專利名稱：一種聚(l－乳酸)材料的鍛壓工藝及模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚(L-乳酸)材料的鍛壓工藝，尤其是涉及一種可使用于制造骨折內(nèi)固定器件的聚(L-乳酸)材料自增強的定向鍛壓工藝。本發(fā)明還涉及該工藝的專用模具。
背景技術(shù)：
聚乳酸是一種脂肪族聚酯塑料，通常由丙交酯開環(huán)聚合而得，具有良好的生物相容性，可在體內(nèi)降解吸收，廣泛用作生物醫(yī)學(xué)材料?？删廴樗崛粲猛ǔ５乃芰铣尚凸に囯y以獲得高的力學(xué)強度，達不到用作制造骨折內(nèi)固定器件的要求。但另一方面，聚乳酸通過自增強技術(shù)加工成型，其增強相與基體的化學(xué)組成完全相同，不存在增強相與基體在化學(xué)結(jié)構(gòu)上的界面，在不需引入其它增強材料的情況下就可獲得更高力學(xué)強度的制品，因此，通過自增強技術(shù)加工成型，是研究開發(fā)聚乳酸材料作為骨折內(nèi)固定器件的理想方法。目前以自增強加工技術(shù)開發(fā)的聚(L-乳酸)和聚(D，L-乳酸)制造的螺釘、髓內(nèi)釘(克氏針)等醫(yī)療器械產(chǎn)品已在臨床上得到應(yīng)用。在聚乳酸的自增強技術(shù)中，主要有纖維集束模壓成型技術(shù)、定向自由拉伸技術(shù)、收縮拉伸技術(shù)和固態(tài)擠出技術(shù)。這些增強技術(shù)可制得初始彎曲強度為200MPa以上的聚(L-乳酸)棒材器件，但技術(shù)和設(shè)備要求較高，纖維集束模壓成型技術(shù)中，物料還必須在高溫下經(jīng)受較長時間，分子量損失嚴(yán)重。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的，在于提供一種可使用于制造骨折內(nèi)固定器件的聚(L-乳酸)材料自增強的定向鍛壓工藝，設(shè)備要求不高，材料無須經(jīng)受長時間高溫，分子量損失相對較小。
本發(fā)明的工藝步驟如下將聚(L-乳酸)用通常的模壓法模壓成板材再裁割制成一定尺寸和形狀的模坯；將模坯放進溫度在攝氏110℃至115℃之間的專用定向鍛壓模具的模坯腔；
模坯放入1～2分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，時間限制在3～10秒內(nèi)；合模至預(yù)定位置后，保持壓力并停止加熱，立即進行冷卻，要求2分鐘內(nèi)使模具連同成品的溫度降溫至低于50℃；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
本發(fā)明的第二個目的，在于提供一種專用于上述工藝的鍛壓模具，由主體和上模、下模組成，主體含有貫通上下的定向形變腔，上模和下模橫截面的大小和形狀設(shè)計與定向形變腔的橫截面一致，上模、下模分別從主體的定向形變腔上、下方插進合模后由上模下表面、下模上表面與定向形變腔的周邊構(gòu)成等于產(chǎn)品形狀的定向形變孔道空腔。
在上述基礎(chǔ)上，本模具還可進一步變型所述的定向形變腔正中開有模坯腔，其形狀和大小與模坯一致，模坯腔表面與定向形變腔表面相交處為圓滑過渡。
所述的模坯腔可與定向形變腔方向一致、或是與定向形變腔垂直的矩形孔、或是與定向形變腔垂直的圓孔。
所述的模具主體中開有冷卻水通道、電熱棒插孔及為測溫孔，分別外接冷卻水、插有電熱棒、測溫計。
模坯腔為縱向設(shè)計時，即模坯腔與定向形變腔方向一致時，模具主體中的定向形變腔即作為模坯腔；模坯腔為橫向設(shè)計時，即模坯腔與定向形變腔垂直時，其形狀和大小與模坯一致；模坯腔為圓孔時，其直徑等于模坯直徑。
本發(fā)明也適用于聚(L-乳酸)復(fù)合材料的自增強。
本發(fā)明的有益效果采用本發(fā)明的工藝及模具，設(shè)備要求不高，材料無須經(jīng)受長時間高溫，分子量損失相對較小，可制造出初始彎曲強度達220～280MPa、剪切強度達160～185MPa的聚(L-乳酸)棒材、螺釘、板等型材器件。
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。
圖1為模具實施例1模坯腔為縱向設(shè)計的定向鍛壓模具主體剖視示意圖。
圖2為圖1的A-A剖面示意圖。
圖3為圖2的B-B剖面示意圖。
圖4為模具實施例1上模主視示意圖。
圖5為圖4的左視示意圖。
圖6為模具實施例1下模主視示意圖。
圖7為圖6的左視示意圖。
圖8為模具實施例2模坯腔為圓孔的定向鍛壓模具主體主視示意圖。
圖9為圖8的C-C剖面示意圖。
圖10為圖9的D-D剖面示意圖。
圖11為模具實施例2上模主視示意圖。
圖12為圖11的左視示意圖。
圖13為圖11的仰視示意圖。
圖14為模具實施例2下模主視示意圖。
圖15為圖14的左視示意圖。
圖16為圖14的俯視示意圖。
圖17為模具實施例3模坯腔為橫向設(shè)計的定向鍛壓模具主體主視示意圖。
圖18為圖17的E-E剖面示意圖。
圖19為圖18的F-F剖面示意圖。
圖20為模具實施例3上模主視示意圖。
圖21為圖20的左視示意圖。
圖22為圖20的仰視示意圖。
圖23為模具實施例3下模主視示意圖。
圖24為圖23的左視示意圖。
圖25為圖23的俯視示意圖。
圖中，1為上模，2為下模，3為主體，4為定向形變腔，5為模坯腔，6為冷卻水通道，7為電熱棒插孔，8為測溫孔，9為上模定位銷，10為主體定位孔。
具體實施例方式
如圖1至圖7所示，本發(fā)明的專用于可使用于制造骨折內(nèi)固定器件的聚(L-乳酸)材料自增強的定向鍛壓工藝的模具實施例1，由主體3和上模1、下模2組成，主體3含有貫通上下的定向形變腔4，也即長矩形孔，主體中還開有冷卻水通道6、電熱棒插孔7及為測溫孔8，可分別外接冷卻水、插有電熱棒、測溫計，主體中模坯腔5為縱向設(shè)計，本例中定向形變腔4的中部即作為模坯腔；上模和下模的橫截面與定向形變腔和模坯腔的橫截面相適應(yīng)，都為長矩形，可分別從主體的定向形變腔4上下方插進合模，最終由上模下表面、下模上表面與定向形變腔的周邊形成等于成品形狀的定向孔道空腔，模坯在上下模的壓力下充滿由上模和下模與定向形變腔的周邊構(gòu)成的定向孔道成型。
例如，對通常的圓柱型的器件如圓棒和螺釘，定向孔道為圓形，孔道的直徑及長度則由器件的直徑及長度決定；對于板材，定向孔道為矩形，其大小及長度同樣由要制造的板材決定。上模與下模合模后與定向形變腔的周邊構(gòu)成的定向形變孔道，其大小和形狀與最終器件或制品的相同。定向鍛壓過程中，模坯隨著上模與下模的合模而發(fā)生定向形變，最終形成與由上模和下模合模后與定向形變腔的周邊構(gòu)成的定向孔道形狀和大小相同的制品。
如圖8至圖16所示，本發(fā)明的專用模具實施例2，與實施例1不同之處在于所述的模坯腔是一定孔徑的圓孔，位于定向模具主體中的定向形變腔的中間，其直徑等于模坯直徑；模坯腔表面與定向形變腔表面相交處為圓弧過渡，過渡圓弧的R為6毫米。
如圖17至圖25所示，本發(fā)明的專用模具實施例3，與實施例1不同之處在于所述的模坯腔與定向形變腔成垂直方向的橫向設(shè)計，位于定向模具主體中的定向形變腔的中間，其形狀和大小與模坯一致。模坯腔表面與定向形變腔表面相交處為圓弧過渡，過渡圓弧的R為8毫米。
聚(L-乳酸)的定向鍛壓增強主要由以下因素決定(1)鍛壓溫度。鍛壓溫度越高，分子鏈和微晶的取向程度偏低，鍛壓制品的力學(xué)強度偏低，反之增強。(2)冷卻速度。鍛壓到預(yù)定位置(一般是上模與下模合模的位置)后，要迅速冷卻。冷卻速度越快，越有利于獲得高強度的鍛壓制品。(3)模坯形變率。定義鍛壓成型制品的長與模坯的長(適用于模坯腔為縱向和橫向設(shè)計)或直徑(適用于模坯腔為圓孔設(shè)計)之比為模坯的形變率。模坯形變率越大越有利于提高制品或器件的強度。
此外，聚(L-乳酸)模坯的結(jié)晶度對鍛壓制品的強度也有影響。結(jié)晶度越高，鍛壓制品的力學(xué)強度也越高。
(1)鍛壓溫度。聚(L-乳酸)的結(jié)晶熔融溫度通常為175～185℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度60℃左右。鍛壓溫度可選在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶熔融溫度之間，而以在110℃～115℃為好。鍛壓溫度過低，產(chǎn)品質(zhì)量及成品率降低，鍛壓溫度過高，產(chǎn)品的力學(xué)強度偏低。
(2)冷卻速度。冷卻速度應(yīng)越快越好。一般要求在鍛壓操作完成后，即鍛壓到預(yù)定位置后，立即進行冷卻。最好能在2分鐘內(nèi)從鍛壓開始時的溫度降溫至低于50℃為好，以盡量縮短鍛壓件在鍛壓模具中退火時間。為達到速冷效果，模具必須設(shè)置通冷卻水的通道，并且一旦鍛壓操作完成，立即切斷施加給模具的熱源，同時通入冷卻水冷卻。
(3)模坯形變率。模坯形變率決定模坯在定向鍛壓過程中的取向程度。模坯形變率越大，模坯在鍛壓過程中的取向程度越高，鍛壓產(chǎn)品的力學(xué)強度就越高。對于縱向和橫向設(shè)計的模坯腔，模坯形變率可控制在2～12之間，但以在4～9之間為好。形變率比過低，制品的力學(xué)強度偏低；形變率過高，鍛壓的成品率降低。例如要制造直徑為3mm、長為100mm的圓棒，用15×15.6×3mm3的模坯鍛壓成型，圓棒的長與模坯的長之比為100/15.6＝6.4或100/15＝6.7。對于圓孔設(shè)計的模坯腔，模坯形變率可控制在12～20之間。例如要制造直徑為3mm、長為100mm的圓棒，用直徑為7mm、高為18.5mm的圓柱形模坯，此時的形變率(100/7)為14.3。
施壓速度。在模坯溫度基本達到平衡后(通常在達到預(yù)設(shè)溫度的定向鍛壓裝置放入模坯1～2分鐘后，視模坯的大小略有差異，但影響不大)施壓，施壓過程應(yīng)在3～10秒內(nèi)完成。在保持壓力的同時，立即對定向鍛壓裝置通入冷水冷卻。待定向鍛壓裝置溫度降至50℃以下，解除壓力，取出產(chǎn)品。施壓過程過長，或施壓后不立即冷卻，或冷卻速率過慢，都對鍛壓件產(chǎn)生解取向作用，并可引起鍛壓件的結(jié)晶度及微晶尺寸增大，不利于最終產(chǎn)品的提高和使用效果。
本發(fā)明的可使用于制造骨折內(nèi)固定器件的聚(L-乳酸)材料自增強的定向鍛壓工藝工藝步驟如下將聚(L-乳酸)用通常的模壓法模壓成板材再裁割制成形變率在5～8之間的矩形模坯(各例的具體數(shù)值見表1)；開始時首先設(shè)定鍛壓溫度，待模具實施例1升溫至設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將模坯放進模坯腔也即定向模具主體形變腔的中部位置；模坯放入1分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，在5秒時間內(nèi)完全合模完畢；保持壓力并切斷熱源，立即通水冷卻，在2分鐘內(nèi)使模具的溫度降溫至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
得到φ3.2mm、長100mm的聚(L-乳酸)圓棒。有關(guān)參數(shù)和結(jié)果見表1。
表1
鍛壓工藝實施例5～8要求成品為φ3mm、長100mm的聚(L-乳酸)圓棒，為此采用模具實施例2的模坯腔為圓孔的定向鍛壓模具，定向形變腔水平長度為100mm，上模和下模合模時構(gòu)成的定向孔道為直徑3mm、長100mm的空腔；將模具實施例2安裝在油壓機中。
工藝步驟如下將聚(L-乳酸)用通常的模壓法或注塑成型法、擠出法制成圓棒，再裁割制成形變率在14～25之間的圓柱形模坯(各例的具體數(shù)值見表2)；開始時首先設(shè)定鍛壓溫度，待模具實施例2升溫到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將模坯放進模坯腔；模坯放入1分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，在5秒時間內(nèi)完全合模完畢；保持壓力并切斷熱源，立即通水冷卻，在2分鐘內(nèi)使模具的溫度降溫至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
得到φ3mm、長100mm的聚(L-乳酸)圓棒。有關(guān)參數(shù)和結(jié)果見表2。
表2
鍛壓工藝實施例9～12要求成品為M4.2×50的聚(L-乳酸)螺釘，為此先如鍛壓工藝實施例1采用模具實施例1的模坯腔為圓孔的定向鍛壓模具，定向形變腔水平長度為100mm，但上模和下模合模時構(gòu)成的定向孔道為直徑4mm、長100mm的空腔；將制得的兩支各為50mm的圓棒作為螺釘?shù)念A(yù)制件。按照模具實施例1的定向模具設(shè)計，使上模和下模合模時構(gòu)成的孔道為M4.2×1.5、長50mm的螺孔而設(shè)計制造羅紋成型模具。將此含羅紋孔道的模具安裝在油壓機中。
工藝步驟如下按上述工藝制得聚(L-乳酸)螺釘預(yù)制件(各例的具體數(shù)值見表2)；開始時首先設(shè)定羅紋成型溫度，待模具升溫到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將預(yù)制件放入羅紋成型模具的模坯腔中；模坯放入1分鐘后開始上模、下模合模，在5秒時間內(nèi)完全合模完畢；保持壓力并切斷熱源，立即通水冷卻，在2分鐘內(nèi)使模具的溫度降溫至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
得到M4.2×1.5、長50mm的聚(L-乳酸)螺釘。有關(guān)參數(shù)和結(jié)果見表3。
表3
鍛壓工藝實施例13～16要求成品為φ3.5mm、長100mm的聚(L-乳酸)圓棒，采用模具實施例3的模坯腔為橫向設(shè)計的定向鍛壓模具，定向形變腔水平長度為100mm，模坯腔處于定向形變腔正中，上模和下模合模時構(gòu)成的定向孔道為直徑3.5mm、長100mm的空腔；將模具安裝在油壓機中。
工藝步驟如下將聚(L-乳酸)用通常的模壓法模壓成板材再裁割制成形變率在14～25之間的矩形模坯(各例的具體數(shù)值見表4)；開始時首先設(shè)定鍛壓溫度，待模具實施例3升溫到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將模坯放進模坯腔；模坯放入1分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，在5秒時間內(nèi)完全合模完畢；保持壓力并切斷熱源，立即通水冷卻，在2分鐘內(nèi)使模具的溫度降溫至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
得到φ3.5mm、長100mm的聚(L-乳酸)圓棒。有關(guān)參數(shù)和結(jié)果見表4。
表4
鍛壓工藝實施例17～18要求成品為2×20×50mm3的聚(L-乳酸)增強板，采用模具實施例1的模坯腔為縱向設(shè)計的定向鍛壓模具，定向形變腔水平長度為120mm，上模和下模合模時與定形變腔周邊構(gòu)成的定向孔道為120mm、寬20mm、高2mm的空腔；將模具安裝在油壓機中。
工藝步驟如下將聚(L-乳酸)用通常的模壓法模壓成板材再裁割制成形變率為10的矩形模坯(各例的具體數(shù)值見表5)；開始時首先設(shè)定鍛壓溫度，待模具升溫到設(shè)定溫度并穩(wěn)定后，將模坯放進定向形變腔中的模坯腔；模坯放入2分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，在10秒時間內(nèi)完全合模完畢；保持壓力并停止加熱，立即通水冷卻，在2分鐘內(nèi)使模具的溫度降溫至至50℃(低于聚(L-乳酸)的Tg)；當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
得到2×20×120mm3的聚(L-乳酸)增強板。分別從板的兩端向中間栽出長50mm的板。有關(guān)參數(shù)和結(jié)果見下表5。
表5
權(quán)利要求
1.一種聚(L-乳酸)材料的鍛壓工藝，步驟如下a、將模坯放進溫度在110℃至115℃之間的專用定向鍛壓模具的模坯腔；b、模坯放入1～2分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，時間限制在3～30秒內(nèi)；c、合模至預(yù)定位置后，保持壓力并停止加熱，立即進行冷卻，要求2分鐘內(nèi)的溫度降溫至低于50℃；d、當(dāng)模具溫度低于40℃時，解除壓力開模取出成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚(L-乳酸)材料的鍛壓工藝，其特征是所述的模坯放入1～2分鐘后開始上模、下模合模鍛壓，時間限制在5～10秒內(nèi)；
3.一種專用于如權(quán)利要求1所述的聚(L-乳酸)材料的鍛壓工藝的定向鍛壓模具，其特征是由主體和上模、下模組成，主體含有貫通上下的定向形變腔，上模和下模橫截面的大小和形狀設(shè)計與定向形變腔的橫截面一致，分別從主體的定向形變腔上下方插進合模后由上模下表面、下模上表面與定向形變腔的周邊構(gòu)成等于產(chǎn)品形狀的定向形變孔道空腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的定向形變腔正中開有模坯腔，其形狀和大小與模坯一致，模坯腔表面與定向形變腔表面相交處為圓弧過渡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的模坯腔表面與定向形變腔表面相交處圓弧過渡的半徑在3～8mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的模坯腔與定向形變腔方向一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的模坯腔與定向形變腔垂直的矩形孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的模坯腔與定向形變腔垂直的圓孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至7所述的定向鍛壓模具，其特征是所述的主體中開有冷卻水通道、電熱棒插孔及測溫孔，分別外接冷卻水、插有電熱棒、測溫計。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可使用于制造骨折內(nèi)固定器件的聚(L－乳酸)材料自增強的定向鍛壓工藝將模坯放進溫度在80攝氏度至160攝氏度之間的專用定向鍛壓模具的模坯腔；1～2分鐘后鍛壓，時間限制在3～10秒內(nèi)；保持壓力并立即冷卻，2分鐘內(nèi)降溫低于50℃；解除壓力開模取出成品。本發(fā)明還涉及專用模具，由主體和上模、下模組成，主體含有貫通上下的定向形變腔，上模和下模橫截面的大小和形狀設(shè)計與定向形變腔的橫截面一致，分別從主體的定向形變腔的上下方插進合模后由上模下表面、下模上表面與定向形變腔的周邊構(gòu)成定向形變孔道即等于產(chǎn)品形狀的空腔。采用本發(fā)明的工藝及模具，技術(shù)和設(shè)備要求較不高，材料無須經(jīng)受長時間高溫，分子量損失相對較小，可制造出初始彎曲強度達220～280MPa、剪切強度達160～185MPa的聚(L－乳酸)棒材、螺釘、板等型材器件。
文檔編號B29C43/36GK1830649SQ20051012100
公開日2006年9月13日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者廖凱榮, 全大萍, 盧澤儉 申請人:中山大學(xué)