MIM金属粉末射出成形技術の医療製品への応用

 

発売日：[2024/4/16]
 

低侵襲手術用鉗子頭

我が国は生齿大国であり、高齢化現象がますます深入になっていることに加え、過去はひたすら経済発展を寻求して環境を過度に破壊し、人々の安康問題を庞大な挑戦に直面させ、社会全部の医療製品に対する须要を引き出した。
医療製品がどのように品質を高め、コストを下げるかは国际外の学者が研讨してきた課題である。医療製品の须要は大きく、多くの製品自体の構造も紧密で複雑で、伝統的な生産の代わりに新しい製造技術が须要です。
金属粉末射出成形（Metal Injection Molding、MIM）は、比較的短い周期で複雑な外形の製品を量産することができ、医療製品の製造请求に合致することができ、抱负的な製造方式となる新しい近接正味成形技術である。
1 MIM技術
1.1 MIM技術のプロセスフロー
MIMは20世紀に缓慢に発展した近浄成形技術であり、普通的なプロセスは：粉末＋接着剤→混練→射出成形→脱脂→焼結である。
まず高份子ポリマーを用いて粉末と夹杂し、必然の条件下で很是な流動性を持ち、均一に夹杂して打针请求を満たすフィードを混練し、次に適切な打针温度、打针圧力と打针速率などのプロセスパラメータを選択して打针成形を行い、その後打针ブランク中の接着剤を脱いで焼結し、粉末を冶金結合させ、最後に请求に合った製造物を得る。
1.2 MIM技術の特徴
MIMはプラスチック成形技術学、高份子化学、粉末冶金技術学と金属资料学などの多学科を結合して构成された部品の新型近浄成形技術であり、以下のいくつかの特徴を有する：
①MIM技術を操纵して成形した部品は後続加工を须要としない或いは後続加工が少なく、资料操纵率が高く、近浄成形技術に属し、高机能、外形が複雑な部品を生産することができる。
②コンピュータを通じてフィードの充填過程、製品の焼結をシミュレーションすることができ、后期にプロセスを最適化し[1-2]、最適な設計案を得ることができる。
③打针過程における中型キャビティ外部の各点の圧力は等しく、フィードが均一に夹杂される条件で各所の密度も等しく、密度勾配が現れず、規模化生産を実現しやすい。
医療製品へのMIM技術の応用
2.1 MIM技術により製造された医療製品
医療製品には普通的に杰出な操纵性と很是な長寿命が求められ、構造や外形設計に柔軟な設計性が求められている[3]。
1980年月早期にMIM技術が医療製品に初めて応用され、現在ではMIM市場の成長が最も速い分野となっている。
図1は、2015年に北米地区でMIM技術が異業種に占める割合である[4]。北米地区では医療と歯科がMIMの首要な応用分野となっていることがわかる。
現在、医療用MIM製品の大局部はステンレス鋼资料を操纵しており、主な番号は316 Lと17-4 PHである。チタン合金、マグネシウム合金、金、銀、タンタルなどもある[5]。
2.1.1歯の正奇形のクレープ
MIM技術は医療上で最も早くいくつかの歯の矯正用具を製造するために用いられ、これらの紧密製品のサイズは很是に小さく、生体適合性と耐食性も比較的に良く、主に操纵されている资料は316 Lステンレス鋼であり、現在の正奇形トーイングは仍然としてMIM業界の首要製品である。
ドイツのForestadent社はMIM技術を用いて两边向逆勾配式の正奇形トースロットを生産し、機械的牢固力を30%向上させ、MIMを用いて一次成形後に研磨を行い、トースロットの弓糸に対する磨擦力を大幅に低下させることができ、この製品はBjornLudwigによって正奇形手術に積極的な感化があることが実証された[6]。
2.1.2内科手術用具
内科手術用具には高強度、低血液汚染、侵食性消毒プログラムの実現などの请求があり、MIM技術の設計柔軟性は大局部の内科手術用具の応用を満たすことができ、同時に技術面の優位性もあり、低コストで各種金属製品を製造することができ、伝統的な生産技術に代わって首要な製造方式となっている。
FloMet无限会社はMIM技術を用いて17-4 PHステンレス鋼を用いて生産し、密度は7.5 g/cm 3より大きく、手術時に人体内の物体をつかむために操纵でき、ピンセットの機能を持つステンレス爪を開発した[7]。その設計はかなり複雑で、高い生産精度が请求されている。
MIM技術を操纵して成形してから焼結を行うと、高い公役レベルに達することができ、大批の後続処理技術を须要とせず、爪の線标的目的と幾何外形を破壊しないようにすることができる。
鋳造や機械加工の方式ではこのような複雑な外形のステンレス鋼爪を生産するのは難しく、長い生産サイクルが须要であり、コストも高く、MIM技術を用いて製造することで60%のコストを節約することができる。
使い捨ての内科手術用具は低コストで量産できる技術を開発する须要があり、スミス金属製品会社はMIM技術を操纵して軸アセンブリを生産し[8]、新型の使い捨て内科用具に応用し、コストはスイスのNC任务機械を操纵して加工した1/4～1/5、密度は7.5 g/cm 3、限界引張強度は1190 MPa、降伏強度は1090 MPa、伸び率は6.0%、最大硬度は33 HRCである。
この製品の製造プロセスは：まずMIM技術で178 mm長の2つの軸部品を成形し、それから2つの局部をレーザー溶接し、その後の機械加工と熱処理を行い、より良い公役请求を達成するためにショットブラストと不動態化処理を行う须要がある。
2.1.3膝インプラント部品
MIM技術の人体移植分野での進展は比較的遅く、主に製品の認証と受け入れには長い周期が须要であるためである。
現在MIM技術を用いて骨や関節の一部を取代する部品を生産することができ、操纵されている金属资料は主にTi合金である[9]。
生体適合性の面では、陳良建ら[10]はMIM技術を用いて空地率60%の多孔質チタンを製造し、改进凝縮重合架橋法を用いてゼラチン徐放性细小球を製造し、多孔質チタン外表にコーティングした。
結果：ゼラチン徐放性细小球コーティング多孔質チタンは細胞毒性がなく、医療インプラントの资料としてよく操纵できることが分かった。
カナダのMaettaSciencesInc社は、Ti-6 Al-4 Vを用いた人体移植用膝試料部品の製造に胜利した[11]。このインプラントは、人体に入ってから主に圧力の感化を受け、生体適合性に優れている须要がある。MIMで成形した後、熱などの静圧を行い、その後、ショットブラスト、研磨、陽極酸化処理を行い、比較的に良い外表机能を得て、人体との磨擦を下げて、適合性と操纵寿命を高めた。
2.1.4補聴器の音響管
MIM技術はまた、様々な医療機器の部品を製造するために操纵することができる。
Indo-MIM社はMIM技術を用いてドイツPhonak社のために補聴器音響管を生産しており[12]、音率の向上と聴力促進の効果がある。
MIM成形後に焼結すると、このような複雑な外形の補聴器音響管を得ることができ、音響管の外表に光沢を持たせるためには、その後、ガラスビーズブラスト処理プロセスを1本通過すればよい。
この音響管の密度は7.65 g/cm 3より大きく、引張強度は最大480 MPa、降伏強度は150 MPa、伸び率は45%、最大外表硬度は100 HRBに達することができる。MIM技術は、従来の製造プロセスに比べて20%のコスト削減が能够である。
MIM技術は医療的にも多くの製品を生産するために操纵することができ、参与治療ステント、タングステン高密度合金打针器の喷射線避免シールド、顕微内科ロボット、マイクロポンプ内視鏡部品、薬物吸入器などを含む[13]。
2.2医療製品応用のMIM新技術
2.2.1金属マイクロ射出成形
金属マイクロ射出成形技術（metal micro injectionmolding，μMIM）はドイツIFAM研讨所が開発した成形技術で、MIM技術を外形寸法がミクロン級の部品の製造に有機的に活用することである。
凡是の象征ではμMIMが製造に操纵できる製品は2種類あります。
①寸法がミクロン級に達し、質量が数ミリグラムまで軽い部品、
②部品の外観寸法は従来の射出成形部品の寸法と似ているが、局所構造の寸法がミクロン級に達したミクロ構造を有する部品。
ここ数年来、マイクロ射出成形は射出成形分野の研讨の核心となり、現代機械がマイクロ化の标的目的に発展するにつれて、マイクロ射出成形の応用はますます広くなるに違いない[14]。
現在、Karlsruha研讨センターはμMIM技術は、分光計、滴定板などの医療機器细小部品の生産に胜利した[15]。製品の構造寸法はミクロン級に達し、最小壁厚は50μm。
【図2】ドイツIFAM社の操纵μMIM技術により製造された内科手術用縫合アンカー[16]。そのサイズはマッチヘッドサイズのみである。
2.2.2金属共射出成形
金属共射出成形（metal co injection molding、Co-MIM）は1990年月に発祥し、サンドイッチ式の粉末射出成形技術である。
このプロセスは、2つの異なる特征を持つ资料を1つの金型に同時にまたは朋分して射出し、1回の複合射出成形を行い、金属资料と1つの個性を完整に異なる资料を同じ部品に結合することができる。
この方式により、機能的で複雑な外形のコア/シェル構造を得ることができ、コーティング、熱処理、組立などの製品の後続プロセスを须要としない。最終的には、機能勾配资料を製造することができる工程を実現し、工程を大幅に削減し、コストを削減した。
Co-MIM技術は機能部品の開発と設計に新しい考え方を供给した。李益民ら[17]はすでにCo-MIM技術を操纵して新しい生物种植構造を提案し、緻密な皮質骨構造と外孔内実の松質骨構造に広く応用されている。
この構造は种植骨と周囲の骨構造の界面応力伝達に有益であり、外層が多く、孔構造の空地率体積比は5%〜60%、最大の空地は400であるμm。
3瞻望
BCCresearchの比来の金属とセラミックスの射出成形に関する市場研讨によると、天下の金属とセラミックス射出成形部品の市場価値は2012年の15億ドルから2018年の29億ドル近くに増加し、均匀年間成長率は11.4%に達する。
同時に、自動車販売台数の減少に伴い、MIM技術は医療、宇宙、電子などの分野にさらに進出する。
新版の欧州粉末冶金業界ロードマップでは、欧州粉末冶金協会は医療市場が打针成形業界の極めて主要な一部であることを指责している[18]。
市場の拡大に伴い、MIM技術の医療分野への応用はますます深くなり、MIM技術に基づくさまざまな新资料や新技術が開発されていくだろう。
超音波メスヘッド
深セン市御嘉シン金属製品无限公司は現在、各種医療機器におけるMIM製品の豊富な経験を生産している実力メーカーであり、未来的には医療機器業界における金属粉末射出成形紧密製品にもさらに力を入れていく。