Производители медицинского оборудования все чаще применяют аддитивные технологии с использованием металлов для изготовления широкого спектра медицинских и стоматологических изделий. Такой инновационный метод как селективное лазерное плавление (SLM) применяется для изготовления функциональных прототипов, серийного производства хирургических имплантатов, усовершенствования конструкций инструментов и оборудования, а также для массовой кастомизации, т.е. крупномасштабного производства имплантатов и протезов, которые приспособлены под индивидуальные потребности пациентов. Компоненты зубных протезов, ортопедические, позвоночные и челюстно-лицевые имплантаты – все это входит в область применения SLM-технологии.

СЛП – идеальная методика производства для интеграции определенных функций в компоненты медицинских устройств. Так, 3D‑печать хирургических имплантатов с сетчатой (ячеистой) структурой позволяет улучшить остеоинтеграцию и снизить экранирование напряжений. Конструкции, оптимизированные для процесса SLM и адаптированные к анатомии пациентов, часто обладают сложной бионической геометрией, которую можно изготовить только с помощью этого метода. Технология также обеспечивает явные преимущества с точки зрения функциональных характеристик и стоимости. Давайте посмотрим, какие решения может предложить 3D‑печать металлами для здравоохранения.

Ацетабулярные колпачки эндопротеза тазобедренного сустава, напечатанные на установке SLM 280. На платформе построения можно одновременно вырастить несколько изделий, в том числе разной геометрии и размера 

Технология SLM в здравоохранении

Селективное лазерное плавление дает возможность изготавливать деталь послойно с избирательным накоплением материала. Процесс начинается с CAD- или STL-файла и представляет собой прохождение точного лазерного луча через тонкие слои металлического порошка для выборочного плавления сложных геометрических форм. Напечатанные детали демонстрируют высокую плотность, часто превышающую 99,9% от теоретической. По механическим свойствам они превосходят литые детали, а после термообработки по своим характеристикам могут быть эквивалентны деталям, изготовленным на станках.

Эндопротез тазобедренного сустава

• 3D-принтер: SLM 280 с двумя лазерами

• Материал: Ti6Al4V Gd. 23 (ASTM F136)

• Толщина слоя: 60 мкм

Преимущества использования процесса SLM:

1. интеграция функции за счет создания сетчатой структуры в процессе печати;

2. реализация сложной геометрии с контролем размера, формы, ориентации и общей пористости;

3. высокая эффективность и более низкая стоимость по сравнению с традиционными способами производства.

Этот ацетабулярный колпачок представляет собой стандартный имплантат тазобедренного сустава, созданный методом СЛП. Пористая структура внешней поверхности способствует остеоинтеграции. 3D-принтеры способны создавать мелкую пористую структуру для оптимального контакта между имплантатом и костью. Это обеспечивает долгосрочную стабильность имплантата за счет врастания кости. Селективное лазерное плавление позволяет контролировать разработку и изготовление сетчатых элементов необходимой формы, размера, ориентации и интервала. Такой точности невозможно достичь с помощью традиционного процесса плазменного напыления.

Эндопротез коленного сустава

• 3D-принтер: SLM 280 с двумя лазерами

• Материал: CoCr28Mo6 (ASTM F75)

• Толщина слоя: 30 мкм

Преимущества:

1. интеграция функциональной сетчатой структуры для фиксации имплантата;

2. эффективное изготовление индивидуальных имплантатов сложной геометрии;

3. высокая эффективность и низкая стоимость компонентов, индивидуально изготовленных для пациента.

Это стандартный имплантат коленного сустава с интегрированной сетчатой структурой. Возможность контролировать форму, размер и ориентацию сетчатой структуры обеспечивает надежную фиксацию эндопротеза. СЛП отлично согласуется с тенденцией к кастомизации, в то время как традиционные методы литья могут потребовать слишком большого объема настроек для производства индивидуальных имплантатов. Так, одномыщелковые имплантаты коленного сустава открывают широкие возможности в области малоинвазивной хирургии. Подобные решения, требующие индивидуального подхода, легко реализовать с помощью 3D‑печати металлами.

Челюстно-лицевые имплантаты

• 3D-принтер: SLM 125

• Материалы: Ti6Al4V Gd. 23 (ASTM F136), Ti Gd. II (ASTM F67)

• Толщина слоя: 30 мкм

Преимущества:

1. создание удобных и функциональных имплантатов;

2. более эффективное и экономичное производство геометрически сложных форм;

3. функциональная интеграция сетчатых структур;

4. возможность массовой кастомизации.

Такие челюстно-лицевые имплантаты разрабатываются и производятся с учетом анатомических особенностей пациента на основе данных компьютерной томографии. Они позволяют повысить эффективность хирургических операций, обеспечивая как функциональное, так и косметическое восстановление. Создание индивидуальных челюстно-лицевых имплантатов методом СЛП более эффективно и экономично, чем традиционные методы фрезерования на станках с ЧПУ.

Компоненты зубных протезов

• 3D-принтер: SLM 125

• Материал: CoCr SLM MediDent (ISO 22674)

• Толщина слоя: 20 мкм/30 мкм

Преимущества:

1. точное изготовление с минимальными отходами материала;

2. высокая эффективность и более низкая стоимость по сравнению с литьем и фрезерованием;

3. съемные частичные протезы для верхней и нижней челюсти, обеспечивающие высокую точность, прочность и пластичность.

Создание зубных коронок, металлокерамических протезов и частичных съемных каркасов для акриловых протезов – распространенная область применения селективного лазерного плавления. Такие зубные протезы изготавливаются по индивидуальному проекту, однако за одну сессию в SLM‑принтере можно напечатать изделия разной геометрии для нескольких пациентов. Прямая печать необходимой конструкции производит гораздо меньше отходов и является более экономичной по сравнению с традиционными методами литья и фрезерования. 

Абатменты, балки и каркасы имплантатов также производятся с использованием гибридной технологии (СЛП, затем обработка на фрезерном станке с ЧПУ). Такой процесс требует меньше расходов, чем фрезерование и позволяет интегрировать сетчатые структуры для улучшения фиксации протеза.

Хирургические инструменты

• 3D-принтер: SLM 280 с двумя лазерами

• Материал: нержавеющая сталь 17-4PH

• Толщина слоя: 30 мкм

Преимущества:

1. эффективная технология, сокращающая время изготовления на несколько недель;

2. создание сложных конструкций с минимальным расходом материалов.

С помощью метода СЛП бюро услуг Forecast3D изготовило этот хирургический инструмент для протезирования плечевого сустава за невероятно короткие сроки. Производство классическим способом заняло бы несколько недель. Стратегия проектирования для аддитивного производства позволяет разрабатывать детали для эффективной печати с минимальными отходами материала (или вовсе без них).

Оборудование 3D‑печати металлами для медицины

SLM 125 – компактный 3D‑принтер для селективного лазерного плавления металла с камерой построения 125 × 125 × 125 мм и одним волоконным лазером мощностью 400 Вт. Доступен предварительный нагрев платформы построения до 200 °C. Это гибкая производственная система, которая позволяет удовлетворить специфические требования клиентов благодаря более крупной платформе построения и более мощному лазеру, чем у других аппаратов этого класса. 

Компактность и эффективное использование металлического порошка и инертного газа обеспечивают оптимизацию производственных затрат. Замкнутый цикл подачи порошка с использованием специальной камеры, перчаток и герметичных емкостей гарантирует безопасность оператора. Кроме того, в этой установке можно использовать любые порошки для СЛП, включая реакционноспособные материалы.

SLM 280 – надежная машина с камерой построения 280 × 280 × 365 мм и запатентованной многолазерной технологией, оптимизированной для производства. Платформа построения на 25% больше, чем у стандартных установок среднего размера, что позволяет вырастить больше деталей за одну сессию печати. Возможны варианты конфигурации с одним или двумя лазерами мощностью 400 или 700 Вт. 

Установка с двумя лазерами способна выполнять построение на 80% быстрее, чем однолазерная, за счет чего вы сможете выйти на уровень производства. SLM 280 включает ведущие в отрасли технологии многолазерного сканирования и управления потоком газа, которые дают возможность свести к минимуму воздействие золы и обеспечить равномерность механических свойств деталей на всей платформе построения.

Материал предоставлен компанией SLM Solutions

Автор: Алексей Чехович

Источник