多层外科纱布滚筒切割工艺参数对连续切口间距精度的影响与优化

《Materials》：Thermomechanical Devulcanization of Highly Filled EPDM Rubber Waste: Process Optimization, Selectivity Assessment, and Preliminary Industrial Scale-Up

　　

本研究的目的是确定多层外科纱布机械切割过程中选定参数对用于敷料生产的材料卷中连续切口间距精度的影响。实验在一套配备滚筒切割单元（drum cutting unit）的原创试验台上进行。分析了三种外科纱布层数变体：3层、4层和8层；四个切割角度：0°、5°、10°和15°；以及九个切割速度，范围从0.66到3.34 m·s^?1。采用连续切口间的相对间距误差δ_L作为工艺精度的度量，并表示为实际切口距离与理论值的百分比偏差。对于每种参数配置，基于五次重复测量确定δ_L值。结果表明，切割精度随切割角度、层数和切割速度而变化。在0°角度横向切割时获得最低误差值。δ_L的平均值从0°时的1.61%增加到15°时的2.91%。层数的增加也导致误差增加；对于3层、4层和8层纱布，平均值分别为2.25%、2.33%和2.59%。切割速度的影响是非线性的。在中等切割速度下观察到最低平均误差值，而在3.00和3.34 m·s^?1时获得较高的平均误差值。δ_L的最小值等于1.20%，是在切割角度0°、切割速度1.33 m·s^?1下切割3层纱布时获得的，而最大值等于3.57%，是在切割角度15°、切割速度3.34 m·s^?1下切割8层纱布时获得的。结果表明，在材料横向切割、层数较少和中等切割速度下可以实现最高的切口间距精度。这些发现可用于选择外科纱布敷料生产机器中滚筒切割单元的运行参数。

多层外科纱布切割间距精度的工艺参数效应研究解读

医疗设备制造是现代工业中的重要部门，欧洲医疗技术市场2024年价值约1700亿欧元，占全球约26.4%，位居世界第二。在敷料材料中，传统的外科纱布（surgical gauze）因获取方便、使用简单且能吸收渗出液，至今仍是基础材料。工业生产中，不仅需要材料本身性能优良，还需保证加工过程的精度和可重复性。对于多层外科纱布的滚筒切割单元（drum cutting unit），连续切割之间的间距误差会直接影响切出元件的几何尺寸一致性和后续折叠、包装等工序。然而，现有文献多集中于纺织材料切割技术、刀刃磨损或边缘质量，而对滚筒切割单元在多层纱布切割中的间距精度问题鲜有研究。因此，本研究旨在系统考察切割速度、切割角度和纱布层数对连续切割间距精度的影响，为工业参数选择提供依据。

研究人员采用三因素全因子实验设计，设置了切割速度v（0.66至3.34 m·s^?1共9个水平）、切割角度α（0°、5°、10°、15°）和纱布层数n（3、4、8）三种自变量，总共108种参数组合，每种组合进行5次重复测量，共540次测量。实验在自主搭建的试验台上进行，该试验台包含滚筒切割单元、送料与卷绕系统、驱动系统及控制装置。所用材料为符合PN-EN 14079标准的13型外科纱布，由棉纤维平纹编织而成。研究人员使用Mitutoyo数显卡尺和万能量角器分别测量连续切口距离和设定切割角度；使用立体显微镜观察多层纱布结构。通过计算连续切口间的相对间距误差δ_L（即实际距离与理论距离的偏差百分比）来评价切割精度。显微镜观察显示，各层纱布的经纬纱系统相互错位，形成局部非均匀的多层结构。

3.1 结果的总体特征
在全部108种配置中，δ_L的变化范围为1.20%~3.57%，平均值为2.39%。结果表明，切割角度对误差的影响最为显著，其次为层数和速度。

3.2 切割角度对切割精度的影响
随着切割角度α从0°增加到15°，平均相对间距误差从1.61%上升到2.91%，约增加81%。在0°横向切割时误差最小，且这一趋势在3、4、8层纱布中均成立。斜向切割会在刀片与材料相互作用中引入纵向分量，增大柔性多层结构的局部位移倾向。

3.3 纱布层数对切割精度的影响
随着层数n从3层增加到8层，平均误差从2.25%升至2.59%，约增加15.5%。对于所有角度和速度的组合，3层纱布的误差最低，8层纱布最高，表明层数增加会降低切割精度。多层纱布的层间错位和非均匀结构可能加剧材料在切割时的压缩、滑移和层间位移。

3.4 切割速度对切割精度的影响
切割速度的影响呈非线性。在0.66~2.67 m·s^?1范围内无单调趋势，最低平均误差出现在1.33 m·s^?1，而在3.00和3.34 m·s^?1时误差显著增大。全局最小值1.20%出现在3层、0°、1.33 m·s^?1，全局最大值3.57%出现在8层、15°、3.34 m·s^?1。高速下材料输送和驱动同步的动态波动可能导致偏差增大。

讨论部分指出，切割角度是影响间距精度的主要因素，横向切割时刀—材相互作用垂直于材料运动方向，而斜向切割会引入额外的纵向分量，增加柔性多层结构的局部位移。层数增加导致各层纱线系统彼此错位，形成非均匀多层结构，使材料在切割时更易发生层间滑移和压缩，从而增大误差。然而，这些机制并未被直接测量，属于合理的物理解释。切割速度在高速度时可能诱发材料输送和驱动同步的动态波动，加剧偏差。与研究人员前期关于切割力和能量参数的研究相比，高速虽然降低了比切割阻力，但提高了间距误差，因此参数选择需兼顾能量消耗与几何精度。本研究未评估纱布的医用功能特性，仅从制造精度角度解释结果。

本研究证明，采用滚筒切割单元切割多层外科纱布时，切割角度、层数和切割速度均影响尺寸精度。主要结论如下：横向切割（α=0°）可获得最高的切口间距精度；将角度增至15°会使平均相对间距误差从1.61%增至2.91%。增加纱布层数会降低切割精度；平均相对间距误差从3层时的2.25%增至8层时的2.59%，该趋势在全部实验范围内一致。切割速度的影响是非线性的；在0.66~2.67 m·s^?1区间内无单调趋势，而在3.00和3.34 m·s^?1时出现较高平均误差。最低相对间距误差1.20%出现在3层纱布、0°角度和1.33 m·s^?1条件下；最高值3.57%出现在8层纱布、15°角度和3.34 m·s^?1条件下。结果提示，滚筒切割单元的运行参数应同时考虑加工效率和尺寸精度；横向切割、较少层数和中等切割速度有利于获得更好的几何重复性。未来研究应进一步考察材料卷张力、层间位移、刀具磨损以及送料与切割滚筒运动同步性的影响。