Apakah cetakan peralatan medis juga dapat diproduksi menggunakan pencetakan 3D logam?

一, Melihat manfaat utama teknologi pencetakan 3D logam
1. Derajat kebebasan geometris dan desain untuk pendinginan konformal
Prosedur pengeboran membatasi saluran pendingin pada cetakan tradisional, sehingga biasanya menggunakan arsitektur linier atau silang sederhana. Hal ini membuat pendinginan menjadi kurang efisien dan suhu tidak merata. Peleburan Laser Selektif (SLM) dan Peleburan Berkas Elektron (EBM) adalah dua teknologi yang memungkinkan perancangan saluran pendinginan konformal secara bebas menggunakan pencetakan 3D logam. Misalnya, pada cetakan implan ortopedi, menggunakan perangkat lunak simulasi untuk mengoptimalkan jalur air sehingga jarak antara saluran air pendingin dan permukaan rongga cetakan tetap dalam jarak 2mm dapat menghemat siklus pencetakan injeksi sebesar 35% dan memotong kelengkungan produk sebesar 60%. Desain ini sangat penting untuk pembuatan cetakan stent jantung karena saluran pendingin presisi tingkat mikro memastikan bahan stent menyusut secara merata selama proses pencetakan, sehingga mencegah terbentuknya retakan akibat konsentrasi tegangan.
2. Jaminan biokompatibilitas dan kinerja material
Cetakan untuk alat kesehatan harus memenuhi kriteria biokompatibilitas yang sangat tinggi. Pencetakan 3D logam memungkinkan pencetakan langsung bahan termasuk paduan titanium (Ti6Al4V), paduan kromium kobalt (CoCrMo), dan baja tahan karat medis (316L), yang semuanya telah disertifikasi sebagai biokompatibel oleh ISO 10993. Misalnya, paduan titanium Ti6Al4V umumnya digunakan untuk membuat cetakan implan pengganti sendi karena tidak mudah menimbulkan korosi dan aman digunakan pada tulang manusia. Anda dapat mengatur ukuran butiran bahan antara 10 dan 50 μm dengan mengubah pengaturan pencetakan, seperti daya laser dan kecepatan pemindaian. Hal ini mencapai keseimbangan antara kualitas mekanik dan aktivitas biologis.
3. Desain yang ringan dan fungsional
Pencetakan 3D logam memungkinkan desain ringan seperti struktur kisi dan struktur kisi. Hal ini menghemat penggunaan bahan sambil tetap memastikan cetakannya kuat. Misalnya, saluran pendingin kisi berongga Platinum untuk cetakan bilah mesin pesawat mengurangi bobot sebesar 40% dan meningkatkan efisiensi pendinginan hingga 2,3 kali lipat dari desain standar. Desain ini digunakan dalam profesi medis untuk cetakan efektor akhir robot bedah. Ini mengurangi jumlah langkah yang diperlukan untuk menyatukan peralatan dan membuatnya lebih andal dengan menambahkan elemen fungsional seperti lubang pemasangan termokopel dan saluran cairan.
2, Kasus penggunaan umum dan studi kasus
1. Pembuatan cetakan untuk implan ortopedi
Kasus: Cetakan untuk implan pinggul-yang dicetak 3D
Sistem sendi panggul buatan 3D ACT Aikang Medical menggunakan teknologi pencetakan 3D bimetalik untuk membuat cetakan batang femoralis. Lapisan pengikat tulang terbuat dari paduan titanium Ti6Al4V, yang memiliki struktur mikropori yang mendorong pertumbuhan sel tulang; lapisan-tahan aus terbuat dari paduan kromium kobalt CoCrMo, yang memiliki kekasaran permukaan 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. Pembuatan cetakan untuk stent kardiovaskular
Kasus: Cetakan untuk stent vaskular ukuran mikro
Untuk membuat stent vaskular, keakuratan proses pembuatannya harus antara 10 dan 50 μm. Ini sulit dilakukan dengan pemesinan biasa. Tim Universitas Sains dan Teknologi Huazhong menggunakan teknologi SLM untuk membuat cetakan stent Nitinol. Ketidakakuratan diameter kawat stent kurang dari 2 μm dengan mengendalikan faktor-faktor seperti ketebalan lapisan (20 μm) dan daya laser (150W). Pada model arteri koroner babi, stent yang dibuat dengan cetakan ini menunjukkan dukungan dan fleksibilitas yang besar, dengan tingkat trombosis 40% lebih rendah dibandingkan perangkat biasa.
3. Pembuatan cetakan untuk bagian-bagian peralatan kesehatan
Wadah: Cetakan kisi-kisi kawat untuk filter anti-hamburan pemindai CT
Cetakan kotak filter cetak 3D tungsten murni Dunlee menggunakan teknologi EBM untuk membuat bentuk kerucut yang rumit sekaligus. Dibandingkan dengan metode penggilingan standar, kisi-kisi filter cetakan ini dapat meningkatkan rasio sinyal-terhadap-kebisingan CT balok kerucut sebesar 1,7 kali lipat dan mengurangi limbah material sebesar 85%. Selain itu, kepadatan tinggi tungsten murni (19,3 g/cm ³) melindungi terhadap sinar X-, sehingga menjaga kualitas gambar tetap baik.
3, Masalah dan solusi dalam teknologi
1. Kualitas permukaan dan proses setelah perawatan
Kekasaran permukaan cetakan pencetakan 3D logam biasanya antara Ra6 dan Ra10 μm. Setelah perawatan, termasuk pemolesan elektrolitik dan sandblasting, nilai tersebut perlu diturunkan hingga Ra0,8 μm atau lebih rendah. Metode pemolesan mekanis kimia (CMP) dari Institut Penerbangan Penerbangan Beijing dapat membuat permukaan cetakan Ti6Al4V lebih halus, sehingga menurunkannya hingga Ra0,2 μm, yang merupakan standar untuk peralatan medis.
2. Pengendalian tegangan sisa
Selama proses pencetakan, pemanasan dan pendinginan yang cepat dapat dengan mudah menyebabkan sisa tegangan menumpuk dan cetakan berubah bentuk. Jawabannya adalah:
Mengoptimalkan proses: Dengan menggunakan metode pemindaian pulau, satu lapisan dibagi menjadi beberapa bagian terpisah yang dapat dicetak satu per satu. Ini membantu menyebarkan tekanan termal secara merata.
Perlakuan panas: Untuk menghilangkan lebih dari 80% sisa tegangan, panaskan cetakan hingga 650 derajat Celcius dan biarkan dingin.
Pemantauan online: Menggunakan pencitraan termal inframerah untuk mengamati bidang suhu secara real time dan mengubah kekuatan laser sesuai kebutuhan.
3. Biaya dan nilai bahan
Bubuk paduan titanium kelas-medis berharga 2.000–5.000 yuan per kilogram, yaitu 5–10 kali lebih mahal dibandingkan baja cetakan biasa. Jawabannya adalah:
Daur ulang bubuk: Dengan penyaringan dan perlakuan oksidasi, tingkat perolehan bubuk yang tidak meleleh meningkat hingga 95%.
Desain optimasi topologi: Menurunkan biaya per unit dan mengurangi penggunaan material sebesar 30% hingga 50%.
Produksi-skala besar: Biaya per potong telah mendekati biaya metode tradisional berkat efisiensi peralatan yang lebih baik (misalnya, peralatan Huashu High tech FS1211M dapat mencetak dengan kecepatan 50cm ³/jam).