Medical Implants
การควบคุมอุณหภูมิด้วยน้ำของ Regloplas ซึ่งใช้แทนน้ำมัน สามารถรองรับอุณหภูมิได้สูงถึง 230 °C เหมาะสำหรับการแปรรูปเทอร์โมพลาสติกสมรรถนะสูง (High-performance thermoplastics)
ความร่วมมือทางธุรกิจระหว่าง Horst Scholz GmbH & Co. KG หนึ่งในบริษัทชั้นนำของเยอรมนีที่มีความเชี่ยวชาญด้านการขึ้นรูปพลาสติกประสิทธิภาพสูง และ Regloplas AG ได้ดำเนินมาอย่างยาวนานกว่า 20 ปีด้วยคุณสมบัติทางกายภาพด้านการควบคุมอุณหภูมิของน้ำที่เหนือกว่า บริษัท Scholz จึงมีความประสงค์ที่จะเปลี่ยนตัวกลางถ่ายเทความร้อนในกระบวนการควบคุมอุณหภูมิจากน้ำมันมาเป็นน้ำเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบน้ำแรงดันรุ่น Regloplas P230S ที่พัฒนาโดย Regloplas สามารถรองรับช่วงอุณหภูมิได้สูงถึง 230 °C ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการทดแทนการใช้น้ำมัน และช่วยลดความเสี่ยงจากการปนเปื้อนในกระบวนการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
พลาสติกสมรรถนะสูงชนิดกึ่งผลึก (Semi-crystalline high-performance plastics) เช่น PEEK และ PPS ซึ่งเป็นเทอร์โมพลาสติกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ปัจจุบันถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง ทั้งในด้านชิ้นส่วนอุตสาหกรรม เทคโนโลยีทางการแพทย์ งานวินิจฉัย และอุตสาหกรรมยานยนต์ด้วยคุณสมบัติด้านความแข็งแรงและความทนทานที่โดดเด่น วัสดุเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้เพิ่มมากขึ้นในฐานะวัสดุทดแทนโลหะ โดยเฉพาะในการผลิตอุปกรณ์ฝังในทางการแพทย์ (Medical implants)
Figure 1: Regloplas P230S Temperature Control Unit with waterCare in operation [2]
ในอดีต กระบวนการควบคุมอุณหภูมิสำหรับพลาสติกที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า 300 °C และต้องใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์มากกว่า 200 °C มักใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิที่มีน้ำมันเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน
ด้วยการพัฒนาเครื่องควบคุมอุณหภูมิความแม่นยำสูงรุ่น Regloplas P230S ซึ่งมาพร้อมระบบเพิ่มความดันในตัวที่ได้รับการจดสิทธิบัตร ทำให้ปัจจุบันสามารถใช้น้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนในการควบคุมอุณหภูมิของเครื่องฉีดขึ้นรูปสำหรับพลาสติกคุณภาพสูงได้
เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำมัน น้ำมีค่าความจุความร้อนจำเพาะสูงกว่าประมาณ 2 เท่า (น้ำ: 4.18 kJ/(kg·K), น้ำมัน: 1.9 kJ/(kg·K)) และมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงกว่าอย่างน้อย 2 เท่า (น้ำ: 2300–3500 W/(m²·K), น้ำมัน: 1100–1700 W/(m²·K)) อีกทั้งยังมีความหนืดต่ำกว่าน้ำมันตลอดช่วงการใช้งาน ภายใต้แรงดันระบบประมาณ 30 บาร์ น้ำจะมีความหนืดลดลง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อน
นอกจากนี้การใช้น้ำเป็นตัวกลางยังช่วยลดความเสี่ยงจากการปนเปื้อนที่เกิดจากน้ำมัน ไม่มีการระเหยของน้ำมัน ส่งผลให้ภายในเครื่องจักรมีความสะอาดมากขึ้น และช่วยลดความเสี่ยงต่อการบาดเจ็บของผู้ปฏิบัติงานในกรณีที่เกิดการรั่วไหลของตัวกลางถ่ายเทความร้อน
ในกระบวนการผลิตของบริษัท Scholz ขนาดของแม่พิมพ์อยู่ในช่วงประมาณ 50–250 กิโลกรัม โดยหากใช้ระบบควบคุมอุณหภูมิด้วยน้ำมัน จะต้องตั้งค่าอุณหภูมิน้ำมันที่ประมาณ 236 °C เพื่อให้ได้อุณหภูมิแม่พิมพ์ที่ 220 °C ขณะที่การใช้ “น้ำ” เป็นตัวกลางต้องการอุณหภูมิการไหลเพียง 224 °C เท่านั้น ส่งผลให้กระบวนการควบคุมอุณหภูมิมีระยะเวลาสั้นลงอย่างเห็นได้ชัด โดยเฉพาะระยะเวลาในการอุ่นเครื่อง (heat-up time) ที่ลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง
พลาสติกสมรรถนะสูง เช่น PEEK ถือเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแทนโลหะ โดย Scholz ได้นำวัสดุนี้ไปใช้งานอย่างหลากหลาย โดยเฉพาะในด้านเทคโนโลยีทางการแพทย์ ซึ่งมีการผลิตชิ้นส่วนโรเตอร์จากวัสดุ PEEK สำหรับใช้งานในเครื่องปั๊มหัวใจด้วยข้อกำหนดด้านความสะอาดในกระบวนการผลิต บริษัทจึงเลือกใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิของ Regloplas ร่วมกับน้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนแทนน้ำมัน โดยเครื่องควบคุมอุณหภูมิรุ่น Regloplas P230S สามารถตอบโจทย์ด้านความบริสุทธิ์และมาตรฐานการผลิตได้อย่างเหมาะสม
Rotor for an implantable cardiac support system
ชิ้นส่วนที่มีการย่อขนาดในระดับสูง (High miniaturisation) และถูกใช้งานโดยตรงในกระแสเลือด จัดอยู่ในกลุ่มความเสี่ยงสูงสุดด้วยความหนาของผนังใบพัดเพียง 200 ไมโครเมตร และความเร็วรอบในการทำงานที่ 30,000–50,000 รอบต่อนาที จึงมีข้อกำหนดด้านความทนทานของโรเตอร์ในระดับที่สูงมาก (รูปที่ 2)ในกรณีนี้ วัสดุ PEEK มีข้อได้เปรียบหลายประการ ได้แก่ น้ำหนักเบามาก ความทนทานต่อสารเคมีสูง สามารถทำการฆ่าเชื้อได้ง่าย มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (Biocompatibility) และมีความแข็งแรงจำเพาะสูง
ด้วยการนำเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบน้ำแรงดันรุ่น Regloplas P230S มาใช้งาน ทำให้สามารถใช้วัสดุ PEEK ในกระบวนการฉีดขึ้นรูป และควบคุมอุณหภูมิด้วยน้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพส่งผลให้การควบคุมมาตรฐานความสะอาดในกระบวนการผลิตเป็นไปได้ง่ายขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ขณะที่การควบคุมอุณหภูมิด้วยน้ำมันมักก่อให้เกิดคราบน้ำมันสะสมภายใ นบริเวณเครื่องจักรทั้งหมด และจำเป็นต้องมีขั้นตอนการทำความสะอาดเพิ่มเติมนอกจากนี้ การใช้ระบบน้ำยังช่วยลดรอบการบำรุงรักษาที่เกิดจากการปนเปื้อนภายในเครื่องจักรได้อีกด้วย
ในฐานะตัวกลางถ่ายเทความร้อน น้ำยังมีข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการหนึ่ง เนื่องจากมีประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนมากกว่าน้ำมันมากกว่า 2 เท่า ส่ งผลให้สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำสูง ซึ่งช่วยให้กระบวนการผลิตมีความเสถียรยิ่งขึ้นโรเตอร์ที่ผลิตจากวัสดุ PEEK ถูกนำไปใช้ในเครื่องปั๊มหัวใจที่ผลิตโดย Abiomed โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเพียง 4 มิลลิเมตร ซึ่งถือเป็นหนึ่งในระบบช่วยพยุงการทำงานของหัวใจที่มีขนาดเล็กที่สุดในโลก
Fig. 3: Heart pump by Abiomed [4]
ชิ้นส่วนต่อไปนี้ยังถูกนำไปใช้งานในด้านเทคโนโลยีทางการแพทย์
อีกหนึ่งตัวอย่างของการใช้งานเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบน้ำแรงดันรุ่น Regloplas P230S คือชิ้นส่วนโครงรังลูกปืน (Ball bearing cage) ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งผลิตจากวัสดุ PEEK โดยการฉีดขึ้นรูปในแม่พิมพ์เดี่ยว พร้อมชุดสไลด์จำนวน 7 ตัวที่จัดเรียงในแนวรัศมีชิ้นงานนี้มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกเพียง 2.3 มิลลิเมตร และมีน้ำหนักเพียง 0.0008 กรัม ซึ่งถือเป็นชิ้นงานฉีดขึ้นรูปที่มีน้ำหนักเบาที่สุดที่บริษัท Scholz ผลิตในปัจจุบันโครงรังลูกปืนดังกล่าวยังถูกนำไปใช้งานในเครื่องปั๊มหัวใจของ Abiomed แสดงให้เห็นถึงบทบาทของชิ้นส่วนขนาดเล็กในงานที่ต้องการสมรรถนะสูงอย่างยิ่ง
ในระหว่างการทำงาน เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบน้ำแรงดันจะต้องเผชิญกับสภาวะสุดขั้ว ได้แก่ อุณหภูมิสูงกว่า 200 °C และแรงดันระบบมากกว่า 30 บาร์ภายใต้สภาวะเหล่านี้ น้ำที่มีความเค็มสามารถเร่งกระบวนการกัดกร่อน (corrosion) ได้อย่างรวดเร็ว โดยปฏิกิริยาต่าง ๆ ในน้ำจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูง โดยเฉพาะไอออนคลอไรด์ (Chloride) ในตัวกลางควบคุมอุณหภูมิจะโจมตีชั้นป้องกัน (passive layer) ของผิวโลหะ ซึ่งนำไปสู่การกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้น
การบำบัดน้ำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงของน้ำ โดยทั่วไปจะต้องทำที่อุณหภูมิน้ำสูงกว่า 180 °C และที่อุณหภูมิสูงกว่า 200 °C การใช้ “น้ำที่ผ่านการบำบัด” ถือเป็นสิ่งสำคัญการปนเปื้อนและการเกิดตะกรันในแม่พิมพ์หรืออุปกรณ์ จะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนระหว่างแม่พิมพ์/ฮีตเตอร์กับตัวกลางควบคุมอุณหภูมิลดลงRegloplas waterCare คือระบบบำบัดน้ำแบบเคลื่อนที่ ที่ช่วยจัดเตรียมน้ำให้เหมาะสมกับการใช้งานในระบบ เครื่องจะทำการกำจัดเกลือออกจากน้ำโดยอัตโนมัติ จากนั้นทำการปรับสภาพน้ำด้วยสารป้องกันการกัดกร่อนตามต้องการเพิ่มเติมด้วยตนเอง ผ่านชุดกรองเสริม ฝุ่นและสิ่งสกปรก เช่น เศษจากแม่พิมพ์ ก็จะถูกกรองออกจากวงจรน้ำอย่างมีประสิทธิภาพด้วย Regloplas waterCare ค่าใช้จ่ายโดยรวมในการบำรุงรักษาและทำความสะอาดเครื่องควบคุมอุณหภูมิจะลดลงอย่างมาก
ข้อดีของเครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบน้ำแรงดัน Regloplas P230S ที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน
– เพิ่มความสะอาดในกระบวนการผลิต เช่น ห้องคลีนรูม หรือชิ้นงานฉีดขึ้นรูปสำหรับเทคโนโลยีทางการแพทย์ ลดการปนเปื้อน ทำให้ต้องทำความสะอาดและบำรุงรักษาน้อยลง พร้อมเพิ่มความสามารถในการใช้งานของเครื่องจักร
– ไม่มีน้ำมันรั่วหรือละอองน้ำมันในกระบวนการผลิต
– ค่าความจุความร้อนจำเพาะของน้ำสูงกว่าน้ำมันถ่ายเทความร้อนถึง 2 เท่า (เป็นตัวชี้วัดปริมาณพลังงานความร้อนที่ตัวกลางสามารถถ่ายเทได้)
– เวลาในการให้ความร้อนด้วยน้ำสั้นกว่าการใช้ระบบน้ำมันเกือบครึ่งหนึ่ง
– ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของน้ำสูงกว่าน้ำมันเกือบ 2 เท่า (วัดความสามารถในการถ่ายเทพลังงานความร้อนจากผนังสู่ตัวกลาง)
– น้ำมีความหนืดต่ำ จึงปั๊มได้ง่าย
– น้ำไม่เกิดคาร์บอน ทำให้สามารถสร้างเครื่องควบคุมอุณหภูมิที่มีความร้อนจำเพาะสูงได้
– น้ำไม่ติดไฟ จึงปลอดภัยกว่าน้ำมัน เพราะไม่มีความเสี่ยงต่อการลุกไหม้
– มีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนเมื่อเทียบกับน้ำมัน พร้อมทั้งง่ายต่อการกำจัดและทำความสะอาดเครื่องจักร
– ลดความเสี่ยงต่ออันตรายต่อผู้ปฏิบัติงาน น้ำร้อนจะเย็นลงได้อย่างรวดเร็ว ขณะที่น้ำมันร้อน 200 °C หากรั่วไหลอาจทำให้เกิดแผลไหม้รุนแรง
– อายุการใช้งานของน้ำเป็นตัวกลางควบคุมอุณหภูมินานกว่าน้ำมันมาก
– การเปลี่ยนแม่พิมพ์ทำได้ง่ายขึ้นเมื่อใช้น้ำเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน
ขอขอบคุณ Horst Scholz GmbH & Co. KG สำหรับความร่วมมือที่ยอดเยี่ยมครั้งนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งขอขอบคุณ
คุณ Christian Schneider ผู้ช่วยผู้จัดการฝ่ายเทคนิค
[1] Regloplas AG "Temperature Control by Means of Fluid Media"
[2] Regloplas AG "Regloplas P230S Temperature Control Unit"
[3] Photo Horst Scholz GmbH & Co. KG "Rotor for an implantable cardiac support system"
[4] Photo Horst Scholz GmbH & Co. KG "Heart pump by Abiomed"
[5] Horst Scholz GmbH & Co. KG "Medical technology brochure"
[6] Photo Horst Scholz GmbH & Co. KG "Ball bearing cage"
Regloplas AGRegloplas AG
เป็นบริษัทในครอบครัวที่มีความเชี่ยวชาญด้านการพัฒนาและผลิตระบบควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะ ด้วยคุณภาพมาตรฐานสวิส มานานกว่า 55 ปี ระบบของ Regloplas ช่วยให้กระบวนการผลิตมีความเสถียรสูงสุด ด้วยความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิในช่วงต่าง ๆบริษัทเสนอ โซลูชันการควบคุมอุณหภูมิครบวงจร ให้กับลูกค้าทั่วโลก สำหรับกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนสูง และเป็นผู้นำในตลาดด้านนี้
Horst Scholz GmbH & Co. KG
บริษัทในครอบครัวที่บริหารโดยเจ้าของ มีค่านิยมสำคัญ ได้แก่ ความมั่นคง ความน่าเชื่อถือ ความโปร่งใส และความรับผิดชอบบริษัทสร้างชื่อเสียงจาก ผลิตภัณฑ์ฉีดขึ้นรูปที่มีความแม่นยำสูง ในสาขาต่าง ๆ เช่น ชิ้นส่วนเทคนิคความแม่นยำสูง เทคโนโลยีเฟือง ไมโครเทคโนโลยี และเทคโนโลยีทางการแพทย์Horst Scholz GmbH & Co. KG โดดเด่นด้านคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ซึ่งได้มาจากการใช้ เครื่องฉีดขึ้นรูปสมรรถนะสูง การสร้างแม่พิมพ์ภายในบริษัท และการมี พนักงานที่มีความเชี่ยวชาญสูง