แม่พิมพ์อุปกรณ์การแพทย์สามารถผลิตโดยใช้การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะได้หรือไม่

ประการแรก เมื่อพิจารณาถึงประโยชน์หลักของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ
1. องศาความอิสระทางเรขาคณิตและการออกแบบเพื่อการระบายความร้อนตามแบบแผน
ขั้นตอนการเจาะจะจำกัดช่องระบายความร้อนในแม่พิมพ์แบบดั้งเดิม ดังนั้นโดยปกติแล้วจะใช้สถาปัตยกรรมแบบข้ามเชิงเส้นหรือแบบธรรมดา ทำให้การทำความเย็นมีประสิทธิภาพน้อยลงและอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอ Selective Laser Melting (SLM) และ Electron Beam Melting (EBM) เป็นสองเทคโนโลยีที่ทำให้สามารถออกแบบช่องระบายความร้อนตามแบบได้อย่างอิสระโดยใช้การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะ ตัวอย่างเช่น ในแม่พิมพ์ปลูกถ่ายกระดูก การใช้ซอฟต์แวร์จำลองเพื่อปรับเส้นทางน้ำให้เหมาะสมเพื่อให้ระยะห่างระหว่างช่องน้ำหล่อเย็นและพื้นผิวโพรงแม่พิมพ์อยู่ภายใน 2 มม. สามารถบันทึกรอบการฉีดขึ้นรูปได้ 35% และลดการบิดเบี้ยวของผลิตภัณฑ์ลง 60% การออกแบบนี้มีความสำคัญมากสำหรับการทำแม่พิมพ์ใส่ขดลวดหัวใจ เนื่องจากช่องระบายความร้อนที่มีความแม่นยำระดับไมโคร- ช่วยให้แน่ใจได้ว่าวัสดุใส่ขดลวดจะหดตัวเท่าๆ กันในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดรอยแตกร้าวเนื่องจากความเข้มข้นของความเครียด
2. รับประกันความเข้ากันได้ทางชีวภาพและประสิทธิภาพของวัสดุ
แม่พิมพ์สำหรับอุปกรณ์การแพทย์ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่สูงมาก การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะช่วยให้สามารถขึ้นรูปวัสดุได้โดยตรง รวมถึงโลหะผสมไทเทเนียม (Ti6Al4V), โลหะผสมโคบอลต์โครเมียม (CoCrMo) และสแตนเลสทางการแพทย์ (316L) ซึ่งทั้งหมดนี้ได้รับการรับรองว่าเข้ากันได้ทางชีวภาพโดย ISO 10993 ตัวอย่างเช่น โลหะผสมไทเทเนียม Ti6Al4V มักใช้ทำแม่พิมพ์สำหรับการปลูกถ่ายข้อต่อทดแทน เนื่องจากไม่กัดกร่อนได้ง่ายและปลอดภัยสำหรับใช้กับกระดูกมนุษย์ คุณสามารถปรับขนาดเกรนของวัสดุระหว่าง 10 ถึง 50 μm โดยเปลี่ยนการตั้งค่าการพิมพ์ เช่น กำลังเลเซอร์และความเร็วในการสแกน สิ่งนี้ทำให้เกิดความสมดุลระหว่างคุณสมบัติทางกลและกิจกรรมทางชีวภาพ
3. การออกแบบที่มีทั้งน้ำหนักเบาและใช้งานได้ดี
การพิมพ์โลหะ 3D ช่วยให้สามารถออกแบบน้ำหนักเบา เช่น โครงสร้างขัดแตะและโครงสร้างขัดแตะ ซึ่งจะช่วยลดการใช้วัสดุในขณะที่ยังทำให้แม่พิมพ์มีความแข็งแรง ตัวอย่างเช่น ช่องระบายความร้อนแบบตาข่ายกลวงของ Platinum สำหรับแม่พิมพ์ใบมีดของเครื่องยนต์เครื่องบิน ช่วยลดน้ำหนักลง 40% และเพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็นเป็น 2.3 เท่าของการออกแบบมาตรฐาน การออกแบบนี้ใช้ในวงการแพทย์สำหรับแม่พิมพ์เอนด์เอฟเฟกต์ของหุ่นยนต์ผ่าตัด ช่วยลดจำนวนขั้นตอนที่จำเป็นในการประกอบอุปกรณ์เข้าด้วยกัน และทำให้เชื่อถือได้มากขึ้นโดยการเพิ่มองค์ประกอบการทำงาน เช่น รูยึดเทอร์โมคัปเปิลและช่องของเหลว
2 กรณีการใช้งานทั่วไปและกรณีศึกษา
1. การทำแม่พิมพ์สำหรับการปลูกถ่ายกระดูกและข้อ
กรณี: แม่พิมพ์สำหรับการปลูกรากเทียมสะโพกที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D-
ระบบข้อสะโพกเทียม 3D ACT ของ Aikang Medical ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบไบเมทัลลิกเพื่อสร้างแม่พิมพ์ต้นกำเนิดกระดูกต้นขา ชั้นพันธะกระดูกทำจากโลหะผสมไททาเนียม Ti6Al4V ซึ่งมีโครงสร้างพรุนขนาดเล็กที่กระตุ้นการเติบโตของเซลล์กระดูก ชั้นต้านทานการสึกหรอ-ทำจากโลหะผสมโคบอลต์โครเมียม CoCrMo ซึ่งมีความหยาบผิวเท่ากับ 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. การทำแม่พิมพ์ใส่ขดลวดหัวใจและหลอดเลือด
กรณี: แม่พิมพ์สำหรับใส่ขดลวดหลอดเลือดขนาดเล็ก
ในการผลิตขดลวดหลอดเลือด ความแม่นยำของกระบวนการผลิตจะต้องอยู่ระหว่าง 10 ถึง 50 μm ซึ่งเป็นเรื่องยากสำหรับการตัดเฉือนทั่วไป ทีมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมหาวิทยาลัย Huazhong ใช้เทคโนโลยี SLM เพื่อสร้างแม่พิมพ์ใส่ขดลวด Nitinol ความไม่ถูกต้องของเส้นผ่านศูนย์กลางลวดใส่ขดลวดน้อยกว่า 2 μm โดยการควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น ความหนาของชั้น (20 μm) และกำลังเลเซอร์ (150W) ในโมเดลหลอดเลือดหัวใจหมู การใส่ขดลวดที่ทำจากแม่พิมพ์นี้แสดงการรองรับและความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม โดยมีอัตราการเกิดลิ่มเลือดต่ำกว่าอุปกรณ์ทั่วไปถึง 40%
3. การทำแม่พิมพ์สำหรับชิ้นส่วนอุปกรณ์ทางการแพทย์
กรณี: แม่พิมพ์ตะแกรงลวดสำหรับตัวกรองป้องกันการกระเจิงของ CT Scanner-
แม่พิมพ์กริดตัวกรองการพิมพ์ 3 มิติทังสเตนบริสุทธิ์ของ Dunlee ใช้เทคโนโลยี EBM เพื่อสร้างรูปทรงกรวยที่ซับซ้อนในครั้งเดียว เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการกัดแบบมาตรฐาน ตารางตัวกรองของแม่พิมพ์นี้อาจเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนของคานกรวย CT ขึ้น 1.7 เท่า และลดการสูญเสียวัสดุลงได้ 85% นอกจากนี้ ความหนาแน่นสูงของทังสเตนบริสุทธิ์ (19.3 g/cm ³) ยังป้องกันรังสี X- ซึ่งทำให้คุณภาพของภาพดี
3 ปัญหาและแนวทางแก้ไขทางเทคโนโลยี
1. คุณภาพของพื้นผิวและกระบวนการหลังการบำบัด
ความหยาบผิวของแม่พิมพ์การพิมพ์ 3 มิติโลหะโดยปกติจะอยู่ระหว่าง Ra6 ถึง Ra10 μm หลังการบำบัด รวมถึงการขัดเงาด้วยไฟฟ้าและการพ่นทราย จะต้องลดระดับลงเหลือ Ra0.8 μm หรือต่ำกว่า วิธีการขัดเงาด้วยเครื่องจักรด้วยเคมี (CMP) ของสถาบัน Beijing Institute of Aeronautical Manufacturing สามารถทำให้พื้นผิวของแม่พิมพ์ Ti6Al4V มีความเรียบเนียนขึ้น โดยลดให้เหลือ Ra0.2 μm ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์
2. การควบคุมความเค้นตกค้าง
ในระหว่างกระบวนการพิมพ์ การทำความร้อนและความเย็นอย่างรวดเร็วอาจทำให้เกิดความเค้นตกค้างสะสมและแม่พิมพ์เปลี่ยนรูปร่างได้ง่าย คำตอบคือ:
กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพ: โดยใช้วิธีการสแกนแบบเกาะ ชั้นเดียวจะถูกแบ่งออกเป็นหลายส่วน ซึ่งอาจพิมพ์ทีละชั้น ซึ่งจะช่วยกระจายความเครียดจากความร้อนอย่างเท่าเทียมกัน
การอบชุบด้วยความร้อน: เพื่อกำจัดแรงตึงที่ตกค้างมากกว่า 80% ให้อุ่นแม่พิมพ์ที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียส แล้วปล่อยให้เย็นลง
การตรวจสอบออนไลน์: การใช้เครื่องถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรดเพื่อดูสนามอุณหภูมิแบบเรียลไทม์และเปลี่ยนกำลังของเลเซอร์ได้ตามต้องการ
3. ต้นทุนและมูลค่าของวัสดุ
ผงโลหะผสมไทเทเนียมเกรดทางการแพทย์-มีราคา 2,000–5,000 หยวนต่อกิโลกรัม ซึ่งมากกว่าเหล็กกล้าแม่พิมพ์ทั่วไปถึง 5–10 เท่า คำตอบคือ:
การรีไซเคิลผง: โดยการคัดกรองและการบำบัดด้วยออกซิเดชั่น อัตราการนำผงที่ยังไม่ละลายกลับมาใช้ใหม่จะสูงถึง 95%
การออกแบบการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี: ลดต้นทุนต่อหน่วยและลดการใช้วัสดุลง 30% ถึง 50%
การผลิตขนาดใหญ่-: ต้นทุนต่อชิ้นใกล้เคียงกับวิธีการแบบเดิมมากขึ้น เนื่องจากประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ดีขึ้น (เช่น อุปกรณ์ Huashu High tech FS1211M สามารถพิมพ์ที่ความเร็ว 50 ซม. ³/ชม.)