ニチノールチューブの次は何でしょうか?

2020 年 7 月 2 日 ナンシー・クロッティ著

ニチノールのユニークな特性により、ニチノールは医療機器業界の寵児となっています。 ニチノールを他の金属チューブに機械的に接合する新しい技術により、コストが削減され、リスクが軽減される可能性があります。

マーク・ブロードリー、ヴァイアント

(画像提供: ビアント)

ニチノールは医療機器業界に革命をもたらしました。 柔軟な超弾性、形状記憶、生体適合性により、ニチノールは医療機器の頼りになる素材となっています。

しかし、このニッケル/チタン合金には欠点がないわけではありません。 まず、比較的高価です。 したがって、全ニチノール製デバイスは性能要件を満たす可能性がありますが、コストの観点からは現実的ではない可能性があります。 その結果、医療機器の設計者は、柔軟性が必要な特定のコンポーネントにニチノールを指定し、隣接するコンポーネントにステンレス鋼などの別の材料を指定する可能性があります。

しかし、それが 2 番目の欠点です。ニチノールは、それ自体にも、他の材料にも、はんだ付けや溶接が難しいのです。 現在、ニチノールをステンレス鋼に溶接したい場合は、両方の材料と互換性のある代替材料の中間コンポーネントが必要です。 ワイヤーのような単純な製品形状の場合、これは費用対効果の高いアプローチとなる可能性があります。 しかし、チューブなどのより複雑な製品形状の場合、中間コンポーネントのコストとリードタイム、およびより複雑なチューブ溶接方法により、このアプローチは魅力的ではなくなります。

Viant では、ニチノールをレーザーカットされた他の金属 (通常はステンレス鋼) に機械的に接合する新しい技術 (特許出願中) を開発しました。

たとえ話から始めましょう。 子供の頃、「チャイニーズフィンガートラップ」と呼ばれる、色鮮やかな竹で編んだ小さな円筒で遊んだことがありますか? シリンダーの両端に人差し指を入れて引き抜こうとすると、トラップが締め付けられるだけです。 (端を中央に向かって押すと、端が拡大して指が解放され、罠から逃れることができます。)

このパズルカットのチューブ接合技術にも同じ原理が働いています。 ニチノールチューブの端の周囲に多数のローブを切り取り、ステンレス鋼チューブの端の周囲に相補的なサイズと形状のローブを切り取ります。 ニチノールのローブを対応するステンレス鋼のローブの間の空間に押し込むと、ニチノールのローブは元の形状に跳ね返り、連動するパズルのピースを接続するか、フィンガー トラップが指を保持するかのように、機械的に係合してジョイントをロックします。 素早く簡単に組み立てられ、満足のいくスナップ感があります。

メリット？ まず、設計内のニチノールをその性能特性に依存するコンポーネントのみに制限することでコストを節約します。 第 2 に、中間コンポーネントのコスト、レーザー溶接および関連する検証プロセスが不要になり、リスクが軽減されます。 そして 3 番目に、封じ込めシースやワイヤの位置合わせをせずに、異なる材質のチューブを結合します。 これにより、内腔を妨げない薄型の接続が可能になり、追加のデバイス機能用のワイヤを収容できます。

技術的な考慮事項の観点からは、曲げながら回転する際の「むち打ち」を避けるために、ニチノールチューブの壁の厚さが均一であることが重要です。 当社ではニチノールチューブの全数超音波検査を実施し、周囲の肉厚が均一であることを確認します。 さらに、溶接されたステンレス鋼チューブは、製造プロセス中に冷間加工および焼きなまされて、外周全体で均一な寸法および機械的特性が保証されます。

材料の強度も設計上の考慮事項です。 ジョイントが引張荷重に耐えられるように設計されている場合、ニチノールとステンレス鋼の両方のローブの荷重に耐えられるだけの十分な強度をチューブに持つことが重要です。 これは、設計されたコンポーネントに対して FEA 解析を実行することで評価でき、機能デバイスのテストによって機械的要件を満たしていることを確認できます。

この技術を開発していたとき、私たちは顧客と協力してロボット支援の手首式内視鏡装置の開発に取り組んでいました。 この設計には、ロボット デバイスから手首を介して操作に使用されるツールに動きを伝達するニチノール アクチュエータが含まれていました。 ニチノール作動システムの価格を見積もったとき、長いニチノール作動チューブのコストが高かったため、コストは法外なものでした。 そこで私たちは、手首部分のみにニチノールを残しつつ、ニチノールをステンレス鋼など、よりコスト効率の高い別の素材と接合できれば、コストを節約できると考えました。 このパズルカット接合技術を使用すると、デバイスのコストが 30% 削減されると推定されます。

この技術は、屈曲を必要とするが、屈曲箇所での張力またはねじりの作動も必要とするデバイス、コーナーを曲がる必要がある整形外科用ドライブ、またはトルクを伝達できる柔軟なドライブにも使用できます。 もう 1 つの用途は、ユーザーが曲がりや曲線の周りで関節運動できるようにする柔軟なセクションを備えたカテーテル ベースの製品です。 ニチノールをデバイスの全長に使用するのではなく、柔軟性が必要な部分のみに限定することで、コストを節約できます。

このメカニカルジョイントの当社の初期開発は、薄肉チューブに切断された押し込み組み立て方法と一致する、基本的な対称ローブ設計に焦点を当てていました。 押してひねるアセンブリと一致する、傾斜したローブ形状を備えた交互のローブ設計により、ジョイントがより多くのトルクを望ましい方向に伝達できるようになります。 より厚い壁を備えた代替チューブ設計は、張力やトルク、さらにはジョイントの位置をずらす傾向にある力の下でのジョイントの強度を高めます。

Mark Broadley は、Viant の製品ソリューション ディレクターです。 彼は、金属およびチューブの用途において会社の運営チームと商業チームに技術サポートを提供しています。

このブログ投稿で表明された意見は著者のみによるものであり、必ずしも Medical Design and Outsourcing またはその従業員の意見を反映するものではありません。