Firma Novare Surgical przeszła na formowanie wtryskowe metali, coraz częściej stosowany proces, który łączy to, co najlepsze w tworzywach sztucznych i metalach
Szczęki RealHand są formowane wtryskowo.
Dave Danitz wynalazł nowy typ w pełni mechanicznego laparoskopu, który wymaga wąskich tolerancji wykonania metalowej szczęki na przeciwległym, odległym końcu instrumentu, tnącym tkankę lub utrzymującym niezbędne narzędzia.
Skorzystał on z nowej technologii, w której szeroki asortyment metali można formować wtryskowo z zachowaniem wąskich tolerancji. Zaczęliśmy od przyglądania się możliwości odlewania szczęk metodą traconego wosku – stwierdza Danitz, wiceprezes ds. badań i rozwoju w firmie Novare Surgical Systems. Istniało kilka elementów, w których potrzebujemy dość wąskich tolerancji, więc odlewanie metodą traconego wosku nie wyglądało na najlepsze rozwiązanie.
W procesie formowania wtryskowego metali drobne ilości metalu są mieszane z plastikowym spoiwem, które pozwala materiałowi przejść przez standardową wtryskarkę i wypełnić wgłębienia formy, prawie tak samo, jak w przypadku tworzyw w 100 procentach sztucznych. Tworzywo sztuczne jest następnie usuwane z elementu w procesie separacji, a potem część jest formowana w ostateczny kształt za pomocą spiekania. Wymiary tej części mogą być o około 60 procent mniejsze niż tej po wyjęciu z formy.
Kurczenie się jest bardzo przewidywalne – twierdzi Tony Pelke, inżynier w firmie Phillips Plastics, która zajmuje się formowaniem szczęk instrumentów chirurgicznych dla Novare Surgical. Jest niezwykle ważne, by proces rozpoczął się z wykorzystaniem surowca o niezmiennej, wysokiej jakości.
Najwęższe tolerancje w szczękach wykorzystywanych w systemie RealHand firmy Novare (patrz ramka na stronie 44) dotyczą tylnej końcówki narzędzia. Znajduje się tam podłużny otwór ustawiony pod pewnym kątem – dodaje Danitz – więc kiedy przesunie się przez niego przetyczkę, powoduje to ruch szczęki. Chcemy więc zmniejszyć do minimum siłę potrzebną do poruszenia szczękami. Musimy wykorzystać do maksimum mechaniczne zalety szczęki. Szczelina ta znajduje się dokładnie na granicy przestrzeni, w którą można wsunąć przetyczkę, i jeśli zrobi się to odrobinę za płytko, zakleszcza się. Mówimy o tolerancji kątowej rzędu połowy stopnia, co po przeliczeniu na tolerancje wymiarowe daje plus minus 25,4 mikrona.
Phillips Plastics wykorzystuje urządzenie do kalibracji wtórnej, w którym każda ze szczęk umieszczona została pod systemem wizyjnym. Napędzany serwomechanizmami mechanizm kalibruje szczękę z obu stron, by zagwarantować, że znajduje się ona we właściwym położeniu. A podczas końcowego montażu, niezależnie od tego, jaką kombinację szczęki górnej i dolnej się wybierze, będą one doskonale wyrównane względem siebie – nadmienia Pelke. Największy problem ze szczękami medycznymi polega na tym, że ich końcówki muszą być wyrównane, zaś ich zęby muszą zachodzić na siebie.
Zastosowanie szczęk Novare to dobry przykład, który ilustruje, dlaczego częstotliwość stosowania systemu formowania wtryskowego metali rośnie w tempie 10 do 12 procent rocznie, mimo że produkcja w USA rośnie w tempie zaledwie 2 procent rocznie.
Wysokowydajny proces
Formowanie wtryskowe metali to technologia wysokowydajna, która umożliwia regularną produkcję detali o wielkości zaledwie 0,25 mm i tworzenie kształtów, których nie da się uzyskać stosując procesy konwencjonalne, takie jak tłoczenie, obróbka skrawaniem, a nawet standardowa metalurgia proszkowa – stwierdza Matt Bulger, prezes Metal Injection Molding Assn. (Zrzeszenia na Rzecz Formowania Wtryskowego Metali) i dyrektor generalny NetShape Technologies. I otrzymuje się materiały, które pod względem właściwości mechaniczno- fizycznych zbliżone są do ich odpowiedników wytwarzanych metodą frezowania.
Innymi słowy, otrzymuje się materiał o właściwości metali, ale w kształtach, które wcześniej dało się uzyskać, stosując tylko tworzywa sztuczne.
Większość zastosowań wtryskowego formowania metali to produkcja części, które były wcześniej wykonywane za pomocą innych technologii. Specjaliści twierdzą, że jeśli projektanci braliby pod uwagę formowanie metali na samym początku projektowania danego produktu, na procesie tym skorzystałoby o wiele więcej projektów.
Elementy przekładni przegubowej, zastosowane w chirurgicznym urządzeniu zszywającym, ukazują stopień złożoności metalowych części formowanych.
Jeśli formowanie wtryskowe metali weźmie się pod uwagę na wstępnym etapie projektowania, dość niewielkie zmiany mogą mieć poważne konsekwencje natury finansowej lub dla wydajności produkcji – stwierdza Randall M. German, profesor budowy maszyn na Mississippi State University oraz specjalista z wieloletnim doświadczeniem w dziedzinie formowania metali. Największe sukcesy osiągnięto w projektach, w których łączono funkcje, nie tylko w podobnych materiałach, ale w materiałach różniących się od siebie.
Istnieją na przykład zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym, w których jedna część danego elementu jest magnetyczna, a druga niemagnetyczna. Można to wykorzystać, gdy ma się obracające koło zębate, a jednocześnie chce się zastosować czujnik do pomiaru prędkości – dodaje German.
Szczęki do instrumentu Novare Surgical zaprojektowano nieco inaczej, pod kątem procesu formowania metali. Wspólnie z Novare dokonaliśmy analizy każdego wymiaru podzespołu podczas przeglądu projektu – opowiada Pelke. Naprawdę staraliśmy się zoptymalizować projekt pod kątem procesu. Na przykład projektowaliśmy w płaskich elementach, by pozostawić margines na właściwe konfiguracje przy spiekaniu. Część musi być właściwie wspierana, by można było uniknąć potencjalnych problemów w końcowej fazie procesu.
Formowanie wtryskowe metali najlepiej nadaje się do projektów niewielkich, cokolwiek skomplikowanych części, przy wymaganiach produkcyjnych rzędu co najmniej 5000 sztuk. Jeśli część jest zbyt prosta, jej wykonanie przy zastosowaniu technologii formowania wtryskowego metali byłoby zbyt kosztowne (z racji kosztów oprzyrządowania) – stwierdza German. Jeśli przejdzie się do części bardzo skomplikowanych, nałożenie się tolerancji może okazać się zabójcze. Widziałem kiedyś część do samochodu, która miała 130 trudnych do zachowania wymiarów i to okazało się trochę za dużo dla technologii. Istnieje okno dla poziomu skomplikowania i pewna ilośćspecyfikacji, w których technologia ta naprawdę pokazuje, na co ją stać.
Części formowane są zazwyczaj dość małe. Jak te, które wykorzystano w zespole zamków do zabezpieczania domu.
Według ocen Bulgera, formowanie wtryskowe metali daje zazwyczaj oszczędności rzędu 40 do 50 procent przy zastosowaniu odpowiedniej geometrii.
dn
Ruchy szczęk RealHand naśladują ruchy ręki chirurga.
Debiut chirurgii wykorzystującej naturalne otwory w ciele
Szczęki z metalu formowanego wtryskowo to jeden z elementów tworzących laparoskop RealHand firmy Novare Surgical
Instrumenty tradycyjnie wykorzystywane podczas zabiegów operacyjnych w rejonie żołądka (laparoskopowych) są sztywne i wymagają wielu otworów, przez które można wprowadzić instrumenty chirurgiczne i kamery. W przypadku RealHand, szczęki odchylają się na przegubach, w lewo lub w prawo i w górę, i w dół. Jeszcze bardziej zadziwiające jest to, że ruch szczęk naśladuje ruch ręki chirurga, gdy porusza on uchwytem.
Oznacza to, że do tkanki podskórnej można podchodzić z dowolnego kierunku – twierdzi Dave Danitz, wiceprezes ds. badań i rozwoju w firmie Novare, który wynalazł tę technologię. Nie ma ograniczeń, co do kierunku instrumentu wchodzącego przez punkt wprowadzenia.
Niewielkie, przegubowe złącza łączą szczęki i uchwyt z trzonkiem, którego długość może wynosić od 24 do 45 cm. Instrument nie zawiera podzespołów elektronicznych.
Stwierdziliśmy, że można wziąć wszystkie otwory, jakie wykorzystuje się przy typowym zabiegu operacyjnym i zamiast nich oraz dzięki dodatkowemu stopniowi swobody wykorzystać tylko jeden otwór, jaki daje ten instrument – dodaje Danitz. Chirurdzy wykonują teraz zabiegi operacyjne, w których wszystkie punkty znajdują się w pępku. W wyniku tego, kamera i jeden lub dwa instrumenty odchylające się na przegubach przechodzą przez pępek nie pozostawiając widocznej blizny. Niebezpieczeństwo infekcji także zostaje zmniejszone.
Novare idzie nawet jeszcze jeden krok naprzód, badając metodę zwaną NOTES (Natural Orifice Translumenal Endoscopic Burgery – operacje we wnętrzu ciała przeprowadzane przez naturalne otwory), w której RealHand wprowadza się przez usta pacjenta lub inny naturalny otwór. Niedawno za pomocą metody NOTES dokonano pierwszego usunięcia wyrostka robaczkowego.
