Zastosowanie technologii MIM formowania wtryskowego proszków tytanu w produktach medycznych

Zastosowanie technologii formowania wtryskowego proszków metali MIM w produktach medycznych

 

 

Minimalnie inwazyjne kleszcze chirurgiczne

Chiny to kraj o dużej populacji, a zjawisko starzenia się staje się coraz poważniejsze. Ponadto pogoń za rozwojem gospodarczym w przeszłości spowodowała nadmierne szkody w środowisku, co sprawia, że ​​problemy zdrowotne ludzi stają przed ogromnymi wyzwaniami i stymuluje popyt na produkty medyczne w całym społeczeństwie.

 

Jak poprawić jakość i obniżyć koszty produktów medycznych jest tematem badań naukowców krajowych i zagranicznych. Zapotrzebowanie na produkty medyczne jest duże, a konstrukcja wielu produktów jest również bardzo skomplikowana, dlatego potrzebna jest nowa technologia wytwarzania, która zastąpi tradycyjną produkcję.

 

Formowanie wtryskowe metali(MIM) to nowa technologia formowania bliskiej siatki, która może wytwarzać produkty o skomplikowanych kształtach w partiach w krótkim czasie. Może spełniać wymagania produkcyjne produktów medycznych i stać się idealną metodą produkcji.

 

1 Technologia MIM

1.1 Proces technologiczny technologii MIM

MIM to proces formowania niemal sieci, który rozwinął się szybko w XX wieku. Ogólny proces to: proszek plus spoiwo → mieszanie → formowanie wtryskowe → odtłuszczanie → spiekanie.

Po pierwsze, polimer i proszek są mieszane w celu wytworzenia paszy o wystarczającej płynności, równomiernym wymieszaniu i spełniającej wymagania wtrysku w określonych warunkach. Po drugie, do formowania wtryskowego dobiera się odpowiednią temperaturę wtrysku, ciśnienie wtrysku, prędkość wtrysku i inne parametry procesu. Następnie spoiwo z półwyrobu wtryskowego jest usuwane i spiekane w celu wytworzenia metalurgicznego wiązania proszku. Wreszcie uzyskuje się kwalifikowane części.

 

1.2 Cechy technologii MIM

MIM to nowa technologia formowania części w pobliżu siatki, która łączy technologię formowania plastycznego, chemię polimerów, technologię metalurgii proszków, materiały metalowe i inne dyscypliny. Ma następujące cechy:

① Części utworzone przy użyciu technologii MIM nie wymagają dalszej obróbki lub jest ich niewiele. Dzięki wysokiemu współczynnikowi wykorzystania materiału należą do technologii formowania bliskiej sieci i mogą wytwarzać wysokowydajne i złożone kształty.

② Proces napełniania paszy i spiekania produktów można symulować komputerowo, a proces można zoptymalizować na wczesnym etapie [1-2], aby uzyskać najlepszy schemat projektowy.

③ Podczas procesu wtrysku ciśnienie w każdym punkcie we wnęce jest równe, a gęstość jest wszędzie równa przy założeniu równomiernego mieszania paszy, więc nie będzie gradientu gęstości, co jest łatwe do osiągnięcia w produkcji na dużą skalę .

 

2 Zastosowanie technologii MIM w wyrobach medycznych

2.1 Wyroby medyczne wytwarzane w technologii MIM

Produkty medyczne na ogół wymagają dobrej użyteczności i wystarczająco długiej żywotności oraz elastycznego projektowania konstrukcji i kształtu [3].

Na początku lat 80-tych technologia MIM została po raz pierwszy zastosowana w produktach medycznych i stała się najszybciej rozwijającym się obszarem rynku MIM.

Rysunek 1 przedstawia udział technologii MIM w różnych branżach w Ameryce Północnej w 2015 roku [4]. Można zauważyć, że leczenie i stomatologia stały się głównymi obszarami zastosowań MIM w Ameryce Północnej.

Obecnie większość medycznych produktów MIM jest wykonana ze stali nierdzewnej, główne marki to 316L i 17-4PH; Istnieją również stopy tytanu, stopy magnezu, złoto, srebro, tantal itp. [5].

 

2.1.1 Zamek ortodontyczny

Zamki ortodontyczne produkowane przez Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Technologia MIM została po raz pierwszy zastosowana w medycynie do wykonania niektórych dentystycznych urządzeń ortopedycznych. Te precyzyjne produkty mają bardzo małe rozmiary i dobrą biokompatybilność oraz odporność na korozję. Głównym użytym materiałem jest stal nierdzewna 316L. Zamki ortodontyczne to nadal główne produkty w branży MIM.

Niemiecka firma Forestadent wyprodukowała dwukierunkowy zaczep ortodontyczny z technologią MIM. Mechaniczną siłę retencji można zwiększyć o 30 procent. Polerowanie po jednorazowym formowaniu za pomocą MIM może znacznie zmniejszyć tarcie między zamkiem a drutem łukowym. BjornLudwig potwierdził, że produkt ten odgrywa pozytywną rolę w chirurgii ortodontycznej [6].

 

2.1.2 Narzędzia chirurgiczne

 

Narzędzia chirurgiczne produkowane przez Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Narzędzia chirurgiczne muszą charakteryzować się dużą wytrzymałością, niskim zanieczyszczeniem krwią i być zdolne do przeprowadzania agresywnych procedur dezynfekcji. Elastyczność projektowania technologii MIM może sprostać zastosowaniu większości narzędzi chirurgicznych. Jednocześnie ma również zalety technologii. Może wytwarzać różne wyroby metalowe po niskich kosztach. Stopniowo zastępuje tradycyjną technologię produkcji jako główną metodę wytwarzania.

 

Firma Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. opracowała rodzaj pazura ze stali nierdzewnej [7] przy użyciu technologii MIM, który jest wykonany ze stali nierdzewnej 17-4PH i ma gęstość większą niż 7,5 g/cm3. Może służyć do chwytania przedmiotów w ludzkim ciele podczas operacji i pełni funkcję pęsety. Jego konstrukcja jest dość złożona i wymaga dużej dokładności wykonania.

 

Spiekanie po formowaniu w technologii MIM może osiągnąć wysoki poziom tolerancji i nie wymaga dużej liczby kolejnych procesów obróbki, aby uniknąć uszkodzenia liniowego i geometrycznego kształtu pazura.

 

Trudno jest wyprodukować tego rodzaju pazur ze stali nierdzewnej o złożonym kształcie przez odlewanie lub obróbkę skrawaniem, co wymaga długiego cyklu produkcyjnego i wysokich kosztów. Wykorzystanie technologii MIM do produkcji pozwala zaoszczędzić 60 procent kosztów.

 

Jednorazowe narzędzia chirurgiczne muszą opracować proces, który może być produkowany masowo przy niskich kosztach. Smith Metal Products Co., Ltd. wykorzystuje technologię MIM do produkcji zespołu wału [8], który jest wykorzystywany w nowym typie jednorazowych narzędzi chirurgicznych. Koszt to tylko 1/4 do 1/5 szwajcarskiej obrabiarki CNC, gęstość 7,5 g/cm3, maksymalna wytrzymałość na rozciąganie sięga 119 0 MPa, granica plastyczności 1090 MPa, wydłużenie 6,0 procent, a maksymalna twardość to 33 HRC.

 

Proces produkcji tego produktu jest następujący: najpierw dwie części wału o długości 178 mm są formowane w technologii MIM, następnie dwie części są spawane laserowo, a następnie przeprowadzana jest obróbka skrawaniem i obróbka cieplna. W celu spełnienia wymagań dobrej tolerancji wymagane jest również śrutowanie i pasywacja.

 

2.1.3 Części implantu kolana

Części implantu kości kolanowej wyprodukowane przez Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Postęp technologii MIM w dziedzinie implantacji u ludzi jest stosunkowo powolny, głównie dlatego, że certyfikacja i akceptacja produktów wymaga długiego okresu.

 

Obecnie w technologii MIM można wytwarzać części częściowo zastępujące kości i stawy, a stosowane materiały metalowe to głównie stopy Ti [9].

 

Jeśli chodzi o biokompatybilność, Chen Liangjian i in. [10] przygotowali porowaty tytan o porowatości 60 procent przy użyciu technologii MIM oraz przygotowali żelatynowe mikrosfery o przedłużonym uwalnianiu przy użyciu ulepszonej metody sieciowania przez polimeryzację kondensacyjną i pokryli nimi powierzchnię porowatego tytanu.

 

Wyniki pokazały, że żelatynowe mikrosfery o przedłużonym uwalnianiu pokryte porowatym tytanem nie wykazują cytotoksyczności i mogą być stosowane jako dobry materiał na implanty medyczne.

 

Kanadyjska firma MaettaSciences Inc z powodzeniem wykorzystała Ti-6Al-4V do wyprodukowania części kolanowych do implantów ludzkich [11]. Implant głównie przenosi nacisk po wejściu do organizmu człowieka i ma dobrą biokompatybilność. Po formowaniu MIM przeprowadza się prasowanie izostatyczne na gorąco, a następnie śrutowanie, polerowanie i anodowanie w celu uzyskania lepszej wydajności powierzchni, zmniejszenia tarcia o ciało ludzkie oraz poprawy kompatybilności i żywotności.

 

2.1.4 Rura dźwiękowa aparatu słuchowego

Części obudowy aparatu słuchowego wyprodukowane przez Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Dźwiękowód aparatu słuchowego wyprodukowany przez Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Technologia MIM może być również wykorzystana do produkcji części różnych urządzeń medycznych.

 

Firma Indo MIM wykorzystuje technologię MIM do produkcji tuby dźwiękowej do aparatów słuchowych dla firmy Phonak w Niemczech [12], której efektem jest poprawa szybkości dźwięku i wspomaganie słyszenia.

 

Ten rodzaj rurki dźwiękowej aparatu słuchowego o złożonym kształcie można uzyskać przez spiekanie po uformowaniu MIM. Aby powierzchnia tuby dźwiękowej była gładka, wystarczy później poddać ją procesowi piaskowania szklanymi kulkami.

 

Gęstość tuby akustycznej jest większa niż 7,65 g/cm3, maksymalna wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć 480 MPa, granica plastyczności 150 MPa, wydłużenie 45 procent, a maksymalna twardość powierzchni 100 HRB. Technologia MIM może obniżyć koszty o 20 procent w porównaniu z wcześniejszym tradycyjnym procesem produkcyjnym.

 

Technologia MIM może być również wykorzystana do produkcji wielu produktów w medycynie, w tym stentów do terapii interwencyjnej, osłony przed promieniowaniem strzykawki ze stopu wolframu o dużej gęstości, manipulatora mikrochirurgicznego, części endoskopu mikropompy i inhalatora leków [13].

2.2 Nowa technologia MIM zastosowana w produktach medycznych

 

2.2.1 Mikroformowanie wtryskowe metali

Formowanie mikrowtryskowe metali, μ MIM) to technologia formowania opracowana przez IFAM Research Institute w Niemczech, która ma na celu organiczne zastosowanie technologii MIM do przygotowania części o wymiarach do poziomu mikrometra.

 

Ogólnie rzecz biorąc, μ MIM można wykorzystać do wytworzenia dwóch rodzajów produktów:

 

① Części o wielkości mikrometra i masie kilku miligramów;

② Wygląd rozmiaru części jest podobny do rozmiaru tradycyjnej części do formowania wtryskowego, ale rozmiar lokalnej struktury sięga poziomu mikrometra.

W ostatnich latach mikroformowanie wtryskowe stało się gorącym punktem badawczym w dziedzinie formowania wtryskowego. Wraz z rozwojem nowoczesnego parku maszynowego w kierunku miniaturyzacji, zastosowanie mikrowtrysku będzie coraz szersze [14].

Obecnie w Karlsruha Research Center technologia μ MIM została z powodzeniem zastosowana do produkcji mikroczęści urządzeń medycznych [15], takich jak spektrometr, płytka do miareczkowania itp. Wielkość struktury produktu osiągnęła poziom mikronów, a minimalna grubość ścianki to 50 μm.

Rycina 2 przedstawia zastosowanie IFAM w Niemczech.

 

2.2.2 Formowanie wtryskowe metali

Formowanie wtryskowe metali (Co MIM), powstałe w latach 90., to technologia formowania wtryskowego proszków typu sandwich.

Proces ten polega na jednoczesnym lub partiami wtrysku dwóch materiałów o różnych właściwościach do formy do formowania wtryskowego kompozytu. Może łączyć materiały metalowe i materiał o zupełnie innych właściwościach w tej samej części.

Tą metodą można uzyskać strukturę rdzeń/powłoka o funkcjonalności i złożonym kształcie, a kolejne procesy, takie jak powlekanie, obróbka cieplna i montaż produktów nie są wymagane. Wreszcie, można zrealizować proces przygotowania funkcjonalnie gradientowych materiałów, co znacznie skraca proces i zmniejsza koszty.

 

Technologia Co MIM zapewnia nowy pomysł na rozwój i projektowanie części funkcjonalnych. Li Yimin i in. [17] zaproponowali nową strukturę implantu biologicznego wykorzystującą technologię Co MIM, która jest szeroko stosowana w gęstych strukturach kości korowej i gąbczastej z porami zewnętrznymi i wewnętrznymi.

 

Struktura ta sprzyja przenoszeniu naprężeń międzyfazowych między kością implantu a otaczającą strukturą kostną. Istnieje wiele warstw zewnętrznych, stosunek objętości porowatości struktury porów wynosi 5% ~ 60%, a największy por ma 400 μm.

 

3 Perspektywy

Według ostatnich badań rynkowych BCCresearch dotyczących formowania wtryskowego metali i ceramiki, globalna wartość rynkowa formowanych wtryskowo części metalowych i ceramicznych wzrośnie z 2,5 miliarda dolarów w 2022 roku do blisko 3,9 miliarda dolarów w 2028 roku, przy średniej rocznej stopie wzrostu na poziomie 11,4 proc.

Jednocześnie, wraz ze spadkiem sprzedaży samochodów, technologia MIM w większym stopniu wejdzie do medycyny, lotnictwa, elektroniki i innych dziedzin.

W nowej wersji mapy drogowej europejskiego przemysłu metalurgii proszków Europejskie Stowarzyszenie Metalurgii Proszków zwróciło uwagę, że rynek medyczny jest niezwykle ważną częścią przemysłu formowania wtryskowego [18].

Wraz z ciągłym rozwojem rynku, zastosowanie technologii MIM w medycynie będzie coraz bardziej dogłębne, a różne nowe materiały i procesy oparte na technologii MIM będą również stale rozwijane.

Ultradźwiękowa głowica skalpela

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.jest obecnie potężnym producentem z bogatym doświadczeniem w produkcji różnego rodzaju wyrobów medycznych MIM. W przyszłości poświęci więcej wysiłków na precyzyjne produkty do formowania wtryskowego proszków metali w branży urządzeń medycznych.

Słowa kluczowe: formowanie wtryskowe proszków metali; Produkty medyczne; Mikroformowanie wtryskowe metalu; Formowanie wtryskowe metali; Narzędzia chirurgiczne;