Titāna metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanas MIM tehnoloģijas pielietojums medicīnas izstrādājumos

MIM metāla pulvera iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģijas pielietojums medicīnas izstrādājumos

 

 

Minimāli invazīvas ķirurģiskas knaibles

Ķīna ir valsts ar lielu iedzīvotāju skaitu, un novecošanās parādība kļūst arvien nopietnāka. Turklāt līdzšinējā tiekšanās pēc ekonomiskās attīstības ir radījusi pārmērīgu kaitējumu videi, kas liek cilvēku veselības problēmām saskarties ar milzīgiem izaicinājumiem un stimulē pieprasījumu pēc medicīnas precēm visā sabiedrībā.

 

Kā uzlabot medicīnas produktu kvalitāti un samazināt izmaksas ir pašmāju un ārvalstu zinātnieku izpētes tēma. Pieprasījums pēc medicīnas precēm ir liels, un arī daudzu produktu struktūra ir ļoti izsmalcināta, tāpēc ir nepieciešama jauna ražošanas tehnoloģija, lai aizstātu tradicionālo ražošanu.

 

Metāla iesmidzināšana(MIM) ir jauna gandrīz tīkla veidošanas tehnoloģija, kas īsā laika periodā var ražot produktus ar sarežģītām formām partijās. Tas var apmierināt medicīnas produktu ražošanas prasības un kļūt par ideālu ražošanas metodi.

 

1 MIM tehnoloģija

1.1. MIM tehnoloģijas tehnoloģiskais process

MIM ir gandrīz tīkla veidošanas process, kas strauji attīstījās 20. gadsimtā. Vispārējais process ir: pulveris un saistviela → sajaukšana → iesmidzināšana → attaukošana → saķepināšana.

Pirmkārt, polimērs un pulveris tiek sajaukti, lai iegūtu barību ar pietiekamu plūstamību, vienmērīgu samaisīšanu un atbilstu iesmidzināšanas prasībām noteiktos apstākļos. Otrkārt, iesmidzināšanas formēšanai tiek izvēlēta atbilstošā iesmidzināšanas temperatūra, iesmidzināšanas spiediens, iesmidzināšanas ātrums un citi procesa parametri. Pēc tam saistviela injekcijas sagatavē tiek noņemta un saķepināta, lai izveidotu pulvera metalurģisko saiti. Visbeidzot, tiek iegūtas kvalificētās daļas.

 

1.2 MIM tehnoloģijas iezīmes

MIM ir jauna gandrīz tīkla veidošanas tehnoloģija detaļām, kas apvieno plastmasas formēšanas tehnoloģiju, polimēru ķīmiju, pulvermetalurģijas tehnoloģiju, metāla materiālus un citas disciplīnas. Tam ir šādas īpašības:

① Detaļām, kas veidotas, izmantojot MIM tehnoloģiju, nav nepieciešama turpmāka apstrāde vai arī pēcpārbaudes apstrāde ir neliela. Ar augstu materiālu izmantošanas līmeni tie pieder pie tīkla veidošanas tehnoloģijas un var ražot augstas veiktspējas un sarežģītas formas detaļas.

② Padeves iepildīšanas un produktu saķepināšanas procesu var simulēt ar datoru, un procesu var optimizēt agrīnā stadijā [1-2], lai iegūtu vislabāko dizaina shēmu.

③ Iesmidzināšanas procesa laikā spiediens katrā dobuma punktā ir vienāds, un blīvums ir vienāds visur, vienmērīgi sajaucot barību, tāpēc nebūs blīvuma gradienta, ko ir viegli sasniegt liela mēroga ražošanā. .

 

2 MIM tehnoloģijas pielietojums medicīnas produktos

2.1 Medicīnas preces, kas ražotas, izmantojot MIM tehnoloģiju

Medicīnas izstrādājumiem parasti ir nepieciešama laba lietojamība un pietiekami ilgs kalpošanas laiks, kā arī elastīgs konstrukcijas un formas dizains [3].

Astoņdesmito gadu sākumā MIM tehnoloģija pirmo reizi tika izmantota medicīnas produktos, un tā ir kļuvusi par visstraujāk augošo MIM tirgus jomu.

1. attēlā parādīts MIM tehnoloģiju īpatsvars dažādās Ziemeļamerikas nozarēs 2015. gadā [4]. Var redzēt, ka medicīniskā aprūpe un zobārstniecība ir kļuvušas par galvenajām MIM pielietojuma jomām Ziemeļamerikā.

Pašlaik lielākā daļa medicīnas MIM produktu ir izgatavoti no nerūsējošā tērauda, ​​galvenie zīmoli ir 316L un 17-4PH; Ir arī titāna sakausējumi, magnija sakausējumi, zelts, sudrabs, tantals u.c. [5].

 

2.1.1. Ortodontiskais kronšteins

Ortodontiskās kronšteini, ko ražo Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

MIM tehnoloģija pirmo reizi tika izmantota ārstniecībā, lai izgatavotu dažas zobu ortopēdiskas ierīces. Šie precīzijas izstrādājumi ir ļoti mazi, un tiem ir laba bioloģiskā saderība un izturība pret koroziju. Galvenais izmantotais materiāls ir 316L nerūsējošais tērauds. Ortodontiskās kronšteini joprojām ir galvenie produkti MIM nozarē.

Vācu uzņēmums Forestadent ir izgatavojis divvirzienu āķveida ortodontisko kronšteinu ar MIM tehnoloģiju. Mehānisko aiztures spēku var palielināt par 30 procentiem. Pulēšana pēc vienreizējas formēšanas ar MIM var ievērojami samazināt berzi starp kronšteinu un arkas vadu. Bjorns Ludvigs ir apstiprinājis, ka šim produktam ir pozitīva nozīme ortodontiskajā ķirurģijā [6].

 

2.1.2. Ķirurģiskie instrumenti

 

Ķirurģiskie instrumenti, ko ražo Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Ķirurģiskajiem instrumentiem ir jābūt ar augstu izturību, zemu asins piesārņojumu un jāspēj veikt agresīvas dezinfekcijas procedūras. MIM tehnoloģijas dizaina elastība var atbilst lielākajai daļai ķirurģisko instrumentu pielietojuma. Tajā pašā laikā tam ir arī tehnoloģiju priekšrocības. Tas var izgatavot dažādus metāla izstrādājumus par zemām izmaksām. Tas pakāpeniski aizstāj tradicionālo ražošanas tehnoloģiju kā galveno ražošanas metodi.

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ir izstrādājis sava veida nerūsējošā tērauda spīļus [7], izmantojot MIM tehnoloģiju, kas ir izgatavots no 17-4PH nerūsējošā tērauda un kura blīvums ir lielāks par 7,5 g/cm3. To var izmantot, lai satvertu priekšmetus cilvēka ķermenī operācijas laikā, un tam ir pincetes funkcija. Tās dizains ir diezgan sarežģīts un prasa augstu ražošanas precizitāti.

 

Saķepināšana pēc formēšanas ar MIM tehnoloģiju var sasniegt augstu pielaides līmeni un neprasa lielu skaitu turpmāku apstrādes procesu, lai nesabojātu naga lineāro un ģeometrisko formu.

 

Ir grūti izgatavot šāda veida nerūsējošā tērauda spīles ar sarežģītu formu ar liešanu vai apstrādi, kas prasa ilgu ražošanas ciklu un augstas izmaksas. Izmantojot MIM tehnoloģiju, lai to ražotu, var ietaupīt 60 procentus no izmaksām.

 

Vienreizlietojamiem ķirurģiskiem instrumentiem ir jāizstrādā process, ko var masveidā ražot par zemām izmaksām. Smith Metal Products Co., Ltd. izmanto MIM tehnoloģiju, lai ražotu vārpstas mezglu [8], ko izmanto jauna veida vienreizējās lietošanas ķirurģiskajos instrumentos. Izmaksas ir tikai 1/4 līdz 1/5 no Šveices CNC darbgalda izmaksām, blīvums ir 7,5 g/cm3, maksimālā stiepes izturība sasniedz 1190 MPa, tecēšanas robeža 1090 MPa, pagarinājums ir 6,0 procenti, un maksimālā cietība ir 33 HRC.

 

Šī izstrādājuma ražošanas process ir šāds: vispirms ar MIM tehnoloģiju tiek veidotas divas 178 mm garas vārpstas daļas, pēc tam divas daļas tiek metinātas ar lāzeru un pēc tam tiek veikta apstrāde un termiskā apstrāde. Lai izpildītu labas tolerances prasības, nepieciešama arī skrotis un pasivēšana.

 

2.1.3. Ceļa implantu daļas

Ceļa kaula implantu daļas, ko ražo Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

MIM tehnoloģijas attīstība cilvēka implantācijas jomā ir salīdzinoši lēna, galvenokārt tāpēc, ka produktu sertifikācijai un pieņemšanai ir nepieciešams ilgs periods.

 

Šobrīd MIM tehnoloģiju var izmantot tādu detaļu ražošanai, kas daļēji aizstāj kaulus un locītavas, un izmantotie metālu materiāli galvenokārt ir Ti sakausējumi [9].

 

Runājot par bioloģisko saderību, Chen Liangjian et al. [10] sagatavoja porainu titānu ar porainību 60 procenti, izmantojot MIM tehnoloģiju, un sagatavoja želatīna ilgstošas ​​darbības mikrosfēras, izmantojot uzlabotu kondensācijas polimerizācijas šķērssaistīšanas metodi, un pārklāja tās uz porainā titāna virsmas.

 

Rezultāti parādīja, ka želatīna ilgstošas ​​​​darbības mikrosfērām, kas pārklātas ar porainu titānu, nebija citotoksicitātes un tās var izmantot kā labu materiālu medicīniskiem implantiem.

 

Canadian MaettaSciences Inc ir veiksmīgi izmantojis Ti-6Al-4V, lai ražotu ceļa paraugu daļas cilvēka implantam [11]. Implants galvenokārt iztur spiedienu pēc iekļūšanas cilvēka ķermenī, un tam ir laba bioloģiskā saderība. Pēc MIM formēšanas tiek veikta karstā izostatiskā presēšana, kam seko skrotis, pulēšana un anodēšana, lai iegūtu labāku virsmas veiktspēju, samazinātu berzi ar cilvēka ķermeni un uzlabotu savietojamību un kalpošanas laiku.

 

2.1.4. Dzirdes aparāta skaņas caurule

Dzirdes aparātu korpusa daļas, ko ražo Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.

Dzirdes aparāta caurule, ko ražo Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

MIM tehnoloģiju var izmantot arī dažādu medicīnisko ierīču daļu ražošanai.

 

Indo MIM Company izmanto MIM tehnoloģiju, lai ražotu dzirdes aparāta skaņas cauruli uzņēmumam Phonak Vācijā [12], kas uzlabo skaņas ātrumu un veicina dzirdi.

 

Šāda veida dzirdes aparāta skaņas cauruli ar sarežģītu formu var iegūt, saķepinot pēc MIM formēšanas. Lai skaņas caurules virsma būtu gluda, vēlāk ir tikai jāiziet stikla lodīšu smilšu strūklas process.

 

Akustiskās caurules blīvums ir lielāks par 7,65 g/cm3, maksimālā stiepes izturība var sasniegt 480 MPa, tecēšanas robeža 150 MPa, pagarinājums 45 procenti un maksimālā virsmas cietība 100 HRB. MIM tehnoloģija var samazināt izmaksas par 20 procentiem salīdzinājumā ar tradicionālo ražošanas procesu iepriekš.

 

MIM tehnoloģiju var izmantot arī daudzu produktu ražošanai medicīnas jomā, tostarp intervences terapijas stentu, volframa augsta blīvuma sakausējuma šļirces starojuma aizsargu, mikroķirurģijas manipulatoru, mikrosūkņa endoskopa daļas un zāļu inhalatoru [13].

2.2. Jauna MIM tehnoloģija, ko izmanto medicīnas izstrādājumiem

 

2.2.1 Metāla mikro iesmidzināšana

Metāla mikro iesmidzināšana, μ MIM) ir formēšanas tehnoloģija, ko izstrādājis IFAM pētniecības institūts Vācijā un kuras mērķis ir organiski pielietot MIM tehnoloģiju detaļu sagatavošanai ar izmēriem līdz mikrometru līmenim.

 

Vispārīgi runājot, μ MIM var izmantot divu veidu produktu ražošanai:

 

① Detaļas ar mikrometru izmēru un vairāku miligramu masu;

② Detaļas izskata izmērs ir līdzīgs tradicionālās iesmidzināšanas formēšanas daļas izmēram, bet vietējās struktūras izmērs ir līdz mikrometra līmenim.

Pēdējos gados mikro iesmidzināšana ir kļuvusi par pētniecības karsto punktu iesmidzināšanas liešanas jomā. Attīstoties modernajai tehnikai miniaturizācijas virzienā, mikro iesmidzināšanas liešanas pielietojums kļūs arvien plašāks [14].

Šobrīd Karlsrūas pētniecības centrā μ MIM tehnoloģija ir veiksmīgi izmantota medicīnisko ierīču [15] mikrodaļu, piemēram, spektrometra, titrēšanas plates uc ražošanā. Produkta struktūras izmērs ir sasniedzis mikronu līmeni, un minimālais sienas biezums ir 50 μm.

2. attēlā parādīta IFAM izmantošana Vācijā μ Šuvju enkurs [16], kas ražots ar MIM tehnoloģiju ķirurģiskai operācijai, ir tikai sērkociņu galviņas izmērs.

 

2.2.2. Metāla iesmidzināšana

Metāla iesmidzināšanas formēšana (Co MIM), kas radusies 1990. gados, ir sviestmaižu tipa pulvera iesmidzināšanas formēšanas tehnoloģija.

Šis process ir divu materiālu ar atšķirīgām īpašībām vienlaikus vai partiju iesmidzināšana kompozītmateriālu iesmidzināšanas veidnē. Tajā vienā daļā var apvienot metāla materiālus un materiālu ar pilnīgi atšķirīgām īpašībām.

Ar šo metodi var iegūt serdes/čaulas struktūru ar funkcionalitāti un sarežģītu formu, un turpmākie procesi, piemēram, pārklājums, termiskā apstrāde un izstrādājumu montāža, nav nepieciešami. Visbeidzot, var īstenot procesu, lai sagatavotu funkcionāli gradientus materiālus, kas ievērojami samazina procesu un samazina izmaksas.

 

Co MIM tehnoloģija sniedz jaunu ideju funkcionālo daļu izstrādei un dizainam. Li Yimin et al. [17] ir ierosinājuši jaunu bioloģisko implantu struktūru, izmantojot Co MIM tehnoloģiju, ko plaši izmanto blīvās garozas kaulu struktūrās un spožveida kaulu struktūrās ar ārējām porām un iekšējām porām.

 

Šī struktūra ir labvēlīga saskarnes sprieguma pārnešanai starp implanta kaulu un apkārtējo kaulu struktūru. Ir daudz ārējo slāņu, poru struktūras porainības tilpuma attiecība ir 5 procenti ~ 60 procenti, un lielākā pora ir 400 μm.

 

3 perspektīva

Saskaņā ar BCCresearch jaunāko tirgus izpēti par metāla un keramikas iesmidzināšanu, metāla un keramikas iesmidzināšanas formēšanas detaļu globālā tirgus vērtība palielināsies no 2,5 miljardiem dolāru 2022. gadā līdz gandrīz 3,9 miljardiem dolāru 2028. gadā, un vidējais gada pieauguma temps būs 11,4 procenti.

Tajā pašā laikā, samazinoties automašīnu pārdošanas apjomam, MIM tehnoloģija vairāk ienāks medicīnas, kosmosa, elektronikas un citās jomās.

Eiropas pulvermetalurģijas nozares ceļveža jaunajā versijā Eiropas Pulvermetalurģijas asociācija norādīja, ka medicīnas tirgus ir ārkārtīgi svarīga iesmidzināšanas liešanas nozares sastāvdaļa [18].

Nepārtraukti paplašinoties tirgum, MIM tehnoloģijas pielietojums medicīnas jomā būs arvien padziļināts, kā arī pastāvīgi tiks izstrādāti dažādi jauni materiāli un procesi, kuru pamatā ir MIM tehnoloģija.

Ultraskaņas skalpeļa galva

Qinhuangdao Zhongwei precizitāte mašīnas co % 2c Ltd.tagad ir spēcīgs ražotājs ar bagātīgu pieredzi dažādu medicīnas ierīču MIM produktu ražošanā. Nākotnē tā arī veltīs vairāk pūļu metāla pulvera iesmidzināšanas lējuma precizitātes izstrādājumiem medicīnas ierīču nozarē.

Atslēgas vārdi: metāla pulvera iesmidzināšana; Medicīnas preces; Metāla mikro iesmidzināšana; Metāla iesmidzināšana; Ķirurģiskie instrumenti;