چرا تیتانیوم{0}درجه پزشکی مانند تیتانیوم استاندارد نیست؟

Ti{5}}6Al-4V در مقابل Ti-6Al-4V ELI - چه تفاوتی دارد و چرا اهمیت دارد

Ti{8}}6Al-4V ELI (بینابینی بسیار کم) دارای اکسیژن کمتر یا مساوی 0.13 درصد، نیتروژن و محتوای آهن در مقایسه با استاندارد درجه 5 Ti-6Al-4V (اکسیژن کمتر یا مساوی 0.20 درصد) است. این منجر به شکل‌پذیری بالاتر، چقرمگی شکست بهتر، و مقاومت در برابر خستگی بهبود یافته می‌شود - همه اینها برای ایمپلنت‌های تحت بارگذاری چرخه‌ای ضروری است.

بیشترپرینت سه بعدی آلیاژ تیتانیومتامین کنندگان تجهیزات پزشکی به طور پیش فرض درجه ELI را برای برآوردن الزامات ASTM F3001 و ISO 5832-3 دارند.

آنچه کاربردهای پزشکی را منحصر به فرد می کند

Medical implants demand near-zero internal defects, exceptional fatigue life (often >107 چرخه) و زیست سازگاری کامل. جو عملیات حرارتی مستقیماً بر شیمی سطح و تشکیل لایه اکسید تأثیر می گذارد. هر مرحله فرآیند برای انطباق با مقررات نیاز به ردیابی دارد.

چه اتفاقی برای تیتانیوم پزشکی در طول چاپ SLM می افتد

مشکل ریزساختار به عنوان-ساختار

سرعت های خنک کننده سریع SLM (105-106 درجه بر ثانیه) مارتنزیت سوزنی شکل - قوی اما شکننده ایجاد می کند. تنش‌های پسماند به 600-900 مگاپاسکال می‌رسند و دانه‌های ستونی در امتداد محور Z{6}}ناهمسانگردی مکانیکی ایجاد می‌کنند. یک ایمپلنت تیتانیوم SLM به عنوان-به احتمال زیاد در آزمایش خستگی در بارگذاری چرخه‌ای{9}}دنیای واقعی شکست می‌خورد.

تخلخل و عیوب داخلی در-قطعات ساخته شده

تخلخل معمولی SLM از 0.1 تا 0.5٪ متغیر است. حتی منافذ میکروسکوپی به عنوان آغازگر ترک تحت تنش چرخه ای عمل می کنند. به همین دلیل است که تیتانیوم پزشکی پس از اینکه پرینت سه بعدی معمولاً برای ایمپلنت‌های باردار پاسخ «بله» داده می‌شود، به HIP نیاز دارد.

مراحل کلیدی عملیات حرارتی برای چاپ سه بعدی آلیاژ تیتانیوم پزشکی-

مرحله 1 - بازپخت تسکین استرس

هدف: کاهش تنش های پسماند قبل از برداشتن تکیه گاه و پردازش بیشتر. پارامترهای معمولی: 600-670 درجه برای 2-5 ساعت در خلاء یا اتمسفر بی اثر. چرا اتمسفر اهمیت دارد: تیتانیوم به آسانی بالای 500 درجه اکسید می شود. پرش از این مرحله خطر تاب برداشتن یا ترک خوردن در حین ماشینکاری را به همراه دارد.

مرحله 2 - فشار ایزواستاتیک داغ (HIP)

هدف: بستن منافذ داخلی و رفع نقص-- همجوشی. پارامترهای معمولی: 900-920 درجه، فشار آرگون 100-200 مگاپاسکال، 2-4 ساعت. نتایج: تخلخل از ~ 0.3٪ به کاهش می یابد<0.05%, dramatically improving fatigue life and ductility. HIP is standard (and often mandatory) for medical titanium alloy 3D printing.

بهبودهای مکانیکی (تقریبی برای Ti-6Al-4V ELI):

همانطور که-ساختن/استرس-تسکین می‌یابد: استحکام بیشتر، ازدیاد طول کمتر (~7%).

پست{0}}HIP: استحکام متعادل با شکل‌پذیری قابل‌توجهی بالاتر (~15-16٪ کشیدگی) و عملکرد خستگی بهتر.

مرحله 3 - راه حل درمان و پیری (STA)

هدف: بهینه سازی + ریزساختار برای استحکام و شکل پذیری متعادل. فرآیند: محلول را در دمای 900-950 درجه و سپس خاموش کردن، سپس در دمای 500-600 درجه کهنه کنید. این یک ساختار هم محور یا لایه ای ظریف تر با مقاومت در برابر خستگی برتر ایجاد می کند.

مرحله 4 - آنیل نهایی (آسیاب آنیل یا آنیل دوبلکس)

زمانی استفاده می‌شود که حداکثر انعطاف‌پذیری و چقرمگی شکست در اولویت باشد (مثلاً ایمپلنت‌های ستون فقرات، صفحات استخوان). آسیاب در دمای 750 تا 850 درجه آنیل کنید یا از یک فرآیند دو مرحله‌ای- برای ریزساختار دووجهی استفاده کنید.

پارامترهای فرآیند حیاتی که نمی توان آنها را به خطر انداخت

کنترل جو

تیتانیوم اکسیژن و نیتروژن را به راحتی جذب می کند و حالت آلفای شکننده را تشکیل می دهد (تا عمق 100 تا 200 میکرومتر). کوره‌های خلاء باید به کمتر یا مساوی 10⁻³ Pa. برسند. درمان در هوای آزاد یا اتمسفر نامناسب یک پرچم قرمز مهم برای هر پزشکی است.خدمات پرینت سه بعدی تیتانیومکارخانه

یکنواختی دما و کنترل نرخ شیب دار

پیرومتری AMS 2750 به یکنواختی محکم (14-8 درجه) نیاز دارد. رمپ نامناسب باعث شوک حرارتی یا دانه های درشت می شود.

تعمیر قطعه و پیکربندی بار

رسانایی حرارتی کم تیتانیوم به پشتیبانی مناسب به ویژه برای دیوارهای نازک یا ساختارهای مشبک نیاز دارد تا از خزش یا اعوجاج در طول HIP جلوگیری شود.

میزان خنک شدن پس از درمان

خنک کننده کنترل شده انعطاف پذیری را به حداکثر می رساند. خاموش کردن سریع باعث پیری بعدی می شود. این مرحله اغلب توسط تامین کنندگان فاقد صلاحیت نادیده گرفته می شود.

مقایسه مسیرهای عملیات حرارتی برای تیتانیوم پزشکی

الزامات نظارتی و گواهی برای عملیات حرارتی تیتانیوم پزشکی

استانداردهای ASTM که باید بدانید

ASTM F3001: افزودنی Ti-6Al-4V ELI برای ایمپلنت های جراحی (کلاس هایی از جمله الزامات HIP را تعریف می کند).

ASTM F136: معیار ELI ساخته شده.

تست مکانیکی بر اساس ASTM E8/E466.

استانداردهای ISO و الزامات سیستم کیفیت

ISO 13485 برای مدیریت کیفیت، اعتبار سنجی فرآیند و قابلیت ردیابی الزامی است. ISO 10993 زیست سازگاری تحت تأثیر عملیات حرارتی را پوشش می دهد. ISO/ASTM 52904 به صلاحیت فرآیند افزایشی می پردازد.

ملاحظات علامت گذاری FDA و CE

سوابق عملیات حرارتی بخشی از رکورد سابقه دستگاه (DHR) است. تامین کنندگان باید قابلیت ردیابی کامل FDA 21 CFR قسمت 820 و انطباق با MDR را فراهم کنند.

سناریوهای واقعی-جهان

سناریو 1 - شکست خستگی ایمپلنت ارتوپدی به‌عنوان-ساخت‌شده + تنها کاهش استرس: در سیکل‌های ~2.3 × 106 به دلیل منافذ زیر{5} سطح ناموفق بود. اضافه کردن عمر طولانی HIP بیش از 107 سیکل.

سناریو 2 - آلودگی سطحی نیتروژن-تصفیه اتمسفر 150 میکرومتر آلفا مورد ایجاد کرد → رد دسته و دوباره کاری پرهزینه.

سناریو 3 - اعوجاج قفس ستون فقرات، شبکه دیوار نازک- پشتیبانی نشده، 0.6 میلی متر در طول HIP تغییر شکل داده است. نصب مناسب توسط یک تامین کننده واجد شرایط از این امر جلوگیری کرد.

عملیات حرارتی تیتانیوم پزشکی -یک زنجیره فرآیند چند مرحله‌ای - تأیید شده، با جو کنترل‌شده- و نه یک عملیات واحد است. از کاهش استرس گرفته تا HIP و STA، هر مرحله خطرات خاصی را که توسط چاپ ایمپلنت تیتانیوم SLM معرفی می‌شود، بررسی می‌کند و در عین حال از سازگاری زیستی و قابلیت اطمینان مکانیکی اطمینان می‌دهد.

تفاوت بین ایمپلنتی که اعتبار بالینی را پشت سر می گذارد و ایمپلنتی که ناموفق است، اغلب به انجام صحیح عملیات حرارتی تحت شرایط تایید شده بازمی گردد.

برای پیشبرد پروژه پزشکی خود آماده اید؟ همین امروز با تامین کننده چاپ سه بعدی تیتانیوم دارای گواهی ISO 13485 تماس بگیرید. طراحی ایمپلنت و الزامات خود را به اشتراک بگذارید - شریک مناسب یک بسته فرآیند درمان حرارتی با درجه پزشکی کامل و منطبق بر-درجه Ti-6Al-4V ارائه می‌کند که به شما در هر قسمت اطمینان می‌دهد.