의료 제품에 티타늄 금속 분말 사출 성형의 MIM 기술 적용

의료 제품에 MIM 금속 분말 사출 성형 기술 적용

 

 

최소 침습 수술 겸자

중국은 인구가 많은 나라로 고령화 현상이 갈수록 심각해지고 있다. 또한 과거의 경제 발전 추구는 환경에 대한 과도한 피해를 초래하여 사람들의 건강 문제에 큰 도전에 직면하고 사회 전체에서 의료 제품에 대한 수요를 자극합니다.

 

의료 제품의 품질을 향상시키고 비용을 줄이는 방법은 국내외 학자들의 연구 주제였습니다. 의료 제품에 대한 수요가 크고 많은 제품의 구조도 매우 정교하기 때문에 전통적인 생산을 대체할 새로운 제조 기술이 필요합니다.

 

금속 사출 성형(MIM)은 복잡한 형상의 제품을 단시간에 일괄 생산할 수 있는 새로운 Near Net Forming 기술입니다. 그것은 의료 제품의 제조 요구 사항을 충족하고 이상적인 제조 방법이 될 수 있습니다.

 

1 MIM 기술

1.1 MIM 기술의 기술적 과정

MIM은 20세기에 급속히 발전한 니어 네트 성형 공정입니다. 일반적인 공정은 분말 + 바인더 → 혼합 → 사출 성형 → 탈지 → 소결입니다.

첫째, 폴리머와 분말을 혼합하여 충분한 유동성, 균일한 혼합 및 특정 조건에서 주입 요구 사항을 충족하는 피드를 생성합니다. 둘째, 사출 성형을 위해 적절한 사출 온도, 사출 압력, 사출 속도 및 기타 공정 매개변수를 선택합니다. 그런 다음 사출 블랭크의 결합제가 제거되고 소결되어 분말의 야금 결합이 형성됩니다. 마지막으로 자격을 갖춘 부품을 얻습니다.

 

1.2 MIM 기술의 특징

MIM은 플라스틱 성형 기술, 고분자 화학, 분말 야금 기술, 금속 재료 및 기타 분야를 결합한 부품에 대한 새로운 니어 넷 성형 기술입니다. 다음과 같은 특징이 있습니다.

① MIM 기술로 성형된 부품은 후가공이 필요없거나 후가공이 거의 없다. 높은 재료 활용률로 니어 네트 성형 기술에 속하며 고성능 및 복잡한 형상 부품을 생산할 수 있습니다.

② 제품의 사료 충전 및 소결 공정을 컴퓨터로 시뮬레이션할 수 있으며, 공정을 초기 단계[1-2]에서 최적화하여 최상의 설계 계획을 얻을 수 있습니다.

③ 사출 공정 중 캐비티의 각 지점의 압력이 동일하고 피드의 균일한 혼합을 전제로 모든 곳에서 밀도가 동일하므로 밀도 구배가 없어 대규모 생산이 용이합니다. .

 

2 의료기기에 MIM 기술 적용

2.1 MIM 기술로 제조된 의료기기

의료용 제품은 일반적으로 좋은 사용성과 충분한 수명, 구조 및 형상 설계에 있어 유연한 설계가 요구된다[3].

1980년대 초반에 MIM 기술은 의료 제품에 처음 적용되었으며 MIM 시장에서 가장 빠르게 성장하는 분야가 되었습니다.

그림 1은 2015년 북미의 여러 산업에서 MIM 기술의 비율을 보여줍니다[4]. 의료 및 치과가 북미에서 MIM의 주요 응용 분야가 되었음을 알 수 있습니다.

현재 대부분의 의료용 MIM 제품은 스테인리스 스틸로 만들어지며 주요 브랜드는 316L 및 17-4PH입니다. 티타늄 합금, 마그네슘 합금, 금, 은, 탄탈륨 등도 있습니다[5].

 

2.1.1 교정 브라켓

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산하는 교정용 브라켓

MIM 기술은 일부 치과용 정형외과용 기구를 만들기 위해 의료에 처음 사용되었습니다. 이러한 정밀 제품은 크기가 매우 작고 생체 적합성과 내식성이 우수합니다. 사용된 주요 재료는 316L 스테인리스 스틸입니다. 교정용 브라켓은 여전히 ​​MIM 산업의 주요 제품입니다.

독일 포레스타덴트(Foresadent)는 MIM 기술을 적용한 양방향 고리형 교정용 브라켓을 생산했다. 기계적 유지력은 30% 증가할 수 있습니다. MIM으로 1회 성형 후 연마하면 브라켓과 아치 와이어 사이의 마찰을 크게 줄일 수 있습니다. 이 제품은 교정 수술에서 긍정적인 역할을 하는 것으로 BjornLudwig에 의해 확인되었습니다[6].

 

2.1.2 수술 도구

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산하는 수술 도구

강도가 높고 혈액 오염이 적으며 적극적인 소독 절차를 달성할 수 있는 수술 도구가 필요합니다. MIM 기술의 설계 유연성은 대부분의 수술 도구의 적용을 충족할 수 있습니다. 동시에 기술의 이점도 있습니다. 다양한 금속 제품을 저렴한 비용으로 생산할 수 있습니다. 주요 제조 방법으로 점차 전통적인 생산 기술을 대체하고 있습니다.

 

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd.는 17-4PH 스테인리스강으로 만들어지고 밀도가 7.5g/cm3 이상인 MIM 기술을 사용하여 일종의 스테인리스강 클로[7]를 개발했습니다. 수술 중 인체의 물체를 집는 데 사용할 수 있으며 족집게의 기능을 가지고 있습니다. 설계가 상당히 복잡하고 높은 생산 정확도가 필요합니다.

 

MIM 기술로 성형 후 소결하면 높은 허용 오차 수준에 도달할 수 있으며 클로의 선형 및 기하학적 모양이 손상되는 것을 방지하기 위해 많은 후속 처리 공정이 필요하지 않습니다.

 

이러한 복잡한 형상의 스테인레스 스틸 클로는 주조 또는 기계 가공으로 생산하기 어려우며 생산주기가 길고 비용이 많이 듭니다. MIM 기술을 사용하여 제조하면 비용의 60%를 절약할 수 있습니다.

 

일회용 수술 도구는 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 프로세스를 개발해야 합니다. Smith Metal Products Co., Ltd.는 MIM 기술을 사용하여 새로운 유형의 일회용 수술 기구에 사용되는 샤프트 어셈블리[8]를 생산합니다. 비용은 스위스 CNC 공작 기계의 1/4~1/5, 밀도는 7.5g/cm3, 최대 인장 강도는 1190MPa, 항복 강도는 1090MPa, 연신율은 6.0입니다. 퍼센트이고 최대 경도는 33 HRC입니다.

 

이 제품의 제조 공정은 다음과 같습니다. 먼저 MIM 기술로 178mm 길이의 샤프트 부품 두 개를 형성한 다음 두 부품을 레이저 용접한 다음 후속 가공 및 열처리를 수행합니다. 우수한 공차 요구 사항을 충족하려면 쇼트 피닝 및 패시베이션도 필요합니다.

 

2.1.3 무릎 임플란트 부품

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산한 무릎 뼈 임플란트 부품

인간 이식 분야에서 MIM 기술의 발전은 상대적으로 느리며, 주로 제품 인증 및 승인에 오랜 기간이 필요하기 때문입니다.

 

현재 MIM 기술은 뼈와 관절을 부분적으로 대체하는 부품을 생산하는 데 사용할 수 있으며 사용되는 금속 재료는 주로 Ti 합금이다[9].

 

생체 적합성 측면에서 Chen Liangjian et al. [10] MIM 기술을 이용하여 다공성 60%의 다공성 티타늄을 제조하고, 개량된 축중합 가교 방법을 이용하여 젤라틴 서방성 미소구체를 제조하여 다공성 티타늄 표면에 코팅하였다.

 

그 결과 다공성 티타늄으로 코팅된 젤라틴 서방형 미세구는 세포독성이 없어 의료용 임플란트 소재로 활용이 가능하다는 사실을 확인했다.

 

Canadian MaettaSciences Inc는 Ti-6Al-4V를 성공적으로 사용하여 인체 이식용 무릎 샘플 부품을 생산했습니다[11]. 임플란트는 주로 인체에 들어간 후 압력을 견디며 생체 적합성이 좋습니다. MIM 성형 후 Hot Isostatic Pressing 후 Shot Peening, Polishing, Anodizing 처리하여 표면 성능을 향상시키고 인체와의 마찰을 줄이며 호환성 및 수명을 향상시킵니다.

 

2.1.4 보청기 사운드 파이프

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산한 보청기 외피 부품

Qinhuangdao Zhongwei Precision Machinery Co., Ltd에서 생산하는 보청기 튜브

MIM 기술은 다양한 의료 기기의 부품을 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

 

Indo MIM Company는 MIM 기술을 사용하여 독일의 Phonak Company[12]의 보청기 사운드 튜브를 생산하는데, 이는 음속을 개선하고 청력을 향상시키는 효과가 있습니다.

 

복잡한 모양을 가진 이러한 종류의 보청기 사운드 튜브는 MIM 성형 후 소결하여 얻을 수 있습니다. 사운드 튜브의 표면을 매끄럽게 하기 위해서는 추후 유리구슬 샌드 블라스팅 공정을 거치기만 하면 된다.

 

음향 튜브의 밀도는 7.65g/cm3보다 크고 최대 인장 강도는 480MPa, 항복 강도는 150MPa, 연신율은 45%, 최대 표면 경도는 100HRB에 달할 수 있습니다. MIM 기술은 이전의 전통적인 생산 공정에 비해 비용을 20%까지 줄일 수 있습니다.

 

MIM 기술은 또한 중재 치료 스텐트, 텅스텐 고밀도 합금 주사기의 방사선 차폐, 미세 수술 조작기, 미세 펌프 내시경 부품 및 약물 흡입기를 포함하여 의료 분야에서 많은 제품을 생산하는 데 사용될 수 있습니다[13].

2.2 의료기기에 적용된 MIM 신기술

 

2.2.1 금속 마이크로 사출 성형

금속 마이크로 사출 성형(μMIM)은 독일 IFAM 연구소에서 개발한 성형 기술로, MIM 기술을 마이크로미터 수준의 부품 준비에 유기적으로 적용하는 것이다.

 

일반적으로 μ MIM은 두 종류의 제품을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

 

① 크기가 마이크로미터이고 질량이 수 밀리그램인 부품

② 부품의 외관 크기는 기존의 사출 성형 부품의 크기와 유사하나 국부적인 구조의 크기는 마이크로미터 수준이다.

최근 몇 년 동안 마이크로 사출 성형은 사출 성형 분야에서 연구 핫스팟이 되었습니다. 소형화를 향한 현대 기계의 발전으로 마이크로 사출 성형의 적용은 점점 더 광범위해질 것입니다[14].

현재 Karlsruha 연구 센터는 μ MIM 기술을 분광계, 적정 플레이트 등과 같은 의료 기기의 미세 부품[15] 생산에 성공적으로 적용했습니다. 제품의 구조 크기는 미크론 수준에 도달했으며 최소 벽 두께는 50μm입니다.

그림 2는 독일의 IFAM 사용을 보여줍니다. μ MIM 기술로 외과 수술을 위해 생산된 봉합 앵커[16]는 성냥 머리 크기에 불과합니다.

 

2.2.2 금속 공동 사출 성형

1990년대에 시작된 금속공동사출성형(Co MIM)은 샌드위치 방식의 분말사출성형 기술이다.

이 공정은 복합 사출 성형을 위해 금형에 특성이 다른 두 가지 재료를 동시에 또는 일괄적으로 주입하는 것입니다. 동일한 부품에서 금속 재료와 완전히 다른 특성을 가진 재료를 결합할 수 있습니다.

이 방법으로 기능성과 복잡한 형상의 코어/쉘 구조를 얻을 수 있으며 코팅, 열처리, 제품 조립 등의 후속 공정이 필요하지 않습니다. 마지막으로, 공정을 크게 줄이고 비용을 줄이는 기능적으로 구배 재료를 준비하는 공정을 실현할 수 있습니다.

 

Co MIM 기술은 기능성 부품의 개발 및 설계에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다. Li Yimin et al. [17]은 Co MIM 기술을 이용한 새로운 생물학적 임플란트 구조를 제안했는데, 이는 외공과 내공이 있는 치밀한 피질골 구조와 해면골 구조에 널리 사용된다.

 

이 구조는 임플란트 뼈와 주변 뼈 구조 사이의 계면 응력 전달에 도움이 됩니다. 외층이 많고 기공 구조의 공극률은 5%~60%이며 가장 큰 기공은 400μm이다.

 

3 전망

금속 및 세라믹 사출 성형에 대한 BCCresearch의 최근 시장 조사에 따르면, 금속 및 세라믹 사출 성형 부품의 세계 시장 가치는 2022년 25억 달러에서 2028년에는 거의 39억 달러로 증가할 것이며, 연평균 11.4%의 성장률을 보일 것입니다.

동시에 자동차 판매가 감소함에 따라 MIM 기술은 의료, 항공 우주, 전자 및 기타 분야에 더 많이 진출할 것입니다.

유럽 ​​분말 야금 산업 로드맵의 새 버전에서 유럽 분말 야금 협회는 의료 시장이 사출 성형 산업의 매우 중요한 부분이라고 지적했습니다[18].

시장의 지속적인 확장에 따라 MIM 기술의 의료분야 적용은 더욱 심화될 것이며, MIM 기술을 기반으로 한 다양한 신소재 및 공정 개발 또한 지속적으로 이루어질 것입니다.

초음파 메스 헤드

친황다오중위정밀기계유한회사이제 다양한 종류의 의료 기기 MIM 제품을 생산하는 풍부한 경험을 가진 강력한 제조업체입니다. 앞으로도 의료기기 산업에서 금속분말 사출성형 정밀제품에 더 많은 노력을 기울일 것입니다.

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