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Rápido procesamiento. Piezas personalizadas de poco volumen. Componentes y geometrías complejas que son imposibles de mecanizar. Con la experiencia y la tecnología de Stratasys puede dar cumplida respuesta estos desafíos de fabricación y muchos más.

Producción de componentes IRM con FDM

Descripción general

Impresión en 3D de un complejo panel de montaje RM

La resonancia magnética (RM) es una tecnología de imágenes médicas no invasiva que produce imágenes transversales sumamente detalladas de las estructuras internas del cuerpo, tales como órganos, tejidos blandos y huesos. Los dispositivos RM de desarrollo son sistemas de ingeniería avanzada y compleja que se producen en volúmenes muy reducidos, a veces solo uno, para dar respuesta a las necesidades de los investigadores y de aplicaciones especiales. La tecnología RM se basa en el uso de imanes y señales de radio potentes, por lo que se debe disminuir el uso de metales durante su construcción con el fin de evitar interferencias.

Resumen de la aplicación

Las máquinas de RM requieren, por lo general, una gran cantidad de componentes plásticos de geometrías complejas con requisitos muy exigentes. Una aplicación clave de los componentes de plástico en las máquinas de RM reside en las bobinas especiales, el subconjunto que interactúa con la parte del cuerpo que se desea examinar. La bobina emite una señal de radiofrecuencia, que absorben los protones de hidrógeno, lo que hace que se muevan a un estado de energía superior. Cuando se desactiva la señal, la bobina detecta la liberación de energía que absorbieron los protones. Los ordenadores procesan la señal para crear una imagen del cuerpo del paciente.

Una bobina especial típica puede tener 24 componentes de plástico con geometrías que van desde relativamente sencillas a extremadamente complejas. Las bobinas tienen requisitos muy específicos para evitar interferir con el funcionamiento de la máquina de RM. Estos requisitos varían según las distintas aplicaciones, pero en general, la fuerza de la señal de protón del material del componente de bobina de RM debe ser baja, para evitar que interfiera con la imagen de RM. El material de la bobina también debe tener una distorsión del campo magnético baja, para evitar que interfiera con los imanes que alinean los protones del cuerpo. Finalmente, se requiere una alta resistencia dieléctrica de radiofrecuencia para aislar al paciente de forma segura frente a descargas eléctricas.

En el pasado, los fabricantes de bobinas de RM utilizaban procesos convencionales, como el uso de máquinas CNC, moldeo con vulcanización a temperatura ambiente (RTV) y moldeo por inyección para crear prototipos y piezas acabadas para las bobinas de RM, así como para otros componentes plásticos de RM. Estos métodos tradicionales de fabricación imponen restricciones específicas que complican el trabajo a la hora de diseñar componentes de RM. Por ejemplo, para diseñar una pieza, el ingeniero debe preocuparse de si se dispone de un cortador del tamaño adecuado al radio de la pieza. Ninguno de estos procesos permite crear las cavidades internas que requieren algunos componentes de RM, así que a menudo, es necesario diseñar, crear y ensamblar varios componentes para crear el vacío.

Los procesos convencionales de fabricación también tienen limitaciones desde el punto de vista de los costes y el plazo de fabricación. El coste de la fabricación de herramientas para los procesos de moldeado pueden aumentar el coste de componentes de RM de bajo volumen. Por otro lado, el uso de máquinas CNC requiere costes de programación que también podrían resultar difíciles de justificar en el caso de piezas con tiradas reducidas. Como es un proceso de sustracción, el uso de máquinas CNC a menudo desperdicia una cantidad importante de material costoso, especialmente en piezas con geometrías complejas.

Descripción general del proceso

Al superar las limitaciones de los métodos convencionales de producción, la tecnología Fused Deposition Modeling (FDM) permite que el sistema de RM y los fabricantes de componentes creen máquinas mejores a un menor coste y en menos tiempo. La tecnología FDM es un proceso de fabricación aditiva que permite crear piezas de plástico capa a capa, a partir de los datos de los archivos de diseño asistido por ordenador (CAD). Usa termoplásticos reales, no materiales similares al termoplástico, que son aceptables para utilizarlos en sistemas de RM. La ventaja en costes de la tecnología FDM en la producción de prototipos de RM y las piezas de producción de bajo volumen responde al hecho de que no requiere fabricación de herramientas o programación CNC y a que elimina el desperdicio de material. La eliminación de las herramientas y de la programación también ayuda a disminuir los plazos de fabricación. Los componentes de RM que se producen con FDM no tienen las limitaciones de diseño que imponen los métodos tradicionales de fabricación y su diseño de las reglas de fabricación. Las piezas FDM se pueden crear prácticamente con cualquier geometría que los ingenieros puedan imaginar, lo que suele dar como resultado máquinas con mejor rendimiento que se pueden producir a un coste inferior y que son más fáciles de mantener.

Datos de prueba

Se han probado muchos termoplásticos FDM que cumplen con los requisitos generales para su uso en dispositivos de RM, como: policarbonato (PC), policarbonato-ISO (PC que cumple con la Organización Internacional de Normalización (ISO) 10993-1 y con la clasificación de Clase IV de la Farmacopea de los Estados Unidos (USP)), polifenilsulfona (PPSF) y ULTEM 9085. La selección del material adecuado depende de la aplicación. Por ejemplo, es posible que una aplicación requiera trazabilidad del material, motivo para decantarse por el PC-ISO, mientras que otra requiera la deflexión de altas temperaturas, en cuyo caso se sugiere el uso de PPSF. También, PC ofrece una opción más barata cuando las piezas se producen para la investigación y para aplicaciones que no sean clínicas.

Caso de cliente

Virtumed LLC fabrica bobinas para campos magnéticos muy elevados y para máquinas de RM de investigación. Normalmente, estas bobinas requieren varias docenas de componentes plásticos con geometrías complejas. En el pasado, la empresa utilizó diferentes métodos para producir estos componentes. Las piezas pequeñas y las que tenían geometrías relativamente sencillas se hacían generalmente de plástico. Las piezas de mayor tamaño y complejidad se producían generalmente mediante el moldeado de silicona. Los 24 componentes necesarios para una bobina típica se fabricaban antes mediante una combinación de estos métodos y a un coste de 20.900 USD, más un plazo de fabricación de 16 semanas para un conjunto de piezas. “Estábamos interesados en utilizar métodos rápidos de prototipado para mejorar nuestro proceso de diseño y para disminuir los costes y los plazos de fabricación”, explica Brandon Tramm, ingeniero mecánico en Virtumed. “Sin embargo, cuando comenzamos, los materiales de prototipado rápido aún no eran aptos para usarlos en el intenso campo magnético de una máquina de RM.”

Tramm supervisó la prueba de los materiales FDM para las certificaciones de materiales de RM más importantes. “La elección del material adecuado para una aplicación en especial depende de las propiedades específicas que se requieran”, señala Tramm. “No obstante, en casi todos los casos, al menos un material FDM cuenta con las propiedades adecuadas.” Ahora, Virtumed LLC usa FDM para fabricar casi todas las bobinas de prototipo y producción. “FDM simplifica el proceso de diseño al eliminar las limitaciones del uso de máquinas y del moldeo”, explica Tramm. “Puedo diseñar la geometría ideal para la aplicación sin tener que preocuparme de si se podrá moldear o mecanizar. De esta forma, reducimos el tiempo de ingeniería y podemos disminuir el número de piezas en la bobina, lo que nos permite ahorrar tiempo de montaje y costes de mantenimiento.”

La eliminación de los costes de herramientas utilizadas en el moldeado, junto a la reducción del tiempo de producción y del desperdicio de material en la producción suponen una reducción importante en el coste de la bobina de 24 componentes a 4.688 USD por conjunto. El plazo de fabricación se redujo a solo siete días. Estos precios y plazos de fabricación se basan en la adquisición de piezas desde una oficina de servicios, por lo que serán aun mejores cuando Virtumed LLC cuente con el volumen necesario para justificar la compra de su propia máquina de FDM.

¿Cuál es la comparación entre FDM y los métodos tradicionales para Virtumed?


Método

Coste

Tiempo

Producción y moldeado de silicona

USD $20,900

16 semanas

Fabricación de herramientas FDM

USD $4,700

1 semana

AHORROS

USD $16,200 (78%)

15 semanas (94 %)

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