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嘉峪检测网 2025-08-07 20:27
医疗导管（如导引导管，微导管，泌尿导管等）产品性能与单腔挤出管的精密性息息相关，而单腔管的精密性核心依赖挤出模具设计，本文将剥离挤出模具的复杂外壳，聚焦核心零件的设计本质---芯模（定内径）与 口模（控外径） 的设计。（注：本文不涉及模体、分流器等其他模具部件。）
二者通过拉伸比（DDR）、拉伸平衡比（DRB）、成型段长度、收敛角度 四大参数，协同调控熔体的 口模膨胀、冷却收缩、流动对称性 等特性，直接决定管材的尺寸精度、力学性能与表面质量。本文从物理机制（补充术语解析）、材料适配到实操方法，构建单腔管模具的量化设计体系。为医疗导管工程师提供一套可量化、可复现的挤出芯模与口模设计指南。
一、医疗（单腔管）挤出模具设计核心参数
1.1拉伸比（DDR，Draw Down Ratio）：尺寸波动的 “补偿公式”
公式与物理机制
（D1:口模直径，D2: 芯模直径，d1: 管材外径，d2: 管材内径）
拉伸比用于补偿熔体三重尺寸变化：
口模膨胀（出口膨胀）：熔体从口模挤出瞬间，因高分子链弹性回复，尺寸瞬间放大（如 PEBAX 材料膨胀更明显）；
冷却收缩：熔体离开口模后，经冷却定型，温度下降导致分子链紧密排列，尺寸缩小；
牵引拉伸：后续牵引设备的拉力，进一步使管材尺寸缩小。
材料DDR适配与性能影响（表1）
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管材类型 |
熔体粘度 |
典型材料 |
壁厚范围（mm） |
DDR 推荐值 |
核心控制目标 |
风险提示 |
|
普通单腔管
|
高粘度 |
PA12、TPU 95A |
≥0.5 |
1.2-1.6 |
避免壁厚不均 |
DDR＞1.6：易出现内壁褶皱 |
|
中粘度 |
TPU 90A、PEBAX 72D |
0.3-0.5 |
1.5-2.0 |
平衡拉伸效率与取向度 |
DDR＞2.0：断裂伸长率下降 |
|
|
低粘度 |
LDPE、PEBAX 40D |
≥0.5 |
1.8-2.2 |
利用低粘度流动性，提升生产速度 |
DDR＞2.2：外径波动增大 |
|
|
介入类薄壁管
|
高粘度 |
PEBAX 63D、TPU 85A |
0.1-0.3 |
2.0-3.0 |
细化晶区，提升尺寸精度 |
DDR＞3.0：需匹配高频冷却 |
|
低粘度 |
PEBAX 55D、TPU 80A |
0.05-0.1 |
3.0-5.0 |
利用高拉伸降低壁厚，实现微型化 |
DDR＞5.0：易发生 “拉断”（牵引不稳定） |
参数偏离对单腔管性能影响：
DDR过小 → 补偿不足，管材尺寸偏大（如外径超公差）；
DDR过大 → 牵引过度，壁厚变薄，力学性能恶化。
1.2拉伸平衡比（DRB，Draw Down Ratio Balance）：壁厚均匀的 “天平”
公式与物理机制
（理想状态：口模/ 芯模直径比 ≡ 管材内外径比）
DRB通过匹配熔体流动对称性，避免因口模 / 芯模比例与管材收缩比例失配，导致 熔体偏流（如外层流速快、内层慢，类似河流中间快、岸边慢的现象），最终造成壁厚不均。
DRB控制标准与性能影响（表2）
|
材料粘度 |
管材类型 |
壁厚范围 |
典型值 |
实现条件 |
失效模式 |
|
低粘度 |
微小薄壁管 |
≤0.2mm |
1.01~1.07 |
牵引速度≥，急冷水温 |
无明显缺陷 |
|
常规薄壁管 |
0.2-0.5mm |
1.02~1.05 |
冷却长度充足 |
无明显缺陷 |
|
|
厚壁管 |
≥0.5mm |
1.0~1.03 |
成型段间隙过小 |
偏流导致内壁褶皱 |
|
|
高粘度 |
微小薄壁管 |
≤0.2mm |
1.01~1.04 |
收敛角≤40°，避免熔体滞留 |
无明显缺陷 |
|
常规薄壁管 |
0.2-0.5mm |
1.01~1.03 |
模具温度精准控制 |
偏流导致爆破压力下降 |
|
|
厚壁管 |
≥0.5mm |
1.0~1.02 |
配备熔体齿轮泵 |
严重壁厚不均（报废率＞30%） |
参数偏离对单腔管性能影响：
DRB偏离 → 壁厚差超标区域，爆破压力下降，力学性能离散性增大。
1.3成型段（Die Land）：尺寸定型的 “时间窗口”
物理机制
成型段是口模与芯模的平行段长度，为熔体提供定型时间：
高粘度材料（如PEBAX72D，分子链缠结更严重）需更长冷却时间固定尺寸；
低粘度材料（如LDPE，分子链更松散）定型更快。
若成型段过短，熔体未充分定型就离开模具，易出现尺寸波动；若过长，熔体受剪切作用过强，表面可能出现鲨鱼皮纹理（周期性粗糙纹路，属于熔体破裂的轻度表现）。
材料成型段适配与性能影响（表3）
|
熔体粘度 |
典型材料举例 |
成型段长度（mm） |
间隙比（成型段长度/ 口模间隙） |
设计逻辑 |
|
高粘度（≥8000mPa·s） |
PA12、PEBAX 72D、TPU 95A |
20-26 |
8-10:1 |
长滞留时间补偿高弹性回复 |
|
中粘度（3000-8000mPa·s） |
TPU 90A、PEBAX 63D |
15-20 |
6-8:1 |
平衡定型效率与分子取向 |
|
低粘度（≤3000mPa·s） |
LDPE、PEBAX 40D、TPU 80A |
10-15 |
4-6:1 |
短滞留降低剪切发热风险 |
参数偏离对单腔管性能影响：
过短→定型不足，单腔管尺寸波动；
过长→剪切过大，熔体破裂，单腔管表面性能变差。
1.4收敛角度：熔体流道的 “导流槽”
物理机制
收敛角度是熔体从分配腔进入成型段的过渡斜面角度，决定流速分布：
角度过小→流速慢（生产效率低）；
角度过大→流道内形成湍流（类似水流撞击陡坡，导致熔体混合不均，产生气泡、壁厚差），甚至引发熔体破裂（严重时管材表面出现孔洞、开裂）。
材料收敛角度适配与性能影响（表4）
|
熔体粘度 |
典型材料举例 |
收敛角范围 |
设计逻辑 |
性能风险控制 |
|
高粘度（≥8000mPa·s） |
PA12、PEBAX 72D、TPU 95A |
35-42° |
小角度降低剪切速率，避免发热降解 |
角度＞45° 易引发湍流，气泡率↑ |
|
中粘度（3000-8000mPa·s） |
TPU 90A、PEBAX 63D |
45-50° |
平衡流速与稳定性 |
角度＜40° 导致流速降低，效率↓ |
|
低粘度（≤3000mPa·s） |
LDPE、PEBAX 40D、TPU 80A |
55-60° |
大角度提升流速，防止熔体滞留 |
角度＜50° 可能导致管壁厚度不均 |
参数偏离对单腔管性能影响：
过小→生产效率下降，能耗增加；
过大→湍流导致壁厚差，甚至熔体破裂（报废率↑）。
1.5模具材料选择：参数生效的 “基石”
医疗管对模具表面粗糙度（Ra≤0.05μm）、耐磨性、耐腐蚀性要求严苛，核心材料及适配逻辑如下表，其特性直接影响参数设计的极限（如高精度模具允许更窄的 DRB 偏差）：
模具材料选择表（表5）
|
模具材料 |
标准牌号 |
适用导管类型 |
表面处理 |
核心优势 |
对管材的影响 |
|
083 钢 |
Uddeholm Swepax ESR |
透明 / 精密管 |
超精磨（Ra≤0.01μm） |
- 超精磨后表面粗糙度小- 长期生产尺寸磨损小，寿命长 |
- 管材内壁镜面效果- 精密管（如导丝导管）尺寸公差小 |
|
氮化钢 |
316 不锈钢 |
PVC/PVDF 管 |
氮化 + 抛光 |
- 耐 PVC 增塑剂腐蚀（寿命比普通钢长 5 倍）- 表面极性匹配 PVC，减少熔体滞留 |
- 管材内外表面无 “熔体碳化斑点”- 耐蚀性测试（5% NaCl 浸泡 72h）无腐蚀痕迹 |
|
344 钢 |
H13 - 热作钢 |
PEEK / 高温管 |
氮化 + DLC 涂层 |
- 400℃连续生产 PEEK 管不变形- 牵引阻力降低 40%，适合薄壁管高速拉伸 |
- 高温管材（如 PEEK 支架输送管）尺寸稳定性高- 内壁摩擦系数小，导丝通过性提升 |
|
311 钢 |
P20 - 预硬钢 |
普通输液管 |
电抛光 + 钝化 |
- 模具加工周期短 30%（无需淬火）- 成本仅为 083 钢的 1/3 |
- 普通输液管表面粗糙度 Ra≤0.3μm（满足 GB/T 15810 标准）- 生产效率高 |
二、医疗（单腔管）挤出模具设计实操指南
2.1核心参数使用方法速查表（调试指南）
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问题场景 |
关联参数 |
快速定位逻辑 |
调整方向（按优先级排序） |
调整量化范围 |
注意事项 |
|
外径偏大（+0.05mm 以上） |
DDR、成型段 |
1.DDR 补偿不足 2.成型段过短导致定型不足 |
1. 调大 DDR 0.1-0.2 2. 延长成型段 5-10mm |
DDR 从 1.5→1.6 成型段 20→25mm |
软料（≤45D）优先调 DDR，硬料优先调成型段 |
|
壁厚不均（周向差≥0.03mm） |
DRB、收敛角 |
1.DRB 偏离 2.收敛角过大导致湍流 |
1. 校准 DRB 至 ±0.02 内 2. 减小收敛角 5-10° |
DRB 从 1.07→1.03 收敛角 55°→50° |
高粘度材料（如 PA12）需同步检查模具同心度 |
|
表面鲨鱼皮纹理 |
成型段、收敛角 |
1.成型段过长导致剪切过度 2.收敛角过小流速不均 |
1. 缩短成型段 3-5mm 2. 增大收敛角 3-5° |
成型段 24→21mm 收敛角 38°→41° |
需配合熔体温度下降 5-10℃（避免降解） |
|
爆破压力不达标 |
DDR、DRB |
1.DDR 过大导致壁厚过薄 2.DRB 偏离致薄弱点 |
1. 调小 DDR 0.1-0.2 2. 校准 DRB 至 ±0.03 内 |
DDR 从 2.0→1.8 DRB 从 1.07→1.04 |
需同步检查牵引速度（波动≤1%） |
|
生产效率＜1m/min |
收敛角、成型段 |
1.收敛角过小流速慢 2. 成型段过长阻力大 |
1. 增大收敛角 5-10° 2. 缩短成型段 5-10mm |
收敛角 40°→45° 成型段 20→15mm |
软料（≤45D）优先调收敛角，硬料谨慎缩短成型段 |
|
内壁出现褶皱 |
DDR、成型段 |
1. DDR 过大拉伸过度 2. 成型段间隙过小 |
1. 调小 DDR 0.2-0.3 2. 增大成型段间隙 0.1-0.2mm |
DDR 从 3.0→2.7 间隙 4mm→4.2mm |
需检查芯模温度（应比口模低 5-10℃） |
附：DDR和DRB推荐计算工具如下，该工具可直接计算。
2.2三维协同逻辑：材料 - 参数 - 性能的 “共振”
参数- 质量协同：通过 DDR 补偿尺寸波动，DRB 保障壁厚均匀，成型段与收敛角控制定型质量，实现小尺寸导管壁厚偏差≤±0.01mm，大尺寸≤±0.03mm；
材料 - 场景协同：依据导管材料（PEBAX®、TPU 等）和加工环境（腐蚀、高温），从 083、316 等钢种中精准选型，平衡精密性、耐蚀性、成本；
尺寸 - 性能协同：小尺寸聚焦 “高精度”（长成型段、小收敛角），大尺寸侧重 “高效率”（短成型段、大收敛角），最终实现表面缺陷率＜0.5%，爆破压力波动＜5% 的医疗级品质。
当管材出现尺寸超差、壁厚不均、表面粗糙（鲨鱼皮）、气泡等问题时，可按表中 “调整逻辑” 反向推导参数优化方向，快速定位解决方案（如表面粗糙→优先检查成型段长度和收敛角度）。
三、总结与展望
本文构建“核心参数+ 材料适配 + 实操指南” 的单腔管模具设计体系，通过补充 口模膨胀、熔体偏流、鲨鱼皮纹理 等，降低专业门槛。而对于多腔导管（如双腔、三腔等）的模具设计面临更为复杂的挑战 —— 不仅需平衡各腔道的独立尺寸精度，还需解决多腔流道间的熔体干扰、压力协同、壁厚匹配等特殊问题，其流道布局逻辑、参数耦合关系与单腔设计存在显著差异。因此，关于多腔医疗导管挤出模具（芯模与口模）的设计思路、关键参数与工程实践，将在后续单独成文详细探讨。
来源：导管加工技术
