Чи можна виготовляти форми для медичних пристроїв за допомогою 3D-друку з металу?

一 Розглянемо основні переваги технології 3D-друку з металу
1. Геометричні ступені свободи та дизайн для конформного охолодження
Процедури свердління обмежують канали охолодження в традиційних прес-формах, тому вони зазвичай використовують лінійну або просту перехресну архітектуру. Це робить охолодження менш ефективним і температуру нерівномірною. Вибіркове лазерне плавлення (SLM) і плавлення електронним променем (EBM) — це дві технології, які дозволяють вільно проектувати конформні канали охолодження за допомогою 3D-друку на металі. Наприклад, у прес-формах для ортопедичних імплантатів використання програмного забезпечення для моделювання для оптимізації шляху води таким чином, щоб відстань між каналом охолоджувальної води та поверхнею порожнини форми залишалася в межах 2 мм, може заощадити цикл лиття під тиском на 35% і скоротити викривлення продукту на 60%. Ця конструкція дуже важлива для виготовлення форм для серцевих стентів, оскільки канали охолодження мікро-рівня забезпечують рівномірну усадку матеріалів стента під час процесу формування, що запобігає утворенню тріщин через концентрацію напруги.
2. Гарантія біосумісності та працездатності матеріалу
Форми для медичних пристроїв повинні відповідати дуже високим критеріям біосумісності. Металевий 3D-друк дозволяє безпосередньо формувати матеріали, зокрема титановий сплав (Ti6Al4V), кобальт-хромовий сплав (CoCrMo) і медичну нержавіючу сталь (316L), усі з яких були сертифіковані як біосумісні згідно з ISO 10993. Наприклад, титановий сплав Ti6Al4V зазвичай використовується для виготовлення форм для імплантатів для заміни суглобів, оскільки він не піддається корозії. і безпечний для використання з людськими кістками. Ви можете регулювати розмір зерна матеріалу від 10 до 50 мкм, змінюючи параметри друку, наприклад потужність лазера та швидкість сканування. Це встановлює баланс між механічними якостями та біологічною активністю.
3. Легкий і функціональний дизайн
Металевий 3D-друк дозволяє створювати легкі конструкції, такі як гратчасті структури та ґратчасті структури. Це скорочує використання матеріалу, забезпечуючи міцність форми. Наприклад, порожнистий решітчастий охолоджуючий канал Platinum для форм для лопатей авіаційних двигунів знижує вагу на 40% і підвищує ефективність охолодження в 2,3 рази, ніж у стандартних конструкціях. Ця конструкція використовується в медичній професії для форм кінцевих ефекторів хірургічних роботів. Це зменшує кількість кроків, необхідних для збирання обладнання, і робить його надійнішим завдяки додаванню функціональних елементів, таких як монтажні отвори для термопар і канали рідини.
2, Загальні випадки використання та тематичні дослідження
1. Виготовлення зліпків для ортопедичних імплантів
Корпус: форма для 3D-надрукованого імплантату стегна
Система штучного кульшового суглоба 3D ACT від Aikang Medical використовує біметалічну технологію 3D-друку для виготовлення форми стегнової кістки. З’єднувальний шар кістки виготовлено з титанового сплаву Ti6Al4V, який має мікропористу структуру, що сприяє росту кісткових клітин; зносостійкий шар виготовлено зі сплаву кобальт-хром CoCrMo, який має шорсткість поверхні 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. Виготовлення форм для серцево-судинних стентів
Корпус: Форма для судинного стента мікророзміру
Для виготовлення судинних стентів точність виробничого процесу повинна становити від 10 до 50 мкм. Це важко зробити за допомогою звичайної механічної обробки. Команда Науково-технічного університету Хуачжун використовувала технологію SLM для виготовлення форм для стентів з нітинолу. Похибка діаметра дроту стента становила менше 2 мкм за допомогою контрольних факторів, таких як товщина шару (20 мкм) і потужність лазера (150 Вт). У моделі коронарної артерії свині стент, виготовлений за допомогою цієї форми, демонструє чудову підтримку та гнучкість із на 40% нижчим рівнем тромбоутворення, ніж у типових пристроїв.
3. Виготовлення форм для деталей медичного обладнання
Корпус: форма з дротяною сіткою для фільтра проти-розсіювання комп’ютерного томографа
3D-друкована форма фільтруючої сітки з чистого вольфраму від Dunlee використовує технологію EBM для створення складних конічних форм за один раз. Порівняно зі стандартними методами фрезерування, сітка фільтра цієї прес-форми може збільшити відношення-до-шуму конусно-променевого КТ у 1,7 рази та скоротити відходи матеріалу на 85%. Крім того, висока щільність чистого вольфраму (19,3 г/см³) захищає від рентгенівських-променів, що забезпечує високу якість зображення.
3, Проблеми та рішення в техніці
1. Якість поверхні та процес після обробки
Шорсткість поверхні металевих форм для 3D-друку зазвичай становить від Ra6 до Ra10 мкм. Після обробки, включаючи електролітичне полірування та піскоструминну обробку, його потрібно знизити до Ra0,8 мкм або нижче. Метод хіміко-механічного полірування (CMP) Пекінського інституту аеронавігаційного виробництва може зробити поверхню форм Ti6Al4V більш гладкою, зменшивши її до Ra0,2 мкм, що є стандартом для медичного обладнання.
2. Контроль залишкової напруги
Під час процесу друку швидке нагрівання та охолодження може легко призвести до накопичення залишкової напруги та зміни форми форми. Відповідь:
Оптимізація процесів: за допомогою методу острівного сканування один шар розбивається на кілька окремих секцій, які можна друкувати по черзі. Це допомагає рівномірно розподілити теплову напругу.
Термічна обробка: щоб позбутися більше ніж 80% залишкового натягу, нагрійте форму до 650 градусів за Цельсієм і дайте їй охолонути.
Онлайн-моніторинг: використання інфрачервоного тепловізора для спостереження за температурним полем у реальному часі та зміна потужності лазера за потреби.
3. Вартість і вартість матеріалів
Порошок титанового сплаву медичного-класу коштує 2000–5000 юанів за кілограм, що в 5–10 разів дорожче за звичайну формувальну сталь. Відповідь:
Повторна переробка порошку: за допомогою сортування та обробки окисленням швидкість відновлення нерозплавленого порошку досягає 95%.
Дизайн з оптимізацією топології: знизити вартість одиниці та скоротити використання матеріалів на 30–50%.
Масштабне-виробництво: вартість штуки наблизилася до вартості традиційних методів завдяки вищій ефективності обладнання (наприклад, обладнання Huashu High tech FS1211M може друкувати зі швидкістю 50 см³/год).