Khuôn thiết bị y tế cũng có thể được sản xuất bằng in 3D kim loại không?

一, Nhìn vào những lợi ích chính của công nghệ in 3D kim loại
1. Bậc tự do hình học và thiết kế để làm mát phù hợp
Quy trình khoan hạn chế các kênh làm mát trong khuôn truyền thống, do đó chúng thường sử dụng kiến ​​trúc tuyến tính hoặc đường chéo đơn giản. Điều này làm cho việc làm mát kém hiệu quả và nhiệt độ không đồng đều. Làm nóng chảy bằng Laser chọn lọc (SLM) và Làm nóng chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) là hai công nghệ cho phép thiết kế các kênh làm mát phù hợp một cách tự do bằng cách sử dụng in 3D kim loại. Ví dụ, trong khuôn cấy ghép chỉnh hình, việc sử dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa đường dẫn nước sao cho khoảng cách giữa kênh nước làm mát và bề mặt khoang khuôn nằm trong khoảng 2 mm có thể tiết kiệm 35% chu kỳ ép phun và giảm độ cong vênh của sản phẩm tới 60%. Thiết kế này rất quan trọng để chế tạo khuôn stent tim vì các kênh làm mát chính xác ở cấp độ vi mô-đảm bảo rằng vật liệu stent co lại đồng đều trong quá trình đúc, giúp ngăn hình thành các vết nứt do nồng độ ứng suất.
2. Đảm bảo tính tương thích sinh học và hiệu suất vật liệu
Khuôn mẫu cho thiết bị y tế phải đáp ứng tiêu chí tương thích sinh học rất cao. In 3D kim loại cho phép đúc trực tiếp các vật liệu bao gồm hợp kim titan (Ti6Al4V), hợp kim crom coban (CoCrMo) và thép không gỉ y tế (316L), tất cả đều đã được chứng nhận tương thích sinh học theo ISO 10993. Ví dụ, hợp kim titan Ti6Al4V thường được sử dụng để làm khuôn cho cấy ghép thay thế khớp vì nó không dễ bị ăn mòn và an toàn khi sử dụng với xương người. Bạn có thể điều chỉnh kích thước hạt của vật liệu trong khoảng từ 10 đến 50 μm bằng cách thay đổi cài đặt in, như công suất laser và tốc độ quét. Điều này tạo ra sự cân bằng giữa chất lượng cơ học và hoạt động sinh học.
3. Một thiết kế vừa nhẹ vừa tiện dụng
In 3D kim loại cho phép tạo ra các thiết kế nhẹ như cấu trúc mạng và cấu trúc mạng. Điều này giúp giảm việc sử dụng vật liệu trong khi vẫn đảm bảo khuôn chắc chắn. Ví dụ, kênh làm mát dạng lưới rỗng của Platinum dành cho khuôn cánh động cơ máy bay giúp giảm 40% trọng lượng và tăng hiệu suất làm mát lên 2,3 lần so với thiết kế tiêu chuẩn. Thiết kế này được sử dụng trong ngành y tế cho các khuôn tác động cuối của robot phẫu thuật. Nó làm giảm số bước cần thiết để lắp đặt thiết bị lại với nhau và làm cho thiết bị trở nên đáng tin cậy hơn bằng cách bổ sung các bộ phận chức năng như lỗ gắn cặp nhiệt điện và kênh chất lỏng.
2, Các trường hợp sử dụng phổ biến và nghiên cứu trường hợp
1. Làm khuôn cấy ghép chỉnh hình
Trường hợp: Khuôn cho mô cấy hông in 3D-
Hệ thống khớp háng nhân tạo 3D ACT của Aikang Medical sử dụng công nghệ in 3D lưỡng kim để làm khuôn thân xương đùi. Lớp liên kết xương được làm bằng hợp kim titan Ti6Al4V có cấu trúc vi xốp khuyến khích sự phát triển của tế bào xương; lớp chống mài mòn-được làm bằng hợp kim crom coban CoCrMo, có độ nhám bề mặt 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. Làm khuôn đặt stent tim mạch
Trường hợp: Khuôn cho stent mạch máu kích thước siêu nhỏ
Để chế tạo stent mạch máu, độ chính xác của quá trình sản xuất cần phải nằm trong khoảng từ 10 đến 50 μm. Điều này khó thực hiện được với gia công thông thường. Nhóm Khoa học và Công nghệ Huazhong đã sử dụng công nghệ SLM để chế tạo khuôn stent Nitinol. Độ chính xác của đường kính dây stent nhỏ hơn 2 μm do kiểm soát các yếu tố như độ dày lớp (20 μm) và công suất laser (150W). Trong mô hình động mạch vành ở lợn, stent được làm bằng khuôn này cho thấy khả năng hỗ trợ và linh hoạt tuyệt vời, với tỷ lệ huyết khối thấp hơn 40% so với các thiết bị thông thường.
3. Làm khuôn cho các bộ phận của thiết bị y tế
Vỏ: Khuôn dạng lưới cho bộ lọc chống tán xạ máy quét CT
Khuôn lưới lọc in 3D vonfram nguyên chất của Dunlee sử dụng công nghệ EBM để tạo ra các hình nón phức tạp chỉ trong một lần. So với các phương pháp phay tiêu chuẩn, lưới lọc của khuôn này có thể tăng tỷ lệ tín hiệu-trên-nhiễu của chùm tia hình nón CT lên 1,7 lần và giảm lãng phí vật liệu tới 85%. Ngoài ra, mật độ cao của vonfram nguyên chất (19,3 g/cm ³) còn bảo vệ khỏi tia X-, giúp duy trì chất lượng hình ảnh tốt.
3, Vấn đề và giải pháp trong công nghệ
1. Chất lượng bề mặt và quá trình sau xử lý
Độ nhám bề mặt của khuôn in 3D kim loại thường nằm trong khoảng Ra6 đến Ra10 μm. Sau khi xử lý, bao gồm đánh bóng điện phân và phun cát, cần hạ xuống Ra0,8 μm hoặc thấp hơn. Phương pháp đánh bóng cơ học hóa học (CMP) của Viện Sản xuất Hàng không Bắc Kinh có thể làm cho bề mặt của khuôn Ti6Al4V mịn hơn, đưa chúng xuống Ra0,2 μm, đây là tiêu chuẩn cho thiết bị y tế.
2. Kiểm soát ứng suất dư
Trong quá trình in, việc làm nóng và làm mát nhanh có thể dễ dàng tạo ra ứng suất dư và khuôn thay đổi hình dạng. Câu trả lời là:
Tối ưu hóa quy trình: Sử dụng phương pháp quét đảo, một lớp được chia thành nhiều phần riêng biệt có thể được in từng phần một. Điều này giúp phân tán đều ứng suất nhiệt.
Xử lý nhiệt: Để loại bỏ hơn 80% lực căng còn sót lại, hãy làm nóng khuôn đến 650 độ C và để nguội.
Giám sát trực tuyến: Sử dụng thiết bị chụp ảnh nhiệt hồng ngoại để theo dõi trường nhiệt độ trong thời gian thực và thay đổi công suất của tia laser khi cần thiết.
3. Giá thành và giá trị vật liệu
Bột hợp kim titan cấp-y tế có giá 2000–5000 nhân dân tệ mỗi kg, cao gấp 5–10 lần so với thép khuôn thông thường. Câu trả lời là:
Tái chế bột: Bằng cách sàng lọc và xử lý oxy hóa, tỷ lệ thu hồi bột không tan chảy lên tới 95%.
Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc liên kết: Giảm chi phí trên mỗi đơn vị và giảm mức sử dụng vật liệu từ 30% đến 50%.
-Sản xuất quy mô lớn: Chi phí trên mỗi sản phẩm đã tiến gần hơn đến chi phí của các phương pháp truyền thống nhờ hiệu suất thiết bị tốt hơn (ví dụ: thiết bị FS1211M công nghệ cao Huashu có thể in ở tốc độ 50cm ³/h).