Anwendung der MIM-Technologie des Titan-Metallpulver-Spritzgießens in medizinischen Produkten
Jan 03, 2023
Anwendung der MIM-Metallpulver-Spritzgusstechnologie in medizinischen Produkten
Minimalinvasive chirurgische Pinzette
China ist ein Land mit einer großen Bevölkerung, und das Phänomen der Alterung wird immer ernster. Darüber hinaus hat das Streben nach wirtschaftlicher Entwicklung in der Vergangenheit zu übermäßigen Umweltschäden geführt, was die Gesundheitsprobleme der Menschen vor große Herausforderungen stellt und die Nachfrage nach medizinischen Produkten in der gesamten Gesellschaft anregt.
Wie man die Qualität verbessern und die Kosten von Medizinprodukten senken kann, war ein Forschungsthema für in- und ausländische Wissenschaftler. Die Nachfrage nach Medizinprodukten ist groß, und die Struktur vieler Produkte ist zudem sehr anspruchsvoll, sodass eine neue Fertigungstechnologie benötigt wird, um die traditionelle Produktion zu ersetzen.
Metallspritzguss(MIM) ist eine neue Near-Net-Forming-Technologie, mit der Produkte mit komplexen Formen in Chargen in kurzer Zeit hergestellt werden können. Es kann die Herstellungsanforderungen von Medizinprodukten erfüllen und zu einer idealen Herstellungsmethode werden.
1 MIM-Technologie
1.1 Technologischer Prozess der MIM-Technologie
MIM ist ein Near-Net-Forming-Verfahren, das im 20. Jahrhundert schnell entwickelt wurde. Der allgemeine Prozess ist: Pulver plus Binder → Mischen → Spritzgießen → Entfetten → Sintern.
Zunächst werden das Polymer und das Pulver gemischt, um das Futter mit ausreichender Fließfähigkeit und gleichmäßigem Mischen herzustellen und unter bestimmten Bedingungen die Injektionsanforderungen zu erfüllen. Zweitens werden die geeignete Einspritztemperatur, der Einspritzdruck, die Einspritzgeschwindigkeit und andere Prozessparameter für das Spritzgießen ausgewählt. Dann wird das Bindemittel in dem Spritzgießrohling entfernt und gesintert, um eine metallurgische Bindung des Pulvers zu bilden. Schließlich werden die qualifizierten Teile erhalten.
1.2 Merkmale der MIM-Technologie
MIM ist eine neue Near-Net-Forming-Technologie für Teile, die plastische Formgebungstechnologie, Polymerchemie, Pulvermetallurgie-Technologie, Metallwerkstoffe und andere Disziplinen kombiniert. Es hat die folgenden Eigenschaften:
① Die mittels MIM-Technologie geformten Teile müssen nicht oder nur geringfügig nachbearbeitet werden. Mit einer hohen Materialausnutzungsrate gehören sie zur Near-Net-Forming-Technologie und können leistungsstarke und komplex geformte Teile herstellen.
② Der Füllprozess der Zufuhr und des Sinterns von Produkten kann per Computer simuliert werden, und der Prozess kann in der frühen Phase optimiert werden [1-2], um das beste Designschema zu erhalten.
③ Während des Einspritzvorgangs ist der Druck an jedem Punkt im Hohlraum gleich und die Dichte ist überall gleich unter der Voraussetzung einer gleichmäßigen Mischung des Futters, sodass kein Dichtegradient auftritt, was eine großtechnische Produktion leicht zu erreichen ist .
2 Anwendung der MIM-Technologie in Medizinprodukten
2.1 Mit MIM-Technologie hergestellte medizinische Produkte
Medizinprodukte erfordern im Allgemeinen eine gute Bedienbarkeit und eine ausreichend lange Lebensdauer sowie eine flexible Gestaltung in der Struktur- und Formgestaltung [3].
In den frühen 1980er Jahren wurde die MIM-Technologie erstmals in medizinischen Produkten eingesetzt und hat sich zum am schnellsten wachsenden Bereich des MIM-Marktes entwickelt.
Abbildung 1 zeigt den Anteil der MIM-Technologie in verschiedenen Branchen in Nordamerika im Jahr 2015 [4]. Es ist ersichtlich, dass sich die medizinische Behandlung und die Zahnheilkunde zu den Hauptanwendungsgebieten von MIM in Nordamerika entwickelt haben.
Derzeit bestehen die meisten medizinischen MIM-Produkte aus Edelstahl, die Hauptmarken sind 316L und 17-4PH; Es gibt auch Titanlegierungen, Magnesiumlegierungen, Gold, Silber, Tantal usw. [5].
2.1.1 Kieferorthopädische Brackets
| Kieferorthopädische Brackets, hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Die MIM-Technologie wurde erstmals in der medizinischen Behandlung zur Herstellung einiger zahnorthopädischer Geräte eingesetzt. Diese Präzisionsprodukte sind sehr klein und haben eine gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit. Das Hauptmaterial, das verwendet wird, ist Edelstahl 316L. Kieferorthopädische Brackets sind nach wie vor die Hauptprodukte der MIM-Industrie.
Forestadent, ein deutsches Unternehmen, hat ein kieferorthopädisches Zwei-Wege-Bracket mit Haken mit MIM-Technologie hergestellt. Die mechanische Haltekraft kann um 30 Prozent erhöht werden. Polieren nach einmaligem Formen mit MIM kann die Reibung zwischen Bracket und Bogendraht stark reduzieren. Diesem Produkt wurde von BjornLudwig eine positive Rolle in der kieferorthopädischen Chirurgie bestätigt [6].
2.1.2 Chirurgische Instrumente
| Chirurgische Werkzeuge, hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Chirurgische Instrumente müssen eine hohe Festigkeit und eine geringe Blutverschmutzung aufweisen und in der Lage sein, aggressive Desinfektionsverfahren durchzuführen. Die Designflexibilität der MIM-Technologie kann die Anwendung der meisten chirurgischen Instrumente erfüllen. Gleichzeitig hat es auch die Vorteile der Technologie. Es kann verschiedene Metallprodukte zu niedrigen Kosten herstellen. Sie ersetzt nach und nach die traditionelle Produktionstechnologie als Hauptherstellungsverfahren.
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. hat mithilfe der MIM-Technologie eine Art Edelstahlkralle [7] entwickelt, die aus 17-4PH-Edelstahl besteht und eine Dichte von mehr als 7,5 g/cm3 hat. Es kann zum Greifen von Gegenständen im menschlichen Körper während einer Operation verwendet werden und hat die Funktion einer Pinzette. Sein Design ist ziemlich komplex und erfordert eine hohe Fertigungsgenauigkeit.
Das Sintern nach dem Umformen mit der MIM-Technologie kann ein hohes Toleranzniveau erreichen und erfordert keine große Anzahl von Nachbehandlungsprozessen, um eine Beschädigung der linearen und geometrischen Form der Klaue zu vermeiden.
Es ist schwierig, diese Art von Klaue aus rostfreiem Stahl mit komplexer Form durch Gießen oder maschinelle Bearbeitung herzustellen, was einen langen Produktionszyklus und hohe Kosten erfordert. Durch die Verwendung der MIM-Technologie zur Herstellung können 60 Prozent der Kosten eingespart werden.
Chirurgische Einweginstrumente müssen einen Prozess entwickeln, der kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann. Smith Metal Products Co., Ltd. verwendet die MIM-Technologie zur Herstellung einer Schaftbaugruppe [8], die in einer neuen Art von chirurgischen Einweginstrumenten verwendet wird. Die Kosten betragen nur 1/4 bis 1/5 einer Schweizer CNC-Werkzeugmaschine, die Dichte beträgt 7,5 g/cm3, die Zugfestigkeit erreicht 119 0 MPa, die Streckgrenze 1090 MPa, die Dehnung 6,0 Prozent und die maximale Härte beträgt 33 HRC.
Der Herstellungsprozess dieses Produkts ist wie folgt: Zunächst werden zwei 178 mm lange Wellenteile durch MIM-Technologie geformt, dann werden zwei Teile lasergeschweißt und dann die anschließende mechanische Bearbeitung und Wärmebehandlung durchgeführt. Um die Anforderungen an eine gute Verträglichkeit zu erfüllen, sind außerdem Kugelstrahlen und Passivieren erforderlich.
2.1.3 Knieimplantatteile
| Knieknochenimplantatteile, hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Der Fortschritt der MIM-Technologie im Bereich der Humanimplantation ist relativ langsam, hauptsächlich weil die Zertifizierung und Akzeptanz von Produkten einen langen Zeitraum benötigt.
Derzeit können mit der MIM-Technologie Teile hergestellt werden, die Knochen und Gelenke teilweise ersetzen, und die verwendeten Metallmaterialien sind hauptsächlich Ti-Legierungen [9].
Hinsichtlich der Biokompatibilität haben Chen Liangjian et al. [10] stellten poröses Titan mit einer Porosität von 60 Prozent unter Verwendung der MIM-Technologie her und stellten Gelatine-Mikrokügelchen mit verzögerter Freisetzung unter Verwendung eines verbesserten Kondensationspolymerisations-Vernetzungsverfahrens her und beschichteten sie auf der Oberfläche von porösem Titan.
Die Ergebnisse zeigten, dass die mit porösem Titan beschichteten Gelatine-Mikrokügelchen mit verzögerter Freisetzung keine Zytotoxizität aufwiesen und als gutes Material für medizinische Implantate verwendet werden konnten.
Die kanadische MaettaSciences Inc. hat erfolgreich Ti-6Al-4V verwendet, um Kniemusterteile für menschliche Implantate herzustellen [11]. Das Implantat trägt nach dem Eintritt in den menschlichen Körper hauptsächlich Druck aus und weist eine gute Biokompatibilität auf. Nach dem MIM-Formen wird heißisostatisches Pressen durchgeführt, gefolgt von Kugelstrahlen, Polieren und Eloxieren, um eine bessere Oberflächenleistung zu erzielen, die Reibung mit dem menschlichen Körper zu verringern und die Kompatibilität und Lebensdauer zu verbessern.
2.1.4 Schallleitung des Hörgeräts
| Gehäuseteile für Hörgeräte, hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Hörgeräteschlauch hergestellt von Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Die MIM-Technologie kann auch zur Herstellung von Teilen verschiedener medizinischer Geräte verwendet werden.
Die Indo MIM Company verwendet die MIM-Technologie zur Herstellung eines Hörgeräte-Schallschlauchs für die Phonak Company in Deutschland [12], der die Wirkung hat, die Schallfrequenz zu verbessern und das Hören zu fördern.
Diese Art von Hörgeräte-Schallrohr mit komplexer Form kann durch Sintern nach dem MIM-Formen erhalten werden. Um die Oberfläche des Schallschlauchs glatt zu machen, muss später nur noch ein Glasperlen-Sandstrahlverfahren durchlaufen werden.
Die Dichte des Akustikschlauchs ist größer als 7,65 g/cm3, die maximale Zugfestigkeit kann 480 MPa, die Streckgrenze 150 MPa, die Dehnung 45 Prozent und die maximale Oberflächenhärte 100 HRB erreichen. Die MIM-Technologie kann die Kosten im Vergleich zum herkömmlichen Produktionsprozess zuvor um 20 Prozent senken.
Die MIM-Technologie kann auch zur Herstellung vieler Produkte im medizinischen Bereich verwendet werden, einschließlich Stents für die interventionelle Therapie, Strahlungsabschirmung von Spritzen aus hochdichter Wolframlegierung, mikrochirurgischer Manipulator, Mikropumpen-Endoskopteile und Medikamenteninhalator [13].
2.2 Neue MIM-Technologie für medizinische Produkte
2.2.1 Metallmikrospritzguss
Metal Micro Injection Moulding, μ MIM) ist eine vom IFAM Forschungsinstitut in Deutschland entwickelte Umformtechnologie, die die MIM-Technologie organisch auf die Herstellung von Teilen mit Abmessungen bis zum Mikrometerbereich anwenden soll.
Im Allgemeinen können mit μ MIM zwei Arten von Produkten hergestellt werden:
① Teile mit einer Größe von Mikrometern und einer Masse von mehreren Milligramm;
② Die Aussehensgröße des Teils ähnelt der Größe des herkömmlichen Spritzgussteils, aber die Größe der lokalen Struktur reicht bis in den Mikrometerbereich.
Der Mikrospritzguss hat sich in den letzten Jahren zu einem Forschungsschwerpunkt im Spritzguss entwickelt. Mit der Entwicklung moderner Maschinen in Richtung Miniaturisierung wird die Anwendung des Mikrospritzgusses immer umfangreicher werden [14].
Derzeit hat das Forschungszentrum Karlsruha die μ-MIM-Technologie erfolgreich auf die Herstellung von Mikroteilen medizinischer Geräte [15] wie Spektrometer, Titrationsplatten usw. angewendet. Die Strukturgröße des Produkts hat das Mikrometerniveau erreicht und die Die Mindestwandstärke beträgt 50 μm.
Abbildung 2 zeigt den Einsatz von IFAM in Deutschland μ Der in MIM-Technik hergestellte Fadenanker [16] für chirurgische Eingriffe hat nur die Größe eines Streichholzkopfes.
2.2.2 Metallspritzguss
Metal Co Injection Moulding (Co MIM), entstanden in den 1990er Jahren, ist eine Sandwich-Pulverspritzgusstechnologie.
Bei diesem Verfahren werden zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig oder chargenweise in eine Form für einen Verbundspritzguss gespritzt. Es kann Metallwerkstoffe und einen Werkstoff mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften im selben Bauteil kombinieren.
Die Kern/Schale-Struktur mit Funktionalität und komplexer Form kann durch dieses Verfahren erhalten werden, und nachfolgende Prozesse wie Beschichten, Wärmebehandlung und Zusammenbau von Produkten sind nicht erforderlich. Schließlich kann ein Verfahren realisiert werden, um Materialien mit funktionellem Gradienten herzustellen, was das Verfahren stark verkürzt und die Kosten senkt.
Die Co-MIM-Technologie bietet eine neue Idee für die Entwicklung und Konstruktion von Funktionsteilen. Li Yimin et al. [17] haben eine neue biologische Implantatstruktur unter Verwendung der Co-MIM-Technologie vorgeschlagen, die weithin in dichten kortikalen Knochenstrukturen und spongiösen Knochenstrukturen mit äußeren Poren und inneren Poren verwendet wird.
Diese Struktur fördert die Spannungsübertragung an der Grenzfläche zwischen dem Implantatknochen und der umgebenden Knochenstruktur. Es gibt viele äußere Schichten, das Porositätsvolumenverhältnis der Porenstruktur beträgt 5 Prozent ~ 60 Prozent und die größte Pore ist 400 μm groß.
3 Ausblick
Laut der jüngsten Marktforschung von BCCresearch zum Metall- und Keramikspritzguss wird der globale Marktwert von Metall- und Keramikspritzgussteilen von 2,5 Milliarden Dollar im Jahr 2022 auf fast 3,9 Milliarden Dollar im Jahr 2028 steigen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 11,4 Prozent.
Gleichzeitig wird die MIM-Technologie mit dem Rückgang der Automobilverkäufe mehr in die Bereiche Medizin, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und andere Bereiche eintreten.
In der Neufassung der European Powder Metallurgy Industry Roadmap hat die European Powder Metallurgy Association darauf hingewiesen, dass der medizinische Markt ein äußerst wichtiger Teil der Spritzgussindustrie ist [18].
Mit der kontinuierlichen Expansion des Marktes wird die Anwendung der MIM-Technologie im medizinischen Bereich immer tiefer gehen, und es werden auch ständig verschiedene neue Materialien und Prozesse auf Basis der MIM-Technologie entwickelt.
Ultraschall-Skalpellkopf
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.ist heute ein leistungsstarker Hersteller mit reicher Erfahrung in der Herstellung verschiedener Arten von MIM-Produkten für medizinische Geräte. In Zukunft wird es sich auch verstärkt um Metallpulver-Spritzguss-Präzisionsprodukte in der Medizintechnikindustrie kümmern.
Schlüsselwörter: Metallpulverspritzguss; Medizinische Produkte; Metall-Mikrospritzguss; Co-Spritzguss aus Metall; Chirurgische Instrumente;
