Application de la technologie MIM du moulage par injection de poudre de titane métallique dans les produits médicaux
Jan 03, 2023
Application de la technologie de moulage par injection de poudre métallique MIM dans les produits médicaux
Pince chirurgicale mini-invasive
La Chine est un pays très peuplé et le phénomène de vieillissement devient de plus en plus grave. En outre, la poursuite passée du développement économique a causé des dommages excessifs à l'environnement, ce qui place les problèmes de santé des gens face à d'énormes défis et stimule la demande de produits médicaux dans l'ensemble de la société.
Comment améliorer la qualité et réduire le coût des produits médicaux a été un sujet de recherche pour les chercheurs nationaux et étrangers. La demande de produits médicaux est importante et la structure de nombreux produits est également très sophistiquée. Une nouvelle technologie de fabrication est donc nécessaire pour remplacer la production traditionnelle.
Moulage par injection de métal(MIM) est une nouvelle technologie de formage proche du filet, qui peut produire des produits aux formes complexes par lots en peu de temps. Il peut répondre aux exigences de fabrication des produits médicaux et devenir une méthode de fabrication idéale.
1 technologie MIM
1.1 Processus technologique de la technologie MIM
Le MIM est un processus de formation quasi-net développé rapidement au 20ème siècle. Le processus général est : poudre plus liant → mélange → moulage par injection → dégraissage → frittage.
Tout d'abord, le polymère et la poudre sont mélangés pour produire la charge avec une fluidité suffisante, un mélange uniforme et répondant aux exigences d'injection sous certaines conditions. Deuxièmement, la température d'injection, la pression d'injection, la vitesse d'injection et d'autres paramètres de processus appropriés sont sélectionnés pour le moulage par injection. Ensuite, le liant dans l'ébauche d'injection est retiré et fritté pour former une liaison métallurgique de la poudre. Enfin, les pièces qualifiées sont obtenues.
1.2 Caractéristiques de la technologie MIM
MIM est une nouvelle technologie de formage quasi net pour les pièces, qui combine la technologie de formage des plastiques, la chimie des polymères, la technologie de la métallurgie des poudres, les matériaux métalliques et d'autres disciplines. Il a les caractéristiques suivantes :
① Les pièces formées à l'aide de la technologie MIM ne nécessitent pas de traitement de suivi ou il y a peu de traitement de suivi. Avec un taux d'utilisation élevé des matériaux, ils appartiennent à la technologie de formage proche du filet et peuvent produire des pièces de forme complexe et performantes.
② Le processus de remplissage de l'alimentation et du frittage des produits peut être simulé par ordinateur, et le processus peut être optimisé à un stade précoce [1-2] pour obtenir le meilleur schéma de conception.
③ Pendant le processus d'injection, la pression de chaque point de la cavité est égale et la densité est égale partout sous la prémisse d'un mélange uniforme de l'alimentation, il n'y aura donc pas de gradient de densité, ce qui est facile à réaliser à grande échelle production .
2 Application de la technologie MIM dans les produits médicaux
2.1 Produits médicaux fabriqués par la technologie MIM
Les produits médicaux nécessitent généralement une bonne facilité d'utilisation et une durée de vie suffisamment longue, ainsi qu'une conception flexible dans la conception de la structure et de la forme [3].
Au début des années 1980, la technologie MIM a été appliquée pour la première fois dans les produits médicaux et est devenue le domaine à la croissance la plus rapide du marché MIM.
La figure 1 montre la proportion de la technologie MIM dans différentes industries en Amérique du Nord en 2015 [4]. On constate que le traitement médical et la dentisterie sont devenus les principaux domaines d'application du MIM en Amérique du Nord.
À l'heure actuelle, la plupart des produits médicaux MIM sont en acier inoxydable, les principales marques sont 316L et 17-4PH ; Il existe également des alliages de titane, des alliages de magnésium, de l'or, de l'argent, du tantale, etc. [5].
2.1.1 Bracket orthodontique
| Supports orthodontiques produits par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La technologie MIM a d'abord été utilisée dans le traitement médical pour fabriquer certains appareils orthopédiques dentaires. Ces produits de précision sont de très petite taille et ont une bonne biocompatibilité et une bonne résistance à la corrosion. Le matériau principal utilisé est l'inox 316L. Les brackets orthodontiques restent les principaux produits de l'industrie MIM.
Forestadent, une société allemande, a produit un support orthodontique à crochet bidirectionnel avec la technologie MIM. La force de retenue mécanique peut être augmentée de 30 %. Le polissage après une mise en forme unique avec MIM peut réduire considérablement le frottement entre le support et l'arc. Ce produit a été confirmé par BjornLudwig comme jouant un rôle positif en chirurgie orthodontique [6].
2.1.2 Outils chirurgicaux
| Outils chirurgicaux produits par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Les outils chirurgicaux doivent avoir une résistance élevée, une faible pollution sanguine et être capables de réaliser des procédures de désinfection agressives. La flexibilité de conception de la technologie MIM peut répondre à l'application de la plupart des outils chirurgicaux. En même temps, il a aussi les avantages de la technologie. Il peut fabriquer divers produits métalliques à faible coût. Il remplace progressivement la technologie de production traditionnelle comme principale méthode de fabrication.
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd. a développé une sorte de griffe en acier inoxydable [7] utilisant la technologie MIM, qui est faite d'acier inoxydable 17-4PH et a une densité de plus de 7,5 g/cm3. Il peut être utilisé pour saisir des objets dans le corps humain pendant une intervention chirurgicale et a la fonction de pince à épiler. Sa conception est assez complexe et nécessite une grande précision de production.
Le frittage après mise en forme avec la technologie MIM peut atteindre un niveau de tolérance élevé, et ne nécessite pas un grand nombre de traitements ultérieurs pour éviter d'endommager la forme linéaire et géométrique de la griffe.
Il est difficile de produire ce genre de griffe en acier inoxydable de forme complexe par fonderie ou usinage, ce qui nécessite un cycle de fabrication long et un coût élevé. L'utilisation de la technologie MIM pour sa fabrication peut permettre d'économiser 60 % du coût.
Les outils chirurgicaux jetables doivent développer un procédé pouvant être produit en masse à faible coût. Smith Metal Products Co., Ltd. utilise la technologie MIM pour produire un assemblage d'arbre [8], qui est utilisé dans un nouveau type d'instruments chirurgicaux jetables. Le coût n'est que de 1/4 à 1/5 de celui d'une machine-outil CNC suisse, la densité est de 7,5 g/cm3, la résistance à la traction ultime atteint 1190MPa, la limite d'élasticité 1090MPa, l'allongement est de 6,0 pour cent, et la dureté maximale est de 33 HRC.
Le processus de fabrication de ce produit est le suivant : d'abord, deux pièces d'arbre de 178 mm de long sont formées par la technologie MIM, puis deux pièces sont soudées au laser, puis l'usinage et le traitement thermique ultérieurs sont effectués. Afin de répondre aux exigences de bonne tolérance, un grenaillage et une passivation sont également nécessaires.
2.1.3 Pièces d'implant du genou
| Pièces d'implant osseux du genou produites par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
Les progrès de la technologie MIM dans le domaine de l'implantation humaine sont relativement lents, principalement parce que la certification et l'acceptation des produits nécessitent une longue période.
À l'heure actuelle, la technologie MIM permet de produire des pièces qui remplacent partiellement les os et les articulations, et les matériaux métalliques utilisés sont principalement des alliages de Ti [9].
En termes de biocompatibilité, Chen Liangjian et al. [10] ont préparé du titane poreux avec une porosité de 60 % en utilisant la technologie MIM et préparé des microsphères de gélatine à libération prolongée en utilisant une méthode améliorée de réticulation par polymérisation par condensation et les ont enduites sur la surface du titane poreux.
Les résultats ont montré que les microsphères à libération prolongée de gélatine revêtues de titane poreux n'avaient aucune cytotoxicité et pouvaient être utilisées comme un bon matériau pour les implants médicaux.
La société canadienne MaettaSciences Inc a utilisé avec succès Ti-6Al-4V pour produire des échantillons de genou pour implant humain [11]. L'implant supporte principalement la pression après son entrée dans le corps humain et présente une bonne biocompatibilité. Après le formage MIM, un pressage isostatique à chaud est effectué, suivi d'un grenaillage, d'un polissage et d'une anodisation pour obtenir de meilleures performances de surface, réduire les frottements avec le corps humain et améliorer la compatibilité et la durée de vie.
2.1.4 Conduit sonore de l'aide auditive
| Pièces de coque d'aide auditive produites par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
| Tube d'aide auditive produit par Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd |
La technologie MIM peut également être utilisée pour produire des pièces de divers dispositifs médicaux.
La société Indo MIM utilise la technologie MIM pour produire un tube sonore d'aide auditive pour la société Phonak en Allemagne [12], ce qui a pour effet d'améliorer le débit sonore et de favoriser l'audition.
Ce type de tube sonore de prothèse auditive de forme complexe peut être obtenu par frittage après formage MIM. Afin de rendre la surface du tube sonore lisse, il suffit de passer ultérieurement par un processus de sablage aux billes de verre.
La densité du tube acoustique est supérieure à 7,65 g/cm3, la résistance à la traction maximale peut atteindre 480 MPa, la limite d'élasticité de 150 MPa, l'allongement de 45 % et la dureté de surface maximale de 100 HRB. La technologie MIM peut réduire le coût de 20 % par rapport au processus de production traditionnel précédent.
La technologie MIM peut également être utilisée pour produire de nombreux produits dans le domaine médical, y compris le stent de thérapie interventionnelle, la protection contre les rayonnements de la seringue en alliage de tungstène haute densité, le manipulateur de microchirurgie, les pièces d'endoscope à micro-pompe et l'inhalateur de médicaments [13].
2.2 Nouvelle technologie MIM appliquée aux produits médicaux
2.2.1 Moulage par micro-injection de métal
Le moulage par micro-injection de métal, μ MIM) est une technologie de formage développée par l'institut de recherche IFAM en Allemagne, qui consiste à appliquer organiquement la technologie MIM à la préparation de pièces dont les dimensions peuvent atteindre le niveau du micromètre.
D'une manière générale, le μ MIM peut être utilisé pour fabriquer deux types de produits :
① Pièces d'une taille micrométrique et d'une masse de plusieurs milligrammes ;
② La taille d'apparence de la pièce est similaire à la taille de la pièce de moulage par injection traditionnelle, mais la taille de la structure locale est jusqu'au niveau du micromètre.
Ces dernières années, le moulage par micro-injection est devenu un point névralgique de la recherche dans le domaine du moulage par injection. Avec le développement des machines modernes vers la miniaturisation, l'application du moulage par micro-injection sera de plus en plus étendue [14].
À l'heure actuelle, le centre de recherche de Karlsruha dispose de la technologie μ MIM qui a été appliquée avec succès à la production de micro-pièces de dispositifs médicaux [15], tels qu'un spectromètre, une plaque de titrage, etc. La taille de la structure du produit a atteint le niveau du micron, et le l'épaisseur minimale de la paroi est de 50 μm.
La figure 2 montre l'utilisation de l'IFAM en Allemagne μ L'ancre de suture [16] produite par la technologie MIM pour une opération chirurgicale n'a que la taille d'une tête d'allumette.
2.2.2 Moulage par co-injection de métal
Le moulage par co-injection de métal (Co MIM), né dans les années 1990, est une technologie de moulage par injection de poudre de type sandwich.
Ce procédé consiste à injecter simultanément ou par lots deux matériaux aux caractéristiques différentes dans un moule pour un moulage par injection composite. Il peut combiner des matériaux métalliques et un matériau aux propriétés totalement différentes dans une même pièce.
La structure noyau/coque avec fonctionnalité et forme complexe peut être obtenue par ce procédé, et les processus ultérieurs tels que le revêtement, le traitement thermique et l'assemblage des produits ne sont pas nécessaires. Enfin, un processus peut être réalisé pour préparer des matériaux à gradient fonctionnel, ce qui réduit considérablement le processus et réduit le coût.
La technologie Co MIM offre une nouvelle idée pour le développement et la conception de pièces fonctionnelles. Li Yimin et al. [17] ont proposé une nouvelle structure d'implant biologique utilisant la technologie Co MIM, qui est largement utilisée dans les structures osseuses corticales denses et les structures osseuses spongieuses avec des pores externes et des pores internes.
Cette structure est propice à la transmission des contraintes d'interface entre l'os de l'implant et la structure osseuse environnante. Il existe de nombreuses couches externes, le rapport volumique de la porosité de la structure des pores est de 5% ~ 60% et le plus grand pore est de 400 μm.
3 Perspectives
Selon la récente étude de marché de BCCresearch sur le moulage par injection de métal et de céramique, la valeur marchande mondiale des pièces moulées par injection de métal et de céramique passera de 2,5 milliards de dollars en 2022 à près de 3,9 milliards de dollars en 2028, avec un taux de croissance annuel moyen de 11,4 %.
Dans le même temps, avec la baisse des ventes d'automobiles, la technologie MIM entrera davantage dans les domaines médical, aérospatial, électronique et autres.
Dans la nouvelle version de la feuille de route de l'industrie européenne de la métallurgie des poudres, l'Association européenne de la métallurgie des poudres a souligné que le marché médical est une partie extrêmement importante de l'industrie du moulage par injection [18].
Avec l'expansion continue du marché, l'application de la technologie MIM dans le domaine médical sera de plus en plus approfondie, et divers nouveaux matériaux et procédés basés sur la technologie MIM seront également constamment développés.
Tête de bistouri à ultrasons
Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.est maintenant un fabricant puissant avec une riche expérience dans la production de divers types de produits MIM pour dispositifs médicaux. À l'avenir, elle consacrera également davantage d'efforts aux produits de précision de moulage par injection de poudre métallique dans l'industrie des dispositifs médicaux.
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