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Produzione di componenti MRI tramite tecnologia FDM

Panoramica

Un complesso pannello di montaggio per la risonanza magnetica stampato in 3D

La risonanza magnetica per immagini (MRI, Magnetic Resonance Imaging) è una tecnologia medica di creazione di immagini non invasiva che produce immagini in sezione altamente dettagliate delle strutture interne del corpo umano, inclusi organi, tessuti molli e ossa. I dispositivi di sviluppo per la risonanza magnetica sono sistemi complessi altamente tecnici prodotti in genere in volumi molto ridotti, spesso in una sola unità, per soddisfare i requisiti di ricercatori e applicazioni speciali. Poiché la tecnologia MRI è basata sull'utilizzo di potenti magneti e segnali di radiofrequenza, la quantità di metalli per la loro costruzione deve essere ridotta al minimo per evitare interferenze.

Schema di applicazione

Le macchine per la risonanza magnetica richiedono in genere la produzione di un'elevata quantità di componenti in plastica con geometrie complesse per requisiti estremamente rigorosi. Un'applicazione principale per i componenti in plastica nelle macchine per la risonanza magnetica riguarda le bobine specializzate, il sottoassieme che si interfaccia con la parte del corpo di cui viene acquisita l'immagine. La bobina emette un segnale di radiofrequenza assorbito dai protoni di idrogeno, che passano a uno stato di energia più alto. Il segnale viene spento e la bobina può quindi rilevare il rilascio dell'energia assorbita da parte dei protoni. I computer elaborano il segnale per produrre un'immagine del corpo del paziente.

Una tipica bobina specializzata può includere 24 componenti in plastica con geometrie da relativamente semplici ad altamente complesse. Le bobine devono soddisfare requisiti molto specifici per evitare interferenze con il funzionamento della macchina per la risonanza magnetica. Questi requisiti variano a seconda delle applicazioni, ma in generale il materiale di un componente di una bobina per la risonanza magnetica deve avere un'intensità di segnale del protone ridotta per evitare interferenze con l'immagine di risonanza magnetica. Il materiale della bobina deve avere anche una ridotta distorsione del campo magnetico per evitare interferenze con i magneti allineati ai protoni nel corpo. Infine, la bobina deve avere un'elevata rigidità dielettrica in radiofrequenza per isolare in modo sicuro il paziente da scosse elettriche.

In passato i produttori di bobine per la risonanza magnetica utilizzavano processi convenzionali, quali la lavorazione CNC, lo stampaggio RTV (Room Temperature Vulcanization, Vulcanizzazione a temperatura ambiente) e lo stampaggio a iniezione inversa per creare prototipi e parti finite per le bobine e per altri componenti MRI in plastica. Questi metodi di fabbricazione tradizionali impongono ciascuno vincoli specifici che complicano il processo di progettazione dei componenti MRI. Ad esempio, nel progettare una parte che verrà lavorata tramite macchinari, un tecnico deve valutare se sia disponibile una fresa dalle dimensioni corrette per i raggi della macchina nella parte. Poiché nessuno di questi processi consente di creare le cavità interne necessarie in alcuni componenti MRI, è spesso necessario progettare, costruire e assemblare più componenti per creare le aree vuote.

I processi di fabbricazione convenzionali pongono anch'essi limitazioni in termini di costo e tempi di lavorazione. Il costo delle attrezzature per i processi di stampaggio può provocare un aumento del costo dei componenti MRI di volume ridotto. D'altro canto, la lavorazione CNC impone costi di programmazione che possono essere anch'essi difficili da giustificare per parti di volume ridotto. Poiché si tratta di un processo sottrattivo, la lavorazione CNC comporta spesso anche lo spreco di una notevole quantità di materiale costoso, in particolare per le parti con geometrie complesse.

Panoramica del processo

Superando le limitazioni dei metodi di produzione convenzionali, la modellazione a deposizione fusa (FDM, Fused Deposition Modeling) consente ai produttori di sistemi e componenti MRI di costruire macchine migliori a un costo e in tempi inferiori. La tecnologia FDM è un processo di fabbricazione additiva per la creazione di parti plastiche strato per strato, tramite dati di file CAD (Computer-Aided Design). Questa tecnologia utilizza vere termoplastiche e non materiali simili a quelli termoplastici, accettabili per l'utilizzo nei sistemi MRI. I vantaggi legati ai costi della tecnologia FDM nella produzione di prototipi MRI e di parti di produzione di volume ridotto sono dovuti al fatto che tale tecnologia non richiede attrezzature o programmazione CNC ed elimina lo spreco di materiali. La possibilità di eliminare attrezzature e programmazione consente inoltre di ridurre i tempi di lavorazione. I componenti MRI prodotti con tecnologia FDM sono liberi dai vincoli di progettazione imposti dai metodi di fabbricazione tradizionali e dalle relative regole di progettazione per la producibilità. Le parti FDM possono essere costruite praticamente in base a qualsiasi geometria ritenuta necessaria dai tecnici, garantendo in genere macchine dalle prestazioni migliori, realizzabili a un costo inferiore e dalla manutenzione meno costosa.

Dati dei test

Numerose termoplastiche FDM sono state testate e ritenute conformi ai requisiti generali per l'utilizzo in dispositivi per la risonanza magnetica, inclusi i materiali seguenti: policarbonato (PC), policarbonato ISO (policarbonato che soddisfa le classificazioni ISO - International Standards Organization - 10993-1 e USP - United States Pharmacopeia - classe VI), polifenilsulfone (PPSF) e ULTEM 9085. La selezione del materiale appropriato dipende dall'applicazione. Un'applicazione, ad esempio, potrebbe richiedere la tracciabilità del materiale, motivo per cui preferire il PC ISO, mentre un'altra potrebbe necessitare di temperature di deviazione del calore elevate, per cui è consigliabile l'utilizzo del PPSF. In alternativa, il PC offre un'opzione a costo inferiore se le parti vengono prodotte per applicazioni di ricerca e non cliniche.

Testimonianza di un cliente

Virtumed LLC produce bobine per campi magnetici elevati e macchine per la risonanza magnetica per la ricerca. Per queste bobine sono in genere necessarie due dozzine di componenti in plastica con geometrie complesse. In passato l'azienda utilizzava numerosi metodi diversi per produrre tali componenti. Le parti più piccole e quelle con geometrie relativamente semplici venivano in genere lavorate dalla plastica. Le parti più grandi e complesse venivano prodotte tramite stampi in silicone. I 24 componenti necessari per una tipica bobina venivano prodotti utilizzando una combinazione di questi metodi a un costo di 20.900 dollari e con tempi di consegna di 16 settimane per ogni set di parti. “Eravamo interessati a utilizzare metodi di prototipazione rapida per migliorare il nostro processo di progettazione e ridurre i costi di produzione e i tempi di lavorazione”, ha dichiarato Brandon Tramm, ingegnere meccanico presso Virtumed. “All'inizio, tuttavia, non vi erano ancora materiali di prototipazione rapida qualificati per l'utilizzo negli intensi campi magnetici tipici di una macchina per la risonanza magnetica.”

Tramm ha supervisionato i test dei materiali FDM per le certificazioni dei materiali MRI più importanti. “La selezione del materiale più appropriato per una determinata applicazione dipende dalle proprietà specifiche necessarie”, ha affermato Tramm. “Tuttavia, in quasi tutti i casi almeno un materiale FDM aveva le proprietà corrette.” Virtumed LLC utilizza oggi la tecnologia FDM per produrre quasi tutti i prototipi e le bobine di produzione. “La tecnologia FDM semplifica il processo di progettazione eliminando i vincoli della lavorazione e dello stampaggio”, ha dichiarato Tramm. “Posso progettare la geometria ideale per l'applicazione senza dovermi chiedere se possa essere stampata o lavorata. Abbiamo quindi tempi di progettazione minori e di solito possiamo ridurre il numero di parti nella bobina, risparmiando sui tempi di assemblaggio e i costi di manutenzione.”

L'eliminazione dei costi delle attrezzature per lo stampaggio e la riduzione dei tempi e dello spreco di materiali per la lavorazione offrono una diminuzione notevole delle spese per una tipica bobina di 24 componenti, fino a 4.688 dollari per ogni set. I tempi di lavorazione si riducono a soli sette giorni. Questi prezzi e tempi di lavorazione sono basati sull'acquisto di parti da un'agenzia di servizi e risulteranno ancora migliori quando Virtumed LLC disporrà del volume necessario per giustificare l'acquisto di una macchina FDM propria.

Confronto tra la tecnologia FDM e i metodi tradizionali per Virtumed


Metodo

Costo

Tempi

Lavorazione e stampi in silicone

USD $20.900

16 settimane

Attrezzature FDM

USD $4.700

1 settimana

RISPARMI

USD $16.200 (78%)

15 settimane (94%)

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