Aplicação da tecnologia MIM de moldagem por injeção de pó de titânio metálico em produtos médicos
Jan 03, 2023
Aplicação da tecnologia de moldagem por injeção de pó de metal MIM em produtos médicos
Pinça cirúrgica minimamente invasiva
A China é um país com uma grande população, e o fenômeno do envelhecimento está ficando cada vez mais grave. Além disso, a busca passada pelo desenvolvimento econômico causou danos excessivos ao meio ambiente, o que faz com que os problemas de saúde das pessoas enfrentem enormes desafios e estimule a demanda por produtos médicos em toda a sociedade.
Como melhorar a qualidade e reduzir o custo de produtos médicos tem sido um tema de pesquisa de estudiosos nacionais e estrangeiros. A demanda por produtos médicos é grande e a estrutura de muitos produtos também é muito sofisticada; portanto, é necessária uma nova tecnologia de fabricação para substituir a produção tradicional.
Moldagem por injeção de metal(MIM) é uma nova tecnologia de formação quase líquida, que pode produzir produtos com formas complexas em lotes em um curto período de tempo. Ele pode atender aos requisitos de fabricação de produtos médicos e se tornar um método de fabricação ideal.
1 tecnologia MIM
1.1 Processo tecnológico da tecnologia MIM
O MIM é um processo de formação quase líquido desenvolvido rapidamente no século XX. O processo geral é: pó mais aglutinante → mistura → moldagem por injeção → desengorduramento → sinterização.
Em primeiro lugar, o polímero e o pó são misturados para produzir a alimentação com fluidez suficiente, mistura uniforme e atendendo aos requisitos de injeção sob certas condições. Em segundo lugar, a temperatura de injeção apropriada, pressão de injeção, velocidade de injeção e outros parâmetros do processo são selecionados para moldagem por injeção. Em seguida, o aglutinante no branco de injeção é removido e sinterizado para formar a ligação metalúrgica do pó. Finalmente, as peças qualificadas são obtidas.
1.2 Características da tecnologia MIM
MIM é uma nova tecnologia de conformação quase líquida para peças, que combina tecnologia de conformação de plástico, química de polímeros, tecnologia de metalurgia do pó, materiais metálicos e outras disciplinas. Tem as seguintes características:
① As peças formadas usando a tecnologia MIM não requerem processamento de acompanhamento ou há pouco processamento de acompanhamento. Com alta taxa de utilização de material, eles pertencem à tecnologia de conformação quase líquida e podem produzir peças de alto desempenho e formas complexas.
② O processo de enchimento de alimentação e sinterização de produtos pode ser simulado por computador, e o processo pode ser otimizado no estágio inicial [1-2] para obter o melhor esquema de design.
③ Durante o processo de injeção, a pressão de cada ponto na cavidade é igual e a densidade é igual em todos os lugares sob a premissa de mistura uniforme da alimentação, portanto não haverá gradiente de densidade, o que é fácil de alcançar produção em larga escala .
2 Aplicação da tecnologia MIM em produtos médicos
2.1 Produtos médicos fabricados pela tecnologia MIM
Os produtos médicos geralmente requerem boa usabilidade e vida útil longa o suficiente e design flexível em estrutura e design de forma [3].
No início dos anos 80, a tecnologia MIM foi aplicada pela primeira vez em produtos médicos e tornou-se a área de crescimento mais rápido do mercado MIM.
A Figura 1 mostra a proporção da tecnologia MIM em diferentes indústrias na América do Norte em 2015 [4]. Pode-se observar que o tratamento médico e a odontologia se tornaram os principais campos de aplicação do MIM na América do Norte.
Atualmente, a maioria dos produtos médicos MIM são feitos de aço inoxidável, as principais marcas são 316L e 17-4PH; Existem também ligas de titânio, ligas de magnésio, ouro, prata, tântalo, etc. [5].
2.1.1 Bracket ortodôntico
| Suportes ortodônticos produzidos pela Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
A tecnologia MIM foi usada pela primeira vez no tratamento médico para fazer alguns aparelhos ortopédicos dentários. Esses produtos de precisão são muito pequenos em tamanho e possuem boa biocompatibilidade e resistência à corrosão. O principal material utilizado é o aço inoxidável 316L. Os bráquetes ortodônticos ainda são os principais produtos da indústria MIM.
A Forestadent, uma empresa alemã, produziu um bráquete ortodôntico em gancho bidirecional com tecnologia MIM. A força de retenção mecânica pode ser aumentada em 30%. O polimento após a moldagem única com MIM pode reduzir muito o atrito entre o bráquete e o arco. Este produto foi confirmado por BjornLudwig para desempenhar um papel positivo na cirurgia ortodôntica [6].
2.1.2 Ferramentas cirúrgicas
| Ferramentas cirúrgicas produzidas pela Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
As ferramentas cirúrgicas devem ter alta resistência, baixa poluição do sangue e serem capazes de realizar procedimentos de desinfecção agressivos. A flexibilidade de design da tecnologia MIM pode atender a aplicação da maioria das ferramentas cirúrgicas. Ao mesmo tempo, também tem as vantagens da tecnologia. Pode fabricar vários produtos de metal a baixo custo. Está gradualmente substituindo a tecnologia de produção tradicional como o principal método de fabricação.
A Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. desenvolveu um tipo de garra de aço inoxidável [7] usando a tecnologia MIM, que é feita de aço inoxidável 17-4PH e tem uma densidade de mais de 7,5g/cm3. Ele pode ser usado para agarrar objetos no corpo humano durante a cirurgia e tem a função de pinça. Seu design é bastante complexo e requer alta precisão de produção.
A sinterização após a conformação com tecnologia MIM pode atingir um alto nível de tolerância e não requer um grande número de processos de tratamento subsequentes para evitar danos à forma linear e geométrica da garra.
É difícil produzir esse tipo de garra de aço inoxidável com formato complexo por fundição ou usinagem, o que requer um longo ciclo de produção e alto custo. O uso da tecnologia MIM para fabricá-lo pode economizar 60% do custo.
Ferramentas cirúrgicas descartáveis precisam desenvolver um processo que possa ser produzido em massa a baixo custo. A Smith Metal Products Co., Ltd. usa a tecnologia MIM para produzir um conjunto de eixo [8], que é usado em um novo tipo de instrumentos cirúrgicos descartáveis. O custo é de apenas 1/4 a 1/5 do custo de uma máquina-ferramenta CNC suíça, a densidade é de 7,5 g/cm3, a resistência à tração chega a 1190MPa, o limite de elasticidade é de 1090MPa, o alongamento é de 6,0 por cento, e a dureza máxima é de 33 HRC.
O processo de fabricação deste produto é o seguinte: primeiro, duas peças de eixo de 178 mm de comprimento são formadas pela tecnologia MIM, depois duas peças são soldadas a laser e, em seguida, a usinagem e o tratamento térmico subsequentes são realizados. Para atender aos requisitos de boa tolerância, também são necessários shot peening e passivação.
2.1.3 Partes do implante de joelho
| Peças de implante ósseo de joelho produzidas por Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
O progresso da tecnologia MIM na área de implantação humana é relativamente lento, principalmente porque a certificação e aceitação de produtos precisam de um longo período.
Atualmente, a tecnologia MIM pode ser utilizada para produzir peças que substituem parcialmente ossos e articulações, e os materiais metálicos utilizados são principalmente ligas de Ti [9].
Em termos de biocompatibilidade, Chen Liangjian et al. [10] preparou titânio poroso com uma porosidade de 60 por cento usando a tecnologia MIM e preparou microesferas de gelatina de liberação sustentada usando um método de reticulação de polimerização de condensação aprimorado e revestiu-as na superfície de titânio poroso.
Os resultados mostraram que as microesferas de liberação sustentada revestidas com titânio poroso não apresentaram citotoxicidade e podem ser usadas como um bom material para implantes médicos.
A canadense MaettaSciences Inc usou com sucesso o Ti-6Al-4V para produzir peças de amostra de joelho para implante humano [11]. O implante suporta principalmente pressão depois de entrar no corpo humano e tem boa biocompatibilidade. Após a conformação MIM, é realizada a prensagem isostática a quente, seguida de shot peening, polimento e anodização para obter melhor desempenho da superfície, reduzir o atrito com o corpo humano e melhorar a compatibilidade e a vida útil.
2.1.4 Tubo de som do aparelho auditivo
| Peças de conchas para aparelhos auditivos produzidas pela Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Tubo para aparelhos auditivos produzido pela Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
A tecnologia MIM também pode ser usada para produzir peças de vários dispositivos médicos.
A Indo MIM Company usa a tecnologia MIM para produzir um tubo de som para aparelhos auditivos para a Phonak Company na Alemanha [12], que tem o efeito de melhorar a taxa de som e promover a audição.
Este tipo de tubo de som para aparelho auditivo com formato complexo pode ser obtido por sinterização após a formação MIM. Para tornar a superfície do tubo de som lisa, basta passar posteriormente por um processo de jateamento de esferas de vidro.
A densidade do tubo acústico é superior a 7,65 g/cm3, a resistência máxima à tração pode chegar a 480 MPa, a resistência ao escoamento 150 MPa, o alongamento 45% e a dureza máxima da superfície 100 HRB. A tecnologia MIM pode reduzir o custo em 20% em comparação com o processo de produção tradicional anterior.
A tecnologia MIM também pode ser usada para produzir muitos produtos na área médica, incluindo stent de terapia intervencionista, blindagem de radiação de seringa de liga de alta densidade de tungstênio, manipulador de microcirurgia, peças de endoscópio de microbomba e inalador de drogas [13].
2.2 Nova tecnologia MIM aplicada a produtos médicos
2.2.1 Moldagem por microinjeção de metal
A moldagem por microinjeção de metal, μ MIM) é uma tecnologia de conformação desenvolvida pelo IFAM Research Institute na Alemanha, que consiste em aplicar organicamente a tecnologia MIM na preparação de peças com dimensões de até micrômetros.
De um modo geral, μ MIM pode ser usado para produzir dois tipos de produtos:
① Peças com tamanho de micrômetro e massa de vários miligramas;
② O tamanho da aparência da peça é semelhante ao tamanho da peça de moldagem por injeção tradicional, mas o tamanho da estrutura local é até o nível do micrômetro.
Nos últimos anos, a moldagem por microinjeção tornou-se um foco de pesquisa no campo da moldagem por injeção. Com o desenvolvimento de máquinas modernas em direção à miniaturização, a aplicação da microinjeção será cada vez mais extensa [14].
Atualmente, o Karlsruha Research Center tem a tecnologia μ MIM aplicada com sucesso à produção de micropeças de dispositivos médicos [15], como espectrômetro, placa de titulação, etc. O tamanho da estrutura do produto atingiu o nível de mícron e o a espessura mínima da parede é de 50 μm.
A Figura 2 mostra o uso de IFAM na Alemanha μ A âncora de sutura [16] produzida pela tecnologia MIM para operação cirúrgica é apenas do tamanho de uma cabeça de fósforo.
2.2.2 Moldagem por co-injeção de metal
A moldagem por co-injeção de metal (Co MIM), originada na década de 1990, é uma tecnologia de moldagem por injeção de pó tipo sanduíche.
Este processo consiste em injetar simultaneamente ou em lotes dois materiais com características diferentes em um molde para uma moldagem por injeção de compósito. Pode combinar materiais metálicos e um material com propriedades completamente diferentes na mesma peça.
A estrutura de núcleo/casca com funcionalidade e forma complexa pode ser obtida por este método, e processos subsequentes como revestimento, tratamento térmico e montagem de produtos não são necessários. Finalmente, pode ser realizado um processo para preparar materiais com gradiente funcional, o que reduz muito o processo e reduz o custo.
A tecnologia Co MIM oferece uma nova ideia para o desenvolvimento e design de peças funcionais. Li Yimin et ai. [17] propuseram uma nova estrutura de implante biológico usando a tecnologia Co MIM, que é amplamente utilizada em estruturas ósseas corticais densas e estruturas ósseas esponjosas com poros externos e poros internos.
Esta estrutura é propícia à transmissão de tensão de interface entre o osso do implante e a estrutura óssea circundante. Existem muitas camadas externas, a proporção de volume de porosidade da estrutura de poros é de 5% a 60% e o maior poro é de 400 μm.
3 Perspectivas
De acordo com a recente pesquisa de mercado da BCCresearch sobre moldagem por injeção de metal e cerâmica, o valor de mercado global de peças moldadas por injeção de metal e cerâmica aumentará de 2,5 bilhões de dólares em 2022 para quase 3,9 bilhões de dólares em 2028, com uma taxa média de crescimento anual de 11,4%.
Ao mesmo tempo, com o declínio das vendas de automóveis, a tecnologia MIM entrará mais nos campos médico, aeroespacial, eletrônico e outros.
Na nova versão do roteiro da indústria européia de metalurgia do pó, a European Powder Metallurgy Association apontou que o mercado médico é uma parte extremamente importante da indústria de moldagem por injeção [18].
Com a expansão contínua do mercado, a aplicação da tecnologia MIM na área médica será cada vez mais aprofundada, e vários novos materiais e processos baseados na tecnologia MIM também serão constantemente desenvolvidos.
cabeça de bisturi ultra-sônico
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.é agora um fabricante poderoso com rica experiência na produção de vários tipos de produtos MIM para dispositivos médicos. No futuro, também dedicará mais esforços a produtos de precisão de moldagem por injeção de pó de metal na indústria de dispositivos médicos.
Palavras-chave: moldagem por injeção de pó metálico; Produtos médicos; Moldagem por microinjeção de metais; Moldagem por co-injeção de metais; Instrumentos cirúrgicos;
