Anwendung der MIM-Metallpulverspritzgusstechnologie in medizinischen Produkten

Datum:[2024/4/16]

China ist ein Land mit einer großen Bevölkerung, und das Phänomen des Alterns wird immer ernster. Neben der exzessiven Zerstörung der Umwelt in der Vergangenheit hat das Streben nach wirtschaftlicher Entwicklung die Gesundheitsprobleme der Menschen vor enorme Herausforderungen gestellt und die Nachfrage nach Medizinprodukten für die gesamte Gesellschaft angeregt.
Wie die Qualität von Medizinprodukten kontinuierlich verbessert und die Kosten gesenkt werden können, ist ein Thema, das Wissenschaftler im In- und Ausland studieren. Die Nachfrage nach Medizinprodukten ist groß, und die Struktur vieler Produkte selbst ist sehr ausgeklügelt, was eine neue Fertigungstechnologie erfordert, um die traditionelle Produktion zu ersetzen.
Metal Injection Molding (MIM) ist eine neue Art netznaher Umformtechnologie, die komplexe Formen in kurzer Zeit herstellen und die Fertigungsanforderungen von Medizinprodukten erfüllen kann. Herstellungsverfahren.
1 MIM-Technologie
1.1 MIM-Technologieverfahren
MIM ist ein netznahes Umformverfahren, das im zwanzigsten Jahrhundert schnell entwickelt wurde. Das allgemeine Verfahren ist: Pulver-Bindemittel → Mischen → Spritzgießen → Entfettung → Sintern.
Die erste besteht darin, das Polymer mit dem Pulver zu mischen und das Futter mit ausreichender Fließfähigkeit, gleichmäßiger Mischung zu mischen und die Injektionsanforderungen unter bestimmten Bedingungen zu erfüllen, und dann die geeignete Injektionstemperatur, den Injektionsdruck und die Injektionsgeschwindigkeit auszuwählen. Das Spritzgießen wird durchgeführt, und dann wird das Bindemittel im Spritzrohling entfernt und dann gesintert, um eine metallurgische Verbindung zu bilden, und schließlich wird der gewünschte Artikel erhalten.
1.2 Merkmale der MIM Technologie
MIM ist eine neue Art von Nah-Net-Forming-Technologie, die Kunststoffumformtechnik, Polymerchemie, Pulvermetallurgie Technologie und Metallmaterialwissenschaft kombiniert. Es weist folgende Eigenschaften auf:
1 Teile, die durch MIM-Technologie gebildet werden, erfordern keine Nachbearbeitung oder Nachbearbeitung und haben eine hohe Materialausnutzung. Sie sind netznahe Umformtechnik und können hochleistungsfähige, komplex geformte Teile herstellen.
2 Der Füllprozess des Vorschubs und des Sinters des Produkts kann durch den Computer simuliert werden, und der Prozess kann in der frühen Phase [1-2] optimiert werden, um das beste Design zu erhalten.
3 Während des Einspritzprozesses sind die Drücke an den verschiedenen Punkten innerhalb des Hohlraums gleich. Unter der Prämisse einer gleichmäßigen Mischung des Futters ist die Dichte überall gleich, es tritt kein Dichtegradient auf und eine Großproduktion ist leicht zu erreichen.
2 Anwendung der MIM-Technologie in Medizinprodukten
2.1 Medizinische Produkte hergestellt durch MIM-Technologie
Medizinprodukte erfordern im Allgemeinen eine gute Gebrauchstauglichkeit und lange genug Lebensdauer und haben ein flexibles Design in Struktur und Form Design [3].
Anfang der 1980er Jahre wurde die MIM-Technologie erstmals in Medizinprodukten eingesetzt und hat sich zum am schnellsten wachsenden Feld auf dem MIM-Markt entwickelt.
Abbildung 1 zeigt den Anteil der MIM-Technologie in Nordamerika in verschiedenen Branchen in 2015 [4]. Es zeigt sich, dass Medizin und Zahnmedizin zu den Hauptanwendungsgebieten von MIM in Nordamerika geworden sind.
Derzeit werden die meisten medizinischen MIM-Produkte aus Edelstahl hergestellt, die Hauptqualitäten sind 316L und 17-4PH; Es gibt Titanlegierung, Magnesiumlegierung, Gold, Silber, Antimon, etc. [5].
2.1.1 Kieferorthopädische Klammern
MIM-Technologie wurde zuerst in der medizinischen Behandlung verwendet, um einige kieferorthopädische Geräte herzustellen. Diese Präzisionsprodukte sind sehr klein in Größe, Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit. Das Hauptmaterial ist 316L Edelstahl. Die kieferorthopädische Klammer ist immer noch das Hauptprodukt der MIM-Industrie.
Das deutsche Unternehmen Forestat verwendete die MIM-Technologie, um einen beidseitigen, invertierten Hakenklammern herzustellen, der die mechanische Rückhaltekraft um 30%. Das MIM kann nach einer Formgebung poliert werden, was die Reibung der Halterung zum Bogendraht erheblich reduzieren kann. Dieses Produkt wurde von BjornLudwig bestätigt, dass es eine positive Wirkung in der kieferorthopädischen Chirurgie hat [6].
2.1.2 Chirurgische Werkzeuge
Chirurgische Werkzeuge erfordern hohe Festigkeit, geringe Blutkontamination und die Fähigkeit, aggressive Desinfektionsverfahren zu erreichen. Die MIM-Technologie wurde entwickelt, um die Anforderungen der meisten chirurgischen Werkzeuge zu erfüllen und gleichzeitig Prozessvorteile und niedrige Kosten zu bieten. Die Herstellung verschiedener Metallprodukte ersetzt allmählich traditionelle Produktionstechniken als Hauptherstellungsmethode.
FloMet Ltd. hat eine Edelstahlklaue [7] unter Verwendung der MIM-Technologie entwickelt, die aus 17-4PH Edelstahl hergestellt wird und eine Dichte von mehr als 7,5g/cm3 hat. Es kann verwendet werden, um Objekte im menschlichen Körper während der Operation zu greifen und hat die Funktion des Skorpions. Das Design ist recht komplex und erfordert eine hohe Fertigungsgenauigkeit.

Nach dem Umformen mit MIM-Technologie und anschließendem Sintern können hohe Toleranzniveaus ohne aufwändige Nachbearbeitung erreicht werden, um einen Bruch der Linie und Geometrie der Backen zu vermeiden.

Es ist schwierig, eine so komplexe Edelstahlklaue durch Gießen oder Zerspanen herzustellen, die einen langen Produktionszyklus und hohe Kosten erfordert und 60% durch die Verwendung der MIM-Technologie sparen kann.
Einweg-chirurgische Werkzeuge müssen ein Verfahren entwickeln, das kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann. Smith Metals verwendet die MIM-Technologie, um eine Wellenanordnung [8] für den Einsatz in einem neuen Typ von Einweg-chirurgischen Instrumenten zu einem Preis von nur der Schweiz herzustellen. Die CNC-Werkzeugmaschine ist 1/4 bis 1/5, die Dichte ist 7.5 g/cm3, die ultimative Zugfestigkeit ist 1190 MPa, die Streckgrenze ist 1090 MPa, die Dehnung ist 6.0%, und die maximale Härte ist 33 HRC.
Der Herstellungsprozess des Produkts ist: Erstens werden zweiachsige Teile von 178 mm Länge durch MIM-Technologie geformt, dann werden zwei Teile lasergeschweißt, und dann sind nachfolgende Bearbeitung und Wärmebehandlung erforderlich. Um bessere Toleranzanforderungen zu erreichen, ist Sprühen erforderlich. Pillen und Passivierungsbehandlung.
2.1.3 Knieimplantate Teile
Die MIM-Technologie schreitet im Bereich menschlicher Implantate langsam voran, vor allem weil die Produktzertifizierung und -akzeptanz sehr lange dauert.
Derzeit kann die MIM-Technologie verwendet werden, um Teile herzustellen, die Knochen und Gelenke ersetzen. Die verwendeten Metallmaterialien sind hauptsächlich Ti-Legierungen [9].
In Bezug auf die Biokompatibilität verwendeten Chen Liangjian et al [10] poröse MIM-Technologie, um poröses Titan mit einer Porosität von 60%, und präparierte Gelatine-Sustainable-Release-Mikrosphären durch modifiziertes Kondensationspolymerisations-Vernetzungsverfahren und auf poröse Titanoberfläche angewendet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Gelatine-Mikrosphärenbeschichtung poröses Titan nicht zytotoxisch ist und als Material für medizinische Implantate verwendet werden kann.
Kanada MaettaSciences Inc. setzte Ti-6Al-4V erfolgreich zur Herstellung von Knieimplantaten für menschliche Implantate ein [11]. Das Implantat wird nach dem Eintritt in den menschlichen Körper hauptsächlich Druck ausgesetzt und weist eine gute Biokompatibilität auf. Nachdem MIM gebildet ist, wird heißes isostatisches Pressen durchgeführt, gefolgt von Kugelstrahlen, Polieren und Anodisieren, um bessere Oberflächeneigenschaften zu erhalten, Reibung mit dem menschlichen Körper zu reduzieren und Kompatibilität und Lebensdauer zu verbessern.
2.1.4 Hörgerät Schallrohr
Die MIM-Technologie kann auch zur Herstellung von Teilen für eine Vielzahl von Medizinprodukten verwendet werden.
Indo-MIM verwendet die MIM-Technologie, um eine Hörgeräte-Schallröhre [12] für Phonak zu produzieren, die die Schallrate erhöht und das Hören fördert.
Nachdem das MIM gebildet und gesintert ist, kann das akustische Rohr in der Form des Hörgeräts erhalten werden. Um die Oberfläche des Schallrohrs glatt zu gestalten, muss nur ein Glasperlenstrahlprozess durchlaufen werden.
Das Schallrohr hat eine Dichte größer als 7,65 g/cm3, eine Zugfestigkeit bis 480 MPa, eine Streckgrenze von 150 MPa, eine Dehnung von 45%, und eine maximale Oberflächenhärte von 100 HRB. Die MIM-Technologie kann die Kosten im Vergleich zu bisherigen traditionellen Produktionsprozessen um 20% senken.
MIM-Technologie kann auch verwendet werden, um eine breite Palette von Produkten zu produzieren, einschließlich interventionelle Stents, Strahlenschutz für Wolfram-Legierungsspritzen mit hoher Dichte, mikrochirurgische Roboter, Mikropumpen-Endoskopteile und Medikamenteninhalatoren [13].
2.2 MIM neue Technologie für medizinische Produktanwendungen
2.2.1 Mikrospritzguss aus Metall
Metallmikrospritzguss (μMIM) ist eine vom Deutschen IFAM Institut entwickelte Umformtechnologie, um die MIM-Technologie organisch bei der Herstellung von mikrometergroßen Teilen anzuwenden.
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Produkten, die μMIM herstellen kann:
1-Teile bis zur Mikrongröße und Licht bis zu einigen Milligramm;
Die Abmessungen der 2-Teile ähneln denen herkömmlicher Spritzgussteile, aber die Größe der Teilstruktur erreicht mikrometergroße Teile mit Mikrostrukturen.
Mikro-Spritzgießen hat sich in den letzten Jahren zu einem Forschungs-Hotspot im Bereich Spritzgießen entwickelt. Mit der Entwicklung moderner Maschinen in Richtung Miniaturisierung wird der Einsatz von Mikrospritzguss immer umfangreicher [14].
Derzeit hat das Karlsruher Forschungszentrum erfolgreich die μMIM-Technologie für die Herstellung von Kleinstteilen für Medizinprodukte [15], wie Spektrometern, Titrationsplatten usw. angewendet. Das Produkt hat eine Strukturgröße von Mikron und eine minimale Wandstärke von 50 μm.
Abbildung 2 zeigt den von IFAM in Deutschland unter Verwendung der μMIM-Technologie hergestellten Nahtanker für den chirurgischen Einsatz [16], der nur die Größe eines Streichholzkopfes hat.
2.2.2 Ko-Spritzgießen aus Metall
Metal Co-Injection (Co-MIM) entstand in den 1990er Jahren und ist eine sandwichartige Pulverspritzgusstechnologie.
Das Verfahren besteht darin, zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig oder batch-injiziert in eine Form für ein Verbundspritzguss, das Metallmaterialien und Materialien mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften in einem Bauteil kombinieren kann.
Mit diesem Verfahren kann eine Kern-/Schalenstruktur mit einer funktionellen und komplexen Form erhalten werden, und nachfolgende Prozesse wie Beschichtung, Wärmebehandlung und Montage sind für den Artikel nicht erforderlich. Schließlich kann ein Verfahren verwendet werden, um funktional sortierte Materialien vorzubereiten, was die Anzahl der Prozesse erheblich reduziert und Kosten senkt.
Die Co-MIM-Technologie bietet eine neue Denkweise über die Entwicklung und das Design von Funktionsteilen. Li Yimin et al [17] haben die Co-MIM-Technologie verwendet, um eine neue Biopflanzungsstruktur vorzuschlagen, die in der dichten kortikalen Knochenstruktur und in der festen spongiösen Knochenstruktur im äußeren Loch weit verbreitet ist.
Diese Struktur erleichtert den Grenzflächenspannungstransfer zwischen dem implantierten Knochen und der umgebenden Knochenstruktur. Die Porosität der äußeren porösen Struktur beträgt 5% bis 60%, und die größte Pore beträgt 400 μm.
3 Ausblick
Laut der jüngsten Marktforschung von BCCresearch zum Metall- und Keramikspritzguss wird der globale Marktwert von Metall- und Keramikspritzgussteilen in 2018 von US$1,5 Milliarden auf fast US$2,9 Milliarden steigen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 11,4%.
Gleichzeitig wird die MIM-Technologie mit dem Rückgang der Automobilverkäufe in den Bereichen Medizin, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und andere Bereiche eintreten.
In der neuen Roadmap der europäischen Pulvermetallurgieindustrie weist die European Powder Metallurgy Association darauf hin, dass der Medizinmarkt ein äußerst wichtiger Teil der Spritzgießindustrie ist [18].
Da der Markt weiter expandiert, wird die Anwendung der MIM-Technologie im medizinischen Bereich immer tiefer und verschiedene neue Materialien und Prozesse auf Basis der MIM-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt werden.
Ultraschallkopf
Shenzhen Yujiaxin Tech Co., Ltd. ist jetzt ein Hersteller mit reicher Erfahrung in MIM-Produkten für verschiedene medizinische Geräte. In Zukunft wird es sich mehr um Metallpulverspritzpräzisionsprodukte in der Medizingeräteindustrie widmen.