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金屬粉末密煉機(jī)及注射成型技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)品的應(yīng)用 當(dāng)前位置: 網(wǎng)站首頁(yè) > 新聞資訊 > 行業(yè)新聞

摘 要:介紹了金屬粉末注射成形技術(shù)的工藝流程及特點(diǎn)
。概述了 MIM 技術(shù)在牙齒正畸托槽
、外科手術(shù)工具、膝蓋植入零件和助聽(tīng)器聲管等醫(yī)療產(chǎn)品上的應(yīng)用
。闡述了金屬微注射成形和金屬共注射成形兩種金屬粉末注射成形新技術(shù)
在醫(yī)療產(chǎn)品上的應(yīng)用。


我國(guó)是人口大國(guó)
,并且老齡化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重
,加上過(guò)去一味的追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展而對(duì)環(huán)境過(guò)度的破壞,使人們的健康問(wèn)題面臨著巨大的挑戰(zhàn)
,激發(fā)了整個(gè)社會(huì)對(duì)醫(yī)療產(chǎn)品的需求。
而醫(yī)療產(chǎn)品如何不斷提高質(zhì)量
、降低成本是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直研究的課題
。醫(yī)療產(chǎn)品的需求量很大,并且很多產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)也很精密復(fù)雜
,需要一種新的制造技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn),

金屬粉末注射成形 (Metal Injection Molding

,MIM)是一種新型的近凈成形技術(shù)
,可在較短的周期內(nèi)批量生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀的產(chǎn)品,能符合醫(yī)療產(chǎn)品的制造要求
,成為一種理想的制造方法
。 

1 MIM 技術(shù)
1.1 MIM 技術(shù)的工藝流程

MIM 是 20 世紀(jì)快速發(fā)展起來(lái)的近凈成形工藝,一般工藝過(guò)程為:粉末 + 粘結(jié)劑→混煉→注射成形→脫脂→燒結(jié)


首先是利用高分子聚合物與粉末混合
,在一定條件下混煉出具有足夠的流動(dòng)性
、混合均勻并滿(mǎn)足注射要求的喂料
,其次是選擇合適的注射溫度、注射壓力和注射速度等工藝參數(shù)進(jìn)行注射成形
,然后是脫去注射坯中的粘結(jié)劑后進(jìn)行燒結(jié)
,使粉末形成冶金結(jié)合
,最后得到符合要求的制件


1.2 MIM 技術(shù)的特點(diǎn)

MIM 是集塑料成形工藝學(xué)、高分子化學(xué)
、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合而形成的一種零部件新型近凈成形技術(shù),具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

①利用 MIM 技術(shù)成形后的零件不需要后續(xù)加工或者后續(xù)加工很少
,材料利用率高
,屬于近凈成形技術(shù),可生產(chǎn)高性能
、形狀復(fù)雜的零件。

②可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)喂料的填充過(guò)程
、制品的燒結(jié)進(jìn)行模擬
,可以在前期對(duì)工藝實(shí)現(xiàn)優(yōu)化[1-2],得到最佳的設(shè)計(jì)方案

③注射過(guò)程中腔內(nèi)部各點(diǎn)壓力相等

,在喂料均勻混合的前提下各處密度也是相等的
,不會(huì)出現(xiàn)密度梯度
,易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)

2 MIM 技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)品上的應(yīng)用


2.1 MIM 技術(shù)制造的醫(yī)療產(chǎn)品

醫(yī)療產(chǎn)品一般要求具有良好的使用性和足夠長(zhǎng)的使用壽命,并且在結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)上要有靈活的設(shè)計(jì)性[3]


20 世紀(jì) 80 年代初期 MIM 技術(shù)首次在醫(yī)療產(chǎn)品得到應(yīng)用,至今已經(jīng)成為 MIM 市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域


圖 1 是 2015 年北美地區(qū) MIM 技術(shù)在不同行業(yè)所占的比例[4]
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?梢?jiàn),在北美地區(qū)醫(yī)療和牙科已經(jīng)成為 MIM 的主要應(yīng)用領(lǐng)域


目前醫(yī)療用 MIM產(chǎn)品大部分使用的是不銹鋼材料
,主要牌號(hào)是 316L和 17-4PH;還有鈦合金
、鎂合金
、金、銀
、鉭等[5]
。 

圖 1 2015 年北美地區(qū) MIM 在不同行業(yè)所占的比例

2.1.1 牙齒正畸形托槽

MIM 技術(shù)在醫(yī)療上最早是用來(lái)制取一些牙齒矯形器具,這些精密產(chǎn)品的尺寸非常小
,生物相容性和耐腐蝕性也較好
,主要使用的材料就是 316L 不銹鋼,目前正畸形托槽仍然是 MIM 行業(yè)的主要產(chǎn)品

德國(guó) Forestadent 公司用 MIM 技術(shù)生產(chǎn)出一種雙向倒勾式的正畸形托槽

,機(jī)械固位力能提高30%,利用 MIM 一次成形后進(jìn)行拋光
,能使托槽對(duì)弓絲的摩擦力大大降低
,該產(chǎn)品已被 BjornLudwig證實(shí)在正畸手術(shù)中具有積極作用[6]。

2.1.2 外科手術(shù)工具

外科手術(shù)工具要求具有高強(qiáng)度
、低血液污染和能夠?qū)崿F(xiàn)侵蝕性消毒程序等要求
,MIM 技術(shù)的設(shè)計(jì)靈活性能夠滿(mǎn)足大部分外科手術(shù)工具的應(yīng)用,同時(shí)還具有工藝方面的優(yōu)越性
,能夠低成本的制造各種金屬制品
,正逐步取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)成為主要的制造方法。

FloMet 有限公司使用 MIM 技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種不銹鋼爪[7]
,采用 17-4PH 不銹鋼生產(chǎn)
,密度大于 7.5g/cm3,在手術(shù)時(shí)可用來(lái)抓取人體內(nèi)的物體
,具有鑷子的功能
。其設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜,要求具有較高的生產(chǎn)精度


利用 MIM 技術(shù)成形后再進(jìn)行燒結(jié)
,就能夠達(dá)到很高的公差水平,不需要大量的后續(xù)處理工藝
,避免破壞爪的線向和幾何形狀


利用鑄造或者機(jī)加工的方法很難來(lái)生產(chǎn)這種形狀復(fù)雜的不銹鋼爪,需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期
,成本也高
,使用 MIM 技術(shù)來(lái)制造可節(jié)約 60%的成本


一次性的外科手術(shù)工具需要開(kāi)發(fā)一種能夠低成本批量生產(chǎn)的工藝,史密斯金屬產(chǎn)品公司利用 MIM技術(shù)生產(chǎn)一種軸組件[8]
,應(yīng)用于一種新型的一次性外科器械中,成本只有使用瑞士的數(shù)控機(jī)床加工的1/4~1/5
,密度是 7.5 g/cm3
,極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1190MPa,屈服強(qiáng)度 1090MPa
,伸長(zhǎng)率是 6.0%
,最大硬度是 33 HRC


該產(chǎn)品的的制造工藝過(guò)程是:首先用MIM 技術(shù)成形 178mm 長(zhǎng)的兩個(gè)軸部件
,然后將 2個(gè)部分激光焊接,再進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工和熱處理
,為了達(dá)到較好的公差要求還需要進(jìn)行噴丸和鈍化處理


2.1.3 膝蓋植入零件

MIM 技術(shù)在人體植入領(lǐng)域進(jìn)展的比較緩慢
,主要是因?yàn)楫a(chǎn)品的認(rèn)證和接受需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期


目前利用 MIM 技術(shù)能夠生產(chǎn)部分替代骨頭和關(guān)節(jié)的零件,使用的金屬材料主要是 Ti 合金[9]


在生物相容性方面
,陳良建等[10]用 MIM 技術(shù)制備孔隙度為60%的多孔鈦
,用改良冷凝聚合交聯(lián)法制備明膠緩釋微球并涂覆于多孔鈦表面


結(jié)果表明:明膠緩釋微球涂層多孔鈦無(wú)細(xì)胞毒性,可以很好的用來(lái)作為醫(yī)療植入物的材料


加拿大 MaettaSciencesInc 公司成功利用 Ti-6Al-4V 生產(chǎn)出人體植入用膝蓋樣品零件 [11]
,該植入物在進(jìn)入人體后主要承受壓力的作用,并且要有很好的生物相容性
。利用 MIM 成形后再進(jìn)行熱等靜壓,后續(xù)再進(jìn)行噴丸
、拋光和陽(yáng)極氧化處理
,以得到較好的表面性能,降低了與人體的摩擦
,提高相容性和使用壽命


2.1.4 助聽(tīng)器聲管

MIM 技術(shù)還可用來(lái)生產(chǎn)各種醫(yī)療設(shè)備的零部件。

Indo-MIM 公司利用 MIM 技術(shù)為德國(guó) Phonak公司生產(chǎn)一種助聽(tīng)器聲管[12]
,具有提升音率和促進(jìn)聽(tīng)力的效果


MIM 成形后燒結(jié)就可得到這種形狀復(fù)雜的助聽(tīng)器聲管
,為了使聲管表面具有光潔度,后續(xù)只要再經(jīng)過(guò)一道玻璃珠噴砂處理工藝就可以。

該聲管的密度大于 7.65 g/cm3
,抗拉強(qiáng)度最大能夠達(dá)到480MPa
,屈服強(qiáng)度 150MPa,伸長(zhǎng)率是 45%
,最大表面硬度 100HRB
。MIM 技術(shù)與之前傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比能夠降低 20%的成本。 

MIM 技術(shù)在醫(yī)療上還可用來(lái)生產(chǎn)很多產(chǎn)品
,包括介入治療支架、鎢高密度合金注射器的防輻射屏蔽
、顯微外科機(jī)械手
、微型泵內(nèi)窺鏡零件和藥物吸入器等[13]。 

2.2 醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用的 MIM 新技術(shù)

2.2.1 金屬微注射成形

金 屬 微 注 射 成 形 技 術(shù) (metal micro injectionmolding
,μMIM)是德國(guó) IFAM 研究所開(kāi)發(fā)的一種成形技術(shù),就是將 MIM 技術(shù)有機(jī)地運(yùn)用到外形尺寸達(dá)微米級(jí)零件的制備上


通常意義上 μMIM 可用來(lái)生產(chǎn)的產(chǎn)品有兩種:

①尺寸達(dá)到微米級(jí)
,質(zhì)量輕至幾毫克的零件; 

②零件的外觀尺寸與傳統(tǒng)注射成形零件的尺寸相似
,但局部結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米級(jí)的帶有微結(jié)構(gòu)的零件


近些年來(lái),微注射成形成為注射成形領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)
,隨著現(xiàn)代機(jī)械向著微型化方向發(fā)展,微注射成形的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛[14]

目前

,Karlsruha 研究中心已將 μMIM 技術(shù)成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)器械微小零件的生產(chǎn)[15],例如分光計(jì)
、滴定板等
,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到了微米級(jí)
,最小壁厚為 50μm

圖 2 為德國(guó) IFAM 公司利用 μMIM 技術(shù)生產(chǎn)的用于外科手術(shù)使用的縫合錨[16],它的尺寸只有火柴頭大小

。 

圖 2 縫合錨

2.2.2 金屬共注射成形

金屬共注射成形 (metal co injection molding
,Co-MIM)起源于 20 世紀(jì) 90 年代,是一種三明治式的粉末注射成形技術(shù)


該工藝是同時(shí)或分批的將兩種具有不同特性的材料注射到一個(gè)模具中
,進(jìn)行一次復(fù)合注射成形,它能將金屬材料和一個(gè)性能完全不同的材料在同一個(gè)零部件中結(jié)合到一起


采用這種方法能獲得具有功能性和復(fù)雜形狀的芯 / 殼層結(jié)構(gòu)
,并且不需要對(duì)制品進(jìn)行如涂層、熱處理和組裝等的后續(xù)工藝
。最終實(shí)現(xiàn)了一道工序可制備出功能梯度材料,極大地減少了工序
,降低了成本


Co-MIM 技術(shù)為功能零件的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供了一種新思路。李益民等[17]已經(jīng)利用 Co-MIM 技術(shù)提出一種新的生物種植結(jié)構(gòu)
,廣泛的應(yīng)用于致密的皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)和外孔內(nèi)實(shí)的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)


這種結(jié)構(gòu)有利于種植骨和周?chē)琴|(zhì)結(jié)構(gòu)的界面應(yīng)力傳遞,外層多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率體積比在 5%~60%
,最大的孔隙有400μm


3 展望

根據(jù) BCCresearch 最近對(duì)金屬和陶瓷注射成形的市場(chǎng)研究預(yù)測(cè)
,全球金屬和陶瓷注射成形部件的市場(chǎng)價(jià)值將由 2012 年的 15 億美元增長(zhǎng)到 2018 年的近 29 億美元
,平均年增長(zhǎng)率達(dá) 11.4%。

同時(shí)
,隨著汽車(chē)銷(xiāo)量的下降
,MIM 技術(shù)將更多的進(jìn)入到醫(yī)療、航天
、電子等領(lǐng)域


在新版的歐洲粉末冶金行業(yè)路線圖中,歐洲粉末冶金協(xié)會(huì)指出醫(yī)療市場(chǎng)是注射成形行業(yè)極其重要的一個(gè)部分[18]


隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大
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