Come la tecnologia μ-Mim aiuta lo sviluppo dei dispositivi medici

Il MIM (stampaggio a iniezione di metallo) è un processo di formatura dei metalli relativamente poco moderno, nato negli Stati Uniti negli anni '70. Questa tecnologia veniva originariamente utilizzata nel settore aerospaziale e della difesa. Dopo oltre 50 anni di sviluppo, i suoi ambiti di applicazione si sono estesi all'elettronica di consumo, ai semiconduttori, al settore automobilistico, agli utensili elettrici e al settore medicale.

Nel settore medicale, i componenti MIM sono stati utilizzati nei seguenti ambiti, tra cui i robot chirurgici laparoscopici (Intuitive, ecc.), gli strumenti chirurgici, gli endoscopi, i materiali di consumo dentali e gli impianti. Ora che i dispositivi medicali sono entrati nell'era della chirurgia mini-invasiva, quanto più piccole sono le dimensioni del dispositivo, tanto più in profondità può entrare nella cavità e minore è il trauma per il paziente. Di conseguenza, anche i componenti del dispositivo devono avere dimensioni sempre più ridotte. Il micro-MIM è in grado di soddisfare proprio questi scenari, caratterizzati da requisiti rigorosi in termini di dimensioni e precisione.

Il processo produttivo del μ-MIM è uguale a quello del MIM convenzionale. Innanzitutto, la polvere metallica viene miscelata con un legante polimerico e quindi granulata. I pellet simili a particelle di plastica ottenuti mediante granulazione sono chiamati feedstock. Questa miscela di feedstock viene iniettata nello stampo. Dopo un certo periodo di tempo, il prodotto viene stampato a iniezione. A questo punto, il prodotto viene chiamato green part
. Successivamente, il legante polimerico viene rimosso mediante trattamenti ad alta temperatura, chimici o catalitici, per far aderire le particelle di polvere metallica e formare un componente metallico denso. Infine, attraverso le fasi di post-lavorazione, il componente può essere lavorato meccanicamente per ottenere una posizione specifica, la concentricità e altre dimensioni, oppure inciso al laser con un codice QR, e quindi spedito dopo l'ispezione.

Per quanto riguarda l'impiego dei materiali, il micro-MIM e il MIM possono utilizzare gli stessi materiali, come 304, 316, 17-4, titanio, nichel, tungsteno e ceramiche. I materiali utilizzabili nel MIM convenzionale possono essere impiegati anche nel micro-MIM; inoltre, per chi ha requisiti di biocompatibilità, è possibile scegliere i materiali corrispondenti. Vale la pena ricordare che il micro-MIM può utilizzare anche il materiale PEEK per produrre aghi non metallici. La differenza tra micro-MIM e MIM tradizionale risiede nelle dimensioni e nella precisione. Dalla tabella seguente possiamo vedere che, per alcuni componenti di piccole dimensioni (inferiori a 5 mm), la tolleranza dei prodotti realizzati con il processo micro-MIM può arrivare a 1, mentre il processo MIM convenzionale può raggiungere soltanto 3; il micro-MIM offre una densità del prodotto o del componente maggiore e, infine, consente di realizzare pareti più sottili nei progetti a parete sottile. Per raggiungere un livello di precisione così elevato, sono richiesti standard rigorosi per la manutenzione delle macchine di stampaggio a iniezione, il controllo della precisione degli stampi, il controllo dei processi di stampaggio a iniezione e il processo di sinterizzazione.

Prodotti realizzati con il processo micro-MIM - micro-ingranaggi.
I micro-ingranaggi hanno denti complessi e finemente lavorati; la forma dei loro denti esterni rotanti è intricata e l'altezza dell'ingranaggio è di soli 1 cm, mentre il diametro esterno è di appena 1,5 cm. Inoltre, su questo ingranaggio di grandi dimensioni è presente un ingranaggio MIM più piccolo, di circa 2 mm. Anche questo micro-ingranaggio può essere prodotto utilizzando il processo MIM, come ingranaggio complementare per quello più grande.

Prodotti realizzati con il processo micro-MIM - ingranaggi metallici con denti interni rotanti
Anche questo componente è prodotto mediante MIM. Sebbene il diametro esterno sia di soli 1 cm e lo spessore di 3 mm, l'elevata precisione e la lavorazione offerte dalla tecnologia micro-MIM consentono a questi micro-ingranaggi di mantenere prestazioni eccellenti.

Sebbene questi due ingranaggi possano essere realizzati anche mediante lavorazione meccanica, il processo MIM può sfruttare meglio il proprio vantaggio in termini di costi nella produzione di massa. Esistono inoltre alcuni componenti metallici con elementi di progettazione più complessi, come sottosquadri, cavità interne complesse e altre aree in cui l'utensile non può entrare affatto. L'utilizzo del MIM consente di superare proprio i limiti della lavorazione meccanica.

Prodotti realizzati con il processo micro-MIM - cappuccio per ugello

Questo cappuccio per ago dotato di micropori ha un diametro di 4 mm e, al centro, presenta un foro passante di 30 micron. Alcuni potrebbero pensare che questo foro passante del diametro di 30 micron venga realizzato mediante una lavorazione successiva. In realtà non è così. Anche questo foro viene formato tramite il processo MIM, ma le sue dimensioni si riducono dopo la sinterizzazione. Prima della sinterizzazione, il foro è più grande di 30 micron. È proprio grazie a questa caratteristica che il processo micro-MIM può realizzare dimensioni e forme difficili da tagliare o molto costose da ottenere con processi produttivi convenzionali, come il taglio a filo.

Il processo micro-MIM è stato applicato a diversi prodotti con microstrutture. Tra questi vi sono componenti con strutture complesse per apparecchiature endoscopiche, vari micro-ingranaggi complessi, micro-lame con uno spessore di soli 10 micron, micro-pinze chirurgiche di varie forme, micro-ugelli, ecc.

Nel confronto tra i processi di lavorazione meccanica e MIM, a parità di complessità, se la quantità è ridotta, la lavorazione meccanica è un'opzione da prendere in considerazione. Naturalmente, si può anche valutare la stampa 3D laser delle green part e quindi la sinterizzazione del prodotto finito; se la domanda è elevata, invece, a parità di complessità il processo MIM è quello con il costo più basso, molto inferiore a quello della lavorazione meccanica; inoltre, a parità di domanda, il micro-MIM è più adatto del MIM convenzionale ai prodotti con progetti strutturali complessi.