Bewegliche Gelenke (Objet)

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Kurze Fertigungszeiten. Individuell gestaltete Bauteile in Kleinserie. Komplexe Komponenten und Geometrien, die nicht gefräst werden können. Dank der Technologie und des Fachwissens von Stratasys können Sie diese und weitere Herausforderungen in Herstellungsprozessen meistern.

Fertigen von MRT-Komponenten mit FDM

Überblick

Eine 3D-gedruckte, komplexe MRT-Montageplatte

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren, das detaillierte Schnittbilder innere Organe, Weichgewebe und Knochen liefert. MRT-Entwicklungsgeräte sind komplexe Systeme, die in der Regel in sehr geringen Stückzahlen oder sogar nur als Einzelstücke für wissenschaftliche und Spezialanwendungen hergestellt werden. Die MRT-Technologie basiert auf starken Magnetfeldern sowie magnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich. Um Störungen zu vermeiden, muss bei der Konstruktion weitgehend auf Metalle verzichtet werden.

Anwendungsübersicht

MRT-Geräte erfordern in der Regel eine Vielzahl an Kunststoffkomponenten in komplexen Formen, die anspruchsvollen Anforderungen unterliegen. Kunststoffkomponenten für MRT-Geräte werden insbesondere in Spezialspulen eingesetzt. Diese Baugruppe dient zur Erfassung des abzubildenden Körperteils. Die Spule erzeugt ein Wechselmagnetfeld im Radiofrequenzbereich. Dieses wird von Wasserstoffprotonen absorbiert, die dadurch in einen höheren Energiezustand versetzt werden. Wird das Wechselmagnetfeld abgeschaltet, erfasst die Spule, wie die Protonen die zuvor erfasste Energie abgeben. Das Signal wird von Computern verarbeitet, die ein Bild des Körpers erstellen.

Eine typische Spezialspule besteht aus 24 Kunststoffteilen mit relativ einfachen bis hin zu komplexen Geometrien. Die Spulen unterliegen besonderen Anforderungen, um Störungen des MRT-Gerätes zu vermeiden. Diese Anforderungen variieren je nach Anwendung. Im Allgemeinen gilt jedoch, dass das Material für die Komponenten der MRT-Spulen über eine geringe Protonensignalstärke verfügen muss, damit das MRT-Bild nicht gestört wird. Das Spulenmaterial muss zudem eine geringe Magnetfeldverzerrung aufweisen, um keine Störungen der Magneten zu verursachen, die für die Ausrichtung der Protonen im Körper sorgen. Abschließend muss es über eine hohe Spannungsfestigkeit gegenüber Radiofrequenzen verfügen, um den Patienten vor einem elektrischen Schlag zu schützen.

Die Hersteller von MRT-Spulen setzten bei der Fertigung von Prototypen, Endprodukten und weiteren Kunststoffkomponenten bislang auf herkömmliche Verfahren wie z. B. CNC-Fräsen, Raumtemperatur-Vulkanisation (RTV) und Reaction Injection Moulding (RIM). All diese herkömmlichen Fertigungsmethoden haben spezifische Nachteile, die die Entwicklung von MRT-Komponenten verkomplizieren. Beispielsweise müssen sich Ingenieure bei der Entwicklung gefräster Teile beachten, ob Fräsen vorhanden sind, mit denen sich die entsprechenden Radien fertigen lassen. Mit keinem der Verfahren lassen sich die für einige MRT-Komponenten erforderlichen Aussparungen herstellen. Daher müssen häufig mehrere Komponenten entwickelt, gefertigt und zusammengebaut werden, um die Hohlräume zu erhalten.

Auch hinsichtlich der Kosten und Lieferzeiten bringen die herkömmlichen Fertigungsverfahren Nachteile mit sich. Die Kosten für die Gussformen können die Kosten für Kleinserien von MRT-Komponenten in die Höhe treiben. Zudem fallen beim CNC-Fräsen Programmierungskosten an, die für Kleinserienteile kaum zu rechtfertigen sind. Da es sich um ein subtraktives Verfahren handelt, wird beim CNC-Fräsen insbesondere komplexer Formen häufig eine beträchtliche Menge kostspieligen Materials verschwendet.

Übersicht über das Verfahren

Da beim FDM (Fused Deposition Modeling) die Einschränkungen herkömmlicher Produktionsmethoden nicht gelten, können die Hersteller von MRT-Systemen und -Komponenten schneller und kostengünstiger bessere Geräte fertigen. Die FDM-Technologie ist ein additives Verfahren, bei dem Kunststoffteile anhand von CAD-Dateien (Computer Aided Design) Schicht um Schicht gefertigt werden. Dabei werden anstelle thermoplastähnlicher Materialien echte Thermoplaste verwendet, die sich für MRT-Systeme eignen. Der finanzielle Vorteil von FDM bei der Produktion von MRT-Prototypen und Teilekleinserien beruht auf der Tatsache, dass weder Formen noch CNC-Programmierung erforderlich sind und dass kein Material verschwendet wird. Der Wegfall von Formen und Programmierung verkürzt außerdem die Lieferzeiten. Mit FDM gefertigte MRT-Komponenten unterliegen nicht den Einschränkungen der herkömmlichen Produktionsmethoden und müssen auch nicht deren Produktionsanforderungen erfüllen. FDM-Bauteile lassen sich in nahezu beliebigen Formen fertigen. Dadurch lassen sich bessere Geräte herstellen, die zudem billiger und wartungsärmer sind.

Testdaten

Es gibt eine Reihe FDM-Thermoplaste, die im Rahmen von Tests als geeignet für die Verwendung in MRT-Geräten eingestuft wurden, darunter: Polycarbonat (PC), Polycarbonat-ISO (ein PC, das ISO 10993-1 (International Standards Organization) und der USP-Klassifizierung Class VI (United States Pharmacopeia) entspricht), Polyphenylsulfon (PPSF) und ULTEM 9085. Die Auswahl des geeigneten Materials ist anwendungsabhängig. So erfordern mache Anwendungen beispielsweise Materialverfolgbarkeit, sodass PC-ISO zu bevorzugen wäre, während andere eine hohe Wärmeformbeständigkeit erfordern, was den Einsatz von PPSF nahe legt. PC hingegen ist eine kostengünstige Wahl, wenn Bauteile für wissenschaftliche und nicht klinische Anwendungen gefertigt werden.

Praxisbeispiel

Virtumed LLC fertigt Spulen für starke Magnetfelder und MRT-Forschungsgeräte. Diese Spulen erfordern in der Regel mehrere Dutzend Kunststoffkomponenten mit komplexen Geometrien. Bislang hat das Unternehmen diese Komponenten mithilfe verschiedener Methoden hergestellt. Kleinere Bauteile und solche mit relativ einfachen Geometrien wurden in der Regel aus Kunststoff gefertigt. Größere und komplexere Teile wurden im Allgemeinen mit Silikonformen hergestellt. Die für eine typische Spule erforderlichen 24 Komponenten wurden bislang mit einer Kombination dieser Methoden hergestellt, wobei sich die Kosten bei einer Lieferzeit von 16 Wochen pro Teilesatz auf 20.900 USD beliefen. „Wir wollten mit Rapid Prototyping die Entwicklung optimieren, die Herstellungskosten senken und die Lieferfristen verkürzen“, so Brandon Tramm, Maschinenbauingenieur bei Virtumed. „Als wir damit anfingen, waren die Rapid Prototyping-Materialien allerdings noch nicht reif für die Verwendung innerhalb des intensiven Magnetfelds eines MRT-Geräts.“

Tramm überwachte die FDM-Materialversuche für die wichtigsten MRT-Materialzertifizierungen. „Die Auswahl des richtigen Materials für eine bestimmte Anwendung ist abhängig von den jeweiligen Anforderungen“, erläutert Tramm. „Aber in beinahe jedem Fall verfügt mindestens ein FDM-Material über geeignete Eigenschaften.“ Virtumed LLC verwendet nun für die Herstellung fast aller Prototypen und Produktionsspulen FDM. “FDM vereinfacht die Entwicklung, da die Einschränkungen von Fräs- und Gussverfahren wegfallen”, so Tramm. „Ich kann die ideale Geometrie für die Anwendung entwerfen, ohne mir Gedanken über die Verarbeitung oder das Gießen machen zu müssen. So verkürzt sich die Entwicklung, und wir können in der Regel die Anzahl der Spulenkomponenten und somit die Dauer des Zusammenbauens und die Wartungskosten verringern.“

Durch den Wegfall der Kosten für die Gussformen sowie die verkürzte Verarbeitungsdauer und die geringere Materialverschwendung konnten die Kosten für eine typische 24-Komponenten-Spule erheblich reduziert werden – auf nur 4.688 USD pro Satz. Die Lieferzeit beträgt nur noch sieben Tage. Diese Preise und Lieferzeiten gelten für den Kauf der Teile bei einem externen Anbieter. Bei entsprechendem Auftragsvolumen für den Erwerb einer eigenen FDM-Maschine könnte Virtumed LLC die Kosten noch weiter senken.

Vergleich zwischen FDM und herkömmlichen Methoden bei Virtumed


Methode

Kosten

Zeit

Fräsen und Silikongießen

USD $20,900

16 Wochen

FDM-Formen

USD $4,700

1 Woche

EINSPARUNGEN

USD $16,200 (78%)

15 Wochen (94 %)

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