Guide de l'ingénieur pour la conception et la spécification de tubes personnalisés

par Robert La Duca

27 septembre 2019

09:00

L'importance de la relation entre le rapport d'étirement et les propriétés mécaniques du tube est un facteur qui peut grandement affecter les propriétés mécaniques du tube. Les mêmes dimensions et matériaux exacts peuvent produire des résultats de performance radicalement différents en fonction de ce facteur de traitement important. En général, un étirement plus élevé conférera un alignement de chaîne moléculaire plus important dans le polymère produisant un produit à module de traction plus élevé dans la direction axiale avec une résistance à la traction ultime supérieure à celle d'un tube produit avec un rapport d'étirement inférieur. Les produits qui ont des degrés plus élevés d'alignement moléculaire axialement en raison de rapports d'étirage plus élevés auront également un plus grand degré de contrainte résultante dans la paroi du tube, ce qui peut nécessiter un recuit pour soulager afin d'éviter que des changements dimensionnels ne se produisent, et pas seulement pendant les étapes de traitement thermique supplémentaires. comme le collage et la stratification par refusion, mais aussi pendant le transport où des températures élevées peuvent se produire.

Un autre facteur important est l'effet de la température de la matrice sur la finition de surface. Une température de matrice plus froide peut conférer une finition "givrée" sur les surfaces du tube, ce qui réduit l'adhésivité au prix d'une clarté réduite et d'une texture de surface conférée. De même, une température de matrice chaude peut améliorer la clarté du matériau et aura un impact sur les opérations ultérieures de thermocollage et de laminage. Lors de la réalisation de validations de processus d'extrusion, la gamme de paramètres doit être suffisamment large pour comprendre l'impact sur les processus ultérieurs ainsi que l'impact que la variation du poids moléculaire de la matière première entrant dans le processus d'extrusion peut entraîner à la fois dans le processus d'extrusion et également les processus en aval.

Une grande variété de matériaux sont extrudés dans les produits de tubes, il est donc important de savoir ce qu'il faut prendre en compte lorsqu'il s'agit de spécifier des matériaux pour l'extrusion afin de s'assurer qu'un matériau est un choix approprié pour une application spécifique. Le point de départ est de définir entièrement les besoins de l'utilisateur et de procéder de manière itérative à une spécification qualifiée.

À la suite de contrôles de conception conformes à la norme ISO, une fois que les sorties de conception sont mesurées et répondent aux entrées de conception, la conception vérifiée est ensuite validée à l'aide de preuves objectives pour démontrer que la conception fonctionne pour l'utilisateur comme prévu. Le concepteur de produit est chargé d'identifier un ensemble complet de besoins de l'utilisateur pour la durée d'utilisation prévue du produit, ainsi que de s'assurer que le processus de fabrication requis pour produire la conception est approprié.

Pour les applications médicales, Foster Corporation a lancé sa marque HLS de Heat, un stabilisateur de lumière qui peut être ajouté à une grande variété de résines telles que les nylons, les polyuréthanes, les polyéthylènes, etc. Si le produit doit être enduit d'une solution de revêtement hydrophile qui a un effet UV polymériser, puis l'ajout d'un stabilisant UV aidera à prévenir la dégradation du polymère lors du traitement ultérieur. De même, si le tube extrudé doit subir un processus de refusion de stratification ultérieur utilisant un thermorétractable amovible pour ajouter des renforts dans la paroi du tube, tels que des tresses ou des bobines, l'utilisation d'un stabilisant thermique dans l'emballage d'additifs peut réduire les variations de traitement rencontrées lors de l'extrusion et étapes de refusion post-traitement. Cela permet une plus grande précision dans le produit final et se traduit par des tolérances plus strictes, une fabricabilité améliorée et permet même de nouvelles technologies de cathéter lorsque de nouvelles conceptions nécessitent de repousser les limites existantes.

D'autres propriétés physiques changeront avec l'ajout d'additifs radio-opaques pour assurer la visibilité lors de l'utilisation sous fluoroscopie ou imagerie par ultrasons. Ces changements comprennent une dureté de surface accrue, une diminution de la résistance à la traction et de la pression d'éclatement, et une moindre adhérence de la surface. C'est particulièrement le cas avec des matériaux plus souples tels que le 40A Chronoprene d'AdvanSource Biomaterials, les uréthanes souples tels que le NEUsoft UR842A de PolyOne et les SEBS à faible dureté tels que le SEBS G1642 de Kraton. Le pourcentage de chargement variera en fonction du degré de visibilité requis ainsi que de l'épaisseur de la paroi où une paroi plus épaisse peut utiliser moins de radiopacifiant. La charge typique pour des épaisseurs de paroi de 0,005" à 0,050" peut être de 20 à 25 % de sulfate de baryum en poids tandis que des microsphères de verre peuvent être ajoutées à des pourcentages de charge de 50 % ou plus en poids pour améliorer l'échogénicité des polymères.

Étant donné que le sulfate de baryum est de couleur blanchâtre, des pigments supplémentaires tels que TiO2 peuvent être ajoutés pour amener la couleur à un blanc brillant ou des couleurs alternatives peuvent être assorties aux couleurs pantone. Il convient de noter que les charges ont une distribution de tailles de particules conduisant à un potentiel de défauts dans le tube car les agglomérats peuvent créer une rugosité de surface sur l'ID ou l'OD, créer des marques de traînée, des trous d'épingle, des grumeaux, des cols et des bosses. Par conséquent, si vous spécifiez des matériaux constitutifs lors de la phase de mélange, il est important d'identifier l'épaisseur de paroi du tube à extruder afin qu'elle puisse être comparée à la distribution granulométrique de la charge. Cela permet de sélectionner une poudre suffisamment fine qui éviterait ou réduirait la prévalence de ces types de défauts.

Néanmoins et indépendamment de l'effet que les additifs peuvent avoir sur la qualité des tubes produits, des gels peuvent être présents dans des qualités naturelles de matériaux tels que ceux que l'on trouve dans les amides, le HDPE et les uréthanes. Lors de la spécification de tubes fabriqués à partir de matériaux où les gels sont inacceptables, tels que les tubes à ballonnet, les spécifications peuvent inclure l'exigence pour le processeur d'utiliser un filtre à bougie à la sortie de l'extrudeuse à vis unique, ce qui aidera à décomposer les gels en tailles plus petites et à réduire le nombre de gels qui finir dans le tube. Ce filtrage à vis unique en ligne est préférable à l'exécution d'un processus de fusion séparé sur une ligne de mélange à double vis avec un filtre à bougie en ligne, car l'historique de chaleur supplémentaire et le cisaillement mécanique du passage supplémentaire réduiront la longueur de la chaîne de polymère moléculaire et le tube résultant aura des performances dégradées. en résistance à la traction et à l'éclatement qui sont essentielles dans les applications de cathéter à ballonnet.

Outre les aspects esthétiques, l'ajout de pigments peut également aider à améliorer l'adhésivité des matériaux très mous et peut faire la différence en permettant d'effectuer des étapes d'assemblage ultérieures telles que l'insertion de mandrins utilisés dans la construction de cathéters. Un écueil potentiel dont il faut être conscient est la possibilité d'une dégradation incomplète des constituants de la couleur pendant le processus d'extrusion à vis unique. Cela se voit généralement lors de l'utilisation de concentrés de couleur qui sont mélangés avec des granulés de qualité naturelle à la gorge d'alimentation de l'extrudeuse. Ces concentrés de couleur non décomposés peuvent sembler être des corps étrangers incrustés et peuvent entraîner des non-conformités aux exigences des critères visuels. Un défaut similaire peut être observé lors de l'extrusion d'un matériau à paroi mince de moins de 0,005" où des stries de couleur peuvent être vues à côté de zones plus claires où le colorant n'a pas été bien dispersé par le cisaillement du matériau dans la vis et le cylindre. Ces problèmes peuvent être évités avec l'utilisation de matériaux colorés précomposés produits en mélanges-maîtres.

Un problème connexe est la spécification de l'emballage afin que le produit de tube ne soit pas rendu inutilisable par l'expédition et la manutention. Ceci est particulièrement important en ce qui concerne les matériaux collants mous qui peuvent avoir tendance à se souder lorsqu'ils sont comprimés pendant le transport. Pour éviter les pertes dues à des dommages, des tubes souples peuvent être fournis gonflés pour empêcher l'effondrement de l'ID.

L'utilisation de configurations d'emballage spécialisées telles que des chambres individuelles peut également empêcher le tube d'être en contact avec d'autres tubes. Les conceptions d'emballage alternatives incluent la fourniture du tube sur un mandrin pour permettre aux opérations ultérieures d'être effectuées sans avoir besoin d'insérer un mandrin de refusion dans des lumières collantes et ajustées, ce qui peut être problématique et prendre du temps.

En conclusion, voici quelques-uns des aspects importants dont les ingénieurs concepteurs doivent être conscients lorsqu'ils spécifient des matériaux et des processus pour optimiser les résultats du développement de produits. Travailler en étroite collaboration avec des experts en traitement d'extrusion qui collaborent dans leur approche pour fournir des solutions client spécifiques à l'application peut être très bénéfique pour atteindre les objectifs de conception dans le développement de nouvelles applications de tubes médicaux.

par Robert La Duca

27 septembre 2019

09:00