Ứng dụng công nghệ MIM của khuôn phun bột kim loại titan trong các sản phẩm y tế

Ứng Dụng Công Nghệ Đúc Phun Bột Kim Loại MIM Trong Các Sản Phẩm Y Tế

 

 

Kẹp phẫu thuật xâm lấn tối thiểu

Trung Quốc là quốc gia có dân số đông, hiện tượng già hóa ngày càng nghiêm trọng. Ngoài ra, việc theo đuổi phát triển kinh tế trong quá khứ đã gây ra nhiều thiệt hại cho môi trường, khiến vấn đề sức khỏe của con người gặp phải những thách thức lớn và kích thích nhu cầu về các sản phẩm y tế trong toàn xã hội.

 

Làm thế nào để nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm y tế đã và đang là chủ đề nghiên cứu của các học giả trong và ngoài nước. Nhu cầu về các sản phẩm y tế lớn, cấu trúc của nhiều sản phẩm cũng rất phức tạp nên cần có một công nghệ sản xuất mới thay thế cách sản xuất truyền thống.

 

ép phun kim loại(MIM) là công nghệ tạo hình gần lưới mới, có thể sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp theo lô trong thời gian ngắn. Nó có thể đáp ứng các yêu cầu sản xuất của các sản phẩm y tế và trở thành một phương pháp sản xuất lý tưởng.

 

1 công nghệ MIM

1.1 Quy trình công nghệ của công nghệ MIM

MIM là một quá trình hình thành gần như mạng được phát triển nhanh chóng trong thế kỷ 20. Quy trình chung là: bột cộng với chất kết dính → trộn → ép phun → tẩy dầu mỡ → thiêu kết.

Đầu tiên, polyme và bột được trộn để tạo ra thức ăn có đủ độ lỏng, trộn đều và đáp ứng các yêu cầu phun trong một số điều kiện nhất định. Thứ hai, nhiệt độ phun thích hợp, áp suất phun, tốc độ phun và các thông số quy trình khác được chọn để ép phun. Sau đó, chất kết dính trong phôi tiêm được loại bỏ và thiêu kết để tạo thành liên kết luyện kim của bột. Cuối cùng, các bộ phận đủ điều kiện thu được.

 

1.2 Đặc điểm của công nghệ MIM

MIM là một công nghệ tạo hình gần lưới mới cho các bộ phận, kết hợp công nghệ tạo hình nhựa, hóa học polyme, công nghệ luyện kim bột, vật liệu kim loại và các nguyên tắc khác. Nó có các đặc điểm sau:

① Các bộ phận được hình thành bằng cách sử dụng công nghệ MIM không yêu cầu xử lý tiếp theo hoặc có ít xử lý tiếp theo. Với tỷ lệ sử dụng vật liệu cao, chúng thuộc công nghệ tạo hình gần lưới và có thể sản xuất các bộ phận có hình dạng phức tạp và hiệu suất cao.

② Quá trình nạp liệu và thiêu kết sản phẩm có thể được mô phỏng bằng máy tính và quá trình này có thể được tối ưu hóa trong giai đoạn đầu [1-2] để có được sơ đồ thiết kế tốt nhất.

③ Trong quá trình tiêm, áp suất của từng điểm trong khoang bằng nhau và mật độ ở mọi nơi đều bằng nhau dưới tiền đề trộn đều nguồn cấp dữ liệu, do đó sẽ không có độ dốc mật độ, dễ dàng đạt được sản xuất quy mô lớn .

 

2 Ứng dụng công nghệ MIM trong sản phẩm y tế

2.1 Sản phẩm y tế sản xuất theo công nghệ MIM

Các sản phẩm y tế nói chung đòi hỏi khả năng sử dụng tốt và thời gian sử dụng đủ lâu, thiết kế linh hoạt về cấu trúc và thiết kế hình dáng [3].

Vào đầu những năm 1980, công nghệ MIM lần đầu tiên được áp dụng trong các sản phẩm y tế và đã trở thành lĩnh vực phát triển nhanh nhất của thị trường MIM.

Hình 1 cho thấy tỷ lệ công nghệ MIM trong các ngành công nghiệp khác nhau ở Bắc Mỹ vào năm 2015 [4]. Có thể thấy rằng điều trị y tế và nha khoa đã trở thành lĩnh vực ứng dụng chính của MIM tại Bắc Mỹ.

Hiện tại, hầu hết các sản phẩm MIM y tế đều được làm bằng thép không gỉ, nhãn hiệu chính là 316L và 17-4PH; Ngoài ra còn có hợp kim titan, hợp kim magie, vàng, bạc, tantali, v.v... [5].

 

2.1.1 Mắc cài chỉnh nha

Mắc cài chỉnh nha được sản xuất bởi Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Công nghệ MIM lần đầu tiên được sử dụng trong điều trị y tế để chế tạo một số thiết bị chỉnh hình nha khoa. Những sản phẩm chính xác này có kích thước rất nhỏ và có khả năng tương thích sinh học và chống ăn mòn tốt. Chất liệu chính được sử dụng là thép không gỉ 316L. Mắc cài chỉnh nha vẫn là sản phẩm chính trong ngành MIM.

Forestadent, một công ty của Đức, đã sản xuất ra mắc cài chỉnh nha móc hai chiều bằng công nghệ MIM. Lực giữ cơ học có thể tăng thêm 30 phần trăm. Đánh bóng sau khi định hình một lần bằng MIM có thể giảm đáng kể ma sát giữa mắc cài và dây cung. Sản phẩm này đã được BjornLudwig khẳng định có vai trò tích cực trong phẫu thuật chỉnh nha [6].

 

2.1.2 Dụng cụ phẫu thuật

 

Dụng cụ phẫu thuật được sản xuất bởi Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Các dụng cụ phẫu thuật được yêu cầu phải có độ bền cao, ít gây ô nhiễm máu và có thể đạt được các quy trình khử trùng tích cực. Tính linh hoạt trong thiết kế của công nghệ MIM có thể đáp ứng ứng dụng của hầu hết các dụng cụ phẫu thuật. Đồng thời, nó cũng có những lợi thế về công nghệ. Nó có thể sản xuất các sản phẩm kim loại khác nhau với chi phí thấp. Nó đang dần thay thế công nghệ sản xuất truyền thống làm phương thức sản xuất chính.

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. đã phát triển một loại móng thép không gỉ [7] sử dụng công nghệ MIM, được làm bằng thép không gỉ 17-4PH và có mật độ hơn 7,5g/cm3. Nó có thể được sử dụng để nắm bắt các vật thể trong cơ thể con người trong quá trình phẫu thuật và có chức năng của nhíp. Thiết kế của nó khá phức tạp và đòi hỏi độ chính xác sản xuất cao.

 

Quá trình thiêu kết sau khi tạo hình bằng công nghệ MIM có thể đạt đến mức dung sai cao và không yêu cầu một số lượng lớn các quy trình xử lý tiếp theo để tránh làm hỏng hình dạng tuyến tính và hình học của móng vuốt.

 

Rất khó để sản xuất loại càng inox có hình dạng phức tạp này bằng phương pháp đúc hoặc gia công cơ khí, đòi hỏi chu kỳ sản xuất dài và giá thành cao. Sử dụng công nghệ MIM để sản xuất nó có thể tiết kiệm 60% chi phí.

 

Các dụng cụ phẫu thuật dùng một lần cần phát triển một quy trình để có thể sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Smith Metal Products Co., Ltd. sử dụng công nghệ MIM để sản xuất cụm trục [8], được sử dụng trong một loại dụng cụ phẫu thuật dùng một lần mới. Chi phí chỉ bằng 1/4 đến 1/5 so với máy công cụ CNC của Thụy Sĩ, tỷ trọng là 7,5 g/cm3, độ bền kéo cuối cùng đạt 1190MPa, độ bền chảy 1090MPa, độ giãn dài 6,0 phần trăm và độ cứng tối đa là 33 HRC.

 

Quy trình sản xuất của sản phẩm này như sau: đầu tiên, hai bộ phận trục dài 178mm được tạo thành bằng công nghệ MIM, sau đó hai bộ phận được hàn bằng tia laser, sau đó tiến hành gia công và xử lý nhiệt tiếp theo. Để đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu đựng tốt, bắn peening và thụ động cũng được yêu cầu.

 

2.1.3 Bộ phận cấy ghép khớp gối

Các bộ phận cấy ghép xương đầu gối được sản xuất bởi Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd

Tiến bộ của công nghệ MIM trong lĩnh vực cấy ghép người tương đối chậm, chủ yếu là do việc chứng nhận và chấp nhận sản phẩm cần một thời gian dài.

 

Hiện tại, công nghệ MIM có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận thay thế một phần xương khớp và vật liệu kim loại được sử dụng chủ yếu là hợp kim Ti [9].

 

Về khả năng tương thích sinh học, Chen Liangjian et al. [10] đã điều chế titan xốp với độ xốp 60 phần trăm bằng cách sử dụng công nghệ MIM và chuẩn bị các kính hiển vi giải phóng bền vững gelatin bằng phương pháp liên kết ngang trùng hợp ngưng tụ cải tiến và phủ chúng lên bề mặt titan xốp.

 

Kết quả cho thấy các vi cầu giải phóng bền vững gelatin bao phủ titan xốp không có độc tính tế bào và có thể được sử dụng làm vật liệu tốt cho cấy ghép y tế.

 

Tập đoàn MaettaSciences của Canada đã sử dụng thành công Ti-6Al-4V để sản xuất các bộ phận mẫu đầu gối để cấy ghép cho người [11]. Vật liệu cấy ghép chủ yếu chịu áp lực sau khi đi vào cơ thể con người và có khả năng tương thích sinh học tốt. Sau khi hình thành MIM, quá trình ép nóng đẳng tĩnh được thực hiện, tiếp theo là bắn peening, đánh bóng và anot hóa để đạt được hiệu suất bề mặt tốt hơn, giảm ma sát với cơ thể con người, đồng thời cải thiện khả năng tương thích và tuổi thọ.

 

2.1.4 Ống dẫn âm của máy trợ thính

Bộ phận vỏ máy trợ thính do Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd sản xuất

Ống trợ thính do Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd sản xuất

Công nghệ MIM cũng có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận của các thiết bị y tế khác nhau.

 

Công ty Indo MIM sử dụng công nghệ MIM để sản xuất ống âm thanh trợ thính cho Công ty Phonak ở Đức [12], có tác dụng cải thiện tốc độ âm thanh và thúc đẩy thính giác.

 

Loại ống âm thanh trợ thính có hình dạng phức tạp này có thể thu được bằng cách thiêu kết sau khi tạo MIM. Để làm cho bề mặt của ống âm thanh mịn màng, sau đó chỉ cần trải qua quá trình phun cát hạt thủy tinh.

 

Mật độ của ống âm thanh lớn hơn 7,65 g / cm3, độ bền kéo tối đa có thể đạt 480 MPa, cường độ năng suất 150 MPa, độ giãn dài 45 phần trăm và độ cứng bề mặt tối đa 100 HRB. Công nghệ MIM có thể giảm 20% chi phí so với quy trình sản xuất truyền thống trước đây.

 

Công nghệ MIM cũng có thể được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm trong lĩnh vực y tế, bao gồm stent điều trị can thiệp, tấm chắn bức xạ của ống tiêm hợp kim vonfram mật độ cao, bộ điều khiển vi phẫu, bộ phận nội soi bơm siêu nhỏ và ống hít thuốc [13].

2.2 Công nghệ MIM mới áp dụng cho sản phẩm y tế

 

2.2.1 Kim loại ép vi mô

Đúc phun vi mô kim loại, μ MIM) là một công nghệ tạo hình được phát triển bởi Viện nghiên cứu IFAM ở Đức, nhằm áp dụng một cách hữu cơ công nghệ MIM để chuẩn bị các bộ phận có kích thước lên đến cấp độ micromet.

 

Nói chung μ MIM có thể được sử dụng để sản xuất hai loại sản phẩm:

 

① Các bộ phận có kích thước micromet và khối lượng vài miligam;

② Kích thước bên ngoài của bộ phận tương tự như kích thước của bộ phận ép phun truyền thống, nhưng kích thước của cấu trúc cục bộ lên đến mức micromet.

Trong những năm gần đây, ép phun vi mô đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực ép phun. Với sự phát triển của máy móc hiện đại theo hướng thu nhỏ, ứng dụng của vi ép phun sẽ ngày càng rộng rãi hơn [14].

Hiện tại, Trung tâm Nghiên cứu Karlsruha đã áp dụng thành công công nghệ μ MIM vào sản xuất các bộ phận siêu nhỏ của thiết bị y tế [15], như máy quang phổ, tấm chuẩn độ, v.v. Kích thước cấu trúc của sản phẩm đã đạt đến cấp độ micron, và độ dày thành tối thiểu là 50 μ m.

Hình 2 cho thấy việc sử dụng IFAM ở Đức μ Neo chỉ khâu [16] được sản xuất bởi công nghệ MIM cho phẫu thuật chỉ có kích thước bằng đầu que diêm.

 

2.2.2 Kim loại đồng ép phun

Ép phun đồng kim loại (Co MIM), có nguồn gốc từ những năm 1990, là công nghệ ép phun bột kiểu bánh sandwich.

Quá trình này là phun đồng thời hoặc theo đợt hai vật liệu có các đặc tính khác nhau vào khuôn để ép phun composite. Nó có thể kết hợp vật liệu kim loại và một loại vật liệu có tính chất hoàn toàn khác nhau trong cùng một bộ phận.

Cấu trúc lõi/vỏ với chức năng và hình dạng phức tạp có thể thu được bằng phương pháp này và không cần các quy trình tiếp theo như sơn phủ, xử lý nhiệt và lắp ráp sản phẩm. Cuối cùng, một quy trình có thể được thực hiện để chuẩn bị các vật liệu gradient chức năng, giúp giảm đáng kể quy trình và giảm chi phí.

 

Công nghệ Co MIM cung cấp một ý tưởng mới cho việc phát triển và thiết kế các bộ phận chức năng. Li Yimin et al. [17] đã đề xuất một cấu trúc cấy ghép sinh học mới sử dụng công nghệ Co MIM, được sử dụng rộng rãi trong các cấu trúc xương vỏ dày đặc và cấu trúc xương xốp có lỗ bên ngoài và lỗ bên trong.

 

Cấu trúc này có lợi cho việc truyền ứng suất tiếp xúc giữa xương cấy ghép và cấu trúc xương xung quanh. Có nhiều lớp bên ngoài, tỷ lệ thể tích lỗ rỗng của cấu trúc lỗ rỗng là 5% ~ 60% và lỗ rỗng lớn nhất là 400 μ m.

 

3 triển vọng

Theo nghiên cứu thị trường gần đây của BCCresearch về ép phun kim loại và gốm, giá trị thị trường toàn cầu của các bộ phận đúc phun gốm và kim loại sẽ tăng từ 2,5 tỷ đô la vào năm 2022 lên gần 3,9 tỷ đô la vào năm 2028, với tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm là 11,4%.

Đồng thời, với sự sụt giảm doanh số bán ô tô, công nghệ MIM sẽ thâm nhập nhiều hơn vào y tế, hàng không vũ trụ, điện tử và các lĩnh vực khác.

Trong phiên bản mới của lộ trình ngành luyện kim bột châu Âu, Hiệp hội luyện kim bột châu Âu đã chỉ ra rằng thị trường y tế là một phần cực kỳ quan trọng của ngành công nghiệp ép phun [18].

Với sự mở rộng liên tục của thị trường, việc ứng dụng công nghệ MIM trong lĩnh vực y tế sẽ ngày càng chuyên sâu hơn, đồng thời nhiều loại vật liệu và quy trình mới dựa trên công nghệ MIM cũng sẽ không ngừng được phát triển.

Đầu dao siêu âm

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co, Ltdhiện là nhà sản xuất hùng mạnh với kinh nghiệm phong phú trong việc sản xuất các loại sản phẩm MIM thiết bị y tế. Trong tương lai, nó cũng sẽ dành nhiều nỗ lực hơn cho các sản phẩm chính xác ép phun bột kim loại trong ngành thiết bị y tế.

Từ khóa: ép phun bột kim loại; sản phẩm y tế; ép phun kim loại; ép phun kim loại; Dụng cụ phẫu thuật;