机械类医用导管挤出机头的设计剖析文档格式.docx
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1.1.2.1精密医用导管的应用
医用导管种类繁多，材料各异。
据结构和作用特点，导管分为普通导管和特殊导管两类。
与导管配套使用的有鞘管、腔内支架等。
a.普通导管
普通导管为一段具有一定长度的塑料管，前端渐细以便于插入血管；
尾部与注射针头尾端相同，以便于与注射器相连接。
普通导管的前段有多种形状，如单弧、反弧、双弧、强化双弧、肝弧正面观、肝弧侧面观、三弧等，以利于插入不同部位的血管。
导管的规格常用F数来表示，如6F或7F等，F数等于导管外周长的毫米数。
b.特殊导管
特殊导管的性状和构造相对比较复杂，所完成的医用功能也是多种多样的。
大体包括球囊导管和其他导管。
球囊类导管是应用最多的一类导管，包括普通双腔单球囊导管、双腔双叶球囊导管、双腔三叶球囊导管、双腔单球囊导管、四腔双球囊导管（颈动脉成形术用球囊导管）、可脱性球囊导管、带孔球囊导管、冠状动脉成形术用球囊导管、快速交换球囊导管、导丝上球囊导管、尖段带固定引导钢丝的球囊导管、组合串联球囊导管（三腔双囊）、灌注球囊导管、激光球囊导管）、射频热球囊导管（三腔单球囊导管）等。
图1-1球囊扩张导管
Fig1-1Balloondilatedducts
ｃ．鞘管
鞘管又称导管鞘，主要用于引导导管、球囊导管或其他血管内器具顺利地进入血管。
鞘管由外鞘、扩张器和短导丝组成。
鞘管分为普通鞘管、防漏鞘管、剥皮导管插入鞘和长鞘管四种。
ｄ．常用的精密医用导管
中心静脉导管
中心静脉导管一般采用医用级聚氨酯制造，具有极好的生物相容性。
导管在Ｘ光下清晰可见，并配以特制的柔性软头，可最大限度地避免血管损伤。
中心静脉导管见下图
图1-2中心静脉导管
Fig1-2Centralvenouscatheter
中心静脉导管的用途：
•持续和间断静脉输液
•输血和血液制品
•中心静脉压监制
•采集血液标本
•全肠外静脉营养
透析导管
透析导管是专门用于血液透析的一种导管，它为中心静脉导管与透析仪的连接提供了安全有效的通道。
透析导管多采用医用级聚氨脂制成，具有高弹性和极好的生物相容性。
科学的孔腔设计使导管具有良好的刚性和小的液流阻力；
同时配有直头、变外延管、弯管体等各种型号的导管供选择。
图1-3血液透析管
Fig1-3Hemodialysistube
动脉导管鞘
动脉导管鞘主要是用于为导管置入人体提供一个安全有效的通道。
图1-4动脉导管鞘
Fig1-4Arterycathetersheath
管腔内支架
管腔内支架在治疗二尖瓣狭窄、心肌梗塞、结石或肿瘤导致的胆囊狭窄等疾病中得到了成功的应用。
图1-5管腔内支架
Fig1-5Lumenstent
单、多腔引流及电极导（套）管
如下图所示的各种单腔、多腔管材大量用于临床治疗中的引流，以及各种高频、低频治疗设备的电极套管。
图1-6电极导管
Fig1-6Electrodecatheter
1.1.2.2精密医用导管的发展前景
据不完全统计，中国每年进口的各类导管超过1.5亿元，各类导管的消耗占中国150亿医疗器械销售额的7.8%。
1.2精密医用导管生产设备
1.2.1精密医用导管生产设备的研发现状
精密挤出成型主要包括精密塑化、精密控制、精密成型等三方面的技术内容。
从实现精密挤出成型的技术途径主要包括两个方面:
一方面要最大程度地提高挤出成型过程温度、压力和流量的稳定性,另一方面是通过先进控制（闭环控制、模糊控制、统计过程控制等）手段,对挤出成型过程的波动进行即时自动调整。
1.2.1.1国外医用导管生产设备的技术现状
国外精密医用导管生产设备主要采用了如下关键技术来满足生产要求：
（1）高精密熔体齿轮泵技术
设计制造高精密熔体齿轮泵，与单螺杆挤出机串联使用，可以将挤出流量的波动降低95%以上，确保了导管的轴向尺寸稳定性。
（2）伺服驱动系统的采用
在挤出机驱动系统、高精密熔体齿轮泵的驱动系统和导管牵引机的驱动系统中采用伺服电机替代变频电机或直流电机，使驱动精度提高90%以上，控制响应时间提高80%以上。
（3）先进控制系统的采用
在精密导管生产设备上采用SPC（统计过程控制）系统，替代传统的PLC控制系统，使得挤出机及模具的控温精度达到±
1℃，确保挤出过程物料塑化和流动的稳定性。
（4）在线测量技术的采用
测径仪、测厚仪、高精度数字编码器、失重式计量料斗、高精度温度传感器、高精度压力传感器等先进在线测量技术的采用，为实现对导管生产过程的精密控制提供了必要条件。
国外医用导管的发展主要反映在：
a生产过程的高速化
美国David-Standard公司医用导管挤出机的生产线速度达到70m/min。
b几何尺寸的不断精密化
五年前导管壁厚偏差是0.075~0.1mm，而现在达到±
0.025mm。
c导管结构的复杂化
多腔、异型腔、变径腔、多层复合结构导管层出不穷，使得导管结构日趋复杂，对生产设备的要求越来越高。
d新型导管材料的不断涌现
新合成的医用高分子材料、经物理或化学改性的新型医用聚合物及其复合材料的不断涌现，对配套生产工艺的研发要求同步增加。
1.2.1.2国内医用导管的技术现状
国内的北京化工大学和天津市塑料研究所对医用塑料导管的生产技术进行了相关研究。
由于目前国内精密医用导管生产设备的生产处于空白状态，使得精密医用导管的产业化受到了制约。
国内现在有不到10家精密医用导管的生产厂家，这些厂家的技术和设备来源主要来自国外，生产技术骨干多为留学归国人员。
生产精密医用导管的技术瓶颈是高精密挤出成型设备。
针对传统挤出成型设备存在的挤出过程的控制精度低，导致制品成型精度低的问题，近年来，北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所对“高聚物精密挤出成型技术”的相关技术原理进行了深入研究。
北京化工大学紧密追踪国外先进技术，将精密塑化技术、高精度驱动技术，以及失重式加料计量系统、统计过程控制系统（SPC）等先进技术用于高精密挤出成型系统。
同时，对提高挤出成型精密度的关键技术和设备进行了深入研究和创新，北京化工大学已开发出系列精密医用导管生产技术和装备，并在北京建立了精密医用导管的研发和生产基地,解决了了精密导管生产的瓶颈问题，但是在具体生产过程中还有很多问题亟待解决。
1.2.2国内外医用导管生产设备的差距
国产挤出设备无论是在实际水平,还是加工水平上都与国外先进水平存在15～20年的差距。
在实时工艺参数和制品参数监测,以及先进控制技术的采用方面存在的差距也很大,先进的高精度在线检测仪器主要依赖进口,国内寥寥可数,且与国外产品的差距在10年以上。
a.设计水平和技术创新的差距
国外先进的塑料机械加工企业都有很强的设计和技术创新能力,如日本的Nissei公司设有五个技术研究中心,拥有376名注塑成型技术工程师,占员工总人数的46.1%,获专利技术1470项。
相比之下,国内塑料机械企业中大学以上的专业技术人员不足10%,企业自主知识产权少,开发新产品一般以仿制为主,CAD、CAE、CAM应用还处于初级阶段,多数企不具备实质上的技术创新能力。
b.国内外机电行业整体水平的差距
国外塑料机械制造行业普遍采用CAD、CAE、CAM技术,以及高精密度的数控加工中心。
近年来发展起来的高速铣床的主轴转速高达40000～100000r/min,并可获得Ra≤1m的表面粗糙度;
加工精度超过1m的超精加工技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合加工,将塑料机械的加工水平大大提升。
国外螺杆端面跳动误差不大于0.01mm;
螺杆外径误差可以控制在0.005mm以下;
螺杆外表面和料筒内表面的粗糙度Ra不大于0.2#m;
注塑机模板的形位公差不大于±
0.02mm/1000mm。
国内近年来从国外进口了一些高精度的机加工装备,但整体水平与国外先进水平有很大的差距。
c.在线检测和自动控制水平差距
国外精密挤出装备上普遍采用基于激光、光学、电磁、超声波、感应式、气流感应式等原理的测量装置。
前三种方法主要用于测量挤出物的外形尺寸,后四种用于测量产品的壁厚。
激光测量仪经常用于测量管材和包覆电缆的外径,根据测量范围的不同,分辨率为0.001～0.01mm。
在自动控制方面,除了PLC控制以外,模糊控制技术、神经网络控制技术、统计过程控制技术等先进控制技术在精密挤出装备上发挥了举足轻重的作用。
而国内的挤出装备控制技术仅停留在初级PLC控制阶段,多为开环控制或简单的联动控制,由于缺少在线测量仪器和先进的控制软件,所以闭环控制很少采用。
1.3本章小结
本章介绍了精密医用导管的必要性，以及精密医用导管的应用现状和发展前景。
并且介绍了精密医用导管生产设备的研发现状，以及国内外技术和设备的差距。
2.挤出模
挤出模又称挤出机机头。
塑料在经过螺杆和料筒后成为熔融态，再通过挤出机机头，经过挤出模的定型而产出产品。
在挤出机的整体结构中，机头应与主机相配合。
即使是性能良好的主机，若无相应的机头与之配合是很难生产出高质量的产品。
所以挤出模的设计好坏将直接影响挤出机的性能。
2.1挤出成型的概述
2.1.1挤出成型的原理
首先将粒状或粉状塑料加入料斗中，在旋转的挤出机螺杆的作用下，加热的塑料通过沿螺杆的螺旋槽向前方输送。
在此过程中，塑料不断接受料筒的外加热和螺杆与塑料之间、料筒与塑料之间的剪切摩擦热，逐渐熔融呈黏流态，然后在挤压系统的作用下，塑料熔体通过具有一定性状的挤出模具，从而获得具有一定截面性状的塑料型材。
2.1.2挤出成型的特点
（1）连续成型，生产量大，生产率高，成本低。
（2）塑件截面恒定，形状简单。
（3）塑件内部组织均衡紧密，尺寸比较稳定准确。
（4）适用性强，除氟塑料以外，几乎能加工所有热塑性塑料和部分热固性塑料。
2.1.3挤出成型的工艺路线
（1）塑化阶段
经过干燥处理的塑料原料由挤出机料斗加入料筒后，在料筒温度和螺杆旋转、压实及混合作用下，由固态的粒状或粉状转变为具有一定流动性的均匀熔体，这一过程称为塑化。
（2）挤出成型阶段
均匀塑化的塑料熔体随螺杆的旋转向料筒前端移动，在螺杆的旋转挤压作用下，通过一定形状的口模而获得与口模形状一致的型材。
（3）定型冷却阶段
塑件离开机头口模后，首先通过定型装置和冷却装置，使其冷却变硬而定型。
在大多数情况下，定型和冷却是同时进行的，只有在挤出各种管材和棒材时，才有一个独立的定型过程。
冷却一般采用空气冷却或水冷却，冷却速度对塑件性能有很大影响。
（4）切割、卷取阶段
塑件从口模挤出后，一般会因压力的解除而发生膨胀现象，而冷却后又会产生收缩现象，使塑件的形状和尺寸发生改变。
如果不加以引导，就会造成塑件停滞，使塑件不能顺利挤出。
因此，在冷却的同时，要连续均匀地将塑件引出，这就是牵引。
通过牵引的塑件可根据使用要求在切割装置上裁剪（如棒材、管材、板材、片材等）或在卷取装置上绕制成卷（如薄膜、单丝、电线电缆等）。
2.2挤出机的相关介绍
2.2.1挤出机生产特点
自第一台挤出机问世以来，挤出技术得到的良好快速的发展。
从开始的柱塞式到更为先进的螺杆式，从原始的手动操作到完全的自动控制，从产品单一到产品的多元化，挤出成型技术正逐渐成熟。
如今，挤出成型具有生产效率高，制造方便，可以连续化生产等特点，他、它在塑料成型加工工业中占有很重要的地位。
半个世纪以来，我国的塑料工业经历了从无到有，从小到大的发展过程，尤其是改革开放二十年来得到高速发展，已初步形成了部类齐全的工业体系，从产量上已跻身于世界先进行列。
塑料机械行业是为塑料工业提供技术装备的行业，强劲的市场需求促进塑料机械工业的发展。
挤出成型技术得到了很好的发展。
在塑料成型加工中，挤出成型是一种重要的成型方法，与其它成型方法相比较，挤出成型具有如下的主要特点：
⑴连续化生产。
可根据需要生产任意长度的管材、棒材异型材、板材、薄膜等。
⑵有很高的生产率。
在塑料加工成型工业中，注射机的产量远比挤出机的产量要大，但用挤出法加工的塑料却占总量的40%~60%，因此挤出机在生产率高方面占有绝对的优势。
⑶应用范围广，能加工大多数热塑性塑料和一些热固性塑料。
挤出法除了可以生产管材、板材、棒材、薄膜、单丝、电缆、中空制品、异型材等，还可以进行混合、塑化、造粒、脱水、喂料和着色等准备工序的工作。
⑷机台结构较简单，操作比较容易，因此投资较少，收效快，制品的价格较低廉。
因此，挤出成型法已成为目前最普遍的一种塑料成型加工方法，而塑料挤出机也就成为塑料成型加工机械的最重要的机种之一。
2.2.2挤出机的组成及发展趋势
2.2.2.1挤出机组成
挤出机主要由主机和辅机两大部分组成。
（1）主机
主机包括挤压系统、传动系统、加热系统。
（2）辅机
辅机包括机头、定径装置、冷却装置、牵引装置、切割装置和卷取装置。
本设计主要设计挤出机机头部分。
2.2.2.2挤出机的发展趋势
1）模块化和专业化
塑料挤出机模块化生产可以适应不同用户的特殊要求，缩短新产品的研发周期，争取更大的市场份额；
而专业化生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至进行全球采购，这对保证整期质量、降低成本、加速资金周转都非常有利。
在我国，挤出机螺杆，机筒，减速器，加热冷却系统，润滑系统，加料系统，控制系统均有定点工厂专业生产，这无疑是正确的。
2）高效、多功能化
塑料挤出机的高效主要体现在高产出、低能耗、低制造成本方面。
在功能方面，螺杆塑料挤出机已不仅用于高分子材料的挤出成型和混炼加工，它的用途已拓宽到食品、饲料、电极、炸药、建材、包装、纸浆、陶瓷等领域。
此外，将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的“一步法挤出工艺”也值得引起重视。
一步法挤出成型工艺在缩短工业流程节省能耗，减少设备投资和占地面积，减少操作人员等方面比传统的二步法工艺具有明显的优势。
3）大型化和精密化
实现塑料挤出机的大型化可以降低生产成本，这在大型双螺杆塑料造粒机组、吹膜机组、管材挤出机组等方面优势更为明显。
国家重点建设服务所需的重大技术装备，大型乙烯工程配套的三大关键设备之一的大型挤压造粒机组长期依靠进口，因此必须加快国产化进程，满足石化工业发展需要。
而精密化可以提高产品的含金量，如多层共挤复合薄膜等均需要精密挤出，而作为实现精密挤出的重要手段——熔体齿轮泵必须加大力度进行研究开发。
4）智能化和网络化
发达国家的塑料挤出机已普遍采用现代电子和计算机控制技术，对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量，各种原料的配比、电机的电流电压等参数进行在线检测，并采用微机闭环控制。
这对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度都极为有利。
5）高速、高产化
长期以来作为挤出成型装备主要性能指标的“高速、高产”一直是成型机发展的主要方向。
高的产出与价格比不仅是企业家最为关心的，也是科技工作者梦寐以求的目标。
挤出机的高速、高产固然可使投资者以教低的投入获得较大的产出和高额的回报，但从技术角度看，挤出机螺杆转速的高速化也带来了一系列需要克服的问题：
如物料在螺杆内停留时间的减少会导致物料混炼塑化不均；
物料经受过度的剪切会造成急剧升温和热分解；
挤出稳定性控制困难会造成挤出物几何尺寸波动；
相关的辅助装置和控制系统的精度亦必须提高；
螺杆和机筒的磨损加剧，需要采用高耐磨及超高耐磨材质；
减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等一系列的问题。
2.3挤出模的结构
机头是挤出塑料制件成型的主要部件，它的作用是将来自挤出机的熔融塑料由螺旋运动转变为直线运动，并进一步塑化，产生必要的成型压力，保证塑件密实，从而获得截面与口模形状相似的型材。
挤出模的主要零件有口模、芯棒、过滤板、过滤网、分流器、分流器支架、调节螺钉、定型套和机头体。
各自作用如下：
1）口模是成形塑件的外表面，管材生产中，要求壁厚均匀，口模和芯棒的中心线应严格同心。
在多数情况下是芯棒固定，手动调节口模。
此外，也有口模固定，调节芯棒位置的结构。
调节螺丝，管材口径越大，螺丝越多。
一般调节原则是松薄紧厚。
大口径管材，由于管子自重作用，使挤出的管材壁厚均匀度不一，管材下面厚。
所以调节口模时，必须偏心。
2）芯棒是成形塑件的内表面，
3）过滤板是将塑料熔体由螺旋运动变为直线运动并造成一定压力，促进熔体塑化均匀及支撑滤网的作用，
4）分流器是使通过它的熔体变成薄环状，平稳地进入成形区。
同时，进一步加热和塑化塑料，
5）分流器支架主要用于支撑分流器和芯棒，同时也能对分流后的塑料熔体加强混合作用，
6）定型套对成形管材进行冷却定型，以保证制品良好质量，正确的尺寸和几何形状，
7）调节螺钉用来控制成形区内的口模和芯棒之间的间隙及同轴度，以保证挤出塑件壁厚的均匀，
8）机头体用来组装机头各零件并与挤出机相连接。
以管材挤出成型模具的典型结构形式为例，如图所示，说明挤出成型模具的结构。
一般分为以下几个主要功能部分。
图2-1管材挤出成型机头
Fig.2-1Pipeextrusionhead
（1）口模和型芯
口模型腔用来成型塑件的外表面，型芯用来成型塑件的内表面，由此可见，口模和型芯的配合基本决定了塑件的截面形状和尺寸。
口模和型芯配合形成的截面不变的流道区域称为稳定段。
（2）汇流压缩板
塑料熔体进入稳定区之前必须经过一个压缩区域，这个区域称为汇流区。
由汇流区压缩版和型芯的后部分配合构和成流道。
有时汇流板与口模制作成一个整体，视型材的断面复杂程度而定。
对于管材、板材和片材等简单断面的型材，一般将汇流板与口模制作成一个整体；
而断面复杂的异型材，由于型腔形状比较难于加工，通常单独设置汇流板。
（3）分流器支架
分流器支架主要用来支撑分流器和型芯，同时也能对分流后的塑料加强剪切混合作用。
分流器支架的连接筋部分的设计要考虑有足够的支架强度，同时又不至于产生熔接痕。
小型机头的分流器、型芯和支架可以设计成一个整体。
对于断面复杂的异型材，可能采用两块或更多的支架板，以分别支撑分流器和型芯。
（4）分流器和机头连接体
分流器，俗称鱼雷头，使通过它的塑料熔体分流，变成薄环状，以匀称的流量平稳地进入压缩区，同时使塑料熔体进一步加热和塑化。
机头体相当于模架，用来组装并支撑机头的各零部件。
机头体需与挤出机乩童连接，连接处应密封，以防塑料熔体泄露。
分流器和机头连接体型腔构成的流道部分称为分流区。
对于断面复杂的异型材模具，分流区内流道布置是否合理，对机头的挤出性能有着决定性的作用。
（5）过滤网和过滤板
过滤网和过滤板的作用是将塑料熔体由螺旋运动变为直线运动，并形成一定的压力。
过滤板又称多孔板，同时还起支撑过滤网的作用。
用于回收料挤出型材时，过滤网和过滤板还能起到过滤杂质的作用。
（6）加热器
为了保证塑料熔体在机头内正常流动，机头上设有加热装置。
一般采用电加热线圈或加热片。
（7）在线调节件
有些挤出模具需要在生产过程中对流道进行微量调节，如管材模具的环状间隙调整，片状模具的局部厚度间隙调整，片材模具的阻流等。
通常在相应部位设置调节装置。
图2-1所示调节螺钉5用来调节控制成型区内口模和芯棒间的环隙及同轴度，以保证挤出塑件壁厚均匀。
（8）定型模
离开成型区后的塑料熔体虽然已具有给定的截面形状，但因其温度较高不能抵抗自重变形，为此需要定型模（如图2-1所示定径套2）对其进行冷却定型，以使塑件获得良好的表面质量、准确的尺寸和几何形状。
管材的定型模部分通常做成管状的定型套。
对于复杂型材，由于型腔难于加工，定型模通常由多
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