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目前日期文章:20110928 (5)

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概述 

精密和超精密加工技術的發展,直接影響到一個國家尖端技術和國防工業的發展,因此世界各國對此都極為重視,投入很大力量進行研究開發,同時實行技術保密,控制關鍵加工技術及設備出口。隨著航空航天、高精密儀器儀表、慣導平台、光學和激光等技術的迅速發展和多領域的廣泛應用,對各種高精度複雜零件、光學零件、高精度平面、曲面和復雜形狀的加工需求日益迫切。目前國外已開發了多種精密和超精密車削、磨削、拋光等機床設備,發展了新的精密加工和精密測量技術。

我國目前已是一個製造大國,製造業規模名列世界第四位,僅次於美國、日本和德國,近年來在精密加工技術和精密機床設備製造方面也取得了不小進展。但我國還不是一個製造強國,與發達國外相比仍有較大差距。我國每年雖有大量機電產品出口,但多數是技術含量較低、價格亦較便宜的中低檔產品;而從國外進口的則大多是技術含量高、價格昂貴的高檔產品。目前我國每年需進口大量國內尚不能生產的精密數控機床設備和儀器,例如,2003年我國進口了價值41.6億美元的機床,而出口機床僅為3.8億美元,且主要為低精度的普通機床。2004年我國進口機床為57.8億美元,出口機床僅為5.2億美元。2005年我國機床總產值約為50億美元,出口機床為8億美元,而進口機床則達到67億美元。

由 於國外一些重要的高精度機床設備和儀器對我國實行封鎖禁運,而這些精密設備儀器正是我國發展國防工業和尖端技術所迫切需要的,因此,為了使我國的國防和科 技發展不受制於人,我們必須投入必要的人力物力,自主發展精密和超精密加工技術,爭取盡快將我國的精密和超精密加工技術水平提升到世界先進水平。下面對國內外精密和超精密加工技術的最新發展情況介紹如下。

精密機床技術的發展

精密機床是精密加工的基礎。當今精密機床技術的發展方向是:在繼續提高精度的基礎上,採用高速切削以提高加工效率,同時採用先進數控技術提高其自動化水平。瑞士DIXI公司以生產臥式坐標鏜床聞名於世,該公司生產的DHP40高精度臥式高速鏜床已增加了多軸數控系統,成為一台加工中心;同時為實現高速切削,已將機床主軸的最高轉速提高到24000r/min瑞士MIKROM公司的高速精密五軸加工中心的主軸最高轉速為42000r/min,定位精度達5 μ ,已達到過去坐標鏜床的精度。從這兩台機床的性能可以看出,現在的加工中心與高速切削機床之間已不再有嚴格的界限劃分。

使用金剛石刀具的超精密切削技術

3.1 超精密切削技術的進展

金剛石刀具超精密切削技術是超精密加工技術的一個重要組成部份,不少國防尖端產品零件(如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統中的多種零件等)都需要利用金剛石超精密切削來加工。

使用單晶金剛石刀具在超精密機床上進行超精密切削,可以加工出光潔度極高的鏡面。超精密切削的切削厚度可極小,最小切削厚度可至1nm超精密切削使用的單晶金剛石刀具要求刃口極為鋒銳,刃口半徑在0.50.01μ 因刃口半徑甚小,過去對刃口的測量極為困難,現在已可用原子力顯微鏡(AFM)方便地進行測量。

3.2 超精密切削機理的研究

對超精密切削機理的研究近年來有了不少進展。例如,超精密切削脆性材料時,加工表面可以不產生脆性破裂痕跡而獲得鏡面,這涉及到極薄切削時脆性材料塑性切除的脆塑轉換問題,最近對此提出了不少新見解。由超精密切削玻璃的實驗結果可見,開始時切削厚度甚小,切除機理為塑性去除,加工表面無脆性破損痕跡。隨著切削厚度的增大,塑性切除逐漸轉化為脆性破裂去除,加工表面可見到明顯的脆性破損痕跡。

目前,使用計算機仿真和分子動力學模擬等方法對超精密切削過程及機理的研究獲得了很好效果,一方面深化了對極薄層材料切削去除機理的認識,同時可以對超精密切削效果作出比較準確的預報。由超精密切削所形成加工表面的計算機仿真模擬預測和計算機仿真預測超精密切削單晶鋁不同晶面時的切削力可以看到,由於晶體的各向異性,導致在不同方向的切削力是不相等的。利用對超精密切削過程的分子動力學模擬,可以對超精密切削極薄層材料的動態切除過程進行觀察和分析,並能對切除過程進行動畫演示。

3.3 新的金剛石刀具晶體定向方法

由於金剛石硬度極高,且晶體各向異性,因此單晶金剛石刀具的刃磨極為困難。製造金剛石刀具及刃磨時都需要對晶體定向,過去的晶體定向方法主要是使用X光晶體定向儀,儀器昂貴,且定向操作相當繁瑣。哈爾濱工業大學成功開發了一種新的激光晶體定向方法,所用設備較簡單,且定向操作方便,可使金剛石晶體定向大大簡化。

超精密加工機床的進展

4.1 國外超精密機床的發展情況

研發超精密機床是發展超精密加工的重要前提條件。近年來發達國家已成功開發了多種先進的超精密加工機床。超精密機床的發展方向是:進一步提高超精密機床的精度,發展大型超精密機床,發展多功能和高效專用超精密機床。

美、英、德等國在上世紀七十年代(日本在八十年代)即開始生產超精密機床產品,並可批量供貨。在大型超精密機床方面,美國的LLL國家實驗室於1986年研製成功兩台大型超精金剛石車床:一台為加工直徑2.1m的臥式DTM-3金剛石車床,另一台為加工直徑1.65mLODTM立式大型光學金剛石車床。其中,LODTM立式大型光學金剛石車床被公認為世界上精度最高的超精密機床。美國後來又研製出大型6軸數控精密研磨機,用於大型光學反射鏡的精密研磨加工。

英國的Cranfield精密加工中心於1991年研製成功OAGM-2500多功能三坐標聯動數控磨床(工作檯面積2500mm×2500mm),可加工(磨削、車削)和測量精密自由曲面。該機床採用加工件拼合方法,還可加工出天文望遠鏡中直徑7.5m的大型反射鏡。

日本的多功能和高效專用超精密機床發展較快,對日本微電子和家電工業的發展起到了很好的促進作用。

4.2 我國超精密機床的發展情況

在過去相當長一段時期,由於受到西方國家的禁運限制,我國進口國外超精密機床嚴重受限。但當1998年我國自己的數控超精密機床研製成功後,西方國家馬上對我國開禁,我國現在已經進口了多台超精密機床。

我國北京機床研究所、航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學等單位現在已能生產若干種超精密數控金剛石機床,如北京機床研究所研製的加工直徑800mm的超精密車床和哈爾濱工業大學研製的超精密車床,這兩台機床均有兩坐標精密數控系統和兩坐標激光在線測量系統,可以加工非球迴轉曲面;還有哈爾濱工業大學研製了加工KDP晶體大平面的超精密銑床。KDP晶體可用於光學倍頻,是大功率激光系統中的重要元件。必須承認,在超棈密機床技術方面,我們與國外先進水平相比還有相當大的差距,國產超精密機床的質量水平尚待進一步提高。

在大型超精密機床方面,目前美、英、俄等國都擁有自行開發的大型超精密機床,而我國由於沒有大型超精密機床,因此無法加工大直徑曲面反射鏡等大型超精密零件,國外對這些大型超精密零件的出口有嚴格限制,從而嚴重影響了我國國防尖端技術的發展。現在我國正在加緊研製加工直徑1m以上的立式超精密機床。

在多功能和高效專用超精密機床方面,目前我國基本上仍是空白。

引用出處: 

http://tw.myblog.yahoo.com/lifung-biz/article?mid=4501&prev=-1&next=4500

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哈爾濱工業大學蓋玉先董申

1 引言

超精密加工機床的研製開發始於20世紀60年代。當時在美國因開發激光核聚變實驗裝置和紅外線實驗裝置需要大型金屬反射鏡,因而急需開發製作反射鏡的超精密加工技術。以單點金剛石車刀鏡面切削鋁合金和無氧銅的超精密加工機床應運而生。1980年美國在世界上首次開發了三坐標控制的M-18AG非球面加工機床,它標誌著亞微米級超精密加工機床技術的成熟。日本的超精密加工機床的研製開發滯後於美國20年。從1981~1982年首先開發的是多棱體反射鏡加工機床,隨後是磁頭微細加工機床、磁盤端面車床,近來則是以非球面加工機床和短波長X線反射鏡面加工機床為主。德國、荷蘭以及中國台灣的超精密加工機床技術也都處於世界先進水平。我國的超精密加工機床的研製開發工作雖起步比較晚,但經過廣大精密工程研究人員的不懈努力,已取得了可喜的成績。哈爾濱工業大學精密工程研究所研製開發的HCM-Ⅰ超精密加工機床,主要技術指標達到了國際水平。國外部分超精密加工機床和HCM-Ⅰ超精密加工機床的性能指標如表1所示。本文主要論述超精密加工機床的關鍵部件技術。

表1 國內外典型超精密車床性能指標匯總型號(生產廠家) HCM-Ⅰ 

(中國哈工大) M-18AG 

(莫爾特殊機床,美國) Ultraprecision CNC machine 

(東芝,日本) Ultraprecision Lathe 

(IPT,德國) 主軸 徑向跳動(μm)

≤0.075 ≤0.05(500r/min) ≤0.048 軸向跳動(μm)

≤0.05 ≤0.05(500r/min)

徑向剛度(N/μm) 220

100

軸向剛度(N/μm) 160

200

導軌 Z向(主軸)直線度 <0.2μm/100mm ≤0.5μm/230mm

0.044μm/80mm X向(刀架)直線度 <0.2μm/100mm ≤0.5μm/410mm

0.044μm/80mm X、Z向垂直度(") ≤1 1

 

重複定位精度(μm)

1(全程) 

0.5(25.4mm)

 

加工

工件

精度 形面精度(μm) 圓度:0.1 平面度:0.3 <0.1(PV值) 0.1 表面粗糙度(μm) Ra0.0042 0.0075(PV值) Ra0.002 0.002~0.005RMS 位置反饋系統分辨率(μm)

25 2.5 10 溫控精度(℃) ≤0.004 ±0.006 ±0.1

隔振系統固有頻率(Hz) ≤2 2

 

加工範圍(mm) 320 356 650×250

2 主軸系統

超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動,故主軸的迴轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的一個部件,通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研製開發的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視,其精度在迅速得到提高)。空氣軸承主軸具有良好的振擺迴轉精度。主軸振擺迴轉精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺,即非重複徑向振擺,屬於靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸迴轉精度可達0.05μm,最高可達0.03μm,由於軸承中支承迴轉軸的壓力膜的均化作用,空氣軸承主軸能夠得到高於軸承零件本身的精度。例如主軸的迴轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/15~1/20。日本學者研究表明,當軸和軸套的圓度達到0.15~0.2μm的精度時,可以得到10nm的迴轉精度,並通過FFT測定其所製造的精度最高的空氣軸承主軸的迴轉精度為8nm。HCM-Ⅰ超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差≤0.1μm。另外,空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細緻的工作。要做到納米級迴轉精度的空氣軸承主軸,除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.15~0.2μm,再通過空氣膜的均化作用來實現外,還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、分佈精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同,均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產生微小振動的直接原因,從而影響迴轉精度。要改善供氣系統的狀況,軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的,能夠改善壓力分佈,在提高承載能力的同時,改善空氣流動的均勻性。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔,如不加以控制會引起氣錘振動,為此必須對錶面進行堵塞加工。3 直線導軌

作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌,是僅次於主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是:動作靈活、無爬行等不連續動作;直線精度好;在實用中應具有與使用條件相適應的剛性;高速運動時發熱量少;維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有VV型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的VV型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。後兩種都屬於非接觸式導軌,所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮後兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由於油的粘性剪切阻力而發熱量比較大,因此必須對液壓油採取冷卻措施。另外液壓裝置比較大,而且油路的維修保養也麻煩。氣體靜壓導軌由於支承部是平面,可獲得較大的支承剛度,它幾乎不存在發熱問題,如果最初的設計合理,則在後續的維修保養方面幾乎不會發生什麼問題。但必須注意導軌面的防塵。空氣導軌的間隙僅為十幾微米,而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的,這樣的塵埃即使是潔淨室也不能完全消除,塵埃落入空氣導軌面內會引起導軌面的損傷。總體看來,空氣靜壓導軌是目前最好的導軌,但若不能保證防塵條件,則須改用液體靜壓導軌。目前空氣靜壓直線導軌的直線度可達0.1~0.2μm/250mm。

HCM-Ⅰ超精密加工機床上使用的即是空氣直線導軌,其氣浮面上的壓力分佈如圖1所示。

 

圖1 氣浮面上的壓力分佈

通過安裝調整空氣靜壓導軌得出如下結論:(1)必須保證足夠的排氣通道,否則溜板將產生位置擾動,擾動量有時達數微米。(2)從理論上講減小節流孔徑和氣膜厚度,可以提高溜板剛度,但帶來工藝上的困難。用傳統機械加工手段很難加工出<f 0.15mm的小孔,需探求其它加工手段,也對防止小孔堵塞提出了更高的要求。(3)T型導軌的側氣浮塊和下氣浮塊均由螺釘緊固,形成懸臂結構,當用螺釘緊固和有空氣壓力作用時,有可能產生變形,使氣膜厚度不均勻以致於影響其性能。但經過計算證明,使用長螺釘時,氣浮塊和螺釘變形均稍大;使用短螺釘時,氣浮塊和螺釘的變形都在亞微米級,可忽略不計。

4 進給與微量進給系統

進給系統中最常用的是各種進給絲槓,在超精密加工機床中滾珠絲槓因其反向間隙小、傳動效率高而得到了廣泛的應用。精度更高的靜壓絲槓和摩擦驅動裝置也逐漸用於超精密加工機床。

 

超精密加工機床的滾珠絲槓一般的精度等級為C0級。由於是閉環控制,利用最好等級的滾珠絲槓,可獲得現行最高水平0.01μm的定位精度。滾珠絲槓不需要靜壓絲槓所必需的附屬裝置,是使用極為方便的絲槓。但作為亞微米級超精密加工機床的進給絲槓必須考慮到由於滾珠的轉動和滾珠間的接觸滑動有微小的振動及與滑動絲槓等相比較振動衰減特性差等問題。HCM-Ⅰ超精密加工機床採用的滾珠絲槓,在嚴格保證伺服電動機與絲槓、絲槓和螺母與底座和溜板的聯接裝配的基礎上,加大溜板氣浮面積、提高其氣浮剛度,從而減小由於絲 槓的誤差對溜板運動精度的影響。並且絲槓螺母與溜板採用了浮動連接結構,從而減小了溜板起伏造成滾珠絲槓受壓波動而引起的絲槓瞬間或永久的變形。同時也避免了由於滾珠絲槓本身彎曲引起的因絲槓旋轉而造成的溜板運動誤差,因此實現了運動的最小位移分辨率≤0.01μm。

靜壓絲槓副的絲槓與螺母由於不直接接觸,而是有一層高壓液體膜相隔,所以沒有由於摩擦而引起的爬行和反向間隙,因此可以長期保持精度,進給分辨率更高;又由於油膜具有均化作用,可以提高進給精度,在較長的行程上可以達到納米級的定位分辨率。但是靜壓絲槓裝置較大,且必須有油泵、蓄壓器、液體循環裝置、冷卻裝置和過濾裝置等眾多的輔助裝置,另外還存在環境污染問題。

摩擦驅動是通過摩擦把伺服電動機的迴轉運動轉換成從動桿的直線運動,實現無間隙傳動,其工作原理如圖2所示。從微觀上看,壓緊輪與從動桿之間的油膜處於液體潤滑狀態,潤滑油的剪斷特性決定牽引系統。因而要選擇係數較高的潤滑油。壓緊輪滾動時實現進給,進給分辨率取決於伺服電動機迴轉一周的步進數。採用摩擦驅動進給的一個重要問題是預壓,若預壓力過小,則接觸面有可能產生滑動;若預壓力過大,由於彈性變形,則很難實現正確的驅動。另外由於預壓力的存在,還容易產生磨損問題。新的研究表明,用扭曲滾輪摩擦驅動可以實現埃(?)級定位。

 

圖2 摩擦驅動原理圖

各種進給絲槓及摩擦驅動特性如表2所示。

超精密加工機床中還廣泛應用微量進給機構,以滿足對更高定位精度和進給分辨率的要求。常用的方法有採用滾動絲槓進給和彈性進給並用的方法和由粗調和微調壓電元件組合的方法。HCM-Ⅰ超精密加工機床採用的是壓電式微量進給刀架。

表2 各種進給機構特性表種類 優點 缺點 定位精度 進給絲槓 滑動

絲槓 製造容易,但需有研磨加工技術,衰減性好 需注意爬行 經仔細研磨加工後定位精度為0.01μm 

前加工需達到0.1μm 滾珠

絲槓 已有規格化,容易搞到(C0)級 衰減性不好,

需注意爬行,

注意微小振動 最高可達0.01 μm 

前加工需達到0.1μm 液體靜

壓絲槓 精度高,衰減性小 裝置大,輔助設備多和維護難,油污染 相當好的定位精度為0.01μm,通常是

0.03 μm 氣體靜

壓絲槓 精度高,維護容易 加工難 0.01μm 摩擦驅動 精度高,結構簡單 需要適宜的預壓和管理 當前的目標是0.01μm 壓電元件 超微細的分辨率(亞納米,nm) 行程微小(幾微米~十幾微米) nm,

5 環境條件

超精密加工的環境條件有三。其一是污染,超精密加工機床必須置於潔淨的超淨室內才能充分發揮其優勢。室內的潔淨度以一立方英尺中0.5μm以上的灰塵的數量表示。作為超精密加工機床的工作環境應為20000~3000級以下。

其二是振動。環境振動的干擾不僅會引起機床本體的振動,更主要的是會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移,後者將直接反映到被加工零件的精度和表面質量上。因此超精密加工機床必須設置性能優異的隔振裝置。目前國外超精密加工機床中,大多數採用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統,並取得了較好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧在具有較大承載能力的同時,具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統獲得較低的固有頻率,遠離環境干擾頻率,提高隔振效果。經理論分析研究和計算比較,HCM-Ⅰ超精密加工機床採用了直筒約束膜式結構,並取內、外變角均為0°。這樣不僅彈簧剛度的線性度好,而且結構簡單,便於模具的製造以及裝置的安裝和調整。

表3 提高超精密加工精度的計劃目標誤差原因 日本精度(μm) POMA計劃值(μm) 位置檢測精度

定位精度

偏擺、俯仰、傾斜

直線度

軸向跳動

徑向跳動

主軸的延伸

主軸驅動

熱的影響

工件的裝夾

形狀精度(綜合精度) 0.005 

0.005 

(0.05") 

0.02 

0.005 

0.005 

0.025 

0.01 

0.025 

0.025 

0.05 0.05 

0.01 

0.02 

0.02 

0.02 

0.02 

0.05 

0.01 

0.05 

0.05 

0.1 注:POMA是在將直徑為800mm的大型非球面反射鏡的形狀精度提高到0.1μm的前提下出來的。 p>其三是溫度。超精密加工機床的加工必須在恆溫室內進行,加工過程中溫度的變化,會造成機床運動精度下降,不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題,通常從兩個方面入手,一是選擇合適的部件材料,超精密加工機床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗岩、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實際出發,HCM-Ⅰ超精密加工機床幾乎全部採用花崗岩。二是保持溫度的恆定控制。在總結國內外經驗之後,哈爾濱工業大學提出了“有效冷流速率”的概念,在此基礎上進行的超精密恆溫供油系統的溫控精度達到了世界先進水平。

6 結束語

亞微米級超精密機床HCM-Ⅰ的誕生,標誌著我國的超精密加工研究跨入了國際行列。但它畢竟還沒有走出實驗室,沒有商品化,要趕上國際先進水平還需加倍的努力。表3列出的是美國POMA的精度目標值和日本學者認為的今後精度目標值。

引用出處:

http://tw.myblog.yahoo.com/lifung-biz/article?mid=4500&prev=4501&next=4496

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生醫材料 擺脫生物自然凋零的宿命?

 

由於人口老化已成全球趨勢,加上醫材產品認證時間逐漸縮短、生醫材料應用領域持續擴展,使得生醫材料衍生產品市場逐年成長。

依據Research and Markets市場報告顯示,2008年,全球生醫材料衍生產品市場約255億美元,未來5年,該市場的年複合成長率(CAGR)預估高達15%。

生醫材料的來源為天然或人工合成的材料,因具有生物相容性,而可被植入或結合到活體系統中,用來取代或修補活體系統的一部分,或直接與活體接觸而執行其生命功能。

生醫材料廣泛地應用於所有醫療器材中,例如,注射針筒、血袋、引流插管及駐植體、人工臟器,以及保健營養品、化妝品與藥物釋放系統等。

依 用途可分為:骨骼系 統修復材料(骨骼、關節等)、齒科材料、軟組織材料(皮膚、食道、呼吸道、膀胱等)、心血管系統材料(人工心臟瓣膜、血管、心血管內插管等)、醫用膜材料 (角膜接觸鏡、液血淨化膜等)、生物感測器材料、整型外科材料、傷口癒合材料等,其中,又以再生醫療外科及骨科相關生醫材料為最大宗。

 

生醫材料以組成與性質分成四類

 

一 般將生醫材料略分為 四大類:金屬與合金材料(metals and alloys)、陶瓷材料(ceramics)、高分子材料(polymers)與生物組織材料(biological materials)。前兩項用於硬組織,如骨科;後兩項則用於軟組織,如細胞,為再生醫學的研究基盤之一。

 

(一)金屬與合金材料

大 致分為三種:以鐵為 基材的不銹鋼(stainless steel),應用於骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等;以鈷為基材的主要組成成份為:鈷(Co)-62.5%、鉻(Cr)-30%、鉬 (Mo)-5%與碳(C)-0.5%,應用於假牙、骨折固定與人工關節等。

以鈦為基材的氧化鈦(氧約佔0.9%)或Ti-6Al-4V鈦合金,應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。

常見的金屬與合金,即是以不銹鋼、鈷鉻合金與鈦金屬為最重要三大類。其應用如下:

 

1.以鐵為基材的合金材料(iron-based alloys):主要為不銹鋼,在臨床上,主要的應用有:骨折固定、人工關節、人工骨骼與血管支架等。 

2.以鈷為基材的合金材料(cobalt-based alloys):主要的應用有假牙、骨折固定與人工關節等。 

3.以鈦為基材的合金材料(titanium-based alloys):鈦金屬很容易在其表面產生氧化,常以氧化鈦或Ti-6Al-4V鈦合金(主要的元素為鋁和釩)的方式,應用在生醫材料上。主要應用於骨折固定、人工關節、人工心臟瓣膜的支架與心律調整器的外殼等。

 

(二)陶瓷材料

陶 瓷材料成分為氧化鋁 (alumina, Al2O3),β-磷酸三鈣(tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2),氫氧基磷灰石(calcium hydroxyaptite), Ca10(PO4)6(OH)2)與所謂的生醫玻璃(組成成份為SiO2、CaO、Na2O與P2O5等),應用於骨骼填充材料、人工骨骼表面修飾與假牙 等。

 

(三)高分子材料

高分子材料若依來源,可分類為天然高分子及人工合成高分子。天然高分子包括:纖維素(cellulose)、膠原蛋白(collagen)、幾丁質(chitin)、褐藻酸鹽(alginate)、透明質酸(hyaluronic acid)、明膠(gelatin)等。

天然高分子材料,多由動植物、微生物源萃取純化而來,在人體內,較沒有毒性及慢性發炎等問題。具有生物可降解性,可自行分解或被酵素作用分解為小分子,經代謝過程排出體外。

膠原蛋白、明膠、透明質酸、幾丁質等,多用於製作人工軟骨、人工真皮,傷口敷料或藥物控制釋放載體,以及美容保養品、健康食品上。

而人工合成高分子,則包括:聚甘酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚胺基甲酸酯(PU)等。

聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚乳酸、聚胺基甲酸酯等,多應用於隱形眼鏡、人工水晶體、心導管、人工關節、手術縫線、藥物控制釋放載體、整形移植材料、組織工程支架、人工血管與手術用手套等。

 

天然高分子材料大致分為6

 

天然高分子材料大致分為6種:(1)膠原蛋白:主要成份為膠原蛋白(collagen)、黏聚醣(mucopolysaccharides)以及彈性蛋白(elastin)等。適用於做為細胞培養的基材、暫時的組織填充材料以及製做各式人工器官的基材等。

(2)明膠:明膠為變性的膠原蛋白分子,經交聯修飾後可以用來做為生物膠(biological glue))、傷口敷料(wound dressing)或藥物制放載體(drug carrier)。

(3)透明質酸:為一帶許多負電荷的重複性雙醣單元天然高分子,將透明質酸注入關節中,增加關節部位的潤滑作用以減輕疼痛;眼科應用將透明質酸注入病患眼睛前房鞏固形狀,避免角膜在白內障手術時受到傷害。

(4)幾丁質與幾丁聚醣:是一種從甲殼類動物的外殼中萃取分離而得之多醣類聚合體。有良好的生物相容性、無毒性、可生物體內分解、價格便宜以及生產原料充足等優點,使得幾丁聚醣的身價水漲船高。

(5)褐藻酸鹽:為一帶許多負電荷的多醣類高分子,可以做為醫藥或化妝品的乳化劑或增稠劑。

(6)纖維素及其衍生物:為構成植物體木質部與其表皮細胞的主要成分,做成的薄膜或中空纖維,可使用在血液透析洗腎機。

 

合成高分子材料也分為6

 

合成高分子材料大致分為6種:(1)聚甲基丙烯酸甲酯:以甲基丙烯酸甲酯(MMA)為單體,經自由基(free radical, R‧)起始反應,應用於假牙、骨水泥與隱形眼鏡等。

(2) 聚乙烯:依密度 分為:低密度聚乙烯(low density polyethylene, LDPE)、高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)與超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene, UHMWPE)。低密度應用於心導管,超高分子量應用於骨折固定與人工關節等。

(3)矽膠:應用於人工心臟瓣膜的球閥、人工血管、心導管以及用來隆乳、隆鼻與隆下巴等美容手術的填充材料等。

(4) 聚酯類高分子: 由具有羧基(carboxyl group)與羥基(hydroxyl group)的單體,經polycondensation共聚合所得到的共聚物,如:達克隆(Dacron),與聚乳酸(polylactic acid, PLA)及聚甘醇酸(polyglycolic acid, PGA)或其共聚物等。應用主要有:大口徑人工血管,人工心臟瓣膜的縫合布圈以及人工韌帶等。

(5)四氟化聚乙烯:應用有中口徑人工血管。

(6)聚胺基甲酸酯:應用於人工血管與人工心臟的心室袋狀物等。

 

生物組織材料分為三類

 

生物組織材料在臨床上的應用,如:傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。目前,常使用的生物組織材料可分為三類:自體移植材料(autograft)、同種移植材料(homograft)和異種移植材料(heterograft)。

(1)自體移植材料(autograft):就是從病人自己身上所取下的組織,因取自於病患本身,因此,沒有免疫排斥的問題。

科學家從病人本身取下的健康生物組織,用以修補病變的生物組織,由於沒有免疫排斥的問題,相容性最好,壽命也最長。缺點就是來源有限,病人得多挨上一刀,以取下健康的生物組織。

可應用於傷口敷料、人工心臟瓣膜、人工補綴片、人工血管、人工肌腱和人工韌帶等。

(2)同種移植材料(homograft):從捐器官者身上取下來的健康生物組織,經滅菌手續處理後再植回病人的身上,但由於病毒傳染的顧慮,目前不太普遍使用。

此材料的保存大都需要保存在極低溫的環境,如液態氮裡,且由於並非患者本體的組織,容易產生排斥反應性,與易受免疫系統的攻擊。

(3)異種移植材料(heterograft):從動物體上取下來的健康生物組織,經過交聯劑的交聯處理後才能植入人體,以穩定人體器官組織,增強對抗人體免疫系統與酵素的攻擊能力。

由於,來自非同種生物,身體的免疫系統會視其為外來物質而攻擊,因此,異種移植材料必須經過一些處理過程,才可以植入人體。

生醫材料要具備的條件

 

由於,生醫材料會與人體或組織接觸,因此,需要具備下列特性:被分解的速率可以控制;良好的生物相容性;不會產生免疫排斥反應;能提供適當的機械強度;可以促進組織的再生;可滅菌性(環氧乙烯、γ-照射、電子束等)。

(一)相容性/惰性/可分解性:生物材料本身與人體組織、體液或血液接觸後,必須符合臨床使用的情況,植入的材料能促使週遭細胞能遷徙並增生於材料上,隨著材料的分解與組織的再生,重建病變的組織,不再有強烈的免疫反應與排斥現象發生。

(二)無毒性/無過敏性/無致癌性/可消毒性:生物材料不容許對人體來說有任何的毒性,不會引起宿主的免疫反應以及細胞病變,可使用壓力鍋、E.O.、電漿、臭氧、γ射線等技術進行消毒,必須是完全可以讓人體接受的標準。

(三)數量充足穩定/價格合理:取得方便及數量平穩,並且是各國健保制度願意給付也負擔得起的。

 

奈米生醫材料市場潛力無窮

 

奈米生醫材料為近幾年的發展趨勢,研究發現,在奈米的尺度下,生醫材料有時能表現出較傳統材料更佳的效果。將植入物以奈米級的材料加以包覆,創造出細胞及組織能夠生長的環境,且不排斥,並具有長期取代的功能。

奈米規格的聚合物製成的骨釘板,可以減少傷口癒合的時間,以及減少疤痕與感染的發生。

以奈米技術製備的奈米粒材料,多採用聚乳酸、聚乳酸共聚、聚幾內酯、幾丁聚醣等高分子。

高分子奈米粒子在藥物控制釋放的應用,不僅能提高藥效、簡化給藥方式,且降低藥物的毒副作用,其中,以標靶治療最具代表性,用於癌症的治療功效顯著。奈米技術對生醫材料應用的幫助極大,未來市場潛力值得期待。

 

台灣生醫材料產業研發重點

 

在我國投入生醫材料的研發與廠商也有不少,例如,上游部份,中研院生醫所致力於組織工程、幹細胞及生長因子上的研究,包括:台大、陽明、清大、成大、長庚等醫療院所,在生醫材料的分子改良、特性分析及動物實驗上,均有從事研究。

中游部分,國家衛生研究院、台灣動物科技研究所及工研院為研發主體。下游部分,許多廠商引進國外相關生醫材料技術,並與國內研究單位合作,尤其對組織工程應用領域有濃厚的興趣。

從業界及研發領域的觀點來看,生醫材料用途多樣性,開發風險較新藥開發小,是生技領域中,類似關鍵零組件的概念產品。

以製造為導向,開發成果及技術可應用至不同領域,甚至跨入組織工程領域發展,開拓不同型式的產品,生醫材料之潛在應用市場龐大,值得我國生技廠商密切專注。

 

何謂的生醫材料?

所謂的生醫材料就是用於生物體內或體外使用的醫學器材材料,包含:天然來源或人工合成材料,可被植入或結合入生物體系統內,直接或間接的接觸生物體的組織、體液或血液等,以取代或修補生物體系統的一部分,繼續執行生物體的生命功能。

 

參考資料:

1.生醫材料之發展與應用(上)-IT IS/金屬中心產業研究組 蔡潔娃/2010年

2.高分子材料與醫療器材-科學發展/2010,455期 黃世偉

3. 奈米生醫材料技術發展趨勢與商機探討-IT IS/黃博偉 2004年

 

引用出處: 

 

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電動車電池 可望快速充電完畢!

‧零組件 2011/08/03 MIT材料科學系的研究團隊,已成功研發出具有高度可替代性的新一代半固態液流電池芯材料,並提出將儲存和釋放電池功分別開來的創新架構。這能夠讓電動車 像傳統汽車加油一般,在幾分鐘之內快速且簡易地完成充電。其研究成果將撼動甚至改變全球電動車的發展樣貌。

【撰文/鍾榮峯】

MIT材料科學系的研究團隊,已成功研發出具有高度可替代性的新一代半固態液流電池芯材料,並提出將儲存和釋放電池功分別開來的創新架構。這能夠讓電動車像傳統汽車加油一般,在幾分鐘之內快速且簡易地完成充電。其研究成果將撼動甚至改變全球電動車的發展樣貌。

美 國劍橋麻省理工學院(MIT)近日公佈一項可能撼動當前電動車發展的最新研究成果。MIT材料科學系的研究團隊,已成功研發出具有高度可替代性的 新一代電池材料與架構,不僅重量輕薄且成本低廉,還更能夠像傳統汽車加油一般,在幾分鐘之內快速且簡易地完成充電,可望成為電動車和智慧電網電池的最佳方 案。

從淤泥中找到靈感 電動車新電池材料有譜!

不 同於一般鋰離子(lithium-ion)和鋰聚合物電池內電解質採用固態材料的設計,這款新電池架構是以半固態的液流電池芯(semi- solid flow cell)為核心,電池芯內的固態顆粒是懸浮於液態媒介物中,透過電池系統的唧筒運動產生電能。在設計上,電池內主動元件的正極(anodes)和負極 (cathodes)材料,就是由電池芯中電解液(liquid electrolyte)的懸浮顆粒所組成。這兩個不同的懸浮液是由具滲透性的多孔離子薄膜(thin porous membrane)隔離開來,透過唧筒運動產生電能。

這個半固態懸浮物看起來有點像淤泥,流動起來類似於黑色的黏稠物,由於被認為最終將可替代石油運輸工具,因此研究人員戲稱為「劍橋原油」(Cambridge crude)。

提高10倍能量密度 半固態液流電池出頭天!

液 流電池(flow battery)技術其實已經存在一段時間,不過以往液流電池的能量密度(energy density)都不高,通常只能儲存一定量的電能。因此,就同樣的電能供應量來說,既有的液流電池比起燃料電池(fuel cell)需要更多的空間,液流也需要更為快速的唧筒運動,效能反而不見起色。

MIT所開發出來的半固態液流電池材料,可以克服上述侷限。相較於目前液流電池,半固態液流電池材料可大幅增加高達10倍的能量密度,在製程成本上也比既有的鋰離子電池還要來的低。也因為這個半固態液流材料的能量密度夠高,所以不需要藉由快速的唧筒運動來輸送電能。

關 鍵點在於,MIT的半固態液流電池材料,是降低電池芯的既有固態材料、而透過液態懸浮物中更細微的顆粒材質,藉由類似流沙可像液體般流動的特性, 來帶動更多的固態顆粒。這樣的技術巧妙地結合了既有水樣態的液流電池(aqueous-flow battery)架構、以及已被證明可用的鋰離子電池化學特點。而MIT的半固態液流電池設計架構,不侷限於採用特定的化學材料,研究團隊仍持續開發其他 可用的化合物。

電動車數分鐘充電完畢不是夢!

另一方面,這個電池架構最值得注意的特點,在於設計上把儲存所需電能以及釋放所要電能這兩大電池功能分別開來,由不同的物理架構作為基礎。這有別於傳統電池把儲存和釋放電能放在同一架構上運作的設計。這樣的隔離設計可讓電池更加發揮效能。

這樣的新設計架構可大幅減少包括機構和連接器等電池系統的尺寸和成本,預計可縮小50%左右。因此有效提昇了電動車與一般汽油和柴油引擎汽車的競爭力。

另 一方面更具潛在優勢的特點是,在往後的電動車應用上,這款新電池架構能夠讓電動車快速充電不再是遙遠的夢想,藉由唧筒抽吸電池芯的泥漿狀電解質, 重新灌注新的泥狀物,就能夠全面完成充電作業。或者,只要時間允許,這樣的充電作業就像在賽車場加油修理處更換或為輪胎充氣一般地簡易且熟悉。

除 了可應用在電動車領域外,這款電池系統也能在低成本的條件下增大尺寸,因此也可適用於大規模電力儲存基礎設施和備援系統,進而讓間歇性且無法預估 的風力和太陽能電力供應更加穩定,以積極落實智慧電網架構。不過,半固態液流電池可能較不適用於工具機和需要用高電壓產生短脈衝的應用,在這些領域反而 A123超級鋰電池較為適合。

 

延伸閱讀:

汽車電子聚焦亞洲

【完整內容請見《零組件雜誌》2011.7月號】

 

引用出處: 

 

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刀具,切削刀具是什麼?

在我們的身邊有很多用金屬製品,可是,大家知道它們是怎樣加工出來的嗎?

金屬有很多加工方法,而其中使用最多的方法是切削加工

首先,讓我們來學習一下切削刀具切削加工吧!我們常說到切削刀具,切削刀具究竟是什麼呢?

首先,我們先來思考一下身邊的切削刀具。

在我們的生活中也存在許多切削刀具。例如,廚房中的小刀、菜刀等刃具和(擦蘿蔔的)礤菜板等都屬於切削刀具。還有,桌子上的裁紙刀和鉛筆刀,工具箱裡的鋸和鉋子等等,這些也屬於切削刀具。這些刃具的共同點就是通過切和削改變物體的形狀,並產生切削屑。

大家應該已經明白了,切削刀具就是通過切、削物體使之接近希望形狀的工具。我們生活中出現的切削刀具就有用來加工水果、蔬菜的菜刀以及切削木材鋸子等等。

文章參考來源:mitsubishicarbide.net

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