Mengapa pasca-pemrosesan pencetakan 3D logam di industri medis memerlukan perlakuan panas?

1. Menghilangkan sisa stres: mencegah kegagalan dan distorsi implan
Pencetakan 3D logam, seperti peleburan selektif laser (SLM), membuat cetakan dengan melelehkan bubuk logam lapis demi lapis. Namun, memanaskan dan mendinginkan material terlalu cepat dapat meninggalkan tekanan di dalamnya. Jika stres ini tidak segera diatasi, hal ini dapat menyebabkan masalah berikut:
Melengkung dan retak: Jika tegangan sisa lebih tinggi dari kekuatan luluh material, implan dapat berubah bentuk secara permanen atau bahkan pecah dalam beberapa minggu pertama setelah digunakan di dalam tubuh. Misalnya, jika terdapat banyak tekanan pada cangkir asetabular paduan titanium, cangkir tersebut dapat berpindah selama masa pemulihan pasien dari operasi karena pelepasan stres tersebut, yang dapat berarti bahwa pasien memerlukan operasi kedua.
Akurasi dimensi menurun: Deformasi-yang disebabkan oleh stres dapat mengganggu kompatibilitas antara implan dan jaringan manusia. Untuk implan gigi, misalnya, presisi benang harus dijaga hingga satu mikrometer, dan tegangan sisa dapat menyebabkan benang berubah bentuk, yang dapat mengganggu stabilitas awal tulang alveolar.
Umur kelelahan yang lebih pendek: Implan lebih mungkin pecah akibat siklus stres. Studi menunjukkan bahwa masa kelelahan siklus rendah pada penyangga paduan kromium kobalt cetakan 3D, tanpa perlakuan panas, berkurang lebih dari 40% dibandingkan komponen tempa konvensional.
Menghilangkan stres dapat dilakukan melalui proses perlakuan panas seperti anil vakum. Dalam proses ini, implan dipanaskan hingga suhu yang tepat (biasanya di bawah suhu rekristalisasi), ditahan beberapa saat, dan kemudian didinginkan secara perlahan sehingga butiran internal bahan dapat pulih dan mengkristal ulang, sehingga mengurangi stres. Misalnya, anil vakum pada suhu 650 derajat mengurangi tegangan sisa implan ortopedi paduan titanium cetak 3D hingga lebih dari 80% dan sangat meningkatkan stabilitas strukturalnya.
2. Memperbaiki struktur mikro: menjadikannya lebih kuat dan kompatibel dengan makhluk hidup
Pemadatan cepat pada pencetakan 3D logam dapat dengan mudah menyebabkan struktur mikro yang tidak rata, seperti kristal kolumnar, fase metastabil, dan porositas. Hal ini dapat membuat implan bekerja kurang baik secara keseluruhan.
Kemunduran sifat mekanik: Struktur kristal kolumnar dapat menyebabkan anisotropi, menyebabkan implan menjadi lebih kuat di beberapa arah dibandingkan yang lain. Jika stent vaskular paduan titanium nikel cetak 3D memiliki kristal kolumnar kasar, misalnya, kekuatan pendukung radialnya mungkin 30% lebih rendah dibandingkan dengan jaringan kristal ekuaks homogen.
Porositas tinggi: Ketika partikel bubuk tidak menyatu sepenuhnya selama pencetakan, maka akan tercipta pori-pori mikro, yang membuat material menjadi kurang padat. Jika porositas lebih dari 1%, kekuatan lelah implan bisa turun lebih dari 50%, dan bahaya korosi bisa meningkat.
Risiko biokompatibilitas: Fase tidak stabil, seperti martensit, dapat mengeluarkan ion beracun dan menyebabkan peradangan. Misalnya, jika terdapat banyak martensit yang tersisa dalam paduan kromium kobalt yang dicetak 3D, emisi ion nikel mungkin lebih dari biasanya, sehingga dapat menyebabkan alergi pada jaringan di sekitarnya.
Dengan mengontrol suhu dan durasi, perlakuan panas mengoptimalkan struktur mikro:
Annealing: membuat kristal kolumnar berubah menjadi kristal equiaxed dan menghilangkan fase metastabil. Misalnya, setelah anil pada suhu 750 derajat, ukuran butir paduan titanium cetak 3D-dimurnikan hingga kurang dari 10 μm, dan anisotropinya jauh berkurang.
Pengepresan isostatik panas (HIP): Menghilangkan pori-pori internal pada suhu dan tekanan tinggi (biasanya 100–200MPa) untuk mendapatkan kepadatan material mendekati 100%. Studi menunjukkan bahwa perlakuan HIP dapat mengurangi porositas paduan kromium kobalt cetakan 3D dari 0,8% menjadi 0,02% dan meningkatkan umur kelelahan hingga tiga kali lipat.
Larutan padat ditambah usia: Untuk material memori bentuk seperti paduan nikel-titanium, perlakuan larutan padat melarutkan fase-fase yang merugikan, sementara perlakuan penuaan mempercepat fase penguatan. Ini menyeimbangkan kekuatan dengan superelastisitas. Misalnya, kekuatan dukungan radial dari stent vaskular paduan nikel-titanium cetak 3D meningkat sebesar 20% setelah perawatan larutan padat pada suhu 500 derajat dan penuaan pada suhu 400 derajat. Tingkat pemulihan formulir juga meningkat hingga lebih dari 99%.
3. Memenuhi kebutuhan klinis: jaminan ganda atas penyesuaian dan fungsionalisasi
Implan medis harus disesuaikan dengan struktur anatomi pasien sekaligus memenuhi kriteria fungsional tertentu, seperti integrasi tulang dan pelepasan obat. Perlakuan panas membantu aplikasi klinis dengan cara berikut:
Menggabungkan perlakuan panas dengan metode perawatan permukaan lainnya seperti sandblasting dan etsa asam dapat membuat permukaan implan menjadi lebih kasar dan membantu sel tulang menempel lebih baik. Misalnya, setelah dianil dan sandblasting, kekasaran permukaan (Ra) sambungan pinggul paduan titanium cetakan 3D adalah 3–5 μm, dan kecepatan integrasi tulang 40% lebih cepat dibandingkan pada permukaan halus.
Pencetakan 3D dapat membuat struktur berpori dengan porositas 30% hingga 80% dan ukuran pori 100 hingga 1000 μm, serupa dengan cara kerja trabekula tulang alami. Perlakuan panas memastikan struktur tetap stabil dengan menghilangkan konsentrasi tegangan di tempat berpori. Misalnya, setelah perawatan HIP, perangkat fusi antar bodi paduan titanium berpori dapat menahan beban di atas 100 MPa, yang merupakan beban yang diperlukan untuk penggunaan klinis.
Dukungan pemuatan obat: Implan pemanas dapat mengubah karakteristik kimiawi permukaannya, sehingga memberikan tempat bagi lapisan obat untuk menempel. Misalnya, lapisan magnesium oksida terbentuk pada permukaan stent vaskular paduan magnesium yang dicetak 3D-setelah anil. Lapisan ini dapat menampung obat anti-proliferasi melalui adsorpsi fisik untuk mencapai pelepasan berkelanjutan lokal.
4. Norma industri dan persyaratan sertifikasi: diperlukan perlakuan panas
Implan medis harus disertifikasi oleh kelompok ketat seperti FDA, CE, dan NMPA. Perlakuan panas adalah bagian penting dari proses sertifikasi:
Standar ISO 13485 menyatakan bahwa pembuat implan harus menyimpan catatan rinci dari keseluruhan proses perlakuan panas, termasuk kurva suhu, kontrol atmosfer, dan data pengujian.
Standar ASTM F3001 menyatakan bahwa suhu anil untuk implan paduan titanium cetakan 3D harus dijaga antara 650 dan 750 derajat agar butiran tidak menjadi terlalu kasar.
Standar YY/T 0640: Setelah perawatan HIP, implan paduan kromium kobalt harus memiliki porositas tidak lebih dari 0,1% dan tidak ada rantai pori yang kontinu.