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快速周转。少量定制零件。机床无法制造的复杂零部件和几何形状。凭借 Stratasys 技术和专业技能,可以应对这些制造挑战,以及更多其他挑战。

利用 FDM 生产 MRI 组件

综述

3D 打印的复杂 MRI 安装面板

磁共振成像 (MRI) 是一种无创的医疗成像技术,可以生成 非常详细的体内结构剖面影像,包括器官、软 组织和骨骼。开发性 MRI 设备是经高度工程设计的复杂系统, 通常产量极低,甚至经常只有一台能满足 研究者和特殊应用的需求。MRI 技术以使用强磁体 和射频信号为基础,因此在建造过程中应尽可能减少金属的使用, 以避免干扰。

应用概述

MRI 机器通常需要大量的 塑料组件,这些组件几何形状复杂, 制造工艺要求苛刻。MRI 机器中的塑料组件的一项关键应用 是制作特种线圈,即与 身体的待成像部位进行接触 的组件。线圈发出射频 信号,这种信号会被氢质子吸收, 使它们跃迁到一个较高的能态。 信号将关闭然后线圈会检测 质子释放的自身所吸收的能量。 计算机处理该信号以 产生患者身体的影像。

一个典型的特种线圈包含 24 个塑料 组件,其几何形状各不相同,有些 相对简单,而有些则高度复杂。线圈有一些非常特殊的要求,以便 避免干扰到 MRI 机器的 运行。这些要求根据不同应用 而各不相同,但总体而言,MRI 线圈 组件材料需要较低的质子 信号强度,以避免干扰 MRI 图像。线圈材料还需要具有较低的 磁场畸变,以避免干扰到 调节体内质子的磁体。 最后,它需要较高的射频介电 强度,以安全隔离患者,避免 电气伤害。

MRI 线圈制造商在过去 使用传统的流程(例如 CNC 机加工、室温硫化 (RTV) 模铸和反应注塑成型)来制造 原型以及 MRI 线圈的制成零件和 其他塑料 MRI 组件。这些传统的制造方法都有 特定的限制,使得 MRI 组件的设计工作复杂化。例如,在 设计将要进行机加工的零件时,工程师需要考虑 是否有正确尺寸的切刀可用于加工零件的半径。这些流程都不能 创造出某些 MRI 组件中所需的内部腔体,因此经常都需要 设计、构建和组装多个组件来创建这种空腔。

传统的制造流程在成本和交付周期方面也有 限制。模铸流程的加工成本可能抬高小批量 MRI 组件的 成本。另一方面,CNC 机加工需要编程成本,而这对于 小批量的零件而言也难以承担。因为 CNC 机加工是一种减材制造流程,因此 还通常会浪费大量昂贵的材料,尤其是那些具有 复杂几何形状的零件。

流程综述

通过克服传统生产方法的限制,Fused Deposition Modeling (FDM) 使得 MRI 系统和 组件制造商能够以更低的成本在更短时间内制造出更优质的机器。FDM 技术是一种增材制造 流程,它使用计算机辅助设计 (CAD) 文件中的数据来逐层构建塑料零件。它使用真正的热塑塑料,而非 类似热塑塑料的材料,这种材料可用于 MRI 系统。FDM 在 MRI 原型和小批量生产零件中的 成本优势还在于它不需要加工或 CNC 编程,并且消除了 对材料的浪费。消除工具和编程还有助于缩短交付周期。利用 FDM 生产的 MRI 组件还不受 传统的设计限制,而传统制造方法以及相应的制造规则设计则有很多限制。FDM 零件可以构建为 工程师可以想到的几乎任何几何形状,而这通常可以转化为更优秀的机器性能,以及更低的制造成本 和维护成本。

测试数据

已经有一系列 FDM 热塑塑料经过了测试,并发现其符合在 MRI 设备中使用的一般要求, 这些材料包括:聚碳酸酯 (PC)、聚碳酸酯-ISO(符合国际标准组织 [ISO] 10993-1 和美国药典 [USP] 第六分类的聚碳酸酯)、聚苯砜 (PPSF) 以及 ULTEM 9085。对材料的选择 应根据应用环境而定。例如,一种应用可能需要材料可被追踪,而这正是选择 PC-ISO 的一个理由,而另一种 应用可能需要较高的热变形温度,而此时就建议使用 PPSF。或者,当制造零件的目的是研究以及非临床应用时, PC 是一种成本较低的选择。

客户案例

Virtumed LLC 制造用于强磁场和研究 MRI 机器的线圈。这些线圈通常需要数十个塑料组件,它们的几何形状非常复杂。 在过去,公司使用几种不同的方法来制造这些组件。 几何形状相对简单的较小型零件通常采用塑料 机加工而成。而较大较复杂的零件一般通过硅成型生产。 在之前,综合使用这些方法结合生产典型的线圈所需要的 24 种零件, 一组零件的成本为 20900 美元,而交付周期则为 16 周。“我们对使用快速原型设计方法来改进 我们的设计流程并缩减制造成本和交付周期非常感兴趣,”Virtumed 的机械工程师 Brandon Tramm 这样说到。 “但在最开始的时候,快速 原型设计材料并不适合用在 MRI 机器的强磁场中 。”

Tramm 监管了针对最重要的 MRI 材料认证所进行的多种 FDM 材料测试。 “为特定的应用选择正确的材料取决于所需要的具体特性,”Tramm 说。 “但几乎在所有案例中,都可以找到至少一种具有适宜特性的 FDM 材料。”Virtumed LLC 现在使用 FDM 来制造几乎所有原型和 成品线圈。“FDM 简化了设计流程,因为它消除了机加工和成型的限制,”Tramm 说。 “我可以为应用设计理想的几何形状,而无需担心它是否能够通过模铸或机加工来制造。这样我们的工程设计时间就缩短了,并且我们通常都可以减少线圈中零件的数量,由此又可以节省组装时间和维护成本。”

就一个典型的 24 组件线圈而言,消除机加工中与成型相关的加工费用以及减少加工时间和材料浪费,可以极大地将成本降低至一组零件 4688 美元。 交付周期也缩短到七天。 这些价格和交付周期都基于从服务机构直接购买零件,如果 Virtumed LLC 的产量足够承受自行购买 FDM 机器的成本,这些价格和交付周期还可以进一步降低。

FDM 与 Virtumed 的传统方法相比如何?


方法

成本

时间

机加工和硅成型

USD $20,900

16 周

FDM 加工

USD $4,700

1 周

节省

USD $16,200 (78%)

15 周 (94%)

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