Czy formy do urządzeń medycznych można również wytwarzać przy użyciu druku 3D z metalu?

一, Patrząc na główne zalety technologii druku 3D w metalu
1. Geometryczne stopnie swobody i projektowanie chłodzenia konforemnego
Procedury wiercenia ograniczają kanały chłodzące w tradycyjnych formach, dlatego zwykle wykorzystują architekturę liniową lub prostą krzyżową. To sprawia, że ​​chłodzenie jest mniej wydajne, a temperatura nierówna. Selective Laser Melting (SLM) i Electron Beam Melting (EBM) to dwie technologie, które umożliwiają swobodne projektowanie konforemnych kanałów chłodzących za pomocą druku 3D metalu. Na przykład w przypadku form implantów ortopedycznych użycie oprogramowania symulacyjnego w celu optymalizacji ścieżki wody, tak aby odległość między kanałem wody chłodzącej a powierzchnią wnęki formy nie przekraczała 2 mm, może zaoszczędzić cykl formowania wtryskowego o 35% i zmniejszyć wypaczenia produktu o 60%. Konstrukcja ta jest bardzo ważna przy wytwarzaniu form stentów serca, ponieważ precyzyjne kanały chłodzące na poziomie mikro{8}} zapewniają równomierne kurczenie się materiałów stentu podczas procesu formowania, co zapobiega tworzeniu się pęknięć w wyniku koncentracji naprężeń.
2. Gwarancja biokompatybilności i wydajności materiału
Formy do wyrobów medycznych muszą spełniać bardzo wysokie kryteria biokompatybilności. Druk 3D z metalu umożliwia bezpośrednie formowanie materiałów, w tym stopu tytanu (Ti6Al4V), stopu kobaltowo-chromowego (CoCrMo) i medycznej stali nierdzewnej (316L), z których wszystkie uzyskały certyfikat biokompatybilności zgodnie z normą ISO 10993. Na przykład stop tytanu Ti6Al4V jest powszechnie używany do produkcji form do implantów zastępujących stawy, ponieważ nie ulega łatwo korozji i jest bezpieczny w użyciu dla ludzkich kości. Możesz regulować wielkość ziarna materiału w zakresie od 10 do 50 μm, zmieniając ustawienia drukowania, takie jak moc lasera i prędkość skanowania. Zapewnia to równowagę pomiędzy właściwościami mechanicznymi i aktywnością biologiczną.
3. Konstrukcja, która jest jednocześnie lekka i funkcjonalna
Druk 3D z metalu pozwala na tworzenie lekkich projektów, takich jak konstrukcje kratowe i konstrukcje kratowe. Zmniejsza to zużycie materiału, a jednocześnie zapewnia wytrzymałość formy. Na przykład kanał chłodzący z wydrążoną kratką Platinum do form łopatek silników lotniczych zmniejsza wagę o 40% i zwiększa wydajność chłodzenia 2,3 razy w porównaniu ze standardowymi konstrukcjami. Konstrukcja ta jest stosowana w medycynie w formach efektorów końcowych robotów chirurgicznych. Zmniejsza liczbę kroków potrzebnych do złożenia sprzętu i zwiększa jego niezawodność poprzez dodanie elementów funkcjonalnych, takich jak otwory montażowe termopary i kanały płynowe.
2, Typowe przypadki użycia i studia przypadków
1. Wykonywanie form pod implanty ortopedyczne
Obudowa: Forma do implantu biodrowego-drukowanego w 3D
System sztucznego stawu biodrowego 3D ACT firmy Aikang Medical wykorzystuje technologię bimetalicznego druku 3D do wykonania formy trzpienia kości udowej. Warstwa wiążąca kość wykonana jest ze stopu tytanu Ti6Al4V, który ma mikroporowatą strukturę, która sprzyja wzrostowi komórek kostnych; warstwa-odporna na zużycie wykonana jest ze stopu CoCrMo, kobaltowo-chromowego, którego chropowatość powierzchni wynosi Ra<0.2 μ m, which reduces friction and wear with the polyethylene lining. The transition layer is formed of Ti Co gradient alloy, and powder mixing technology is used to make the composition gradient so that stress doesn't build up. This mould makes the product last for more than 15 years, which is three times longer than usual methods.
2. Wykonywanie form do stentów sercowo-naczyniowych
Obudowa: Forma na stent naczyniowy w rozmiarze mikro
Aby wykonać stenty naczyniowe, dokładność procesu produkcyjnego musi wynosić od 10 do 50 μm. Trudno to osiągnąć przy typowej obróbce. Zespół Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Huazhong wykorzystał technologię SLM do wykonania form stentów z Nitinolu. Niedokładność średnicy drutu stentu była mniejsza niż 2 μm, kontrolując takie czynniki, jak grubość warstwy (20 μm) i moc lasera (150 W). W modelu tętnicy wieńcowej świni stent wykonany w tej formie wykazuje doskonałe wsparcie i elastyczność, przy o 40% niższym wskaźniku zakrzepicy w porównaniu z typowymi urządzeniami.
3. Wykonywanie form na części sprzętu medycznego
Obudowa: Forma z siatki drucianej do filtra przeciwrozpraszającego-skanera CT
Wydrukowana na drukarce 3D siatka filtracyjna Dunlee z czystego wolframu wykorzystuje technologię EBM do tworzenia skomplikowanych stożkowych kształtów za jednym razem. W porównaniu ze standardowymi metodami frezowania siatka filtrów tej formy może zwiększyć stosunek sygnału-do-szumu przekładnika prądowego wiązki stożkowej CT o 1,7 razy i zmniejszyć straty materiału o 85%. Ponadto wysoka gęstość czystego wolframu (19,3 g/cm 3) chroni przed promieniami X-, co zapewnia dobrą jakość obrazu.
3, Problemy i rozwiązania w technologii
1. Jakość powierzchni i proces po obróbce
Chropowatość powierzchni metalowych form do drukowania 3D wynosi zwykle od Ra6 do Ra10 μm. Po obróbce, obejmującej polerowanie elektrolityczne i piaskowanie, należy go obniżyć do Ra0,8 μm lub niższego. Metoda polerowania chemiczno-mechanicznego (CMP) stosowana w Pekińskim Instytucie Przemysłu Lotniczego może sprawić, że powierzchnia form Ti6Al4V stanie się gładsza, obniżając ją do Ra0,2 μm, co jest standardem dla sprzętu medycznego.
2. Kontrola naprężeń własnych
Podczas procesu drukowania szybkie nagrzewanie i chłodzenie może łatwo spowodować narastanie naprężeń szczątkowych i zmianę kształtu formy. Odpowiedź brzmi:
Optymalizacja procesów: Dzięki metodzie skanowania wyspowego pojedyncza warstwa jest dzielona na kilka oddzielnych sekcji, które można drukować pojedynczo. Pomaga to równomiernie rozłożyć naprężenia termiczne.
Obróbka cieplna: Aby pozbyć się ponad 80% naprężenia szczątkowego, podgrzej formę do 650 stopni Celsjusza i pozostaw do ostygnięcia.
Monitoring online: Wykorzystanie kamery termowizyjnej na podczerwień do obserwacji pola temperatury w czasie rzeczywistym i zmiany mocy lasera w zależności od potrzeb.
3. Koszt i wartość materiałów
Proszek ze stopu tytanu klasy medycznej{{0} kosztuje 2000–5000 juanów za kilogram, czyli 5–10 razy więcej niż zwykła stal do form. Odpowiedź brzmi:
Recykling proszku: Dzięki przesiewaniu i utlenianiu stopień odzyskiwania niestopionego proszku wzrasta do 95%.
Projekt optymalizacji topologii: Obniż koszt jednostkowy i zużycie materiałów o 30% do 50%.
Produkcja-na dużą skalę: koszt sztuki zbliżył się do kosztów tradycyjnych metod dzięki lepszej wydajności sprzętu (na przykład sprzęt Huashu High tech FS1211M może drukować z prędkością 50 cm 3/h).