Varför kräver efter-bearbetning av 3D-utskrift av metall i den medicinska industrin värmebehandling?

1. Att bli av med kvarvarande stress: förhindra implantatfel och distorsion
Metall 3D-utskrift, som laserselektiv smältning (SLM), gör formar genom att smälta metallpulver lager för lager. Men uppvärmning och kylning av materialet för snabbt kan lämna stress inuti det. Om denna stress inte släpps tillräckligt snabbt kan det leda till följande problem:
Vridning och sprickbildning: Om restspänningen är högre än materialets sträckgräns, kan implantatet ändra form permanent eller till och med gå sönder inom de första veckorna av användning i kroppen. Om det till exempel är mycket stress på höftledsskålen av titanlegering, kan den röra sig under patientens återhämtning från operationen på grund av stressavlastningen, vilket kan innebära att patienten behöver en andra operation.
Minskad dimensionell noggrannhet: Stress-inducerad deformation kan försämra kompatibiliteten mellan implantatet och mänsklig vävnad. För dentala implantat, till exempel, måste trådprecisionen hållas inom en mikrometer, och kvarvarande spänning kan få tråden att ändra form, vilket kan äventyra den initiala stabiliteten hos alveolbenet.
Förkortad utmattningslivslängd: Implantat är mer benägna att splittras under stresscykling. Studier indikerar att utmattningslivslängden för 3D-tryckta koboltkromlegeringsstöd, frånvarande värmebehandling, minskar med över 40 % jämfört med konventionella smidda komponenter.
Stressavlastning är möjlig genom värmebehandlingsprocesser som vakuumglödgning. I denna process värms implantatet upp till rätt temperatur (vanligtvis under omkristallisationstemperaturen), hålls ett tag och kyls sedan långsamt så att materialets inre korn kan återhämta sig och omkristallisera, vilket lindrar stress. Till exempel minskar vakuumglödgning vid 650 grader den kvarvarande spänningen hos 3D-tryckta ortopediska implantat av titanlegering med mer än 80 % och förbättrar avsevärt deras strukturella stabilitet.
2. Förbättra mikrostrukturen: göra den starkare och mer kompatibel med levande varelser
Den snabba stelningen av 3D-utskrift av metall kan lätt orsaka en ojämn mikrostruktur, som kolumnformade kristaller, metastabila faser och porositet. Detta kan göra att implantat fungerar mindre bra totalt sett.
Försämring av mekaniska egenskaper: Den kolumnformiga kristallstrukturen kan leda till anisotropi, vilket gör att implantaten är mycket starkare i vissa riktningar än andra. Om den 3D-tryckta vaskulära stenten av nickeltitaniumlegering har grova kolumnära kristaller, till exempel, kan dess radiella stödkraft vara 30 % lägre än den hos den homogena likaxliga kristallvävnaden.
Hög porositet: När pulverpartiklar inte smälter helt under utskrift, skapar de mikroporer, vilket gör materialet mindre tätt. Om porositeten är mer än 1 % kan implantatets utmattningshållfasthet minska med mer än 50 % och risken för korrosion kan öka.
Biokompatibilitetsrisk: Instabila faser, såsom martensit, kan släppa ut giftiga joner och orsaka inflammation. Till exempel, om det finns mycket martensit kvar i 3D-tryckta koboltkromlegeringar, kan utsläppet av nickeljoner vara mer än normalt, vilket kan orsaka allergier i närliggande vävnader.
Genom att kontrollera temperaturen och varaktigheten optimerar värmebehandlingen mikrostrukturen:
Glödgning: gör att kolumnformiga kristaller förvandlas till likaxliga kristaller och gör sig av med metastabila faser. Till exempel, efter glödgning vid 750 grader, raffineras kornstorleken för 3D-tryckt titanlegering till mindre än 10 μm, och anisotropin är mycket reducerad.
Varm isostatisk pressning (HIP): Att bli av med inre porer vid höga temperaturer och tryck (vanligtvis 100–200 MPa) för att få en materialdensitet nära 100 %. Studier indikerar att HIP-behandling kan minska porositeten hos 3D-tryckta koboltkromlegeringar från 0,8 % till 0,02 % och förbättra utmattningslivslängden med tre gånger.
Fast lösning plus ålder: För material med formminne som nickel-tianlegeringar, löser behandling med fast lösning upp skadliga faser, medan åldringsbehandling utlöser förstärkningsfaser. Detta balanserar styrka med superelasticitet. Till exempel ökade den radiella stödkraften hos 3D-tryckta vaskulära stentar av nickeltitaniumlegering med 20 % efter behandling med fast lösning vid 500 grader och åldrande vid 400 grader. Formåtervinningsgraden gick också upp till över 99 %.
3. Att möta kliniska behov: en dubbel garanti för anpassning och funktionalisering
Medicinska implantat måste skräddarsys för patientens anatomiska struktur samtidigt som de uppfyller specifika funktionella kriterier, såsom benintegration och läkemedelsfrisättning. Värmebehandling hjälper till med kliniska tillämpningar på följande sätt:
Att kombinera värmebehandling med andra ytbehandlingsmetoder som sandblästring och syraetsning kan göra implantatens yta grovare och hjälpa bencellerna att hålla fast vid dem bättre. Till exempel, efter att ha glödgats och sandblästrats, är ytråheten (Ra) för 3D-tryckta höftleder av titanlegering 3–5 μm, och hastigheten med vilken ben integreras är 40 % snabbare än på släta ytor.
3D-utskrift kan göra porösa strukturer med 30 % till 80 % porositet och porstorlekar på 100 till 1000 μm, vilket liknar hur naturliga bentrabeculae fungerar. Värmebehandling ser till att strukturen håller sig stabil genom att bli av med stresskoncentration på porösa platser. Till exempel, efter HIP-behandling kan porösa titanlegeringsinterkroppsfusionsenheter motstå belastningar på över 100 MPa, vilket är vad som behövs för klinisk användning.
Läkemedelsladdningsstöd: Värmeimplantat kan förändra de kemiska egenskaperna hos deras ytor, vilket ger läkemedelsbeläggningar ställen att fästa. Till exempel bildas ett lager av magnesiumoxid på ytan av en 3D--tryckt vaskulär stent av magnesiumlegering efter glödgning. Detta lager kan hålla anti-proliferativa läkemedel genom fysisk adsorption för att uppnå lokal fördröjd frisättning.
4. Branschnormer och certifieringskrav: värmebehandling krävs
Medicinska implantat måste certifieras av stränga grupper som FDA, CE och NMPA. Värmebehandling är en viktig del av certifieringsprocessen:
ISO 13485-standarden säger att implantattillverkare måste föra detaljerade register över hela värmebehandlingsprocessen, inklusive temperaturkurvor, atmosfärskontroll och testdata.
ASTM F3001-standarden säger att glödgningstemperaturen för 3D-tryckta titanlegeringsimplantat bör hållas mellan 650 och 750 grader för att förhindra att kornen blir för grova.
YY/T 0640-standard: Efter HIP-behandling måste implantat av koboltkromlegering ha en porositet på högst 0,1 % och inga kontinuerliga porkedjor.