Aplicación de la tecnología MIM de moldeo por inyección de polvo metálico de titanio en productos médicos
Jan 03, 2023
Aplicación de la tecnología de moldeo por inyección de polvo metálico MIM en productos médicos
Fórceps quirúrgico mínimamente invasivo
China es un país con una gran población y el fenómeno del envejecimiento es cada vez más grave. Además, la búsqueda del desarrollo económico en el pasado ha causado un daño excesivo al medio ambiente, lo que hace que los problemas de salud de las personas enfrenten enormes desafíos y estimula la demanda de productos médicos en toda la sociedad.
Cómo mejorar la calidad y reducir el costo de los productos médicos ha sido un tema de investigación para académicos nacionales y extranjeros. La demanda de productos médicos es grande y la estructura de muchos productos también es muy sofisticada, por lo que se necesita una nueva tecnología de fabricación para reemplazar la producción tradicional.
Moldeo por inyección de metales(MIM) es una nueva tecnología de formación casi neta, que puede producir productos con formas complejas en lotes en un corto período de tiempo. Puede cumplir con los requisitos de fabricación de productos médicos y convertirse en un método de fabricación ideal.
1 tecnología MIM
1.1 Proceso tecnológico de la tecnología MIM
MIM es un proceso de formación casi neto que se desarrolló rápidamente en el siglo XX. El proceso general es: polvo más aglutinante → mezcla → moldeo por inyección → desengrase → sinterización.
En primer lugar, el polímero y el polvo se mezclan para producir la alimentación con suficiente fluidez, mezclado uniforme y cumpliendo con los requisitos de inyección bajo ciertas condiciones. En segundo lugar, se seleccionan la temperatura de inyección, la presión de inyección, la velocidad de inyección y otros parámetros de proceso apropiados para el moldeo por inyección. Luego, el aglutinante en el blanco de inyección se retira y se sinteriza para formar una unión metalúrgica del polvo. Finalmente, se obtienen las piezas cualificadas.
1.2 Características de la tecnología MIM
MIM es una nueva tecnología de formación casi neta para piezas, que combina tecnología de formación de plástico, química de polímeros, tecnología de pulvimetalurgia, materiales metálicos y otras disciplinas. Tiene las siguientes características:
① Las partes formadas mediante el uso de tecnología MIM no requieren procesamiento de seguimiento o hay poco procesamiento de seguimiento. Con una alta tasa de utilización de material, pertenecen a la tecnología de formación casi neta y pueden producir piezas de formas complejas y de alto rendimiento.
② El proceso de llenado de alimentación y sinterización de productos se puede simular por computadora y el proceso se puede optimizar en la etapa inicial [1-2] para obtener el mejor esquema de diseño.
③ Durante el proceso de inyección, la presión de cada punto en la cavidad es igual y la densidad es igual en todas partes bajo la premisa de una mezcla uniforme de la alimentación, por lo que no habrá gradiente de densidad, lo cual es fácil de lograr en la producción a gran escala .
2 Aplicación de la tecnología MIM en productos médicos
2.1 Productos médicos fabricados con tecnología MIM
Los productos médicos generalmente requieren una buena facilidad de uso y una vida útil lo suficientemente larga, y un diseño flexible en la estructura y el diseño de la forma [3].
A principios de la década de 1980, la tecnología MIM se aplicó por primera vez en productos médicos y se ha convertido en el área de más rápido crecimiento del mercado MIM.
La Figura 1 muestra la proporción de tecnología MIM en diferentes industrias en América del Norte en 2015 [4]. Se puede ver que el tratamiento médico y la odontología se han convertido en los principales campos de aplicación de MIM en América del Norte.
En la actualidad, la mayoría de los productos MIM médicos están hechos de acero inoxidable, las principales marcas son 316L y 17-4PH; También existen aleaciones de titanio, aleaciones de magnesio, oro, plata, tantalio, etc. [5].
2.1.1 Bracket de ortodoncia
| Brackets de ortodoncia producidos por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnología MIM se utilizó por primera vez en el tratamiento médico para fabricar algunos aparatos ortopédicos dentales. Estos productos de precisión son de tamaño muy pequeño y tienen buena biocompatibilidad y resistencia a la corrosión. El material principal utilizado es acero inoxidable 316L. Los brackets de ortodoncia siguen siendo los principales productos en la industria MIM.
Forestadent, una empresa alemana, ha producido un bracket de ortodoncia de gancho bidireccional con tecnología MIM. La fuerza de retención mecánica se puede aumentar en un 30 por ciento. El pulido después de la formación de una sola vez con MIM puede reducir en gran medida la fricción entre el soporte y el arco de alambre. BjornLudwig ha confirmado que este producto desempeña un papel positivo en la cirugía de ortodoncia [6].
2.1.2 Herramientas quirúrgicas
| Herramientas quirúrgicas producidas por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Se requiere que las herramientas quirúrgicas tengan alta resistencia, baja contaminación sanguínea y poder lograr procedimientos de desinfección agresivos. La flexibilidad de diseño de la tecnología MIM puede cumplir con la aplicación de la mayoría de las herramientas quirúrgicas. Al mismo tiempo, también tiene las ventajas de la tecnología. Puede fabricar varios productos de metal a bajo costo. Está reemplazando gradualmente la tecnología de producción tradicional como el principal método de fabricación.
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. ha desarrollado una especie de garra de acero inoxidable [7] utilizando tecnología MIM, que está hecha de acero inoxidable 17-4PH y tiene una densidad de más de 7,5 g/cm3. Se puede usar para agarrar objetos en el cuerpo humano durante la cirugía y tiene la función de pinzas. Su diseño es bastante complejo y requiere una alta precisión de producción.
La sinterización posterior al conformado con tecnología MIM puede alcanzar un alto nivel de tolerancia, y no requiere una gran cantidad de procesos de tratamiento posteriores para evitar dañar la forma lineal y geométrica de la garra.
Es difícil producir este tipo de garra de acero inoxidable con formas complejas mediante fundición o mecanizado, lo que requiere un ciclo de producción largo y un costo elevado. El uso de la tecnología MIM para fabricarlo puede ahorrar un 60 por ciento del costo.
Las herramientas quirúrgicas desechables deben desarrollar un proceso que pueda producirse en masa a bajo costo. Smith Metal Products Co., Ltd. utiliza tecnología MIM para producir un conjunto de eje [8], que se utiliza en un nuevo tipo de instrumentos quirúrgicos desechables. El costo es solo 1/4 a 1/5 del de una máquina herramienta CNC suiza, la densidad es de 7,5 g/cm3, la resistencia máxima a la tracción alcanza los 1190MPa, el límite elástico 1090MPa, el alargamiento es 6,0 por ciento, y la dureza máxima es de 33 HRC.
El proceso de fabricación de este producto es el siguiente: en primer lugar, se forman dos piezas de eje de 178 mm de largo mediante tecnología MIM, luego se sueldan dos piezas con láser y luego se realiza el mecanizado y tratamiento térmico posterior. Para cumplir con los requisitos de buena tolerancia, también se requiere granallado y pasivación.
2.1.3 Partes del implante de rodilla
| Piezas de implante de hueso de rodilla producidas por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
El progreso de la tecnología MIM en el campo de la implantación humana es relativamente lento, principalmente porque la certificación y aceptación de los productos necesita un largo período.
En la actualidad, la tecnología MIM se puede utilizar para producir piezas que reemplazan parcialmente huesos y articulaciones, y los materiales metálicos utilizados son principalmente aleaciones de Ti [9].
En términos de biocompatibilidad, Chen Liangjian et al. [10] prepararon titanio poroso con una porosidad del 60 por ciento usando tecnología MIM, y prepararon microesferas de gelatina de liberación sostenida usando un método mejorado de entrecruzamiento por polimerización por condensación y las recubrieron en la superficie de titanio poroso.
Los resultados mostraron que las microesferas de gelatina de liberación sostenida recubiertas de titanio poroso no tenían citotoxicidad y podían usarse como un buen material para implantes médicos.
Canadian MaettaSciences Inc ha utilizado con éxito Ti-6Al-4V para producir piezas de muestra de rodilla para implantes humanos [11]. El implante soporta principalmente presión después de ingresar al cuerpo humano y tiene buena biocompatibilidad. Después de la formación MIM, se lleva a cabo el prensado isostático en caliente, seguido del granallado, pulido y anodizado para obtener un mejor rendimiento de la superficie, reducir la fricción con el cuerpo humano y mejorar la compatibilidad y la vida útil.
2.1.4 Conducto de sonido del audífono
| Partes de la carcasa del audífono producidas por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Tubo de audífono producido por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La tecnología MIM también se puede utilizar para producir partes de varios dispositivos médicos.
Indo MIM Company utiliza la tecnología MIM para producir un tubo de sonido para audífonos para Phonak Company en Alemania [12], que tiene el efecto de mejorar la velocidad del sonido y promover la audición.
Este tipo de tubo de sonido para audífonos con forma compleja se puede obtener mediante sinterización después de la formación MIM. Para suavizar la superficie del tubo de sonido, solo es necesario pasar por un proceso de limpieza con chorro de arena con perlas de vidrio más tarde.
La densidad del tubo acústico es superior a 7,65 g/cm3, la resistencia máxima a la tracción puede alcanzar 480 MPa, el límite elástico 150 MPa, el alargamiento 45 por ciento y la dureza superficial máxima 100 HRB. La tecnología MIM puede reducir el costo en un 20 por ciento en comparación con el proceso de producción tradicional anterior.
La tecnología MIM también se puede utilizar para producir muchos productos en el campo médico, incluido el stent de terapia intervencionista, la protección contra la radiación de la jeringa de aleación de tungsteno de alta densidad, el manipulador de microcirugía, las piezas del endoscopio de microbomba y el inhalador de fármacos [13].
2.2 Nueva tecnología MIM aplicada a productos médicos
2.2.1 Micromoldeo por inyección de metal
El moldeo por microinyección de metal, μ MIM) es una tecnología de formación desarrollada por el Instituto de Investigación IFAM en Alemania, que consiste en aplicar orgánicamente la tecnología MIM a la preparación de piezas con dimensiones hasta el nivel de micrómetros.
En términos generales, μ MIM se puede utilizar para producir dos tipos de productos:
① Piezas con un tamaño de micrómetro y una masa de varios miligramos;
② El tamaño de la apariencia de la pieza es similar al tamaño de la pieza de moldeo por inyección tradicional, pero el tamaño de la estructura local es hasta el nivel del micrómetro.
En los últimos años, el moldeo por microinyección se ha convertido en un foco de investigación en el campo del moldeo por inyección. Con el desarrollo de maquinaria moderna hacia la miniaturización, la aplicación del micromoldeo por inyección será cada vez más extensa [14].
En la actualidad, el Centro de Investigación de Karlsruha tiene μ La tecnología MIM se ha aplicado con éxito a la producción de micropiezas de dispositivos médicos [15], como espectrómetros, placas de titulación, etc. El tamaño de la estructura del producto ha alcanzado el nivel de micrones, y el el espesor mínimo de la pared es de 50 μm.
La Figura 2 muestra el uso de IFAM en Alemania μ El ancla de sutura [16] producida por la tecnología MIM para operaciones quirúrgicas tiene solo el tamaño de una cabeza de cerilla.
2.2.2 Moldeo por inyección de metales
El moldeo por inyección conjunta de metal (Co MIM), originado en la década de 1990, es una tecnología de moldeo por inyección de polvo tipo sándwich.
Este proceso consiste en inyectar simultáneamente o en lotes dos materiales con diferentes características en un molde para un moldeo por inyección de materiales compuestos. Puede combinar materiales metálicos y un material con propiedades completamente diferentes en la misma pieza.
La estructura de núcleo/carcasa con funcionalidad y forma compleja se puede obtener mediante este método, y no se requieren procesos posteriores como recubrimiento, tratamiento térmico y ensamblaje de productos. Finalmente, se puede realizar un proceso para preparar materiales funcionalmente degradados, lo que reduce en gran medida el proceso y reduce el costo.
La tecnología Co MIM proporciona una nueva idea para el desarrollo y diseño de piezas funcionales. Li Yimin et al. [17] han propuesto una nueva estructura de implante biológico utilizando la tecnología Co MIM, que se usa ampliamente en estructuras de hueso cortical denso y estructuras de hueso esponjoso con poros externos y poros internos.
Esta estructura favorece la transmisión de tensiones en la interfaz entre el hueso del implante y la estructura ósea circundante. Hay muchas capas externas, la relación de volumen de porosidad de la estructura del poro es del 5 al 60 por ciento y el poro más grande es de 400 μ m.
3 perspectiva
Según la investigación de mercado reciente de BCCresearch sobre moldeo por inyección de metal y cerámica, el valor de mercado global de las piezas moldeadas por inyección de metal y cerámica aumentará de 2500 millones de dólares en 2022 a casi 3900 millones de dólares en 2028, con una tasa de crecimiento anual promedio del 11,4 %.
Al mismo tiempo, con la disminución de las ventas de automóviles, la tecnología MIM ingresará más en los campos médico, aeroespacial, electrónico y otros.
En la nueva versión de la hoja de ruta de la industria europea de la pulvimetalurgia, la Asociación Europea de la pulvimetalurgia señaló que el mercado médico es una parte extremadamente importante de la industria del moldeo por inyección [18].
Con la expansión continua del mercado, la aplicación de la tecnología MIM en el campo médico será cada vez más profunda, y también se desarrollarán constantemente varios materiales y procesos nuevos basados en la tecnología MIM.
cabeza de bisturí ultrasónico
Qinhuangdao Zhongwei Precisión Maquinaria Co., Ltd.es ahora un poderoso fabricante con una rica experiencia en la producción de varios tipos de productos MIM de dispositivos médicos. En el futuro, también dedicará más esfuerzos a los productos de precisión de moldeo por inyección de polvo metálico en la industria de dispositivos médicos.
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