การทดสอบความล้าของอุปกรณ์ชีวการแพทย์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ: ทำไมการรับภาระแบบหลายแกนจึงสำคัญ
สำหรับส่วนประกอบทางชีวการแพทย์ การทดสอบความล้าที่เป็นตัวแทนของการรับภาระทางกายภาพมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตรวจจับผลกระทบของข้อบกพร่อง ความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทาง (Anisotropy) และความแปรปรวนอื่นๆ ที่มีต่อความทนทาน ตลอดจนการได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานกำกับดูแล
เขียนโดย: Rebecca Reiff-Musgrove
การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) ถูกนำมาใช้มากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ ชีวการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่รูปทรงเฉพาะสำหรับผู้ป่วย โครงสร้างภายในที่ซับซ้อน และการปรับเปลี่ยนที่รวดเร็วให้ประโยชน์ทางคลินิกที่ชัดเจน ปัจจุบันรากเทียมออร์โธปิดิกส์ อุปกรณ์เกี่ยวกับกระดูกสันหลัง อุปกรณ์ยึดตรึง และเครื่องมือผ่าตัดที่เกี่ยวข้องได้รับการผลิตเป็นประจำโดยใช้กระบวนการเติมเนื้อวัสดุประเภทโลหะและพอลิเมอร์ เนื่องจากส่วนประกอบเหล่านี้มีไว้สำหรับการใช้งานที่ต้องรับน้ำหนักในระยะยาว ประสิทธิภาพด้านความล้าจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการรับรองความปลอดภัย ความทนทาน และการอนุมัติจากหน่วยงานกำกับดูแล
อุปกรณ์ชีวการแพทย์ไม่ค่อยพบการรับภาระแบบแกนเดียวที่เรียบง่ายในการใช้งานจริง แต่อุปกรณ์เหล่านี้ต้องเผชิญกับประวัติการรับภาระแบบหลายแกนที่ซับซ้อนซึ่งขับเคลื่อนโดยการเคลื่อนไหวของมนุษย์ สำหรับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุซึ่งไวต่อข้อบกพร่อง ความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทาง และสภาพพื้นผิวอยู่แล้ว ความซับซ้อนของการรับภาระนี้ก่อให้เกิดความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งต้องได้รับการแก้ไขผ่านโปรแกรม การทดสอบความล้า ที่ออกแบบมาอย่างรอบคอบ
ทำไมความล้าจึงมีความสำคัญต่ออุปกรณ์ชีวการแพทย์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
ความล้มเหลวจากความล้าเป็นความเสี่ยงที่ได้รับการยอมรับอย่างดีสำหรับอุปกรณ์ชีวการแพทย์ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ก้านข้อสะโพกเทียม แผ่นดามกระดูก แท่งดามสันหลัง และ รากเทียมทันตกรรม ต้องทนต่อรอบการรับภาระหลายล้านรอบตลอดการใช้งานหลายปีหรือหลายทศวรรษ เพื่อหลีกเลี่ยงการผ่าตัดนำออกที่ซับซ้อน แม้ว่าความเค้นจะยังคงอยู่ต่ำกว่าความแข็งแรงสถิตของวัสดุ แต่การรับภาระซ้ำๆ ก็สามารถนำไปสู่การเริ่มเกิดรอยร้าว การขยายตัว และความล้มเหลวที่รุนแรงในที่สุด
สำหรับส่วนประกอบชีวการแพทย์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ พฤติกรรมความล้าไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่าจะเหมือนกับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีดั้งเดิม กระบวนการ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ทำให้เกิดลักษณะทางโครงสร้างจุลภาค เช่น ความพรุน ข้อบกพร่องจากการหลอมละลายไม่สมบูรณ์ ความขรุขระของพื้นผิว และความเค้นตกค้าง ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถลดอายุความล้าได้อย่างมาก นอกจากนี้ ลักษณะการสร้างแบบทีละชั้นของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุยังสร้างคุณสมบัติทางกลที่มีทิศทาง ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อรูปแบบการรับภาระทางสรีรวิทยา
ความซับซ้อนของการรับภาระทางสรีรวิทยา: นอกเหนือจากความล้าแบบแกนเดียว
โปรแกรมการทดสอบความล้าแบบดั้งเดิมจำนวนมากอาศัยการรับภาระแรงดึงหรือแรงอัดแบบแกนเดียว แม้ว่าวิธีนี้จะให้ข้อมูลพื้นฐานที่เป็นประโยชน์ แต่ก็เป็นการลดทอนความซับซ้อนของสภาพแวดล้อมการรับภาระในร่างกายจริงที่รากเทียมชีวการแพทย์ต้องเผชิญ
ในการใช้งานจริง ส่วนประกอบชีวการแพทย์มักจะได้รับภาระรวมระหว่างแรงในแนวแกนและแรงบิด ตัวอย่างเช่น รากเทียมข้อสะโพกและข้อเข่าที่ได้รับแรงอัดและโมเมนต์บิดพร้อมกันในขณะเดิน หรืออุปกรณ์ยึดตรึงที่ต้องเผชิญกับแรงเฉือนและการหมุนเป็นรอบที่รอยต่อระหว่างกระดูกและรากเทียม การละเลยรูปแบบการรับภาระรวมเหล่านี้เสี่ยงต่อการประเมินการสะสมความเสียหายต่ำเกินไป และทำให้เข้าใจ ประสิทธิภาพด้านความล้า ที่แท้จริงผิดไป
การทดสอบแรงในแนวแกนและแรงบิดร่วมกันเป็นกรอบการทำงานที่มีประสิทธิภาพในการจำลองการรับภาระทางสรีรวิทยาได้ดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็ให้ข้อมูลเชิงลึกที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับพฤติกรรมความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทางของวัสดุที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
ข้อมูลเชิงลึกจากพฤติกรรมความล้าแบบแรงในแนวแกนและแรงบิด
กระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุจำนวนมาก โดยเฉพาะการฉีดเส้นใยพอลิเมอร์และกระบวนการโลหะบางประเภท จะสร้างโครงสร้างจุลภาคแบบลามิเนต ดังนั้นคุณสมบัติทางกลจึงขึ้นอยู่กับทิศทางการรับภาระเมื่อเทียบกับชั้นที่วางตัว การใช้แรงในแนวแกนและแรงบิดพร้อมกันช่วยให้วิศวกรสามารถตรวจสอบพฤติกรรม แรงดึง และ แรงเฉือน ที่ปรากฏในทิศทางต่างๆ ได้
ผลกระทบเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งสำหรับรากเทียมที่เส้นทางการรับภาระไม่ค่อยจะตรงกับแกนหลักเพียงแกนเดียว หากไม่มีการทดสอบแบบหลายแกน พฤติกรรมดังกล่าวจะยังคงถูกซ่อนอยู่ในชุดข้อมูลความล้าแบบแกนเดียวทั่วไป
การทดสอบที่เป็นตัวแทนและข้อมูลเชิงลึกในระดับรากเทียม
สำหรับอุปกรณ์ชีวการแพทย์ การทดสอบความล้าในระดับชิ้นงานทดสอบมาตรฐาน (Coupon-level) มักไม่เพียงพอ รูปทรงเฉพาะส่วน โครงสร้างแลตทิซ รูปแบบเกลียว และการปรับปรุงสภาพพื้นผิวสามารถส่งผลเด่นต่อพฤติกรรมความล้า ระบบทดสอบความล้าแบบรับภาระรวมเป็นแพลตฟอร์มที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถพัฒนาจากการคัดกรองวัสดุไปสู่การทดสอบในระดับลักษณะเฉพาะหรือระดับส่วนประกอบที่เป็นตัวแทน ช่วยให้วิศวกรเข้าใจได้ดีขึ้นว่ารากเทียมที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะการใช้งานจริง
Instron สนับสนุนการทดสอบความล้าแบบหลายแกนสำหรับอุปกรณ์ชีวการแพทย์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุอย่างไร
Instron® มีประสบการณ์กว้างขวางในการสนับสนุนการทดสอบความล้าและความทนทานสำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์ รวมถึงวัสดุและส่วนประกอบที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ระบบทดสอบความล้าแบบแรงในแนวแกนและแรงบิดร่วมกัน เช่น ElectroPuls® เป็นโซลูชันมาตรฐานที่ได้รับการยอมรับ ซึ่งสามารถให้การรับภาระแบบหลายแกนที่แม่นยำและทำซ้ำได้
ระบบ ElectroPuls ช่วยให้วิศวกรชีวการแพทย์สามารถ:
- ดำเนินการทดสอบความล้าแบบแรงในแนวแกนและแรงบิดร่วมกันได้อย่างแม่นยำ
- รักษาการจัดแนวที่แม่นยำสำหรับวัสดุที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุซึ่งมีความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทางและไวต่อข้อบกพร่อง
- ระบุลักษณะอายุความล้าภายใต้สภาวะการรับภาระทางสรีรวิทยาที่สมจริง
- สร้างข้อมูลที่เชื่อถือได้และสามารถโต้แย้งได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการตรวจสอบการออกแบบและการยื่นขออนุมัติจากหน่วยงานกำกับดูแล
บทสรุป
ในขณะที่การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุยังคงเปลี่ยนแปลงการออกแบบอุปกรณ์ชีวการแพทย์ การทดสอบความล้าจะต้องพัฒนาเพื่อสะท้อนถึงทั้งความเป็นจริงของวัสดุจากการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุและความซับซ้อนของการรับภาระทางสรีรวิทยา การทดสอบความล้าแบบแรงในแนวแกนและแรงบิดร่วมกันเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการเปิดเผยความไม่สม่ำเสมอของคุณสมบัติในแต่ละทิศทาง การทำความเข้าใจกลไกความเสียหาย และการสร้างข้อมูลที่สะท้อนถึงประสิทธิภาพในการใช้งานจริงได้ดียิ่งขึ้น
ด้วยการรวมการรับภาระแบบหลายแกนที่เป็นตัวแทนเข้ากับระบบทดสอบคุณภาพสูงที่ทำซ้ำได้ วิศวกรชีวการแพทย์สามารถประเมินประสิทธิภาพด้านความล้าได้อย่างมั่นใจ ลดความเสี่ยงในการรับรองคุณสมบัติ และนำอุปกรณ์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่มีนวัตกรรมและเฉพาะเจาะจงสำหรับผู้ป่วยเข้าสู่การใช้งานทางคลินิกได้อย่างปลอดภัย
สมัครรับข้อมูลข่าวสารล่าสุดจาก Instron
ติดตามเทรนด์อุตสาหกรรม มาตรฐานการทดสอบ การประยุกต์ใช้งาน เคล็ดลับและเทคนิค และอื่นๆ อีกมากมาย!
สิ่งที่เกี่ยวข้อง
- เหตุใดการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุจึงต้องใช้วิธีการทดสอบทางกลที่แตกต่างออกไป
- ประสิทธิภาพความล้าในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ: ความท้าทายสำหรับการออกแบบ การทดสอบ และการรับรองคุณสมบัติ
- ทำไมการทดสอบความล้าที่แม่นยำจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
- ชิ้นส่วนอากาศยานที่ผลิตด้วยการเติมเนื้อวัสดุ: ทำไมการทดสอบการแตกหักจึงมีความสำคัญ
เกี่ยวกับผู้เขียน
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove เป็นผู้จัดการฝ่ายพัฒนาธุรกิจสำหรับ ElectroPuls ที่ Instron ประวัติของเธอรวมถึงปริญญาโทด้านวิทยาศาสตร์จาก University of Cambridge โดยมุ่งเน้นที่คุณสมบัติพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ตลอดจนบทบาทก่อนหน้านี้ในการทดสอบวัสดุสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ที่ Instron เธอได้ดำรงตำแหน่งทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย ทำให้เธอมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ทั้งในด้านเทคโนโลยีและความท้าทายของลูกค้าที่เทคโนโลยีนี้เข้าไปแก้ไข