注射成形 免费分享~金属粉末注射成形技术在医疗产品上的应用

——来源:中国知识网，整理:大卫——

文摘:介绍了金属粉末注射成型技术的工艺流程和特点。综述了MIM技术在正畸托槽、手术工具、膝关节植入件和助听器验管等医疗产品中的应用。介绍了金属微注射成型和金属共注射成型两种新型金属粉末注射成型技术在医疗产品中的应用。

关键词:金属粉末注射成型；医疗产品；金属微注射成型；金属共注射成型doi:10.14158/j . CNKI . 1001-3814 . 2017 . 14 . 004

中国地图分类号:TG131；TF132.2文件识别码:a文章编号:1001-3814(2017)14-0015-03

金属粉末注射成型在医疗产品中的应用

庞无忌，曹魏震

(淮海工学院机械工程学院，连云港222005)

文摘:介绍了金属粉末注射成型技术的工艺流程和特点。综述了金属注射成形技术在医疗产品中的应用，如正畸托槽、外科手术工具、膝关节植入件和支撑辅助管等。阐述了金属微注射成型和金属铝共注射成型两种金属注射成型新技术在医疗产品中的应用。

关键词:金属粉末注射成型；医疗产品；金属微注射成型；金属共注射成型

中国是一个人口大国，老龄化现象越来越严重。此外，过去盲目追求经济发展对环境造成的过度破坏，使人们的健康问题面临巨大挑战，刺激了整个社会对医疗产品的需求。

然而，如何提高医疗产品的质量和降低成本一直是国内外学者的研究课题。医疗产品的需求很大，许多产品的结构非常复杂，需要一种新的制造技术来代替传统的生产。

金属注射成型(MIM)是一种新的近净成形技术，可以在短时间内大量生产复杂形状的产品，满足医疗产品的制造要求，成为一种理想的制造方法。

1 MIM技术

1.1金属注射成型技术工艺流程

金属注射成形是20世纪迅速发展起来的近净成形工艺。一般工艺为:粉料+粘结剂→混合→注塑→脱脂→烧结。

首先将高分子聚合物与粉料混合，在一定条件下，捏合出流动性足够、混合均匀、满足注射要求的饲料；其次，通过选择合适的注射温度、注射压力和注射速度进行注射成型；然后去除注射坯中的粘结剂并烧结，使粉末形成冶金结合，最终得到符合要求的产品。

1.2 mim技术的特点

金属注射成形(MIM)是一种新的零部件近净成形技术，它结合了塑性成形技术、高分子化学、粉末冶金技术和金属材料科学，具有以下特点:

(MIM技术成形的零件不需要或后续加工很少，材料利用率高，属于近净成形技术，可以生产出高性能、形状复杂的零件。

②可以用计算机模拟产品进料和烧结的充填过程，并在前期[1-2]对工艺进行优化，得到最佳设计方案。

③注射过程中，型腔内各点压力相等，在进料混合均匀的前提下，各点密度相等，不会出现密度梯度，易于实现规模化生产。

2 MIM技术在医疗产品中的应用

2.1 mim技术制造的医疗产品

医疗产品一般要求可用性好，使用寿命足够长，在结构和外形设计上要求设计灵活[3]。

20世纪80年代初，MIM技术首次应用于医疗产品，成为MIM市场发展最快的领域。

图1显示了2015年北美不同行业的MIM技术比例[4]。因此，医疗和牙科成为北美MIM的主要应用领域。

目前大部分医用MIM产品采用不锈钢制造，主要牌号有316L和17-4PH；。有钛合金，镁合金，金，银，钽等等[5]。

图1 2015年北美不同行业中金属注射成型的比例图1 2015年北美金属注射成型应用的大致划分

2.1.1正畸托槽

金属注射成型技术首先被用于制造医疗中的一些牙齿矫正器。这些精密产品尺寸非常小，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性。使用的主要材料是316L不锈钢。目前，正畸托槽仍然是MIM行业的主要产品。

德国Forestadent公司利用MIM技术生产了一种双向倒钩正畸托槽，可提高机械固位30%。用MIM一次成型后抛光可以大大降低托槽与弓丝之间的摩擦力。BjornLudwig已经证明该产品在正畸手术中有积极作用[6]。

2.1.2手术工具

手术工具需要具有高强度、低血液污染并且能够实施积极的消毒程序。MIM技术的设计灵活性可以满足大多数手术工具的应用，同时在技术上也有优势，可以低成本制造各种金属产品，正逐渐取代传统的生产技术成为主要的制造方法。

FloMet有限公司利用MIM技术开发了一种不锈钢爪[7]，采用17-4PH不锈钢制成，密度大于7.5g/cm3。它可以在手术过程中用来抓取人体内的物体，具有镊子的功能。它的设计相当复杂，对生产精度要求很高。

通过使用MIM技术形成然后烧结，可以实现高公差水平，并且不需要大量的后续加工技术来避免损坏爪的线性和几何形状。

这种形状复杂的不锈钢爪很难通过铸造或机械加工来生产，生产周期长，成本高。使用MIM技术可以节省60%的成本。

一次性手术工具需要开发低成本的批量生产流程。史密斯金属制品公司使用金属注射成型技术生产轴组件，用于新型一次性手术器械。成本仅为瑞士数控机床的1/4 ~ 1/5，密度7.5 g/cm3，极限抗拉强度1190MPa，屈服强度1090MPa，延伸率6.0%，最大。

该产品的制造工艺如下:首先通过MIM技术形成两个长度为178mm的轴类零件，然后对这两个零件进行激光焊接，再进行机械加工和热处理。为了达到更好的公差要求，需要进行喷丸和钝化处理。

2.1.3膝盖植入部件

MIM技术在人体植入领域进展缓慢，主要是因为产品认证和验收周期长。

目前可以用MIM技术生产部分替代骨骼和关节的零件，使用的金属材料主要是钛合金[9]。

在生物相容性方面，建等[10]利用MIM技术制备了孔隙率为60%的多孔钛，并通过改进的缩聚交联法制备了明胶缓释微球，将其包覆在多孔钛表面。

结果表明，明胶微球包覆的多孔钛无细胞毒性，可作为医用植入物的良好材料。

用于人体植入的膝盖样品部件由加拿大梅塔科学公司使用钛-6Al-4V成功生产[11]。植入物进入人体后主要承受压力，生物相容性好。采用MIM成型后，进行热等静压，然后进行喷丸、抛光、阳极氧化，以获得更好的表面性能，减少与人体的摩擦，提高相容性和使用寿命。

2.1.4助听器声音导管

MIM技术也可以用来生产各种医疗设备的零件。

Indo-MIM公司利用MIM技术为德国Phonak公司生产了一种助听器音管，具有提高声音率、促进听力的效果。

这种形状复杂的助听器音管，可以通过MIM成型后烧结得到。为了使声管的表面具有光滑的光洁度，只需要经过玻璃珠喷砂处理。

该声管的密度大于7.65克/立方厘米，最大拉伸强度为480兆帕，屈服强度为150兆帕，伸长率为45%，最大表面硬度为100赫兹。与传统生产工艺相比，金属注射成型技术可降低成本20%。

MIM技术还可用于生产医疗中的多种产品，包括介入治疗支架、钨高密度合金注射器的辐射屏蔽、显微外科手术机械手、微型泵内窥镜部件和药物吸入器等。[13].

2.2医疗产品应用的最小均方误差新技术

2.2.1金属微注射成型

金属微注射成型(μMIM)是由德国IFAM研究所开发的一种成型技术，旨在将MIM技术应用于制备尺寸高达微米的零件。

一般来说，μMIM可以用来生产两种产品:

(1)微米尺寸和重量轻至几毫克的部件；

②零件外形尺寸与传统注塑零件相似，但局部结构尺寸达到具有微结构的微米级零件。

近年来，微注射成型已成为注射成型领域的研究热点。随着现代机械向小型化发展，微注射成型的应用将越来越广泛[14]。

目前，卡尔斯鲁厄研究中心已经成功地将μMIM技术应用于医疗器械小零件的生产，如光谱仪、滴定板等。

图2是德国IFAM公司采用μMIM技术生产的用于外科手术的缝合锚[16]，其尺寸只有火柴头大小。

图2缝合锚图2缝合锚

2.2.2金属共注射成型

金属共注射成型(Co-MIM)起源于20世纪90年代，是一种三明治式粉末注射成型技术。

在这个过程中，将两种不同性质的材料同时或分批注射到模具中，进行复合注射成型，可以在同一零件中结合金属材料和性质完全不同的材料。

通过采用这种方法，可以获得具有功能性和复杂形状的核/壳结构，并且不需要涂覆、热处理和组装等后续工艺。最后，功能梯度材料可以在一个工艺中制备，大大减少了工艺，降低了成本。

Co-MIM技术为功能部件的开发和设计提供了新的思路。李益民等人[17]提出了一种利用钴-金属注射成形技术的新型生物植入结构，广泛应用于致密的皮质骨结构和外孔的松质骨结构。

这种结构有利于植入骨与周围骨结构之间的界面应力传递。外层多孔结构的孔隙率体积比为5% ~ 60%，最大孔隙为400 μ m。

参考阅读:【技术】金属注射成型新技术:μ-MIM和2C-MIM工艺介绍

3展望

根据BCCresearch近期对金属和陶瓷注射成型的市场研究，金属和陶瓷注射成型零件的全球市场价值将从2012年的15亿美元增长到2018年的近29亿美元，年均增长率为11.4%。

同时，随着汽车销量的下降，MIM技术将进入医疗、航天、电子等更多领域。

在新的欧洲粉末冶金行业路线图中，欧洲粉末冶金协会指出，医疗市场是注射成型行业极其重要的一部分[18]。

随着市场的不断扩大，MIM技术在医疗领域的应用会越来越深入，基于MIM技术的各种新材料和新工艺也会不断发展。

参考文献:

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CNPIM备注:原文发表于:2017年7月第14期《热加工技术》第46卷，仅供学习参考；请注明作者和转发来源；如有侵权，请联系本网站删除。如需论文全文，请从相关期刊网站(如知网、万方)下载，或在本文下方留言。

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