Aplicarea tehnologiei MIM de turnare prin injecție a pulberii metalice de titan în produsele medicale

Aplicarea tehnologiei de turnare prin injecție a pulberii metalice MIM în produsele medicale

 

 

Pensă chirurgicală minim invazivă

China este o țară cu o populație mare, iar fenomenul de îmbătrânire devine din ce în ce mai grav. În plus, urmărirea în trecut a dezvoltării economice a provocat daune excesive mediului, ceea ce face ca problemele de sănătate ale oamenilor să se confrunte cu provocări uriașe și stimulează cererea de produse medicale în întreaga societate.

 

Cum să îmbunătățiți calitatea și să reduceți costul produselor medicale a fost un subiect de cercetare pentru cercetătorii autohtoni și străini. Cererea de produse medicale este mare, iar structura multor produse este, de asemenea, foarte sofisticată, astfel încât este necesară o nouă tehnologie de fabricație pentru a înlocui producția tradițională.

 

Turnare prin injecție de metal(MIM) este o nouă tehnologie de formare aproape netă, care poate produce produse cu forme complexe în loturi într-o perioadă scurtă de timp. Poate îndeplini cerințele de fabricație ale produselor medicale și poate deveni o metodă de fabricație ideală.

 

1 tehnologie MIM

1.1 Procesul tehnologic al tehnologiei MIM

MIM este un proces de formare aproape netă dezvoltat rapid în secolul al XX-lea. Procesul general este: pulbere plus liant → amestecare → turnare prin injecție → degresare → sinterizare.

În primul rând, polimerul și pulberea sunt amestecate pentru a produce hrana cu suficientă fluiditate, amestecare uniformă și îndeplinirea cerințelor de injecție în anumite condiții. În al doilea rând, temperatura de injecție adecvată, presiunea de injecție, viteza de injecție și alți parametri de proces sunt selectați pentru turnarea prin injecție. Apoi, liantul din semifabricatul de injecție este îndepărtat și sinterizat pentru a forma lipirea metalurgică a pulberii. În final, se obțin piesele calificate.

 

1.2 Caracteristicile tehnologiei MIM

MIM este o nouă tehnologie de formare aproape netă pentru piese, care combină tehnologia de formare a plasticului, chimia polimerilor, tehnologia metalurgiei pulberilor, materialele metalice și alte discipline. Are urmatoarele caracteristici:

① Părțile formate prin utilizarea tehnologiei MIM nu necesită procesare ulterioară sau există puțină procesare ulterioară. Cu o rată mare de utilizare a materialului, acestea aparțin tehnologiei de formare aproape netă și pot produce piese de înaltă performanță și forme complexe.

② Procesul de umplere a alimentării și sinterizarea produselor poate fi simulat de computer, iar procesul poate fi optimizat în stadiul incipient [1-2] pentru a obține cea mai bună schemă de proiectare.

③ În timpul procesului de injecție, presiunea fiecărui punct din cavitate este egală, iar densitatea este egală peste tot sub premisa amestecării uniforme a furajului, astfel încât nu va exista un gradient de densitate, ceea ce este ușor de realizat o producție la scară largă. .

 

2 Aplicarea tehnologiei MIM în produsele medicale

2.1 Produse medicale fabricate prin tehnologie MIM

Produsele medicale necesită, în general, o bună utilizare și o durată de viață suficient de lungă, precum și un design flexibil în designul structurii și formei [3].

La începutul anilor 1980, tehnologia MIM a fost aplicată pentru prima dată în produsele medicale și a devenit zona cu cea mai rapidă creștere a pieței MIM.

Figura 1 arată proporția tehnologiei MIM în diferite industrii din America de Nord în 2015 [4]. Se poate observa că tratamentul medical și stomatologia au devenit principalele domenii de aplicare ale MIM în America de Nord.

În prezent, majoritatea produselor medicale MIM sunt fabricate din oțel inoxidabil, principalele mărci sunt 316L și 17-4PH; Există și aliaje de titan, aliaje de magneziu, aur, argint, tantal etc. [5].

 

2.1.1 Bracket ortodontic

Bracket-uri ortodontice produse de Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Tehnologia MIM a fost folosită pentru prima dată în tratamentul medical pentru realizarea unor aparate dentare ortopedice. Aceste produse de precizie au dimensiuni foarte mici și au o bună biocompatibilitate și rezistență la coroziune. Materialul principal folosit este oțelul inoxidabil 316L. Bracket-urile ortodontice sunt încă principalele produse din industria MIM.

Forestadent, o companie germană, a produs un bracket ortodontic cu cârlig bidirecțional cu tehnologie MIM. Forța de reținere mecanică poate fi mărită cu 30%. Lustruirea după formarea unică cu MIM poate reduce foarte mult frecarea dintre suport și firul arcului. Acest produs a fost confirmat de BjornLudwig că joacă un rol pozitiv în chirurgia ortodontică [6].

 

2.1.2 Instrumente chirurgicale

 

Instrumente chirurgicale produse de Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Instrumentele chirurgicale sunt necesare pentru a avea o rezistență ridicată, o poluare scăzută a sângelui și să poată realiza proceduri de dezinfecție agresive. Flexibilitatea de proiectare a tehnologiei MIM poate satisface aplicarea majorității instrumentelor chirurgicale. În același timp, are și avantajele tehnologiei. Poate fabrica diverse produse metalice la costuri reduse. Înlocuiește treptat tehnologia tradițională de producție ca principală metodă de producție.

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. a dezvoltat un fel de gheare din oțel inoxidabil [7] folosind tehnologia MIM, care este fabricată din oțel inoxidabil 17-4PH și are o densitate de peste 7,5 g/cm3. Poate fi folosit pentru a prinde obiecte din corpul uman în timpul intervenției chirurgicale și are funcția de pensetă. Designul său este destul de complex și necesită o precizie ridicată de producție.

 

Sinterizarea după formare cu tehnologia MIM poate atinge un nivel de toleranță ridicat și nu necesită un număr mare de procese de tratare ulterioare pentru a evita deteriorarea formei liniare și geometrice a ghearei.

 

Este dificil să se producă acest tip de gheare din oțel inoxidabil cu formă complexă prin turnare sau prelucrare, ceea ce necesită un ciclu lung de producție și costuri ridicate. Utilizarea tehnologiei MIM pentru fabricarea acestuia poate economisi 60% din costuri.

 

Instrumentele chirurgicale de unică folosință trebuie să dezvolte un proces care poate fi produs în masă la costuri reduse. Smith Metal Products Co., Ltd. folosește tehnologia MIM pentru a produce un ansamblu arbore [8], care este utilizat într-un nou tip de instrumente chirurgicale de unică folosință. Costul este de numai 1/4 până la 1/5 din cel al unei mașini-unelte CNC elvețiene, densitatea este de 7,5 g/cm3, rezistența maximă la tracțiune atinge 1190MPa, limita de curgere 1090MPa, alungirea este de 6,0 la sută, iar duritatea maximă este de 33 HRC.

 

Procesul de fabricație al acestui produs este următorul: mai întâi, două piese de arbore lungi de 178 mm sunt formate prin tehnologia MIM, apoi două părți sunt sudate cu laser și apoi se efectuează prelucrarea ulterioară și tratamentul termic. Pentru a îndeplini cerințele de bună toleranță, sunt necesare și pasivizarea și pasivizarea.

 

2.1.3 Piese de implant de genunchi

Piese de implant osos la genunchi produse de Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Progresul tehnologiei MIM în domeniul implantării umane este relativ lent, în principal pentru că certificarea și acceptarea produselor necesită o perioadă lungă.

 

În prezent, tehnologia MIM poate fi utilizată pentru a produce piese care înlocuiesc parțial oasele și articulațiile, iar materialele metalice utilizate sunt în principal aliaje de Ti [9].

 

În ceea ce privește biocompatibilitatea, Chen Liangjian și colab. [10] a preparat titan poros cu o porozitate de 60% utilizând tehnologia MIM și a preparat microsfere de gelatină cu eliberare susținută folosind o metodă îmbunătățită de reticulare prin polimerizare prin condensare și le-a acoperit pe suprafața titanului poros.

 

Rezultatele au arătat că microsferele de gelatină cu eliberare susținută acoperite cu titan poros nu au avut citotoxicitate și ar putea fi utilizate ca un material bun pentru implanturi medicale.

 

Canadian MaettaSciences Inc a folosit cu succes Ti-6Al{-4V pentru a produce piese de mostre de genunchi pentru implant uman [11]. Implantul suportă în principal presiune după ce intră în corpul uman și are o bună biocompatibilitate. După formarea MIM, se efectuează presarea izostatică la cald, urmată de șlefuire, lustruire și anodizare pentru a obține o performanță mai bună a suprafeței, a reduce frecarea cu corpul uman și a îmbunătăți compatibilitatea și durata de viață.

 

2.1.4 Conducta sonoră a aparatului auditiv

Piese de carcasă pentru aparate auditive produse de Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Tub pentru aparate auditive produs de Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Tehnologia MIM poate fi folosită și pentru a produce piese ale diferitelor dispozitive medicale.

 

Compania Indo MIM folosește tehnologia MIM pentru a produce un tub de sunet pentru aparatul auditiv pentru compania Phonak din Germania [12], care are ca efect îmbunătățirea ratei sunetului și promovarea auzului.

 

Acest tip de tub sonor pentru proteză auditivă cu formă complexă poate fi obținut prin sinterizare după formarea MIM. Pentru ca suprafața tubului de sunet să fie netedă, este necesar doar să treceți printr-un proces de sablare cu nisip de sticlă mai târziu.

 

Densitatea tubului acustic este mai mare de 7,65 g/cm3, rezistența maximă la tracțiune poate ajunge la 480 MPa, limita de curgere 150 MPa, alungirea 45 la sută și duritatea maximă a suprafeței 100 HRB. Tehnologia MIM poate reduce costurile cu 20% în comparație cu procesul de producție tradițional anterior.

 

Tehnologia MIM poate fi, de asemenea, utilizată pentru a produce multe produse în domeniul medical, inclusiv stent de terapie intervențională, ecranare împotriva radiațiilor a seringilor din aliaj de înaltă densitate de tungsten, manipulator de microchirurgie, piese de endoscop cu micropompe și inhalator de medicamente [13].

2.2 Noua tehnologie MIM aplicată produselor medicale

 

2.2.1 Turnarea prin microinjecție a metalelor

Turnarea prin microinjecție a metalelor, μ MIM) este o tehnologie de formare dezvoltată de Institutul de Cercetare IFAM din Germania, care are ca scop aplicarea organică a tehnologiei MIM la pregătirea pieselor cu dimensiuni de până la nivelul micrometrului.

 

În general vorbind, μ MIM poate fi utilizat pentru a produce două tipuri de produse:

 

① Piese cu o dimensiune de micrometru și o masă de câteva miligrame;

② Mărimea aspectului piesei este similară cu dimensiunea piesei tradiționale de turnare prin injecție, dar dimensiunea structurii locale este de până la nivelul micrometrului.

În ultimii ani, microformarea prin injecție a devenit un punct fierbinte de cercetare în domeniul turnării prin injecție. Odată cu dezvoltarea mașinilor moderne spre miniaturizare, aplicarea microformarii prin injecție va fi din ce în ce mai extinsă [14].

În prezent, Centrul de Cercetare Karlsruha are tehnologia μ MIM a fost aplicată cu succes la producția de micro părți ale dispozitivelor medicale [15], cum ar fi spectrometru, placă de titrare etc. Dimensiunea structurii produsului a atins nivelul de microni, iar grosimea minimă a peretelui este de 50 μ m.

Figura 2 arată utilizarea IFAM în Germania μ Ancora de sutură [16] produsă de tehnologia MIM pentru operații chirurgicale are doar dimensiunea capului chibritului.

 

2.2.2 Turnare prin co-injecție de metal

Turnarea prin injecție de metal (Co MIM), apărută în anii 1990, este o tehnologie de turnare prin injecție a pulberii de tip sandwich.

Acest proces constă în injectarea simultană sau în loturi a două materiale cu caracteristici diferite într-o matriță pentru o turnare prin injecție compozit. Poate combina materiale metalice și un material cu proprietăți complet diferite în aceeași piesă.

Structura miez/înveliș cu funcționalitate și formă complexă poate fi obținută prin această metodă, iar procesele ulterioare precum acoperirea, tratamentul termic și asamblarea produselor nu sunt necesare. În cele din urmă, un proces poate fi realizat pentru a pregăti materiale cu gradient funcțional, ceea ce reduce foarte mult procesul și reduce costurile.

 

Tehnologia Co MIM oferă o nouă idee pentru dezvoltarea și proiectarea pieselor funcționale. Li Yimin și colab. [17] au propus o nouă structură de implant biologic folosind tehnologia Co MIM, care este utilizată pe scară largă în structurile osoase corticale dense și structurile osoase spongioase cu pori exteriori și pori interiori.

 

Această structură este favorabilă transmiterii stresului de interfață între osul implantului și structura osoasă înconjurătoare. Există multe straturi exterioare, raportul de volum al porozității structurii porilor este de 5% ~ 60%, iar cel mai mare por este de 400 μm.

 

3 Outlook

Conform cercetărilor recente de piață ale BCCresearch privind turnarea prin injecție a metalelor și a ceramicii, valoarea de piață globală a pieselor turnate prin injecție din metal și ceramică va crește de la 2,5 miliarde de dolari în 2022 la aproape 3,9 miliarde de dolari în 2028, cu o rată medie anuală de creștere de 11,4%.

În același timp, odată cu scăderea vânzărilor de automobile, tehnologia MIM va intra mai mult în domeniul medical, aerospațial, electronic și în alte domenii.

În noua versiune a foii de parcurs pentru industria metalurgiei pulberilor europene, Asociația Europeană pentru Metalurgia pulberilor a subliniat că piața medicală este o parte extrem de importantă a industriei de turnare prin injecție [18].

Odată cu extinderea continuă a pieței, aplicarea tehnologiei MIM în domeniul medical va fi din ce în ce mai aprofundată, iar diverse materiale și procese noi bazate pe tehnologia MIM vor fi, de asemenea, dezvoltate în mod constant.

Cap de bisturiu cu ultrasunete

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.este acum un producător puternic cu experiență bogată în producerea diferitelor tipuri de produse MIM pentru dispozitive medicale. În viitor, va dedica, de asemenea, mai multe eforturi produselor de precizie pentru turnarea prin injecție a pulberii metalice din industria dispozitivelor medicale.

Cuvinte cheie: turnare prin injecție cu pulbere metalică; Produse medicale; Microformare prin injecție de metal; Turnare prin injecție metal; Instrumente chirurgicale;