Additiv tillverkning och medicintekniska produkter: öppnar upp extraordinära möjligheter

Additiv tillverkning var från början främst tänkt för prototyper, men används nu alltmer vid utveckling av reservdelar och produktion av små serier och verktyg. Exempel på branscher som ligger i framkant när det gäller denna typ av innovativ tillverkning är läkemedels- och medicintekniksektorn. De driver utvecklingen inom additiv tillverkning.

Anpassning: nya spelregler för medicinsk utrustning

Användningen av additiv tillverkning vid utvecklingen av medicintekniska produkter öppnar upp extraordinära möjligheter när det gäller att anpassa implantat, proteser, verktyg och andra enheter till patienters specifika dimensioner och behov. Det innebär inte bara ett tekniskt utvecklingssteg för att förbättra den medicinska vården utan har också potential att avsevärt minska vårdkostnaderna. Tiden som patienterna behöver tillbringa under postoperativ läkarvård kan minskas samtidigt som behovet av korrigerande eller ytterligare operationer. Dessutom skapar övergången från massproduktion till on-demand-tillverkning förutsättningar för en minskad resursförbrukning samtidigt som produktutvecklingstiden kan minskas avsevärt.

Istället för att tillverka enligt ”one-size-fits-all”, kan man med additiv tillverkning producera komponenter med mycket individuella och komplexa gallerstrukturer. Dessa komplexa komponenter kan efterliknas mänskliga kroppsdelar och på så vis assimileras i patientens egna ben- och vävnadsstruktur. Detta innebär färre avstötningar och snabbare läkningstider.

Den globala marknaden för additiv tillverkning av medicintekniska produkter beräknas växa med en CAGR (Compound Annual Growth Rate) på cirka 17% mellan 2019 och 2026, en starkt bidragande faktor till detta är att fördelarna för hälso- och sjukvården är så stora jämfört med traditionell tillverkning.

Custom made hip implant additive

En långtgående värdekedja

Implantat måste utformas specifikt efter en patients magnetiska resonanstomografi (MRI) eller datortomografi (CT), och involverar medicinska experter för att genomföra inledande utredningar, kroppsavbildning och patientkonsultation. Designen av en virtuell modell måste sedan skapas med hjälp av programvara och specialiserade CAD-designers. När konstruktionen har godkänts av kirurgen kan den faktiska tillverkningen börja.

Det finns olika tekniker för additiv tillverkning, exempelvis PBF och DED och binder-jetting. Gemensamt för   metoderna är att komponenterna byggs upp lager för lager. Laser- och elektronstråleteknik används ofta för att smälta ihop respektive lager. Den tillverkade detaljen genomgår ett antal olika kvalitetssäkringsprocesser – såsom rengöring, validering, testning och verifiering - innan de steriliseras, förpackas och levereras till sjukhus, ortopediska kliniker och rehabiliteringscentra.

Gasernas viktiga roll

Gas spelar en grundläggande roll i varje steg i tillverkningsprocessen - från produktion och lagring av metallpulver till optimering av print-processen och rengöring efter printning.

De mekaniska egenskaperna hos en färdig produkt är inte bara i hög utsträckning beroende av själva tillverkningsprocessen utan också av egenskaperna hos det pulver som används. Kvaliteten på metallpulver som används i additiv tillverkning är avgörande eftersom det kan påverka de fysiska egenskaperna hos den färdiga produkten.

Gasatomisering är det mest effektiva produktionsmetoden för tillverkning av metallpulver. Processen kräver stora mängder inerta gaser som argon och kväve, men också en hög gasteknisk kompetens för att kunna finjustera atomiseringsprocessen och på så sätt ytterligare förbättra pulveregenskaperna och minska kassationerna - allt för att möjliggöra en kostnadseffektiv produktion.

När metallpulvret har producerats är det viktigt att behålla rätt atmosfär under lagring för att undvika fukt. Kvaliteten på metallpulvret har en stor inverkan på den printade detaljens mikrostruktur och fysikaliska egenskaper, varför det måste ha en väl definierad och konsekvent kvalitet. Korrekt lagring och hantering av pulvret är här avgörande faktorer för ett optimalt printresultat. Fukt kan, beroende på material bidra till åldring, påverka viskositeten hos det smälta materialet men också öka syrehalten i printkammaren.

Linde har utvecklat en innovativ lösning för att säkerställa pulvrets kvalitet hos användaren  - ADDvance® powder cabinet, där en styr- och mätenhet mäter fukthalten i skåpet och initierar ett spolgasflöde så snart dörrarna stängs för att snabbt nå rätt luftkvalitet. Efter spolfasen minskas gasflödet till en nivå där en konstant, låg luftfuktighet upprätthålls, vilket säkerställer att kvaliteten på de viktiga, ofta känsliga metallpulvren bibehålls.

Det väsentliga elementet – processgas

Utöver metallpulver och lagringsoptimering spelar gaser en mycket viktig roll i den additiva tillverkningsprocessen.

Även om atmosfären i kammaren optimeras med inerta gaser, som argon och kväve med hög renhet, kan föroreningar introduceras via läckage i gaskopplingar och printkammare, eller till och med i själva metallpulvret. Även extremt små variationer i syreinnehåll kan försämra de mekaniska eller kemiska egenskaperna hos vissa metaller känsliga för påverkan från syre - såsom titan och aluminiumlegeringar - och kan påverka slutproduktens fysiska egenskaper genom såsom missfärgning och försämrad utmattningshållfasthet negativt.

Linde har utvecklat en banbrytande teknik för att mäta och styra gaskvaliteten i printkammaren, allt för att skapa optimala förhållanden under printprocessen. Resultatet - ADDvance® O2-precision - analyserar kontinuerligt atmosfären i printkammaren och mäter syrenivån med hög precision utan att påverkas av andra föroreningar. Även fukthalten mäts kontinuerligt via en daggpunktsmätare. Utrustningen mäter syrgaskoncentrationer ned till 10 ppm och kan programmeras för att hålla syrehalten på en förutbestämd nivå. Vid för hög syrgashalt i kammaren startas en spolprocess med ren gas för att snabbt uppnå en optimal nivå. Tekniken används hos ledande tillverkare av medicintekniska produkter t.ex 3D Medlab i Frankrike, föregångare inom additiv tillverkning.

Läs våra andra berättelser