Можно ли изготавливать формы для медицинских устройств с использованием 3D-печати металлом?

一, Рассмотрение основных преимуществ технологии 3D-печати металлом
1. Геометрические степени свободы и расчет конформного охлаждения.
Процедуры сверления ограничивают каналы охлаждения в традиционных формах, поэтому обычно используются линейные или простые перекрестные архитектуры. Это делает охлаждение менее эффективным и температуру неравномерной. Селективная лазерная плавка (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM) — это две технологии, которые позволяют свободно создавать конформные каналы охлаждения с использованием 3D-печати металлом. Например, в формах для ортопедических имплантатов использование программного обеспечения для моделирования для оптимизации пути воды так, чтобы расстояние между каналом охлаждающей воды и поверхностью полости формы оставалось в пределах 2 мм, может сэкономить цикл литья под давлением на 35% и сократить коробление изделия на 60%. Такая конструкция очень важна для изготовления форм сердечных стентов, поскольку прецизионные каналы охлаждения на микро- уровне обеспечивают равномерную усадку материалов стента в процессе формования, что предотвращает образование трещин из-за концентрации напряжений.
2. Гарантия биосовместимости и работоспособности материала.
Пресс-формы для медицинских изделий должны соответствовать очень высоким критериям биосовместимости. 3D-печать металлом позволяет напрямую формовать такие материалы, как титановый сплав (Ti6Al4V), кобальт-хромовый сплав (CoCrMo) и медицинскую нержавеющую сталь (316L), каждый из которых сертифицирован как биосовместимый по стандарту ISO 10993. Например, титановый сплав Ti6Al4V обычно используется для изготовления форм для имплантатов, заменяющих суставы, поскольку он не поддается коррозии и безопасен для использования с человеческими костями. Вы можете регулировать размер зерна материала от 10 до 50 мкм, изменяя настройки печати, такие как мощность лазера и скорость сканирования. Это обеспечивает баланс между механическими свойствами и биологической активностью.
3. Легкая и функциональная конструкция.
3D-печать металлом позволяет создавать легкие конструкции, такие как решетчатые конструкции и решетчатые конструкции. Это сокращает расход материала, сохраняя при этом прочность формы. Например, полый решетчатый канал охлаждения Platinum для форм лопаток авиационных двигателей снижает вес на 40% и повышает эффективность охлаждения в 2,3 раза по сравнению со стандартными конструкциями. Эта конструкция используется в медицине для изготовления форм концевых эффекторов хирургических роботов. Это сокращает количество шагов, необходимых для сборки оборудования, и делает его более надежным за счет добавления функциональных элементов, таких как отверстия для крепления термопар и каналы для жидкости.
2. Общие случаи использования и тематические исследования.
1. Изготовление форм для ортопедических имплантатов.
Кейс: Пресс-форма для 3D-напечатанного имплантата тазобедренного сустава.
Система искусственного тазобедренного сустава 3D ACT компании Aikang Medical использует биметаллическую технологию 3D-печати для изготовления формы ножки бедренной кости. Слой, связывающий кость, изготовлен из титанового сплава Ti6Al4V, который имеет микропористую структуру, способствующую росту костных клеток; Износостойкий-слой изготовлен из сплава CoCrMo, кобальта и хрома, который имеет шероховатость поверхности 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. Изготовление форм для сердечно-сосудистых стентов.
Кейс: Форма для сосудистого стента микроразмера.
Для изготовления сосудистых стентов точность производственного процесса должна составлять от 10 до 50 мкм. Это сложно сделать с помощью обычной механической обработки. Команда Университета науки и технологий Хуачжун применила технологию SLM для изготовления форм для стентов из нитинола. Погрешность диаметра проволоки стента составила менее 2 мкм за счет таких факторов, как толщина слоя (20 мкм) и мощность лазера (150 Вт). На модели коронарной артерии свиньи стент, изготовленный с использованием этой формы, демонстрирует отличную поддержку и гибкость, а уровень тромбообразования на 40 % ниже, чем у типичных устройств.
3. Изготовление форм для деталей медицинского оборудования.
Корпус: форма из проволочной сетки для противо-рассеивающего фильтра компьютерного томографа.
В форме фильтрующей сетки Dunlee из чистого вольфрама, напечатанной на 3D-принтере, используется технология EBM, позволяющая создавать сложные конические формы за один раз. По сравнению со стандартными методами фрезерования фильтрующая сетка этой формы может повысить соотношение сигнал-/-шум конусно-лучевой компьютерной томографии в 1,7 раза и сократить отходы материала на 85 %. Кроме того, высокая плотность чистого вольфрама (19,3 г/см³) защищает от рентгеновских лучей, что обеспечивает хорошее качество изображения.
3. Проблемы и решения в технологии
1. Качество поверхности и процесс после обработки.
Шероховатость поверхности металлических форм для 3D-печати обычно составляет от Ra6 до Ra10 мкм. После обработки, включающей электролитическое полирование и пескоструйную обработку, его необходимо довести до Ra0,8 мкм или ниже. Метод химико-механической полировки (CMP) Пекинского института авиационного производства может сделать поверхность форм Ti6Al4V более гладкой, снизив ее до Ra0,2 мкм, что является стандартом для медицинского оборудования.
2. Контроль остаточного напряжения
В процессе печати быстрый нагрев и охлаждение могут легко привести к накоплению остаточного напряжения и изменению формы. Ответ:
Оптимизация процессов. Используя метод островного сканирования, один слой разбивается на несколько отдельных секций, которые можно печатать по одному. Это помогает равномерно распределить термическую нагрузку.
Термическая обработка: Чтобы избавиться более чем от 80% остаточного напряжения, нагрейте форму до 650 градусов Цельсия и дайте ей остыть.
Онлайн-мониторинг: использование инфракрасного тепловизора для наблюдения за температурным полем в режиме реального времени и изменение мощности лазера по мере необходимости.
3. Стоимость и стоимость материалов.
Порошок медицинского-титанового сплава стоит 2000–5000 юаней за килограмм, что в 5–10 раз дороже, чем обычная литейная сталь. Ответ:
Переработка порошка: путем просеивания и окислительной обработки степень извлечения нерасплавленного порошка достигает 95%.
Оптимизация топологии: снижение себестоимости единицы продукции и сокращение использования материалов на 30–50 %.
Крупномасштабное-производство: стоимость единицы продукции приблизилась к стоимости традиционных методов благодаря более высокой эффективности оборудования (например, оборудование Huashu High tech FS1211M может печатать со скоростью 50 см³/ч).