Uporaba tehnologije MIM za brizganje kovinskega titana v prahu v medicinskih izdelkih

Uporaba tehnologije brizganja kovinskega prahu MIM v medicinskih izdelkih

 

 

Minimalno invazivne kirurške klešče

Kitajska je država z velikim številom prebivalcev, pojav staranja pa postaja vse resnejši. Poleg tega je preteklo prizadevanje za gospodarski razvoj povzročilo prekomerno škodo okolju, zaradi česar se zdravstvene težave ljudi soočajo z velikimi izzivi in ​​spodbujajo povpraševanje po medicinskih izdelkih v celotni družbi.

 

Kako izboljšati kakovost in poceniti medicinske izdelke, je bila tema raziskav domačih in tujih znanstvenikov. Povpraševanje po medicinskih izdelkih je veliko, struktura mnogih izdelkov pa je tudi zelo sofisticirana, zato je potrebna nova tehnologija izdelave, ki bo nadomestila tradicionalno proizvodnjo.

 

Brizganje kovin(MIM) je nova tehnologija skoraj neto oblikovanja, ki lahko proizvede izdelke kompleksnih oblik v serijah v kratkem času. Lahko izpolni proizvodne zahteve medicinskih izdelkov in postane idealna proizvodna metoda.

 

1 Tehnologija MIM

1.1 Tehnološki proces tehnologije MIM

MIM je proces oblikovanja skoraj mreže, ki se je hitro razvil v 20. stoletju. Splošni postopek je: prah in vezivo → mešanje → brizganje → razmaščevanje → sintranje.

Najprej se zmešata polimer in prah, da se proizvede krma z zadostno tekočnostjo, enakomernim mešanjem in izpolnjevanjem zahtev za vbrizgavanje pod določenimi pogoji. Drugič, za brizganje se izberejo ustrezna temperatura brizganja, tlak brizganja, hitrost brizganja in drugi parametri postopka. Nato se vezivo v surovcu za brizganje odstrani in sintra, da nastane metalurška vezava prahu. Končno so pridobljeni kvalificirani deli.

 

1.2 Lastnosti tehnologije MIM

MIM je nova skoraj mrežasta tehnologija oblikovanja delov, ki združuje tehnologijo plastičnega oblikovanja, kemijo polimerov, tehnologijo praškaste metalurgije, kovinske materiale in druge discipline. Ima naslednje značilnosti:

① Deli, oblikovani s tehnologijo MIM, ne zahtevajo nadaljnje obdelave ali pa je naknadne obdelave malo. Z visoko stopnjo izkoriščenosti materiala spadajo v tehnologijo skoraj neto oblikovanja in lahko proizvajajo visoko zmogljive dele kompleksnih oblik.

② Postopek polnjenja krme in sintranja izdelkov je mogoče simulirati z računalnikom, postopek pa je mogoče optimizirati v zgodnji fazi [1-2], da se pridobi najboljša shema zasnove.

③ Med postopkom vbrizgavanja je tlak vsake točke v votlini enak, gostota pa je povsod enaka pod predpostavko enakomernega mešanja krme, tako da ne bo gradienta gostote, kar je enostavno doseči obsežno proizvodnjo .

 

2 Uporaba tehnologije MIM v medicinskih izdelkih

2.1 Medicinski izdelki izdelani po tehnologiji MIM

Medicinski izdelki na splošno zahtevajo dobro uporabnost in dovolj dolgo življenjsko dobo ter fleksibilno zasnovo v strukturi in oblikovanju [3].

V zgodnjih osemdesetih letih je bila tehnologija MIM prvič uporabljena v medicinskih izdelkih in je postala najhitreje rastoče področje trga MIM.

Slika 1 prikazuje delež tehnologije MIM v različnih panogah v Severni Ameriki leta 2015 [4]. Vidimo lahko, da sta zdravljenje in zobozdravstvo postali glavni področji uporabe MIM v Severni Ameriki.

Trenutno je večina medicinskih izdelkov MIM izdelanih iz nerjavečega jekla, glavni blagovni znamki sta 316L in 17-4PH; Obstajajo tudi titanove zlitine, magnezijeve zlitine, zlato, srebro, tantal itd. [5].

 

2.1.1 Ortodontski nosilec

Ortodontski nosilci proizvaja Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

Tehnologija MIM je bila prvič uporabljena v medicini za izdelavo nekaterih zobnih ortopedskih pripomočkov. Ti natančni izdelki so zelo majhni in imajo dobro biokompatibilnost in odpornost proti koroziji. Glavni uporabljeni material je nerjaveče jeklo 316L. Ortodontski nosilci so še vedno glavni izdelki v industriji MIM.

Nemško podjetje Forestadent je izdelalo dvosmerni kljukasti ortodontski nosilec s tehnologijo MIM. Mehansko zadrževalno silo je mogoče povečati za 30 odstotkov. Poliranje po enkratnem oblikovanju z MIM lahko močno zmanjša trenje med nosilcem in žico loka. BjornLudwig je potrdil, da ima ta izdelek pozitivno vlogo v ortodontski kirurgiji [6].

 

2.1.2 Kirurško orodje

 

Kirurško orodje proizvaja Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Od kirurških orodij se zahteva visoka trdnost, nizka onesnaženost krvi in ​​zmožnost doseganja agresivnih postopkov dezinfekcije. Prilagodljivost zasnove tehnologije MIM lahko ustreza uporabi večine kirurških orodij. Hkrati pa ima tudi prednosti tehnologije. Lahko izdeluje različne kovinske izdelke po nizki ceni. Postopoma nadomešča tradicionalno proizvodno tehnologijo kot glavno proizvodno metodo.

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. je z uporabo tehnologije MIM razvil neke vrste krempelj iz nerjavečega jekla [7], ki je izdelan iz nerjavečega jekla 17-4PH in ima gostoto več kot 7,5 g/cm3. Uporablja se lahko za prijemanje predmetov v človeškem telesu med operacijo in ima funkcijo pincete. Njegova zasnova je precej zapletena in zahteva visoko natančnost proizvodnje.

 

Sintranje po oblikovanju s tehnologijo MIM lahko doseže visoko stopnjo tolerance in ne zahteva velikega števila naknadnih postopkov obdelave, da se prepreči poškodba linearne in geometrijske oblike kremplja.

 

To vrsto krempljev iz nerjavečega jekla kompleksne oblike je težko izdelati z ulivanjem ali strojno obdelavo, kar zahteva dolg proizvodni cikel in visoke stroške. Z uporabo tehnologije MIM za izdelavo lahko prihranite 60 odstotkov stroškov.

 

Kirurška orodja za enkratno uporabo morajo razviti postopek, ki ga je mogoče množično proizvajati po nizki ceni. Smith Metal Products Co., Ltd. uporablja tehnologijo MIM za izdelavo sklopa gredi [8], ki se uporablja v novi vrsti kirurških instrumentov za enkratno uporabo. Cena je le 1/4 do 1/5 cene švicarskega CNC obdelovalnega stroja, gostota je 7,5 g/cm3, končna natezna trdnost doseže 1190MPa, meja tečenja 1090MPa, raztezek je 6,0 odstotkov, največja trdota pa je 33 HRC.

 

Postopek izdelave tega izdelka je sledeč: najprej se s tehnologijo MIM oblikujeta dva dela gredi dolžine 178 mm, nato se dva dela lasersko zvarita, nato pa se izvede nadaljnja strojna in toplotna obdelava. Da bi izpolnili zahteve dobre tolerance, sta potrebna tudi streljanje in pasiviranje.

 

2.1.3 Deli kolenskega vsadka

Deli vsadka za kolensko kost proizvaja Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

Napredek MIM tehnologije na področju človeške implantacije je razmeroma počasen, predvsem zato, ker certificiranje in sprejemanje izdelkov zahtevata dolgo obdobje.

 

Trenutno je mogoče uporabiti tehnologijo MIM za izdelavo delov, ki delno nadomeščajo kosti in sklepe, uporabljeni kovinski materiali pa so predvsem zlitine Ti [9].

 

Kar zadeva biokompatibilnost, Chen Liangjian et al. [10] so pripravili porozni titan s 60-odstotno poroznostjo z uporabo tehnologije MIM in pripravili želatinske mikrosfere s podaljšanim sproščanjem z uporabo izboljšane kondenzacijske polimerizacijske metode zamreženja in jih nanesli na površino poroznega titana.

 

Rezultati so pokazali, da želatinske mikrosfere s podaljšanim sproščanjem, prevlečene s poroznim titanom, nimajo citotoksičnosti in se lahko uporabljajo kot dober material za medicinske vsadke.

 

Kanadski MaettaSciences Inc je uspešno uporabil Ti-6Al-4V za izdelavo delov vzorca kolena za človeški vsadek [11]. Implantat po vstopu v človeško telo večinoma nosi pritisk in ima dobro biokompatibilnost. Po oblikovanju MIM se izvede vroče izostatično stiskanje, ki mu sledi streljanje, poliranje in eloksiranje, da se doseže boljša površinska zmogljivost, zmanjša trenje s človeškim telesom ter izboljša združljivost in življenjska doba.

 

2.1.4 Zvočna cev za slušni aparat

Deli ohišja slušnega aparata proizvaja Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

Cev za slušni aparat proizvaja Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

Tehnologijo MIM lahko uporabimo tudi za izdelavo delov različnih medicinskih pripomočkov.

 

Podjetje Indo MIM uporablja tehnologijo MIM za izdelavo zvočne cevi za slušne aparate za podjetje Phonak v Nemčiji [12], ki vpliva na izboljšanje hitrosti zvoka in spodbujanje sluha.

 

To vrsto zvočne cevi za slušne aparate s kompleksno obliko je mogoče dobiti s sintranjem po oblikovanju MIM. Da bi bila površina zvočne cevi gladka, je treba kasneje opraviti le postopek peskanja s steklenimi kroglicami.

 

Gostota akustične cevi je večja od 7,65 g/cm3, največja natezna trdnost lahko doseže 480 MPa, meja tečenja 150 MPa, raztezek 45 odstotkov in največja površinska trdota 100 HRB. Tehnologija MIM lahko zmanjša stroške za 20 odstotkov v primerjavi s prejšnjim tradicionalnim proizvodnim procesom.

 

Tehnologijo MIM je mogoče uporabiti tudi za izdelavo številnih izdelkov na medicinskem področju, vključno s stentom za interventno terapijo, zaščito pred sevanjem brizge iz volframove zlitine z visoko gostoto, mikrokirurškim manipulatorjem, deli endoskopa z mikro črpalko in inhalatorjem za zdravila [13].

2.2 Nova tehnologija MIM, uporabljena za medicinske izdelke

 

2.2.1 Mikro brizganje kovin

Mikro brizganje kovin, μ MIM) je tehnologija oblikovanja, ki jo je razvil raziskovalni inštitut IFAM v Nemčiji, ki organsko uporablja tehnologijo MIM za pripravo delov z dimenzijami do mikrometrske ravni.

 

Na splošno se μ MIM lahko uporablja za izdelavo dveh vrst izdelkov:

 

① Deli z velikostjo mikrometra in maso več miligramov;

② Velikost videza dela je podobna velikosti tradicionalnega dela za brizganje, vendar je velikost lokalne strukture do mikrometrske ravni.

V zadnjih letih je mikro brizganje postalo raziskovalna točka na področju brizganja. Z razvojem sodobnih strojev v smeri miniaturizacije bo uporaba mikro brizganja vedno bolj obsežna [14].

Trenutno ima raziskovalni center Karlsruha tehnologijo μ MIM uspešno uporabljeno za proizvodnjo mikro delov medicinskih naprav [15], kot so spektrometer, titracijska plošča itd. Strukturna velikost izdelka je dosegla mikronsko raven in najmanjša debelina stene je 50 μm.

Slika 2 prikazuje uporabo IFAM v Nemčiji μ Šivalno sidro [16], izdelano s tehnologijo MIM za kirurške operacije, je velikosti le glave vžigalice.

 

2.2.2 Kovinsko brizganje

Kovinsko brizganje (Co MIM), ki je nastalo v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, je tehnologija praškastega brizganja tipa sendvič.

Ta postopek je istočasno ali v serijah vbrizgavanje dveh materialov z različnimi lastnostmi v kalup za kompozitno brizganje. V istem delu lahko združuje kovinske materiale in materiale s popolnoma različnimi lastnostmi.

S to metodo je mogoče pridobiti strukturo jedro/lupina s funkcionalnostjo in kompleksno obliko, nadaljnji postopki, kot so premazovanje, toplotna obdelava in sestavljanje izdelkov, pa niso potrebni. Končno je mogoče izvesti postopek za pripravo materialov s funkcionalnim gradientom, kar močno skrajša postopek in zmanjša stroške.

 

Tehnologija Co MIM ponuja novo idejo za razvoj in oblikovanje funkcionalnih delov. Li Yimin et al. [17] so predlagali novo biološko strukturo vsadka z uporabo tehnologije Co MIM, ki se pogosto uporablja v gostih kortikalnih kostnih strukturah in gobastih kostnih strukturah z zunanjimi in notranjimi porami.

 

Ta struktura je ugodna za prenos napetosti na vmesniku med kostjo vsadka in okoliško kostno strukturo. Obstaja veliko zunanjih plasti, razmerje volumna poroznosti strukture por je 5 odstotkov ~ 60 odstotkov, največja pora pa je 400 μm.

 

3 Outlook

Glede na nedavno tržno raziskavo BCCresearch o brizganju kovin in keramike se bo svetovna tržna vrednost kovinskih in keramičnih brizganih delov povečala z 2,5 milijarde dolarjev leta 2022 na skoraj 3,9 milijarde dolarjev leta 2028, s povprečno letno stopnjo rasti 11,4 odstotka.

Hkrati bo z upadom prodaje avtomobilov tehnologija MIM bolj vstopala v medicino, vesoljsko, elektroniko in druga področja.

V novi različici načrta evropske industrije praškaste metalurgije je Evropsko združenje praškaste metalurgije poudarilo, da je medicinski trg izjemno pomemben del industrije brizganja [18].

Z nenehnim širjenjem trga bo uporaba tehnologije MIM na medicinskem področju vedno bolj poglobljena, nenehno pa se bodo razvijali tudi različni novi materiali in procesi, ki temeljijo na tehnologiji MIM.

Glava ultrazvočnega skalpela

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.je zdaj močan proizvajalec z bogatimi izkušnjami pri izdelavi različnih vrst izdelkov MIM za medicinske pripomočke. V prihodnosti bo več truda namenil tudi preciznim izdelkom za brizganje kovinskega prahu v industriji medicinskih pripomočkov.

Ključne besede: brizganje kovinskega prahu; Medicinski izdelki; Mikro brizganje kovin; Kovinsko brizganje; Kirurški instrumenti;