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Producción de componentes RM con FDM

Información general

Se hizo una 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, como los órganos, tejidos blandos y huesos. Los dispositivos de desarrollo RM son sistemas de ingeniería avanzada y compleja que se producen en volúmenes reducidos, a veces solo uno, para que cumplan los requisitos 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 interferencia.

Resumen de la aplicación

Las máquinas de RM requieren, por lo general, una gran cantidad de componentes plásticos de geometrías complejas bajo requisitos exigentes. Una aplicación clave de los componentes de plástico en las máquinas de RM es para las bobinas especiales, el subconjunto que interactúa con la parte del cuerpo a explorar. 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. Las computadoras procesan la señal para crear una imagen del cuerpo del paciente.

Una bobina especial típica puede tener 24 componentes plásticos con geometrías que van desde relativamente sencillas a extremadamente complejas. Las bobinas tienen requisitos muy específicos para evitar interferir con la operación de la máquina de RM. Estos requisitos varían según las diferentes 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 se alinean a los protones del cuerpo. Finalmente, se requiere una alta fuerza dieléctrica de radiofrecuencia para aislar al paciente de una descarga eléctrica.

En el pasado, los fabricantes de bobinas de RM usaban procesos convencionales, como el uso de máquinas CNC, modelado con vulcanización a temperatura ambiente (RTV) y moldeo por inyección para crear prototipos y piezas acabadas para las bobinas de RM, así como otros componentes plásticos de RM. Estos métodos tradicionales de fabricación imponen restricciones específicas que complican el trabajo de diseñar componentes de RM. Por ejemplo, para diseñar una pieza que se producirá, el ingeniero debe preocuparse si hay disponible 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 un punto de vista de costo y tiempo de espera. El costo del estampado para los procesos de modelado pueden aumentar el costo de componentes de RM de bajo volumen. Por otro lado, el uso de máquinas CNC requiere costos de programación que también podrían resultar difíciles de justificar para piezas de bajo volumen. Como es un proceso de sustracción, el uso de máquinas CNC a menudo desperdicia una cantidad importante de material costos, especialmente en piezas con geometrías complejas.

Información general del proceso

Al superar las limitaciones de los métodos convencionales de producción, el modelado de Fused Deposition Modeling (FDM permite que el sistema de RM y los fabricantes de componentes creen máquinas mejores a un menor costo y menos tiempo. La tecnología FDM es un proceso de fabricación aditiva que crea piezas plásticas capa por capa, mediante los datos de los archivos de diseño asistido por computadora (CAD). Usa termoplásticos reales, no materiales similares al termoplástico, que son aceptables para usarlos en sistemas de RM. La ventaja de costos de FDM en la producción de prototipos de RM y las piezas de producción de bajo volumen surgen del hecho de que no requiere estampado o programación CNC y porque elimina el desperdicio de material. La eliminación de las herramientas y de la programación también ayuda a disminuir el tiempo de espera. 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 factibilidad de fabricación. Las piezas FDM se pueden crear en cualquier geometría que los ingenieros pueden imaginar, lo que a menudo da como resultado máquinas con mejor rendimiento que se pueden producir a costos inferiores 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 favorecer 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 de menor costo cuando las piezas se producen para la investigación y para aplicaciones que no sean clínicas.

Caso de cliente

Virtumed LLC produce 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 que se requieren para una bobina típica se producen con anterioridad mediante una combinación de estos métodos y a un costo de $20.900 USD, más un tiempo de espera de 16 semanas para un conjunto de piezas. “Estábamos interesados en usar métodos rápidos de prototipado para mejorar nuestro proceso de diseño y para disminuir los costos de fabricación y el tiempo de espera”, dijo Brandon Tramm, ingeniero mecánico en Virtumed. “Sin embargo, cuando comenzamos, los materiales de prototipado rápido no habían calificado para usarlos en el campo magnético intenso 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”, dijo Tramm. “No obstante, en casi todos los casos, al menos un material FDM tiene las propiedades adecuadas.” Ahora, Virtumed LLC usa FDM para producir casi todas sus bobinas de prototipo y producción. “FDM simplifica el proceso de diseño al eliminar las limitaciones del uso de máquinas y del modelado”, dijo Tramm. “Puedo diseñar la geometría ideal para la aplicación sin tener que preocuparme sobre si se podrá modelar o producir. De esta forma, redujimos el tiempo de ingeniería y podemos disminuir el número de piezas en la bobina, lo que nos permite ahorrar tiempo de ensamblaje y costos de mantención.”

La eliminación de los costos de herramientas involucrados en el moldeado, junto a la disminución del tiempo de producción y del desperdicio de material involucrados en la producción brindan una reducción importante en el costo de la bobina de 24 componentes con $4.688 USD por conjunto. El tiempo de espera se redujo a solo siete días. Estos precios y tiempos de espera están basados 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.

¿Cómo se comparó FDM con los métodos tradicionales para Virtumed?


Método

Costo

Tiempo

Producción y moldeado de silicona

USD $20,900

16 semanas

Estampado FDM

USD $4,700

1 semana

AHORROS

USD $16,200 (78%)

15 semanas (94 %)

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