Mengapakah pasca-pemprosesan percetakan 3D logam dalam industri perubatan memerlukan rawatan haba?

1. Menghilangkan tekanan sisa: mencegah kegagalan implan dan herotan
Percetakan 3D logam, seperti peleburan terpilih laser (SLM), membuat acuan dengan mencairkan serbuk logam lapisan demi lapisan. Walau bagaimanapun, pemanasan dan penyejukan bahan terlalu cepat mungkin meninggalkan tekanan di dalamnya. Jika tekanan ini tidak dilepaskan dengan cepat, ia boleh membawa kepada isu berikut:
Meleding dan retak: Jika tekanan sisa lebih tinggi daripada kekuatan hasil bahan, implan mungkin berubah bentuk secara kekal atau pecah dalam beberapa minggu pertama penggunaan dalam badan. Sebagai contoh, jika terdapat banyak tekanan pada cawan acetabular aloi titanium, ia boleh bergerak semasa pemulihan pesakit daripada pembedahan kerana pelepasan tekanan, yang mungkin bermakna pesakit memerlukan pembedahan kedua.
Ketepatan dimensi berkurangan: Ubah bentuk akibat tekanan{0}}boleh menjejaskan keserasian antara implan dan tisu manusia. Untuk implan pergigian, contohnya, ketepatan benang mesti dikekalkan dalam satu mikrometer, dan tekanan sisa mungkin menyebabkan benang berubah bentuk, yang boleh menjejaskan kestabilan awal tulang alveolar.
Dipendekkan hayat keletihan: Implan lebih berkemungkinan berkecai di bawah tekanan berbasikal. Kajian menunjukkan bahawa hayat keletihan kitaran rendah sokongan aloi kromium kobalt cetakan 3D, tiada rawatan haba, berkurangan lebih 40% berbanding dengan komponen palsu konvensional.
Pelepasan tekanan boleh dilakukan melalui proses rawatan haba seperti penyepuhlindapan vakum. Dalam proses ini, implan dipanaskan pada suhu yang betul (biasanya di bawah suhu penghabluran semula), dipegang seketika, dan kemudian perlahan-lahan disejukkan supaya butiran dalaman bahan boleh pulih dan mengkristal semula, yang melegakan tekanan. Sebagai contoh, penyepuhlindapan vakum pada 650 darjah mengurangkan tekanan sisa implan ortopedik aloi titanium cetakan 3D sebanyak lebih daripada 80% dan meningkatkan kestabilan strukturnya dengan banyak.
2. Memperbaiki struktur mikro: menjadikannya lebih kuat dan lebih serasi dengan benda hidup
Pemejalan pantas cetakan 3D logam boleh menyebabkan struktur mikro yang tidak sekata, seperti kristal kolumnar, fasa metastabil dan keliangan. Ini boleh menjadikan implan berfungsi kurang baik secara keseluruhan.
Kemerosotan sifat mekanikal: Struktur kristal kolumnar boleh membawa kepada anisotropi, menyebabkan implan menjadi lebih kuat dalam beberapa arah daripada yang lain. Jika stent vaskular aloi nikel titanium bercetak 3D mempunyai hablur kolumnar kasar, contohnya, daya sokongan jejarinya mungkin 30% lebih rendah daripada tisu kristal equiaxed homogen.
Keliangan tinggi: Apabila zarah serbuk tidak bercantum sepenuhnya semasa pencetakan, ia menghasilkan mikropori, yang menjadikan bahan kurang tumpat. Jika keliangan lebih daripada 1%, kekuatan keletihan implan mungkin menurun lebih daripada 50%, dan bahaya kakisan mungkin meningkat.
Risiko biokompatibiliti: Fasa tidak stabil, seperti martensit, boleh mengeluarkan ion toksik dan menyebabkan keradangan. Sebagai contoh, jika terdapat banyak martensit yang tinggal dalam aloi kromium kobalt cetakan 3D, pelepasan ion nikel mungkin lebih daripada biasa, yang mungkin menyebabkan alahan pada tisu berdekatan.
Dengan mengawal suhu dan tempoh, rawatan haba mengoptimumkan struktur mikro:
Penyepuhlindapan: menjadikan kristal kolumnar bertukar menjadi kristal equiaxed dan menyingkirkan fasa metastabil. Contohnya, selepas penyepuhlindapan pada 750 darjah , saiz butiran aloi titanium bercetak 3D-dimurnikan kepada kurang daripada 10 μm, dan anisotropi jauh berkurangan.
Penekanan isostatik panas (HIP): Menyingkirkan liang dalaman pada suhu dan tekanan tinggi (biasanya 100–200MPa) untuk mendapatkan ketumpatan bahan hampir 100%. Kajian menunjukkan bahawa rawatan HIP boleh mengurangkan keliangan aloi kromium kobalt cetakan 3D daripada 0.8% kepada 0.02% dan meningkatkan hayat keletihan sebanyak tiga kali.
Larutan pepejal tambah umur: Untuk bahan ingatan bentuk seperti aloi nikel titanium, rawatan larutan pepejal melarutkan fasa yang memudaratkan, manakala rawatan penuaan menimbulkan fasa pengukuhan. Ini mengimbangi kekuatan dengan keanjalan super. Sebagai contoh, daya sokongan jejarian stent vaskular aloi titanium nikel cetakan 3D meningkat sebanyak 20% berikutan rawatan larutan pepejal pada 500 darjah dan penuaan pada 400 darjah . Kadar pemulihan borang juga meningkat kepada lebih 99%.
3. Memenuhi keperluan klinikal: jaminan berganda bagi penyesuaian dan kefungsian
Implan perubatan mesti disesuaikan dengan struktur anatomi pesakit sambil memenuhi kriteria fungsi tertentu, seperti penyepaduan tulang dan pelepasan dadah. Rawatan haba membantu dengan aplikasi klinikal dengan cara berikut:
Menggabungkan rawatan haba dengan kaedah rawatan permukaan lain seperti letupan pasir dan goresan asid boleh menjadikan permukaan implan lebih kasar dan membantu sel tulang melekat padanya dengan lebih baik. Sebagai contoh, selepas disepuhlindap dan disembur pasir, kekasaran permukaan (Ra) bagi sambungan pinggul aloi titanium bercetak 3D ialah 3–5 μm, dan kelajuan di mana tulang bercantum adalah 40% lebih cepat daripada pada permukaan licin.
Pencetakan 3D boleh membuat struktur berliang dengan keliangan 30% hingga 80% dan saiz liang 100 hingga 1000 μm, yang serupa dengan cara trabekula tulang semula jadi berfungsi. Rawatan haba memastikan struktur kekal stabil dengan menyingkirkan kepekatan tekanan di tempat berliang. Sebagai contoh, selepas rawatan HIP, peranti gabungan antara badan aloi titanium berliang boleh menahan beban melebihi 100 MPa, iaitu apa yang diperlukan untuk kegunaan klinikal.
Sokongan pemuatan ubat: Pemanasan implan boleh mengubah ciri kimia permukaannya, memberikan tempat salutan ubat untuk melekat. Contohnya, lapisan magnesium oksida terbentuk pada permukaan stent vaskular aloi magnesium 3D-dicetak selepas penyepuhlindapan. Lapisan ini boleh menyimpan ubat anti-proliferatif melalui penjerapan fizikal untuk mencapai pelepasan berterusan setempat.
4. Norma industri dan keperluan pensijilan: rawatan haba diperlukan
Implan perubatan perlu diperakui oleh kumpulan ketat seperti FDA, CE dan NMPA. Rawatan haba adalah bahagian penting dalam proses pensijilan:
Piawaian ISO 13485 mengatakan bahawa pembuat implan mesti menyimpan rekod terperinci tentang keseluruhan proses rawatan haba, termasuk lengkung suhu, kawalan atmosfera dan data ujian.
Piawaian ASTM F3001 mengatakan bahawa suhu penyepuhlindapan untuk implan aloi titanium bercetak 3D harus disimpan antara 650 dan 750 darjah untuk mengelakkan butiran daripada menjadi terlalu kasar.
Piawaian YY/T 0640: Selepas rawatan HIP, implan aloi kromium kobalt mesti mempunyai keliangan tidak lebih daripada 0.1% dan tiada rantai liang berterusan.