Kan formar för medicintekniska produkter också tillverkas med 3D-utskrift av metall?

一, tittar på de viktigaste fördelarna med metall 3D-utskriftsteknik
1. Geometriska frihetsgrader och design för konform kylning
Borrprocedurer begränsar kylkanalerna i traditionella formar, så de använder normalt linjära eller enkla tvärarkitekturer. Detta gör kylningen mindre effektiv och temperaturen ojämn. Selective Laser Melting (SLM) och Electron Beam Melting (EBM) är två tekniker som gör det möjligt att designa konforma kylkanaler fritt med hjälp av metall 3D-utskrift. Till exempel, i ortopediska implantatformar, kan simuleringsprogramvara för att optimera vattenvägen så att avståndet mellan kylvattenkanalen och formhålighetens yta håller sig inom 2 mm spara formsprutningscykeln med 35 % och minska produktens skevhet med 60 %. Denna design är mycket viktig för att göra hjärtstentformar eftersom precisionskylningskanaler på mikro-nivå ser till att stentmaterialen krymper jämnt under gjutningsprocessen, vilket förhindrar att sprickor bildas på grund av stresskoncentration.
2. Garanti för biokompatibilitet och materialprestanda
Formar för medicintekniska produkter måste uppfylla mycket höga biokompatibilitetskriterier. Metall 3D-utskrift möjliggör direkt gjutning av material inklusive titanlegering (Ti6Al4V), kobolt kromlegering (CoCrMo) och medicinskt rostfritt stål (316L), som alla har certifierats som biokompatibla enligt ISO 10993. Till exempel, Ti6Al4V titanlegering används ofta för att ersätta gjutformar för att enkelt ersätta gjutformar. användning med mänskliga ben. Du kan reglera kornstorleken på materialet mellan 10 och 50 μm genom att ändra utskriftsinställningarna, som laserkraft och skanningshastighet. Detta skapar en balans mellan mekaniska egenskaper och biologisk aktivitet.
3. En design som är både lätt och funktionell
3D-utskrift av metall möjliggör lätta konstruktioner som gallerstrukturer och gallerstrukturer. Detta minskar materialanvändningen samtidigt som du ser till att formen är stark. Till exempel minskar Platinums ihåliga gitterkylkanal för bladformar för flygplansmotorer vikten med 40 % och ökar kylningseffektiviteten till 2,3 gånger högre än standardkonstruktioner. Denna design används inom läkarkåren för sluteffektorformarna för kirurgiska robotar. Det minskar antalet steg som behövs för att sätta ihop utrustningen och gör den mer tillförlitlig genom att lägga till funktionella element som termoelementmonteringshål och vätskekanaler.
2, Vanliga användningsfall och fallstudier
1. Göra formar för ortopediska implantat
Fodral: Form för ett 3D-tryckt höftimplantat
Aikang Medicals 3D ACT artificiella höftledssystem använder bimetallisk 3D-utskriftsteknik för att göra lårbensstamformen. Benbindningsskiktet är tillverkat av Ti6Al4V titanlegering, som har en mikroporös struktur som uppmuntrar bencelltillväxt; det slitstarka lagret är tillverkat av CoCrMo koboltkromlegering, som har en ytråhet på 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. Göra formar för kardiovaskulära stentar
Fodral: En form för en vaskulär stent i mikrostorlek
För att göra vaskulära stentar måste tillverkningsprocessens noggrannhet vara mellan 10 och 50 μm. Detta är svårt att göra med typisk bearbetning. Huazhong University of Science and Technology-teamet använde SLM-teknik för att göra Nitinol stentformar. Onoggrannheten i stenttrådens diameter var mindre än 2 μm genom att kontrollera faktorer såsom skikttjocklek (20 μm) och lasereffekt (150 W). I en kransartärmodell hos gris visar stenten som tillverkats med denna form stort stöd och flexibilitet, med en 40 % lägre trombosfrekvens än vanliga enheter.
3. Tillverkning av formar för delar av medicinsk utrustning
Fodral: Trådnätform för CT-skanner anti-spridningsfilter
Dunlees rena volfram 3D-tryckta filtergallerform använder EBM-teknik för att göra intrikata koniska former på en gång. Jämfört med standardfräsningsmetoder kan denna forms filtergaller öka signal-till-brusförhållandet för konstråle CT med 1,7 gånger och minska materialavfallet med 85 %. Dessutom skyddar ren volframs höga densitet (19,3 g/cm³) mot röntgenstrålar, vilket håller bildkvaliteten bra.
3, Problem och lösningar inom teknik
1. Ytans kvalitet och processen efter behandling
Ytråheten hos 3D-utskriftsformar av metall är normalt mellan Ra6 och Ra10 μm. Efter behandling, inklusive elektrolytisk polering och sandblästring, måste den sänkas till Ra0,8 μm eller lägre. Beijing Institute of Aeronautical Manufacturings metod för kemisk mekanisk polering (CMP) kan göra ytan på Ti6Al4V-formarna slätare, vilket sänker dem till Ra0,2 μm, vilket är standarden för medicinsk utrustning.
2. Kontroll av kvarvarande stress
Under tryckprocessen kan snabb uppvärmning och nedkylning lätt orsaka att restspänningar byggs upp och mögel ändrar form. Svaret är:
Optimering av processer: Med hjälp av en ö-skanningsmetod delas det enda lagret upp i flera separata sektioner som kan skrivas ut på en i taget. Detta hjälper till att fördela den termiska spänningen jämnt.
Värmebehandling: För att bli av med mer än 80 % av kvarvarande spänning, värm formen till 650 grader Celsius och låt den svalna.
Onlineövervakning: Använd en infraröd värmekamera för att titta på temperaturfältet i realtid och ändra laserns kraft efter behov.
3. Materialets kostnad och värde
Pulver av titanlegering av medicinsk-kvalitet kostar 2000–5000 yuan per kilogram, vilket är 5–10 gånger mer än vanligt formstål. Svaret är:
Pulveråtervinning: Genom sållning och oxidationsbehandling går återvinningsgraden för osmält pulver upp till 95 %.
Topologioptimeringsdesign: Sänk kostnaden per enhet och minska materialanvändningen med 30 % till 50 %.
Stor-produktion: Kostnaden per styck har kommit närmare den för traditionella metoder tack vare bättre utrustningseffektivitet (till exempel kan Huashu High tech FS1211M-utrustning skriva ut med en hastighet på 50 cm ³/h).