MIM金属粉末注射成形技术在医疗产品上的利用

 

颁布日期：[2024/4/16]
 

微创手术钳头我国是人丁大国，并且老龄化景象越来越严沉，加上从前一味的钻营经济发展而对环境过度的粉碎，使人们的健康问题面对着巨大的挑战，引发了整个社会对医疗产品的需要。

而医疗产品若何不休提高质量、降低成本是国内表学者一向钻研的课题。医疗产品的需要量很大，并且好多产品自身的结构也很精密复杂，必要一种新的造作技术来包办传统出产。

金属粉末注射成形 （Metal Injection Molding ，MIM）是一种新型的近净成形技术，可在较短的周期内批量出产出拥有复杂状态的产品，能切合医疗产品的造作要求，成为一种梦想的造作步骤。

1 MIM 技术

1.1 MIM 技术的工艺流程

MIM 是 20 世纪急剧发展起来的近净成形工艺，通常工艺过程为：粉末 + 粘结剂→混炼→注射成形→脱脂→烧结。

首先是利用高分子聚合物与粉末混合，在肯定前提下混炼出拥有足够的流动性、混合均匀并满足注射要求的喂料，其次是选择相宜的注射温度、注射压力和注射速度等工艺参数进行注射成形，而后是脱去注射坯中的粘结剂后进行烧结，使粉末形成冶金结合，最后得到切合要求的造件。

1.2 MIM 技术的特点

MIM 是集塑料成形工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属资料学等多学科相结合而形成的一种零部件新型近净成形技术，拥有以下几个特点：

①利用 MIM 技术成形后的零件不必要后续加工或者后续加工很少，资料利用率高，属于近净成形技术，可出产高机能、状态复杂的零件。

②能够通过推算机对喂料的填充过程、制品的烧结进行模仿，能够在前期对工艺实现优化[1-2]，得到最佳的设计规划。

③注射过程中型腔内部各点压力相称，在喂料均匀混合的前提下遍地密度也是相称的，不会出现密度梯度，易于实现规；霾。

2 MIM 技术在医疗产品上的利用

2.1 MIM 技术造作的医疗产品

医疗产品通常要求拥有优良的使用性和足够长的使用寿命，并且在结构和状态设计上要有矫捷的设计性[3]。

20 世纪 80 年代初期 MIM 技术初次在医疗产品得到利用，至今已经成为 MIM 市场增长最快的领域。

图 1 是 2015 年北美地域 MIM 技术在分歧业业所占的比例[4]？杉，在北美地域医疗和牙科已经成为 MIM 的重要利用领域。

目前医疗用 MIM产品大部门使用的是不锈钢资料，重要商标是 316L和 17-4PH；还有钛合金、镁合金、金、银、钽等[5]。

2.1.1 牙齿正畸形托槽

MIM 技术在医疗上最早是用来造取一些牙齿矫形用具，这些精密产品的尺寸极度幼，生物相容性和耐侵蚀性也较好，重要使用的资料就是 316L 不锈钢，目前正畸形托槽依然是 MIM 行业的重要产品。

德国 Forestadent 公司用 MIM 技术出产出一种双向倒勾式的正畸形托槽，机械固位力能提高30％，利用 MIM 一次成形后进行抛光，能使托槽对弓丝的摩擦力大大降低，该产品已被 BjornLudwig证切实正畸手术中拥有积极作用[6]。

2.1.2 表科手术工具

表科手术工具要求拥有高强度、低血液传染和可能实现侵蚀性消毒法式等要求，MIM 技术的设计矫捷性可能满足大部门表科手术工具的利用，同时还拥有工艺方面的优越性，可能低成本的造作各类金属制品，正逐步取代传统的出产技术成为重要的造作步骤。

FloMet 有限公司使用 MIM 技术开发出一种不锈钢爪[7]，选取 17-4PH 不锈钢出产，密度大于 7.5g/cm3，在手术时可用来抓取人体内的物体，拥有镊子的职能。其设计相当复杂，要求拥有较高的出产精度。

利用 MIM 技术成形后再进行烧结，就可能达到很高的公差水平，不必要大量的后续处置工艺，预防粉碎爪的线向和几何状态。

利用铸造或者机加工的步骤很难来出产这种状态复杂的不锈钢爪，必要较长的出产周期，成本也高，使用 MIM 技术来造作可节约 60%的成本。

一次性的表科手术工具必要开发一种可能低成本批量出产的工艺，史女士金属产品公司利用 MIM技术出产一种轴组件[8]，利用于一种新型的一次性表科器械中，成本只有使用瑞士的数控机床加工的1/4～1/5，密度是 7.5 g/cm3，极限抗拉强度达到 1190MPa，屈服强度 1090MPa，伸长率是 6.0%，最大硬度是 33 HRC。

该产品的的造作工艺过程是：首吓酌MIM 技术成形 178mm 长的两个轴部件，而后将 2个部门激光焊接，再进行后续的机加工和热处置，为了达到较好的公差要求还必要进行喷丸和钝化处置。

2.1.3 膝盖植入零件

MIM 技术在人体植入领域进展的比力缓慢，重要是由于产品的认证和接受必要一个较长的周期。

目前利用 MIM 技术可能出产部门代替骨头和关节的零件，使用的金属资料重要是 Ti 合金[9]。

在生物相容性方面，陈良建等[10]用 MIM 技术造备孔隙度为60%的多孔钛，用改进冷凝聚合交联法造备明胶缓释微球并涂覆于多孔钛表表。

了局批注：明胶缓释微球涂层多孔钛无细胞毒性，能够很好的用来作为医疗植入物的资料。

加拿大 MaettaSciencesInc 公司成功利用 Ti-6Al-4V 出产出人体植入用膝盖样品零件 [11]，该植入物在进入人体后重要接受压力的作用，并且要有很好的生物相容性。利用 MIM 成形后再进行热等静压，后续再进行喷丸、抛光和阳极氧化处置，以得到较好的表表机能，降低了与人体的摩擦，提高相容性和使用寿命。

2.1.4 助听器声管

MIM 技术还可用来出产各类医疗设备的零部件。

Indo-MIM 公司利用 MIM 技术为德国 Phonak公司出产一种助听器声管[12]，拥有提升音率和推进听力的成效。

MIM 成形后烧结就可得到这种状态复杂的助听器声管，为了使声管表表拥有光洁度，后续只有再经过一路玻璃珠喷砂处置工艺就能够。

该声管的密度大于 7.65 g/cm3，抗拉强度最大可能达到480MPa，屈服强度 150MPa，伸长率是 45%，最大表表硬度 100HRB。MIM 技术与之前传统的出产工艺相比可能降低 20%的成本。

MIM 技术在医疗上还可用来出产好多产品，蕴含染指医治支架、钨高密度合金注射器的防辐射屏蔽、显微表科机械手、微型泵内窥镜零件和药物吸入器等[13]。

2.2 医疗产品利用的 MIM 新技术

2.2.1 金属微注射成形

金 属 微 注 射 成 形 技 术 （metal micro injectionmolding，μMIM）是德国 IFAM 钻研所开发的一种成形技术，就是将 MIM 技术有机地使用到表形尺寸达微米级零件的造备上。

通常意思上 μMIM 可用来出产的产品有两种：

①尺寸达到微米级，质量轻至几毫克的零件；

②零件的表观尺寸与传统注射成形零件的尺寸类似，但部门结构的尺寸达到微米级的带有微结构的零件。

近些年来，微注射成形成为注射成形领域的钻研热点，随着现代机械向着微型化方向发展，微注射成形的利用必将越来越宽泛[14]。

目前，Karlsruha 钻研中心已将 μMIM 技术成功利用于医学器械微幼零件的出产[15]，例如分光计、滴定板等，产品的结构尺寸达到了微米级，最幼壁厚为 50μm。

图 2 为德国 IFAM 公司利用 μMIM 技术出产的用于表科手术使用的缝合锚[16]，它的尺寸只有火柴头大幼。

2.2.2 金属共注射成形

金属共注射成形 （metal co injection molding，Co-MIM）发源于 20 世纪 90 年代，是一种眉山治式的粉末注射成形技术。

该工艺是同时或分批的将两种拥有分歧个性的资料注射到一个模具中，进行一次复合注射成形，它能将金属资料和一个机能齐全分歧的资料在统一个零部件中结合到一路。

选取这种步骤能获得拥有职能性和复杂状态的芯 / 壳层结构，并且不必要对制品进行如涂层、热处置和组装等的后续工艺。最终实现了一路工序可造备出职能梯度资料，极大地削减了工序，降低了成本。

Co-MIM 技术为职能零件的开发和设计提供了一种新思路。李益民等[17]已经利用 Co-MIM 技术提出一种新的生物种植结构，宽泛的利用于致密的皮质骨结构和表孔内实的松质骨结构。

这种结构有利于种植骨和周围骨质结构的界面应力传递，表层多, , 孔结构的孔隙率体积比在 5%～60%，最大的孔隙有400μm。

3 瞻望

凭据 BCCresearch 最近对金属和陶瓷注射成形的市场钻研预测，全球金属和陶瓷注射成形部件的市场价值将由 2012 年的 15 亿美元增长到 2018 年的近 29 亿美元，均匀年增长率达 11.4%。

同时，随着汽车销量的降落，MIM 技术将更多的进入到医疗、航天、电子等领域。

在新版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形行业极其沉要的一个部门[18]。

随着市场的不休扩大，MIM技术在医疗领域的利用将越来越深刻，各类基于 MIM技术的新资料和新工艺也会不休的被开发出来。

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