Применение технологии MIM литья под давлением металлического порошка титана в изделиях медицинского назначения
Jan 03, 2023
Применение технологии литья под давлением металлического порошка MIM в медицинских изделиях
Малоинвазивные хирургические щипцы
Китай — страна с большим населением, и явление старения становится все более и более серьезным. Кроме того, прежнее стремление к экономическому развитию нанесло чрезмерный ущерб окружающей среде, что ставит проблемы со здоровьем людей перед огромными вызовами и стимулирует спрос на медицинские изделия во всем обществе.
Способы повышения качества и снижения себестоимости изделий медицинского назначения являются предметом исследований отечественных и зарубежных ученых. Спрос на медицинские изделия велик, а структура многих изделий также очень сложна, поэтому для замены традиционного производства необходима новая технология производства.
Литье металлов под давлением(MIM) — это новая технология почти сетчатого формования, позволяющая производить изделия сложной формы партиями за короткий период времени. Он может удовлетворить требования к производству медицинских изделий и стать идеальным методом производства.
1 МИМ-технология
1.1 Технологический процесс технологии МИМ
MIM - это процесс формирования сетки, быстро развивающийся в 20 веке. Общий процесс таков: порошок плюс связующее → смешивание → литье под давлением → обезжиривание → спекание.
Во-первых, полимер и порошок смешиваются для получения корма с достаточной текучестью, равномерным перемешиванием и соблюдением требований к впрыскиванию при определенных условиях. Во-вторых, для литья под давлением выбираются соответствующие температура впрыска, давление впрыска, скорость впрыска и другие параметры процесса. Затем связующее в заготовке для литья удаляется и спекается для образования металлургической связи порошка. Наконец, квалифицированные части получены.
1.2 Особенности технологии MIM
MIM — это новая технология формования деталей, близкая к сетке, которая сочетает в себе технологию формования пластмасс, химию полимеров, технологию порошковой металлургии, металлические материалы и другие дисциплины. Он имеет следующие характеристики:
① Детали, сформированные с использованием технологии MIM, не требуют последующей обработки или последующая обработка незначительна. Благодаря высокому коэффициенту использования материала они относятся к технологиям, близким к формованию сетки, и могут производить высокопроизводительные детали сложной формы.
② Процесс заполнения корма и спекания изделий можно смоделировать с помощью компьютера, а процесс можно оптимизировать на ранней стадии [1-2] для получения наилучшей схемы проектирования.
③ Во время процесса впрыска давление в каждой точке полости одинаково, а плотность везде одинакова при условии равномерного смешивания сырья, поэтому не будет градиента плотности, что легко обеспечить крупномасштабное производство. .
2 Применение технологии MIM в медицинских изделиях
2.1 Медицинские изделия, изготовленные по технологии МИМ
Медицинские изделия, как правило, требуют хорошего удобства использования и достаточно длительного срока службы, а также гибкого дизайна в конструкции и дизайне формы [3].
В начале 1980-х технология MIM была впервые применена в медицинских изделиях и стала самой быстрорастущей областью рынка MIM.
На рис. 1 показана доля технологии MIM в различных отраслях промышленности Северной Америки в 2015 г. [4]. Видно, что лечение и стоматология стали основными областями применения MIM в Северной Америке.
В настоящее время большая часть медицинской продукции МИМ изготавливается из нержавеющей стали, основные марки 316L и 17-4PH; Существуют также сплавы титана, сплавы магния, золота, серебра, тантала и др. [5].
2.1.1 Ортодонтическая скоба
| Ортодонтические брекеты производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. |
Технология MIM была впервые использована в медицине для изготовления некоторых стоматологических ортопедических приспособлений. Эти прецизионные продукты очень малы по размеру и обладают хорошей биосовместимостью и коррозионной стойкостью. В качестве основного материала используется нержавеющая сталь 316L. Ортодонтические брекеты по-прежнему являются основным продуктом в индустрии MIM.
Немецкая компания Forestadent выпустила ортодонтические брекеты с двусторонним крючком по технологии MIM. Механическая удерживающая сила может быть увеличена на 30 процентов. Полировка после однократного формирования с помощью MIM может значительно уменьшить трение между брекетом и дугой. BjornLudwig подтвердил, что этот продукт играет положительную роль в ортодонтической хирургии [6].
2.1.2 Хирургические инструменты
| Хирургические инструменты производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. |
Хирургические инструменты должны иметь высокую прочность, низкое загрязнение крови и возможность проведения агрессивных процедур дезинфекции. Гибкость дизайна технологии MIM позволяет использовать большинство хирургических инструментов. В то же время он также имеет преимущества технологии. Он может производить различные металлические изделия по низкой цене. Он постепенно заменяет традиционную технологию производства в качестве основного метода производства.
Компания Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. разработала своего рода захват из нержавеющей стали [7] с использованием технологии MIM, который изготовлен из нержавеющей стали 17-4PH и имеет плотность более 7,5 г/см3. Он может использоваться для захвата предметов в теле человека во время операции и имеет функцию пинцета. Его конструкция достаточно сложна и требует высокой точности изготовления.
Спекание после формовки по технологии MIM может достигать высокого уровня допуска и не требует большого количества последующих процессов обработки во избежание повреждения линейной и геометрической формы когтя.
Изготовить такой захват сложной формы из нержавеющей стали путем литья или механической обработки сложно, что требует длительного производственного цикла и высокой стоимости. Использование технологии MIM для его производства может сэкономить 60 процентов стоимости.
Одноразовые хирургические инструменты нуждаются в разработке процесса, который можно было бы производить массово с низкой стоимостью. Компания Smith Metal Products Co., Ltd. использует технологию MIM для производства узла стержня [8], который используется в одноразовых хирургических инструментах нового типа. Стоимость составляет всего от 1/4 до 1/5 стоимости швейцарского станка с ЧПУ, плотность 7,5 г/см3, предел прочности при растяжении достигает 1190МПа, предел текучести 1090МПа, удлинение 6,0. процентов, а максимальная твердость составляет 33 HRC.
Процесс изготовления данного изделия выглядит следующим образом: сначала по МИМ-технологии формируются две детали вала длиной 178 мм, затем две детали свариваются лазером, после чего осуществляется последующая механическая и термообработка. Чтобы соответствовать требованиям хорошей устойчивости, также требуется дробеструйная обработка и пассивация.
2.1.3 Детали коленного имплантата
| Детали костных имплантатов коленного сустава производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. |
Развитие технологии MIM в области имплантации человека идет относительно медленно, главным образом потому, что сертификация и приемка продуктов требуют длительного периода.
В настоящее время технология MIM может быть использована для изготовления деталей, частично заменяющих кости и суставы, а используемые металлические материалы в основном представляют собой сплавы Ti [9].
Что касается биосовместимости, Chen Liangjian et al. [10] приготовили пористый титан с пористостью 60% по технологии MIM, а также приготовили желатиновые микросферы с замедленным высвобождением с использованием усовершенствованного метода конденсационной полимеризации и нанесли их на поверхность пористого титана.
Результаты показали, что желатиновые микросферы замедленного высвобождения, покрытые пористым титаном, не обладают цитотоксичностью и могут быть использованы в качестве хорошего материала для медицинских имплантатов.
Канадская компания MaettaSciences Inc успешно использовала Ti-6Al-4V для производства частей образцов коленного сустава для человеческого имплантата [11]. Имплантат в основном выдерживает давление после попадания в организм человека и обладает хорошей биосовместимостью. После MIM-формования выполняется горячее изостатическое прессование с последующей дробеструйной обработкой, полировкой и анодированием для получения лучших характеристик поверхности, уменьшения трения с человеческим телом, а также улучшения совместимости и срока службы.
2.1.4 Звуковая трубка слухового аппарата
| Детали корпуса слухового аппарата производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. |
| Трубка для слухового аппарата производства Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. |
Технология MIM также может быть использована для производства деталей различных медицинских устройств.
Компания Indo MIM использует технологию MIM для производства звуковой трубки слухового аппарата для компании Phonak в Германии [12], которая улучшает скорость звука и улучшает слух.
Этот тип звуковой трубки для слухового аппарата сложной формы может быть получен путем спекания после формования MIM. Чтобы сделать поверхность звуковой трубки гладкой, необходимо лишь позже пройти процесс пескоструйной обработки стеклянными шариками.
Плотность акустической трубки превышает 7,65 г/см3, максимальная прочность на растяжение может достигать 480 МПа, предел текучести 150 МПа, относительное удлинение 45 процентов и максимальная твердость поверхности 100 HRB. Технология MIM может снизить стоимость на 20 процентов по сравнению с традиционным производственным процессом.
Технология MIM также может быть использована для производства многих продуктов в области медицины, в том числе стента для интервенционной терапии, радиационной защиты шприца из вольфрамового сплава высокой плотности, микрохирургического манипулятора, частей эндоскопа с микронасосом и ингалятора для лекарств [13].
2.2 Новая технология MIM, применяемая к изделиям медицинского назначения
2.2.1 Литье металлов под давлением
Металлическое микролитье под давлением, μ MIM) — это технология формования, разработанная исследовательским институтом IFAM в Германии, которая должна органично применять технологию MIM для подготовки деталей с размерами до микрометрового уровня.
Вообще говоря, μ MIM можно использовать для производства двух видов продукции:
① Детали размером в микрометр и массой в несколько миллиграммов;
② Внешний вид детали аналогичен размеру традиционной детали для литья под давлением, но размер локальной структуры составляет микрометр.
В последние годы микролитье под давлением стало центром исследований в области литья под давлением. С развитием современного оборудования в направлении миниатюризации применение микролитья под давлением будет все более и более расширяться [14].
В настоящее время в Исследовательском центре Карлсруха технология μ MIM успешно применяется для производства микродеталей медицинских устройств [15], таких как спектрометр, пластина для титрования и т. д. Размер структуры продукта достиг микронного уровня, а минимальная толщина стенки 50 мкм.
На рис. 2 показано использование IFAM в Германии. Шовный анкер [16], изготовленный по технологии MIM для хирургических операций, имеет размер всего лишь спичечной головки.
2.2.2 Совместное литье металлов под давлением
Совместное литье под давлением металлов (Co MIM), зародившееся в 1990-х годах, представляет собой технологию литья под давлением порошка сэндвич-типа.
Этот процесс заключается в одновременном или пакетном впрыскивании двух материалов с разными характеристиками в форму для литья под давлением композита. Он может сочетать в одной детали металлические материалы и материал с совершенно разными свойствами.
Этим методом можно получить структуру сердцевина/оболочка с функциональностью и сложной формой, и не требуются последующие процессы, такие как покрытие, термообработка и сборка изделий. Наконец, можно реализовать процесс приготовления материалов с функциональным градиентом, что значительно упрощает процесс и снижает стоимость.
Технология Co MIM дает новую идею для разработки и проектирования функциональных частей. Ли Имин и др. [17] предложили новую структуру биологического имплантата с использованием технологии Co MIM, которая широко используется в плотных кортикальных костных структурах и губчатых костных структурах с внешними и внутренними порами.
Эта структура способствует передаче напряжения на поверхности раздела между костью имплантата и окружающей костной структурой. Существует много внешних слоев, объемное соотношение пористости пористой структуры составляет 5 ~ 60 процентов, а самая большая пора составляет 400 мкм.
3 Внешний вид
Согласно недавнему исследованию рынка литья металлов и керамики, проведенному BCCresearch, мировая рыночная стоимость металлических и керамических деталей, полученных литьем под давлением, вырастет с 2,5 млрд долларов в 2022 году до почти 3,9 млрд долларов в 2028 году при среднегодовом темпе роста в 11,4%.
В то же время, с падением продаж автомобилей, технология MIM будет все больше проникать в медицину, аэрокосмическую промышленность, электронику и другие области.
В новой версии дорожной карты европейской индустрии порошковой металлургии Европейская ассоциация порошковой металлургии указала, что медицинский рынок является чрезвычайно важной частью индустрии литья под давлением [18].
С непрерывным расширением рынка применение технологии MIM в области медицины будет становиться все более и более глубоким, а также будут постоянно разрабатываться различные новые материалы и процессы, основанные на технологии MIM.
Головка ультразвукового скальпеля
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.в настоящее время является мощным производителем с богатым опытом в производстве различных видов продукции MIM медицинского оборудования. В будущем он также будет уделять больше внимания прецизионным изделиям для литья под давлением металлического порошка в индустрии медицинского оборудования.
Ключевые слова: литье металлических порошков под давлением; Медицинские изделия; Литье металлов под давлением; Совместное литье металлов под давлением; Хирургические инструменты;
