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Dec 14, 2023

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적층 제조(AM)는 의료기기 산업에서 널리 채택되었습니다. 이는 복잡한 임플란트 형상을 쉽게 제작하고

적층 제조(AM)는 의료기기 산업에서 널리 채택되었습니다. 이는 복잡한 임플란트 형상을 쉽게 제작하는 것을 포함하여 고유한 디자인 이점을 가지고 있으며 골유착 및 임플란트 안정성을 향상시키기 위해 세포 침투를 증가시키는 다공성 기능을 생성하는 것과 같은 전통적인 절삭 가공으로는 불가능했던 기능을 포함합니다. 결과적으로 AM은 비구 컵, 경골 베이스 플레이트 및 보강재, 척추 체간 케이지와 같은 정형외과 장치의 대규모 생산에 일상적으로 사용됩니다.

또한 AM은 임플란트를 환자의 해부학적 구조에 맞추고 잠재적으로 무균 해리 경향을 줄일 수 있는 기회를 제공합니다. 엄격하게 규제되는 산업이기 때문에 재료 선택 과정과 관련된 엄격한 규칙이 존재하므로 특히 임플란트의 경우 재료 선택이 제한됩니다. 가장 일반적인 재료에 대한 수요가 증가함에 따라 규제 요구 사항이 변경되거나 의료 기기 제조업체가 엔지니어링한 끊임없이 발전하는 설계를 충족하기 위해 새로운 기계적 특성이 필요합니다.

제조업체들은 적층 공정이 시작되는 혁신, 즉 금속 분말에 다시 초점을 맞추기 시작했습니다.

기존 금속 임플란트 재료 선택 중에서 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐 초저격형(Ti6Al4V ELI)은 의료 응용 분야에 선택되는 재료로 90% 이상의 점유율을 차지합니다. 분말에 대한 수요가 증가함에 따라 티타늄 분말 생산의 가격, 특성 및 공정에 대한 관심이 다시 높아졌습니다.

다양한 크기 분포의 Ti6Al4V ELI 분말은 DED(지향성 에너지 증착), L-PBF(레이저 분말층 융합), EB-PBF(전자빔 분말층 융합)를 비롯한 적층 가공 전반에 사용됩니다. 내화물 함유물이 피로와 인성에 미치는 해로운 영향으로 인해 모든 분말 미립화 방법이 티타늄 합금에 적합한 것은 아닙니다. 이로 인해 도가니 없는 플라즈마 원자화(PA)와 전극 불활성 가스 원자화(EIGA)가 적층 가공용 분말을 생산하는 데 선호되는 방법으로 남게 되었습니다. PA는 플라즈마 토치에 공급되는 사전 합금 와이어를 사용하여 높은 구형 분말 입자로 빠르게 응고되는 용융 방울을 생성합니다. EIGA는 회전하는 고순도 사전 합금 막대를 유도 코일에 지속적으로 공급하여 고속 불활성 가스로 직접 자유 낙하하는 용융 흐름을 형성하여 구형 분말 입자를 생성합니다. 와이어 공급 플라즈마 원자화 분말이 선점자 이점을 갖고 있지만 최근 EIGA에서 생산된 분말은 다양한 물리적, 화학적 특성에서 PA 분말과 동등한 것으로 나타났습니다.

산소, 질소 및 수소는 Ti6Al4V 합금 내에서 최종 부품의 기계적 특성에 큰 영향을 미치는 격자간 원소이며, 부적절한 제어로 인해 부품의 특성이 불충분해질 수 있습니다. 산소 함량은 재료 재사용률을 높이도록 설계된 적층 제조 생산 전략에도 특히 중요합니다. EIGA에서 제조한 분말은 공급원료(바)의 기존 산소 수준에 더해 100ppm만큼 적은 양의 산소를 얻습니다. EIGA 용해로는 내화 재료를 사용하지 않으므로 고밀도 개재물이 유입될 위험이 없습니다. PA와 EIGA 원자화 Ti6Al4V ELI 분말을 비교한 Carpenter Additive에서 발행한 백서에서는 EIGA 분말이 사용자에게 미량 오염물질이 존재하지 않도록 하면서 티타늄의 비용과 산소 함량을 줄일 수 있는 경제적인 공급망 옵션을 제공한다고 결론지었습니다. 또한 각 분말 변형으로 인쇄된 완성 부품의 기계적 특성을 탐구하는 보완 백서는 EIGA 분말로 인쇄된 부품이 인쇄 부품의 품질을 유지하거나 향상시키면서 비용을 절감할 수 있는 실행 가능한 옵션이라는 결론을 내렸습니다.

티타늄 합금은 생체 적합성과 함께 높은 강도와 ​​뛰어난 내식성을 나타내므로 다양한 생체 의학 응용 분야에 적합합니다. 대부분의 레이저 3D 프린팅 이식형 의료 기기는 표준 지정 등급 23(ASTM F3001)으로 알려진 초저 간질 변형인 Ti6Al4V ELI를 사용합니다. 인쇄되고 열간 등압 성형(HIP) 조건에서 이 합금은 130ksi(890MPa) 이상의 매우 우수한 인장 강도와 10% 이상의 연신율을 보여줍니다.