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Produção de componentes de equipamentos de ressonância magnética com FDM

Visão geral

Um painel complexo de montagem de ressonância magnética foi impresso em 3D

A ressonância magnética (MRI) é uma tecnologia de imagens médicas não invasivas que produz imagens de seções transversais altamente detalhadas das estruturas internas do corpo, incluindo órgãos, tecidos moles e ossos. Os equipamentos de ressonância magnética são sistemas complexos com muita engenharia, tipicamente produzidos em quantidades muito baixas, frequentemente apenas um, para atingir os requisitos dos pesquisadores e das aplicações especiais. A tecnologia de ressonância magnética é baseada no uso de magnetos poderosos e sinais de radiofrequência, e por isso o uso de metais em sua construção deve ser minimizado, para evitar interferência.

Descrição das aplicações

Equipamentos de ressonância magnética normalmente demandam um grande número de componentes plásticos com geometrias complexas produzidas para requisitos muito exigentes. Uma das principais aplicações para componentes plásticos em equipamentos de ressonância magnética é para bobinas especializadas, o subconjunto que faz a interface com a parte do corpo que deve ser examinada. A bobina emite um sinal de radiofrequência que é absorvido por prótons de hidrogênio, fazendo com que eles se movam para um estado energético superior. O sinal é desligado e a bobina detecta então a liberação pelos prótons da energia que eles absorveram. Os computadores processam o sinal para produzir uma imagem do corpo do paciente.

Uma bobina especializada típica pode ter 24 componentes plásticos com geometrias que variam de relativamente simples a altamente complexas. As bobinas têm requisitos muito específicos para evitar a interferência com a operação do equipamento de ressonância magnética. Esses requisitos variam com as diferentes aplicações, mas, em geral, um material componente de bobina de ressonância magnética precisa ter uma resistência baixa a sinais de prótons para evitar interferências com as imagens da ressonância. O material da bobina também precisa ter uma baixa distorção de campo magnético, para evitar interferência com os magnetos que alinham os prótons no corpo. Finalmente, ele requer alta resistência dielétrica de radiofrequência para isolar com segurança o paciente contra choques elétricos.

Os fabricantes de bobinas de ressonância magnética, no passado, usavam processos convencionais como a usinagem CNC, moldagem por vulcanização a temperatura ambiente (RTV) e moldagem por injeção de reação para produzir protótipos e partes acabadas para bobinas de ressonância magnética, bem como outros componentes plásticos. Cada um desses métodos de manufatura tradicionais impõe restrições específicas que complicam o trabalho de projeto de componentes de ressonância magnética. Por exemplo, ao projetar uma peça que deva ser usinada, um engenheiro precisa se preocupar se o tamanho certo de cortador está disponível para usinar os raios da peça. Nenhum desses processos é capaz de criar as cavidades internas necessárias para alguns componentes de ressonância magnética, e geralmente é necessário projetar, construir e montar vários componentes para sanar o problema.

Os processos convencionais de manufatura também têm limitações do ponto de vista de custo e tempo de entrega. O custo de ferramentas para os processos de moldagem pode aumentar o custo dos componentes de ressonância magnética de baixo volume. Por outro lado, a usinagem CNC exige custos de programação que também podem ser de difícil justificativa para peças de baixo volume. Por ser um processo subtrativo, a usinagem CNC também desperdiça, com frequência, uma quantidade considerável de material caro, especialmente em peças com geometrias complexas.

Visão geral do processo

Ao superar as limitações dos métodos de produção convencionais, a Fused Deposition Modeling (FDM) permite que os fabricantes de sistemas de ressonância magnética e seus componentes produzam melhores equipamentos a um custo menor, em menos tempo. A tecnologia FDM é um processo de manufatura aditiva que constrói peças plásticas camada por camada, usando dados de arquivos CAD. Ela usa termoplásticos reais, e não materiais tipo termoplásticos, que são aceitáveis para uso em sistemas de ressonância magnética. A vantagem do custo do FDM na produção de protótipos de ressonância magnética e peças de produção de baixo volume surge do fato que ela não exige ferramentas ou programação de CNC, e, devido a isso, o desperdício de material é eliminado. Eliminar as ferramentas e a programação também ajuda a reduzir o tempo de entrega. Os componentes de ressonância magnética produzidos por FDM são livres das restrições de projeto impostas pelos métodos tradicionais de manufatura e, seu projeto, de regras de fabricação. As peças FDM podem ser construídas em virtualmente qualquer geometria que os engenheiros possam visualizar, o que frequentemente resulta em equipamentos de melhor desempenho que podem ser produzidos a um custo menor, e com manutenção mais barata.

Dados de teste

Há vários termoplásticos para FDM que foram testados e que cumprem os requisitos gerais para uso nos dispositivos de ressonância magnética, incluindo: policarbonato (PC), policarbonato-ISO (PC que atende à classificação 10993-1 da International Standards Organization (ISO) e de Classe VI da United States Pharmacopeia (USP)), polifenilsulfona (PPSF) e ULTEM 9085. A seleção do material apropriado depende da aplicação. Por exemplo, uma aplicação pode exigir rastreabilidade de material, uma razão para o favorecimento do PC-ISO, enquanto outra pode exigir altas temperaturas de deflexão de calor, o que sugeriria o uso do PPSF. De forma alternativa, o PC oferece uma opção de baixo custo quando peças são produzidas para aplicações de pesquisa e não clínicas.

História de cliente

A Virtumed LLC produz bobinas para campos magnéticos fortes e pesquisa equipamentos de ressonância magnética. Essas bobinas normalmente exigem várias dúzias de componentes plásticos com geometrias complexas. No passado, a empresa usou vários métodos diferentes para produzir esses componentes. As peças menores e peças com geometria relativamente simples eram normalmente usinadas a partir de plástico. Peças maiores e mais complexas eram geralmente produzidas por moldagem com silicone. Os 24 componentes necessários para uma bobina típica eram previamente produzidos usando uma combinação desses métodos, a um custo de US$ 20.900, e com um tempo de entrega de 16 semanas para um conjunto de peças. “Nós estávamos interessados em usar métodos de prototipagem rápida para melhorar nosso processo de design e reduzir nossos custos de fabricação e o tempo de entrega”, afirmou Brandon Tramm, engenheiro mecânico da Virtumed. “Mas na ocasião em que começamos, os materiais de prototipagem rápida não eram qualificados para uso com o campo magnético intenso de um equipamento de ressonância magnética.”

Tramm supervisionou o teste de materiais de FDM para as certificações mais importantes de materiais para ressonância magnética. “A seleção do material adequado a uma aplicação particular depende das propriedades específicas necessárias”, disse Tramm. “Mas, em quase todos os casos, ao menos um material de FDM tem as propriedades certas.” A Virtumed LLC agora usa a FDM para produzir quase todos seus protótipos e bobinas de produção. “A FDM simplifica o processo de design eliminando as restrições da usinagem e da moldagem”, afirmou Tramm. “Eu posso projetar a geometria ideal para a aplicação sem me preocupar se ela pode ser moldada ou usinada. Assim, nós gastamos menos tempo com engenharia e podemos, geralmente, reduzir o número de peças na bobina, o que economiza tempo de montagem e custos de manutenção.”

A eliminação dos custos de ferramentas envolvidas na moldagem e a redução do tempo de produção e desperdício de material envolvido na usinagem proporcionam uma redução dramática do custo da bobina típica de 24 componentes – menos que US$ 4.688 por conjunto. O tempo de entrega é reduzido para apenas sete dias. Esses preços e tempos de entrega são baseados na compra de peças de um bureau de serviços, e serão ainda melhores quando a Virtumed LLC tiver volume suficiente para justificar a compra de seu próprio equipamento de FDM.

Como a FDM se compara aos métodos tradicionais para a Virtumed?


Método

Custo

Tempo

Usinagem e moldagem com silicone

USD $20,900

16 semanas

Ferramentas de FDM

USD $4,700

1 semana

ECONOMIA

USD $16,200 (78%)

15 semanas (94%)

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