Applicazione della tecnologia MIM dello stampaggio ad iniezione di polvere di metallo di titanio nei prodotti medicali
Jan 03, 2023
Applicazione della tecnologia di stampaggio ad iniezione di polveri metalliche MIM nei prodotti medicali
Pinza chirurgica minimamente invasiva
La Cina è un paese con una popolazione numerosa e il fenomeno dell'invecchiamento sta diventando sempre più grave. Inoltre, la passata ricerca dello sviluppo economico ha causato danni eccessivi all'ambiente, il che pone i problemi di salute delle persone di fronte a enormi sfide e stimola la domanda di prodotti medici nell'intera società.
Come migliorare la qualità e ridurre il costo dei prodotti medici è stato un argomento di ricerca per studiosi nazionali e stranieri. La domanda di prodotti medici è ampia e anche la struttura di molti prodotti è molto sofisticata, quindi è necessaria una nuova tecnologia di produzione per sostituire la produzione tradizionale.
Stampaggio ad iniezione di metalli(MIM) è una nuova tecnologia di formatura quasi netta, in grado di produrre prodotti con forme complesse in lotti in un breve periodo di tempo. Può soddisfare i requisiti di produzione dei prodotti medici e diventare un metodo di produzione ideale.
1 tecnologia MIM
1.1 Processo tecnologico della tecnologia MIM
Il MIM è un processo di formatura quasi netta sviluppato rapidamente nel 20° secolo. Il processo generale è: polvere più legante → miscelazione → stampaggio ad iniezione → sgrassaggio → sinterizzazione.
In primo luogo, il polimero e la polvere vengono miscelati per produrre l'alimentazione con sufficiente fluidità, miscelazione uniforme e soddisfare i requisiti di iniezione in determinate condizioni. In secondo luogo, per lo stampaggio a iniezione vengono selezionati la temperatura di iniezione, la pressione di iniezione, la velocità di iniezione e altri parametri di processo appropriati. Quindi, il legante nello sbozzato di iniezione viene rimosso e sinterizzato per formare un legame metallurgico della polvere. Infine, si ottengono le parti qualificate.
1.2 Caratteristiche della tecnologia MIM
MIM è una nuova tecnologia di formatura near net per parti, che combina la tecnologia di formatura della plastica, la chimica dei polimeri, la tecnologia della metallurgia delle polveri, i materiali metallici e altre discipline. Ha le seguenti caratteristiche:
① Le parti formate utilizzando la tecnologia MIM non richiedono l'elaborazione di follow-up o l'elaborazione di follow-up è minima. Con un elevato tasso di utilizzo del materiale, appartengono alla tecnologia di formatura quasi netta e possono produrre parti di forma complessa e ad alte prestazioni.
② Il processo di riempimento del mangime e la sinterizzazione dei prodotti possono essere simulati al computer e il processo può essere ottimizzato nella fase iniziale [1-2] per ottenere il miglior schema di progettazione.
③ Durante il processo di iniezione, la pressione di ciascun punto nella cavità è uguale e la densità è uguale ovunque sotto la premessa di una miscelazione uniforme del mangime, quindi non ci sarà gradiente di densità, che è facile da ottenere produzione su larga scala .
2 Applicazione della tecnologia MIM nei prodotti medicali
2.1 Prodotti medicali fabbricati con tecnologia MIM
I prodotti medici generalmente richiedono una buona usabilità e una durata sufficientemente lunga e un design flessibile nella progettazione della struttura e della forma [3].
All'inizio degli anni '80, la tecnologia MIM è stata applicata per la prima volta nei prodotti medici ed è diventata l'area in più rapida crescita del mercato MIM.
La figura 1 mostra la percentuale di tecnologia MIM in diversi settori in Nord America nel 2015 [4]. Si può vedere che le cure mediche e l'odontoiatria sono diventate i principali campi di applicazione del MIM in Nord America.
Attualmente, la maggior parte dei prodotti MIM medicali sono realizzati in acciaio inossidabile, i marchi principali sono 316L e 17-4PH; Esistono anche leghe di titanio, leghe di magnesio, oro, argento, tantalio, ecc. [5].
2.1.1 Staffa ortodontica
| Staffe ortodontiche prodotte da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnologia MIM è stata utilizzata per la prima volta nel trattamento medico per realizzare alcuni apparecchi ortopedici dentali. Questi prodotti di precisione sono di dimensioni molto ridotte e presentano una buona biocompatibilità e resistenza alla corrosione. Il materiale principale utilizzato è l'acciaio inossidabile 316L. Gli attacchi ortodontici sono ancora i prodotti principali nel settore MIM.
Forestadent, azienda tedesca, ha prodotto un bracket ortodontico uncinato a due vie con tecnologia MIM. La forza di ritenzione meccanica può essere aumentata del 30%. La lucidatura dopo una singola formatura con MIM può ridurre notevolmente l'attrito tra il bracket e il filo dell'arco. BjornLudwig ha confermato che questo prodotto svolge un ruolo positivo nella chirurgia ortodontica [6].
2.1.2 Strumenti chirurgici
| Strumenti chirurgici prodotti da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Gli strumenti chirurgici devono avere un'elevata resistenza, un basso inquinamento del sangue ed essere in grado di ottenere procedure di disinfezione aggressive. La flessibilità di progettazione della tecnologia MIM può soddisfare l'applicazione della maggior parte degli strumenti chirurgici. Allo stesso tempo, ha anche i vantaggi della tecnologia. Può fabbricare vari prodotti in metallo a basso costo. Sta gradualmente sostituendo la tecnologia di produzione tradizionale come principale metodo di produzione.
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ha sviluppato una sorta di artiglio in acciaio inossidabile [7] utilizzando la tecnologia MIM, che è realizzato in acciaio inossidabile 17-4PH e ha una densità superiore a 7,5 g/cm3. Può essere utilizzato per afferrare oggetti nel corpo umano durante l'intervento chirurgico e ha la funzione di una pinzetta. Il suo design è piuttosto complesso e richiede un'elevata precisione di produzione.
La sinterizzazione dopo la formatura con la tecnologia MIM può raggiungere un alto livello di tolleranza e non richiede un gran numero di processi di trattamento successivi per evitare di danneggiare la forma lineare e geometrica dell'unghia.
È difficile produrre questo tipo di artiglio in acciaio inossidabile con forma complessa mediante fusione o lavorazione meccanica, che richiede un lungo ciclo di produzione e costi elevati. L'utilizzo della tecnologia MIM per produrlo può far risparmiare il 60% del costo.
Gli strumenti chirurgici monouso devono sviluppare un processo che possa essere prodotto in serie a basso costo. Smith Metal Products Co., Ltd. utilizza la tecnologia MIM per produrre un gruppo albero [8], che viene utilizzato in un nuovo tipo di strumenti chirurgici monouso. Il costo è solo da 1/4 a 1/5 di quello di una macchina utensile CNC svizzera, la densità è 7,5 g/cm3, la resistenza alla trazione massima raggiunge 1190MPa, la resistenza allo snervamento 1090 MPa, l'allungamento è 6,0 percento e la durezza massima è 33 HRC.
Il processo di fabbricazione di questo prodotto è il seguente: in primo luogo, due parti dell'albero lunghe 178 mm sono formate dalla tecnologia MIM, quindi due parti sono saldate al laser, quindi vengono eseguite la successiva lavorazione e il trattamento termico. Per soddisfare i requisiti di buona tolleranza, sono richieste anche la pallinatura e la passivazione.
2.1.3 Parti dell'impianto del ginocchio
| Parti di impianto osseo del ginocchio prodotte da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Il progresso della tecnologia MIM nel campo dell'impianto umano è relativamente lento, soprattutto perché la certificazione e l'accettazione dei prodotti richiedono un lungo periodo.
Attualmente, la tecnologia MIM può essere utilizzata per produrre parti che sostituiscono parzialmente ossa e articolazioni, e i materiali metallici utilizzati sono principalmente leghe di Ti [9].
In termini di biocompatibilità, Chen Liangjian et al. [10] hanno preparato il titanio poroso con una porosità del 60 percento utilizzando la tecnologia MIM e hanno preparato microsfere di gelatina a rilascio prolungato utilizzando un metodo di reticolazione della polimerizzazione a condensazione migliorato e le hanno rivestite sulla superficie del titanio poroso.
I risultati hanno mostrato che le microsfere di gelatina a rilascio prolungato rivestite di titanio poroso non avevano citotossicità e potevano essere utilizzate come un buon materiale per impianti medici.
La canadese MaettaSciences Inc ha utilizzato con successo Ti-6Al-4V per produrre parti di campioni di ginocchio per impianti umani [11]. L'impianto sopporta principalmente la pressione dopo essere entrato nel corpo umano e ha una buona biocompatibilità. Dopo la formatura MIM, viene eseguita la pressatura isostatica a caldo, seguita da pallinatura, lucidatura e anodizzazione per ottenere migliori prestazioni superficiali, ridurre l'attrito con il corpo umano e migliorare la compatibilità e la durata.
2.1.4 Tubo sonoro dell'apparecchio acustico
| Parti del guscio dell'apparecchio acustico prodotte da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Tubo per apparecchi acustici prodotto da Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnologia MIM può anche essere utilizzata per produrre parti di vari dispositivi medici.
Indo MIM Company utilizza la tecnologia MIM per produrre un tubo sonoro per apparecchi acustici per Phonak Company in Germania [12], che ha l'effetto di migliorare la velocità del suono e promuovere l'udito.
Questo tipo di tubo sonoro per apparecchi acustici con forma complessa può essere ottenuto mediante sinterizzazione dopo la formatura MIM. Per rendere liscia la superficie del tubo sonoro, è necessario solo passare successivamente attraverso un processo di sabbiatura con perle di vetro.
La densità del tubo acustico è superiore a 7,65 g/cm3, la resistenza alla trazione massima può raggiungere 480 MPa, la resistenza allo snervamento 150 MPa, l'allungamento 45 percento e la durezza superficiale massima 100 HRB. La tecnologia MIM può ridurre i costi del 20 percento rispetto al processo di produzione tradizionale precedente.
La tecnologia MIM può anche essere utilizzata per produrre molti prodotti in campo medico, tra cui stent per terapia interventistica, schermatura dalle radiazioni di siringhe in lega di tungsteno ad alta densità, manipolatori per microchirurgia, parti di endoscopi per micropompe e inalatori di farmaci [13].
2.2 Nuova tecnologia MIM applicata ai prodotti medicali
2.2.1 Micro stampaggio ad iniezione di metallo
Il micro stampaggio a iniezione di metallo, μ MIM) è una tecnologia di formatura sviluppata dall'IFAM Research Institute in Germania, che applica organicamente la tecnologia MIM alla preparazione di parti con dimensioni fino al livello micrometrico.
In generale, μ MIM può essere utilizzato per produrre due tipi di prodotti:
① Parti con una dimensione di micrometro e una massa di diversi milligrammi;
② La dimensione dell'aspetto della parte è simile alla dimensione della parte di stampaggio a iniezione tradizionale, ma la dimensione della struttura locale è fino al livello del micrometro.
Negli ultimi anni, il micro stampaggio a iniezione è diventato un punto di riferimento per la ricerca nel campo dello stampaggio a iniezione. Con lo sviluppo di macchinari moderni verso la miniaturizzazione, l'applicazione del micro stampaggio ad iniezione sarà sempre più estesa [14].
Attualmente, il centro di ricerca di Karlsruha dispone della tecnologia μ MIM applicata con successo alla produzione di microparti di dispositivi medici [15], come spettrometro, piastra di titolazione, ecc. La dimensione della struttura del prodotto ha raggiunto il livello di micron e il lo spessore minimo della parete è di 50 μ m.
La figura 2 mostra l'uso dell'IFAM in Germania μ L'ancora di sutura [16] prodotta dalla tecnologia MIM per operazioni chirurgiche ha solo le dimensioni della testa di un fiammifero.
2.2.2 Stampaggio a coiniezione di metalli
Lo stampaggio a iniezione di metallo (Co MIM), nato negli anni '90, è una tecnologia di stampaggio a iniezione di polveri di tipo sandwich.
Questo processo consiste nell'iniettare simultaneamente o in lotti due materiali con caratteristiche diverse in uno stampo per lo stampaggio ad iniezione di compositi. Può combinare materiali metallici e un materiale con proprietà completamente diverse nella stessa parte.
La struttura nucleo/guscio con funzionalità e forma complessa può essere ottenuta con questo metodo e non sono richiesti processi successivi come rivestimento, trattamento termico e assemblaggio di prodotti. Infine, può essere realizzato un processo per preparare materiali funzionalmente gradienti, che riduce notevolmente il processo e riduce il costo.
La tecnologia Co MIM fornisce una nuova idea per lo sviluppo e la progettazione di parti funzionali. LiYimin et al. [17] hanno proposto una nuova struttura di impianto biologico utilizzando la tecnologia Co MIM, che è ampiamente utilizzata nelle strutture ossee corticali dense e nelle strutture ossee spongiose con pori esterni e pori interni.
Questa struttura favorisce la trasmissione dello stress all'interfaccia tra l'osso dell'impianto e la struttura ossea circostante. Ci sono molti strati esterni, il rapporto del volume di porosità della struttura dei pori è del 5% ~ 60% e il poro più grande è di 400 μ m.
3 prospettiva
Secondo la recente ricerca di mercato di BCResearch sullo stampaggio a iniezione di metallo e ceramica, il valore di mercato globale delle parti stampate a iniezione di metallo e ceramica aumenterà da 2,5 miliardi di dollari nel 2022 a quasi 3,9 miliardi di dollari nel 2028, con un tasso di crescita medio annuo dell'11,4%.
Allo stesso tempo, con il declino delle vendite di automobili, la tecnologia MIM entrerà maggiormente nei campi medico, aerospaziale, elettronico e in altri campi.
Nella nuova versione della tabella di marcia dell'industria europea della metallurgia delle polveri, l'Associazione europea della metallurgia delle polveri ha sottolineato che il mercato medico è una parte estremamente importante dell'industria dello stampaggio a iniezione [18].
Con la continua espansione del mercato, l'applicazione della tecnologia MIM in campo medico sarà sempre più approfondita e verranno costantemente sviluppati vari nuovi materiali e processi basati sulla tecnologia MIM.
Testa di bisturi ad ultrasuoni
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.è ora un potente produttore con una ricca esperienza nella produzione di vari tipi di prodotti MIM per dispositivi medici. In futuro, dedicherà anche maggiori sforzi ai prodotti di precisione per lo stampaggio a iniezione di polvere metallica nel settore dei dispositivi medici.
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