Complejidad geométrica, estanqueidad, resistencia a los impactos, precisión, mecanizabilidad, biocompatibilidad... los requisitos que el Nudge Zero exige a sus materiales son muchos, y la impresión 3D in situ es la única forma de cumplirlos en el tiempo necesario.
Se espera que el Nudge Zero sea un producto sanitario de Clase II que utilice ultrasonidos focalizados de baja intensidad para tratar algún día trastornos cerebrales, como la adicción a los opiáceos, el tinnitus y la depresión. Sus piezas tienen requisitos muy exigentes. Sin ir más lejos, algunas deben poder funcionar dentro de un escáner de resonancia magnética. Además, los ingenieros deben poder realizar iteraciones de ellas en un día o menos. Hace un par de años, producir estas piezas habría sido casi imposible, pero con los avances en la tecnología y los materiales de impresión 3D, el equipo de Nudge puede realizar iteraciones in situ en menos de un día.
"Si esto funciona y es capaz de tratar incluso algunas de las afecciones que esperamos en teoría, podríamos cambiar drásticamente la vida de cientos de millones de personas. Hay pocas tecnologías que se encuentren en esta intersección entre ser factibles y tener un potencial inmenso para ayudar a tanta gente. Por eso, tenemos que trabajar en ello tan rápido como podamos".
Sam Schmitz, ingeniero
El Nudge Zero está formado por tres componentes:
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El núcleo, un sistema de ultrasonidos en fase con un elevado número de canales, está incluido en una estructura de casco que se puede usar dentro de una máquina de resonancia magnética.
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El carro, que desgasifica, desioniza y calienta el agua para el sistema de ultrasonidos.
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El sistema electrónico de accionamiento, que genera las formas de onda para aplicar la conformación de haces al sistema de ultrasonidos.
Tanto el carro como el núcleo utilizan piezas impresas en 3D impresas en la Form 4L, que incluyen la carcasa del núcleo. Otras piezas de silicona se funden en moldes impresos en 3D, todo en menos de un día.
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El mejor material para el trabajo
"De verdad confiamos en que la Tough 2000 Resin sea un material de uso final a la altura de la longevidad que esperamos del SLS. Si se nos cae o lo golpeamos, no se va a romper".
Sam Schmitz, ingeniero
¡Los materiales importan! Algunas partes del núcleo deben ser estancas y resistentes a los impactos para soportar los golpes y el uso general, mientras que otras deben ser biocompatibles. Schmitz utiliza varios materiales de Formlabs para las piezas, y recientemente ha incorporado la nueva versión de la Tough 2000 Resin.
La Tough 2000 Resin: Un sustituto para el policarbonato mecanizado
La Tough 2000 Resin es un material rígido, fuerte y resistente a los impactos, comparable al ABS. Schmitz probó en un principio la nueva versión de la Tough 2000 Resin con una pieza de paredes delgadas que necesitaba inmediatamente. La pieza de 1 mm de grosor encajó en su sitio sin romperse, y a continuación, Schmitz tomó la pieza extra que había impreso y la puso a prueba también.
"Intenté destrozarlo con un martillo y fue entonces cuando me di cuenta de que el resultado era excelente. Hay muchas otras piezas de paredes delgadas que son de policarbonato, porque realmente necesitamos la resistencia a los impactos que aportaba. Antes las enviaba a mecanizar, pero a medida que las fui rediseñando, empecé a reemplazarlas todas por piezas hechas con la Tough 2000 Resin. Funcionan muy bien".
Sam Schmitz, ingeniero
El panel de botones se imprimió con la Tough 2000 Resin.
Al rediseñar las cubiertas, Schmitz las imprimió con la Tough 2000 Resin, reemplazando piezas que originalmente se habrían externalizado para hacerlas con policarbonato mecanizado. Con la Form 4L, Schmitz podía modificar su diseño cuando fuera necesario y tener una impresión lista en cuestión de horas.
Tough 2000 Resin: Una gran carcasa estanca con detalles precisos
La carcasa del sistema de ultrasonidos es grande, de unos 300 mm de largo y 250 mm de diámetro. Está compuesta por dos piezas que tienen que encajar y ser estancas, lo que exige precisión dimensional y resistencia a la deformación y a la fluencia. También se necesita una buena resolución de los detalles. Dado que el producto tiene que funcionar dentro de un escáner de resonancia magnética, no puede contener metal: los tornillos tienen que ser de plástico. Además, se trata de un dispositivo que se debe transportar atravesando varias manzanas de una ciudad hasta un escáner de resonancia magnética para utilizarlo en sesiones, y luego volver para ponerlo en diferentes configuraciones de ensayo. Ese transporte puede ser un proceso brusco, por lo que la carcasa debe ser resistente a los golpes.
"No podemos tener insertos prensados ni termofijados, así que también tiene que ser lo suficientemente resistente como para que podamos hacer roscas en ella, eso es muy importante. Son roscas M3 que hacemos directamente en la Tough 2000 Resin V2. Funciona muy bien".
Sam Schmitz, ingeniero
El conjunto encaja entre sí con una junta de goma en medio. Una vez apretado, es estanco. También se aplica una fina capa de caucho vulcanizado a temperatura ambiente, porque "nunca se puede ser demasiado precavido", como dice Schmitz. "Descubrimos que todo se imprime bien, sobre todo con los nuevos soportes, y podemos encajarlo en su sitio sin que queden huecos grandes".
En un principio, la carcasa se externalizó para imprimirla en 3D mediante sinterizado selectivo por láser (SLS), pero tras los ensayos de Schmitz con la Tough 2000 Resin, y con el volumen de impresión que ofrecía la Form 4L, probó a imprimir la carcasa en su propio taller. La Tough 2000 Resin no solo tenía la resistencia a los impactos necesaria, sino que la precisión dimensional y el acabado de la superficie eran mejores que los de las piezas externalizadas. Schmitz imprime los agujeros con el tamaño nominal del macho de roscar y luego usa un taladro con el material.
"Se ahorra muchísimo tiempo. Puedo imprimir cada una de estas mitades en una sola impresión; básicamente, en un día tengo las dos piezas, lo que está muy bien en comparación con el par de semanas que habría tardado en llegar de una oficina de servicios o con los dos mil dólares que habría costado la tarifa del servicio exprés".
Sam Schmitz, ingeniero
Coste de producción del conjunto de carcasas
| Impresora | Coste total | |
|---|---|---|
| Externalización | SLS de gran formato | 7000-10000 $ |
| In situ | Form 4L | 145 $ |
Ahorro de tiempo
| Tiempo de producción de la pieza | Tiempo de lijado de la pieza | Tiempo de imprimación y pintura | Total | |
|---|---|---|---|---|
| SLS externalizado | 5 días (exprés) | 8 h | 2 h | 5 días + 10 h de acabado |
| SLA in situ | 1 día | 3 h | 2 h | 1 día + 5 h de acabado |
Se ahorró más tiempo en las ocasiones en las que hubo que rehacer las piezas. Schmitz nos dice: "Las nuevas carcasas hechas con la Tough 2000 Resin tienen unas medidas más precisas que las carcasas externalizadas".
También se ahorra mucho tiempo y mano de obra en el acabado. Las piezas de SLS de gran formato externalizadas necesitaron ocho horas más de lijado. Con la Tough 2000 Resin en la Form 4L, ahora solo hay que lijar, imprimar y pintar para conseguir el color deseado. Se intentó lijar y aplicar aceite mineral, pero el aceite mineral es fluorescente en una resonancia magnética.
Pensando en la fabricación del producto, Schmitz dice que si se produjeran varios cientos de unidades de él, probablemente se utilizaría el moldeo por inyección, pero eso exigiría un rediseño importante debido a los socavados y los agujeros internos. Por eso, dice: "Aunque tuviéramos que fabricar 50, probablemente seguiríamos imprimiéndolos con la Tough 2000 Resin".
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La Tough 2000 Resin V2 es un material robusto con una resistencia y una rigidez comparables a las del acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), combinando tenacidad y resistencia a las altas temperaturas y la fluencia.
Grey Resin: Moldes y piezas de prueba
Las cuatro Form 4L de Nudge funcionan constantemente. Todas las piezas de prueba y los moldes se imprimen con la Grey Resin, el principal caballo de batalla de Nudge. Schmitz fabrica complejos moldes de silicona de dos, tres y cuatro piezas con la Grey Resin. Debido a la geometría de la pieza y a sus socavados, es imposible fabricar estos moldes con otro método que no sea la impresión 3D, incluso en una máquina CNC de cinco ejes.
La junta de la cabeza es una junta conforme que sella la cabeza del usuario en el baño de agua del núcleo. Los moldes de esta pieza de gran tamaño tienen varios socavados, lo que hace que la impresión 3D sea ideal para producirlos. Además, en la Form 4L, "podemos imprimir todas estas piezas de moldes en dos horas y media, de modo que se puede realizar una iteración antes de comer, verter la junta, ir a comer, probarla y después se puede hacer otra por la tarde", dice Schmitz. "Si no encaja, simplemente se hace otra en el mismo día. Es increíble, hemos llegado a hacer decenas de ellas".
Rigid 10K Resin: Moldes para termoformado
Algunos moldes de termoformado se imprimen con la Grey Resin, el material rentable que se ha convertido en el que más usa Nudge. Pero para las piezas pequeñas, detalles muy precisos o moldes que deban soportar muchos ciclos sin deformarse, se utiliza la Rigid 10K Resin.
La Rigid 10K Resin, como material muy reforzado con vidrio, muestra estabilidad a altas temperaturas y presiones, lo que la hace ideal para soportar la producción de alto volumen de piezas termoformadas.
Resinas biocompatibles
Las piezas de prueba suelen imprimirse con la Grey Resin. Pero una vez determinadas las especificaciones, las piezas impresas en 3D que tocan la piel o el baño de agua se fabrican con resinas biocompatibles, como la BioMed Clear Resin para el bastidor del sistema de ultrasonidos, y la Tough 1500 Resin.
Nylon 12 Powder
Además de la impresión 3D con resina, Schmitz imprime con la Fuse 1+ 30W. El Nylon 12 Powder se utiliza para componentes que hacen que el producto sea más ajustable, al tiempo que soportan el esfuerzo y la presión de mantenerlo rígido dentro de la máquina de resonancia magnética y sus vibraciones. Schmitz utiliza la función de compactación automática de PreFormpara minimizar el tiempo de impresión.
Piezas de uso final impresas en 3D
"Veo un camino para que muchas de estas piezas impresas, cuando se diseñan correctamente y se utilizan dentro de sus límites y con los análisis adecuados, sean piezas de uso final. Habrá que avanzar mucho más en el proceso de lo que la gente espera antes de que acabemos recurriendo a los métodos de fabricación tradicionales, si es que llegamos a hacerlo."
Sam Schmitz, ingeniero
El Nudge Zero se está sometiendo actualmente a ensayos internos. Cada ensayo trae consigo una demanda de piezas nuevas y actualizaciones del diseño. Aunque el producto podría fabricarse algún día de forma tradicional, esto implicaría rediseñar muchas de las piezas, ya que las geometrías complejas no pueden mecanizarse. Schmitz dice que puede imaginar fabricar el Nudge Zero en su misma empresa, a juzgar por las capacidades que ofrecen la Form 4L, la Fuse 1+ 30W y los materiales de alto rendimiento.
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