بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه قالبگیری تزریقی مخلوط پودر و پلیمر روشی نوظهور برای تولید انواع قطعات مهندسی به شمار میرود که اغلب آنها دارای اشکال پیچیده و ابعاد کوچک هستند.
این روش، تلفیقی از متالورژی پودر سنتی و قالبگیری تزریقی پلاستیک است و دارای چهار مرحله اصلی مخلوطسازی، قالبگیری، چسبزدایی و تفجوشی را شامل میشود. روش مزبور در تولید نمونههای مهندسی با هندسه پیچیده، خواص کنترلشده، دقت ابعادی عالی، بدون ماشینکاری و کمترین دورریز، دارای قابلیتهای منحصر بهفرد است.درمقاله حاضر ضمن معرفی تیتانیوم و خواص منحصر بهفرد و کاربرد آن در پزشکی مخصوصا ساخت ایمپلنتهای دندانی و هوافضا به شرح کامل فرایند قالبگیری تزریقی برای تولید قطعات تیتانیومی به این روش میپردازیم.
.1 مقدمه
تیتانیوم عنصر 22 با معادل انگلیسی Titanium نماد Ti، تیتانیوم خالص در دمای محیط ساختار کریستالی هگزاگونال - ششوجهی - آلفا فشرده داشته که در دمای تقرباًی 1625سانتیگراد تبدیل به ساختار مکعبی مرکزدار بتا میشود. این دمای انتقال بهعنوان تبدیل بتا شناخته میشود که بسته به نوع و مقادیر ناخالصی یا افزودنیهای آلیاژی میتواند کاهش یا افزایش یابد. در دمای محیط تیتانیوم خالص تجاری به شکل فاز آلفا میباشد. با افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم، مقادیر هر فاز و دمای تبدیل بتا تغییر میکند.
در حوالی سال 1940 ویلیام جاستین کرول2برای اولین بار فرایند اقتصادی و صنعتی برای به دست آوردن تیتانیوم فلزی از سنگ معدن تیتانیوم را معرفی کرد که برای کاربردهای صنعتی تجاری استفاده میشود. هرچند در مقایسه با فولاد، تولیدات تیتانیوم کم میباشد ولی کاربردهای آن درزمینههای هوافضا، صنایع خودرو، دستگاههای پزشکی و ایمپلنت، کالاهای لوکس میباشد. ویژگیهای تیتانیوم مقاومت به خوردگی عالی، استحکام بالا، دانسیتهی نسبی بالا، زیست سازگاری خوب، سبکوزنی میباشد.
تمایل زیادی برای توسعهی روشهای ارزانقیمت برای پردازش آلیاژهای تیتانیوم وجود دارد که یکی از این روشها قالبگیری تزریقی برای مخلوط پودر فلز و پلیمر است. در اوایل دههی 1980 استفاده از فرایند قالبگیری تزریقی تیتانیوم همراه ترموستها یا ترموپلاستیکها گسترش یافت میزان حجم استفاده ازین مواد حدود %40 حجمی است
طبق گزارشهای اخیر در حال حاضر در سراسر جهان 19 شرکت تولید قطعات تیتانیومی به روش قالبگیری تزریقی وجود دارد. یک چالش اصلی این فرایند نفوذ اکسیژن و کربن است که خواص مکانیکی را بهشدت تحت تأثیر قرار میدهد. روش قالبگیری تزریقی برای تولید محصولات تیتانیوم دارای مزیتهای بالایی مثل کاهش هزینههای تولید در شمار بالا، بهرهوری بالای مواد میباشد. به علت هزینهی بالای ابزار و سرعت پردازش پایین ماشینکاری تیتانیوم نسبتاً پرهزینه است.
با روش قالبگیری تزریقی میتوان اشکال پیچیده بدون افزایش زیاد هزینه تولید نمود. در این بخش چالشهای فرایند ارائهشده است. پودر تیتانیوم قیمت بالایی داشته و هرساله 10000 کیلوگرم پودر تیتانیوم برای فرایند قالبگیری تزریقی استفاده میشود. فروش قطعات تیتانیوم ساختهشده با این روش حدود 10میلیون دلار در سال در سطح جهانی است، تمایل به این فرایندمخصوصاً در حوزهی پزشکی و ساخت ایمپلنتهای دندانی در دهههای اخیر افزایشیافته است.[3] شکل.1 کاربرد این فرایند را در صنایع مختلف نشان میدهد.
شکل.1 میزان استفاده از فرایند قالبگیری تزریقی در صنایع مختلف ژاپن در سال[4]2015
دو استاندارد ASTM F1472 ,ASTM F2885-11 و آلیاژ Ti-6Al-4V برای ابزار جراحی و پزشکی کاربرد دارند. کاربردهای رایج تیتانیوم در پزشکی شامل: مفاصل ران و زانو، پیچ استخوان، صفحات استخوان، ایمپلنتهای دندانی، تجهیزات جراحی، دریچهی قلب، فریم عینک و... میباشد.[5] در این مقاله ضمن معرفی تیتانیوم و خواص آن هدف شرح کامل فرایند قالبگیری تزریقی برای ساخت قطعات تیتانیومی میباشد. درشکل2 شماتیک کامل فرایند قالبگیری تزریقی را نشان میدهد و شکل 3 قطعات تیتانیومی که با روش قالبگیری تزریقی ساختهشده است را نشان میدهد.
شکل.2شماتیک فرایند قالبگیری تزریقی
شکل .3 قطعات تیتانیومی ساختهشده به روش قالبگیری تزریقی[6]
.2 پودر و خوراک
پودرها ازلحاظ کیفی به دودستهی خالص و گران و ناخالص و کمهزینه دستهبندی میشوند. میزان خلوص از روی مقادیر کربن و اکسیژن باقیمانده و همچنین عناصر باقیمانده در طول فرایند تولیدمثل منیزیم، کلسیم، کلر و سدیم سنجیده میشود. به عبارت دیگرت پودرهایی با هزینهی بالاتر دارای شکل کروی و پودرهایی با هزینه کمتر اغلب دارای شکل نامنظم و گوشهدار هستند.
یک روش گران برای تولید پودر کروی روش اتمیزهکردن با گاز خنثی است که توسط هومان و جانسون3در سال 1990 ارائه شد. همچنین روش پلاسما با الکترود چرخشی که توسط آلر و لوسادا 4در سال 1990 ارائه شد. روشهای تولید با هزینهی کمتر مثل آسیاب کردن مکانیکی اسفنج یا ضایعات است، برای مثال این روش برای پودرهای هیدریدی و غیرهیدریدی به کار میرود. درشکل4 و شکل 5 به ترتیب پودرهای تولیدی به روش اتمیزه با گاز و تولیدشده از اسفنج را نشان میدهد.
شکل .4 پودرهای تولیدی Ti-6Al-4V بهروش اتمیشدن گاز را با دو بزرگنمایی نشان میدهد.
