[发明专利]基于超声振动辅助的纯钛实心微针成形工艺

说明书

技术领域

本发明涉及金属塑性成形，尤其涉及一种基于超声振动辅助的纯钛实心微针成形工艺。

背景技术

在医疗领域，现代生物技术已生产出极为成熟和有效的药物，但是很多药物的有效传输受到目前的给药系统的限制。透皮给药系统便以其独特的优势成为给药系统的研究热点，透皮给药系统是指药物以一定速率通过皮肤，经毛细血管吸收进入人体循环而产生药效的一类制剂。与传统的给药方式相比，透皮给药有许多优点：避免因口服给药而产生的肠胃内消化酶对药物的分解、破坏作用和肝脏的“首过效应”；避免因静脉注射引起的疼痛和感染；通过控制药剂输送的速率、维持恒定的血药浓度增加疗效；降低药物的毒副作用和胃肠道反应；随时可中断给药改善患者的顺应性等。

在多种透皮给药方式中，微针透皮给药系统具有注射和透皮给药的双重优势，以其快速、方便和无痛等优点取得了较大的研究进展。研究表明微针药物导入可显著提高药物透皮速率和吸收量，特别是在蛋白质、多肽和DNA等大分子物质的透皮制剂研究领域表现出良好的效果和应用前景。微针透皮给药技术将数十至数百枚实心或空心微针组成的透皮贴片贴于皮肤，通过刺穿皮肤最外层，使药物进入体内。

制作微针的材料很多，主要有硅、聚合物和金属等。由于硅加工技术比较成熟，微针的制备最初更多地围绕硅材料展开，但是硅易脆，在刺入皮肤时容易断裂，硅的生物相容性差，并且不适合作为模具来大批量复制，这些都限制了硅微针的应用。聚合物微针具有很好的生物相容性，也能够制作各种微针，但是由于聚合物的柔性，其机械性能和强度较差，不易刺入皮肤。金属微针一般不易折断，且很多金属如钛等具有良好的生物相容性，所以金属微针具有很广的应用范围。目前加工金属微针的方法主要有激光切割、电镀和超精密机械加工。这些方式的加工成本的加工效率都很低，而采用金属塑性成形的方法来生产微针则可以显著提高生产效率、降低生产成本。

金属微针由于尺寸特征处于亚毫米范围内，其成形工艺比传统的成形困难，主要原因为：当零件尺寸越小表面积与体积之比增大；对于小尺寸零件，工件与工具之间的黏着力和表面张力等显著增大；晶粒尺寸的影响显著，不能像传统工艺那样看成是各向同性的均匀连续体；工件表面存储润滑剂相对困难。此时在微针的塑性成形工艺中引入超声振动则可以达到改善工艺效果、提高产品质量的目的。超声振动塑性成形加工是指在传统的塑性加工成形工艺中，在工件或模具上主动施加方向、频率和振幅可调的超声振动。通常认为超声振动加工技术相对于传统金属塑性成形工艺具有以下优点：降低成形力、降低金属流动应力、减小工件与模具之间的摩擦，扩大金属材料塑性成形加工范围，提高金属材料塑性成形能力，可获得较好的产品表面质量和较高的尺寸精度。因此，在纯钛实心微针成形工艺中引入超声振动，有助于生产出合格的零件，大批量成产降低成本。

发明内容

本发明的目的，就是为了克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于超声振动辅助的纯钛实心微针成形工艺。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于超声振动辅助的纯钛实心微针成形工艺，包括以下步骤：

A、加工一组用于制备纯钛实心微针的模具；

B、搭建一个超声振动辅助成形系统并与模具相连；

C、对纯钛板进行预处理；

D、将预处理后的纯钛板放置于模具内，调整超声参数，采用墩挤的方法制备得到纯钛实心微针。

步骤A中所述模具包括凸模和凹模，凸模与坯料接触面为平面，凹模带有V形压边圈，凹模上具有与所述纯钛实心微针尺寸相匹配的型腔。

所述凸模和凹模采用微细电火花技术加工，凹模型腔和凸模与坯料接触面经过磨削后达到粗糙度等级为0.2μm，凸凹模上下表面平行度为0.01mm。

步骤B中所述超声振动辅助成形系统包括顺序相连的超声波发生器、超声波换能器和变幅杆，以及支架，超声波换能器和变幅杆安装在支架上，变幅杆与模具装配并向模具提供超声振动，所述超声振动辅助成形系统处于整体谐振状态。

步骤C中所述预处理是将纯钛板经完全退火再结晶得到等轴晶钛板，然后加工出尺寸为2mm×2mm～3mm×3mm、表面粗糙度等级为1.6～6.3的纯钛板，并清洗干净。

所述清洗干净是用酒精清洗干净。

步骤D中制备得到的纯钛实心微针的直径为100μm，长度为100～200μm。

步骤D中所述的超声参数为：谐振频率20KHz，功率300～1000W。

步骤D中所述的墩挤是通过万能力学试验机对模具施压，压力为2～10KN。