是可行的。

圖6   球囊工作段壁厚分布對(duì)比圖

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，球囊的壁厚指的是工作段中間點(diǎn)和兩端的三點(diǎn)壁厚。中間點(diǎn)的壁厚一般會(huì)小于兩端的壁厚，是球囊最易爆破的點(diǎn)。所以本研究主要是研究工作段中間點(diǎn)壁厚與球囊成型工藝參數(shù)的關(guān)系。

4.1 工藝參數(shù)對(duì)球囊壁厚的影響

考慮拉伸和吹脹壓力工藝：一次拉伸、二次拉伸速率、低吹壓力、高吹壓力四個(gè)因素對(duì)最終中間段壁厚的影響。其他工藝參數(shù)為定量，分別以一次拉伸速度和二次拉伸速度為變量，拉伸速率對(duì)成型壁厚的影響結(jié)果如下圖7和圖8，可以看出拉伸速度越大，球囊壁厚越小。其中二次拉伸速度對(duì)中間壁厚的影響較小。

圖7   不同一次拉伸速度

圖8   不同二次拉伸速度

從球囊壁厚大小的變化范圍來(lái)看，圖9和圖10，低吹壓力相比拉伸速度對(duì)球囊壁厚的影響較小。吹脹壓力的大小和球囊壁厚之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，這也是由于材料的非線性引起的。球囊在一次拉伸完成的情況下，已經(jīng)基本成型，高吹壓力的目的是使球囊與模具未貼合部分實(shí)現(xiàn)緊密貼合。高吹壓力的變化會(huì)造成球囊的中間壁厚的波動(dòng)，但是波動(dòng)的幅度也是很小的?？偟膩?lái)說(shuō)，吹脹壓力對(duì)球囊的壁厚為非線性的影響關(guān)系。低吹壓力對(duì)球囊的中間壁厚有一定的影響，高吹壓力對(duì)球囊的中間壁厚影響很小。

圖9 不同低吹壓力

圖10 不同高吹壓力

4.2 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際的加工工藝參數(shù)和范圍，對(duì)于一次拉伸速度（V），低吹壓力（P），二次拉伸速度（S），高吹壓力（H）這四個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。每個(gè)因素設(shè)置四個(gè)水平，對(duì)4因素4水平，選取田口型正交表作為實(shí)驗(yàn)方案，如表2所示。

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)極差分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)壁厚影響大小的排序?yàn)椋阂淮卫焖俣?gt;低吹壓力>二次拉伸速度>高吹壓力，參見(jiàn)圖11和圖12。

表2 工藝條件因素水平表

圖11 因素水平與指標(biāo)趨勢(shì)圖

圖12 各工藝條件對(duì)壁厚的影響占比圖

4.3 成型工藝參數(shù)與壁厚關(guān)系的回歸模型

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立工藝參數(shù)與壁厚的回歸模型。設(shè)一次拉伸速度（V）、低吹壓力（P）、二次拉伸速度（S）和高吹壓力（H）為回歸模型變量，目標(biāo)函數(shù)f(x)為壁厚。將壁厚與各參數(shù)之間關(guān)系表示成如下函數(shù)：

       f(x)=rVqPyStHk                    （1）

其中，V、P、S、H為工藝參數(shù)，r，q，y，t，k為模型系數(shù)。結(jié)合模擬結(jié)果，運(yùn)用數(shù)學(xué)軟件matlab對(duì)式（1）進(jìn)行擬合，得到壁厚與工藝參數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下：

f(x)=0.06694V-0.10597P-0.02556S-0.00916H-0.03473（2）

對(duì)擬合的模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。其中，F(xiàn)=5.19>F0.05(4, 11) =3.36，表明擬合的模型回歸效果顯著，符合F檢驗(yàn)。相關(guān)系數(shù)R=0.9978和1很接近。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn),擬合曲線和實(shí)際結(jié)果一致，表明該回歸模型可以較好地表達(dá)壁厚和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

本文采用球囊的實(shí)際成型工藝對(duì)球囊成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，經(jīng)與實(shí)際結(jié)果比較，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性與正確性，表明數(shù)值模擬的方法能夠用于球囊成型過(guò)程研究。在等溫的條件下，對(duì)球囊成型過(guò)程的一次拉伸和二次拉伸數(shù)值模擬結(jié)果顯示，一次拉伸速度是決定球囊壁厚的主要因素。

基于球囊成型工藝參數(shù)因素進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)計(jì)算，根據(jù)所得結(jié)果建立了工藝參數(shù)與球囊壁厚關(guān)系的回歸模型。該模型可以用于成型工藝參數(shù)范圍內(nèi)，快速優(yōu)選球囊成型的拉伸速率與吹脹壓力工藝組合。

目前對(duì)球囊成型過(guò)程進(jìn)行的是等溫?cái)?shù)值模擬，下一步的工作應(yīng)著眼于考慮溫度的材料本構(gòu)模型的研究，以期取得更完善的結(jié)果。