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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer flächigen Isolationslage zur Verwendung in einer Gradientenspule.
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Eine Gradientenspule ist Teil einer bildgebenden Magnetresonanzeinrichtung. Sie dient zur Erzeugung lokaler Gradientenfelder zur Ortskodierung. Hierzu sind entsprechende Spulen erforderlich, um die Gradientenfelder, die in orthogonal zueinander stehenden Raumrichtungen erzeugt werden, zu erzeugen. Diese Spulen sind in mehreren Radiallagen angeordnet, das heißt, dass deren elektrischer Leiter auf ausgezeichneten Radialebenen verlaufen. Um die Spulen voneinander zu isolieren und definiert voneinander zu beabstanden werden Isolationslagen zwischen die radialen Spulenebenen gebracht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Zwischenräume eine möglichst hohe elektrische Isolationswirkung haben, um die Teilspulen voneinander zu isolieren. Sodann wird dieser mehrlagige Aufbau in eine Epoxidharzmatrix durch ein Vakuumvergussverfahren eingebettet. Hierbei ist darauf hinzuwirken, dass das Epoxidharz sämtliche Komponenten vollständig einbettet und insbesondere alle Hohlräume ausfüllt, da ansonsten aus solchen fehlerhaften Vergussbereichen Probleme bis hin zur Funktionsuntüchtigkeit resultieren können. Aus diesem Grund ist es erforderlich, insbesondere die Isolationslagen so auszugestalten, dass ein Harzfluss insbesondere in Axialrichtung möglich ist, gleichzeitig sind die Isolationslagen aber so niedrig zu gestalten, dass möglichst wenig Spaltmaß benötigt wird, mithin also die Gradientenspule radial gesehen niedrig aufbaut.
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Es ist bekannt, als Isolationslagen Glashartgewebeplatten zu verwenden, die eine mindestens auf einer Seite angeformte Noppenstruktur aufweisen. Derartige Glashartgewebeplatten sind in der Herstellung aufwendig. Diverse Schichten Glasfaservlies werden übereinandergelegt, wobei diese Schichten üblicherweise bereits mit einem Harz vorimprägniert sind. Hierbei ist ein entsprechend großes Harzreservoir vorzuhalten, um die Noppenstruktur ausbilden zu können. Dies geschieht, indem der Vliesstapel in einer Presse verpresst wird, wobei die Pressformen die Negativgeometrie der jeweiligen Plattenseite aufweisen, mithin also entsprechende Ausnehmungen aufweisen, die zur Bildung der Noppen dienen. Die Noppen selbst werden durch das beim Pressen erwärmte und fließende Harz gebildet, das Harz fließt in die Ausnehmungen.
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Die Herstellung solcher Glashartgewebeplatten ist offensichtlich sehr aufwendig und bedarf spezieller Faservliese und Pressformen.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein demgegenüber vereinfachtes Verfahren zur Herstellung einer solchen Isolationslage vorzuschlagen.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer flächigen Isolationslage zur Verwendung in einer Gradientenspule vorgesehen, bei dem ein thermoplastisches, isolierendes Material in Form einer Platte, eines Bands oder einer Folie in einem Warmumformschritt unter Ausbildung von an wenigstens einer Seite gegebenen lokalen und voneinander beabstandeten Erhebungen dreidimensional verformt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Verwendung einfacher thermoplastischer Halbzeuge in Form einer Platte, eines Bands oder einer Folie vor. Verwendet wird ein Material, das hinreichend isolierende Eigenschaften aufweist, aber auch im Hinblick auf den Anwendungszweck hinreichend temperaturbeständig ist. Dieses thermoplastisches Platten-, Band- oder Folienmaterial wird nun erfindungsgemäß in einem einfachen Warmumformschritt unter Verwendung einer entsprechenden, erwärmbaren Form umgeformt. Bei diesem Warmumformschritt wird das thermoplastische Material zur Ausbildung von an wenigstens einer Seite gegebenen lokalen Erhebungen dreidimensional umgeformt. Es findet also eine Art Tiefziehen oder -pressen statt. Nachdem lediglich das Material umgeformt wird kommt es zu keinem Fließen des Materials. Jeder Erhebung an der einen Seite liegt eine formentsprechende Vertiefung an der gegenüberliegenden Seite gegenüber. Die derart umgeformten Bauteile können sodann unmittelbar als Isolationslagen verwendet und in eine Gradientenspule eingebunden werden.
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Dieses Warmumformen geht wesentlich einfacher und schneller von statten, insbesondere sind keine besonderen Vorkehrungen zu treffen, um das Material überhaupt erst zu einer Isolationslage verarbeiten zu können, anders als im Fall der eingangs beschriebenen Glashartgewebeplatten, die erst in dem entsprechenden Schichtaufbau hergestellt werden müssen. Vielmehr kann erfindungsgemäß ein entsprechendes, vorgefertigtes Halbzeug verwendet werden. Im Falle einer Platte erfolgt eine das jeweilige plattenförmige Einzelteil bearbeitende Warmumformung in einer entsprechenden Form. Im Falle eines kontinuierlichen Bandes oder einer Folie kann auch ein kontinuierlicher Umformvorgang unter Verwendung entsprechender rotierender Umformwalzen und ähnlichem erfolgen.
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Geeignete thermoplastische Kunststoffe, aus denen das Platten-, Band- oder Folienmaterial bestehen kann, sind solche, die eine ausreichend hohe Wärmeformbeständigkeit aufweisen, um während des Verguss- und Aushärteprozesses mechanisch stabil zu bleiben und die Abstände zwischen den einzelnen Spulenlagen aufrechtzuerhalten. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das verwendete Gießharz eine gute Haftung zur Thermoplastoberfläche ausbildet, um die mechanische Integrität der Gradientenspule auch während des Betriebs aufrechtzuerhalten.
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Geeignete Thermoplaste können in folgenden Werkstoffgruppen gefunden werden:
POM (Polyoxymethylen), PA (Polyamid), PET (Polyethylentherephthalat), PBT (Polybuthylentherephtalat), PC (Polycarbonat), PMMA (Polymethylmethacrylat), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), SAN (Styrol-Acrylnitril), PUR (Polyurethan).
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Des Weiteren können auch Polymerblends oder Copolymere Verwendung finden.
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Grundsätzlich können die thermoplastischen Materialien auch Zusätze wie mineralische Füllstoffe enthalten, um bestimmte Eigenschaften wie Wärmeformbeständigkeit oder thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Dies können beispielsweise partikelförmige, faserförmige oder plättchenförmige Füllstoffe sein. In diesem Fall können auch thermoplastische Elastomere als Basispolymer eingesetzt werden, welche in reiner Form keine ausreichende Steifigkeit besitzen. Durch einen hohen Füllgrad wird die Wärmeformbeständigkeit signifikant erhöht. Geeignete thermoplastische Elastomere sind beispielsweise aufgebaut auf Basis von Polyamid, Copolyester, Polystyrol oder Polyurethan.
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Die Erhebungen können beispielsweise noppenartig mit runder oder eckiger Geometrie respektive Querschnitt ausgeführt sein, wobei sich die Noppen bevorzugt zu ihrem freien Ende hin etwas verjüngen, so dass eine Entformbarkeit aus dem jeweiligen Umformwerkzeug einfache gegeben ist. Alternativ können auch stegartige und gerade oder gekrümmt verlaufende Erhebungen ausgebildet werden.
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Egal wie die Geometrie ist, ist in jedem Fall ein Harzfluss beim Vergießen in Axialrichtung möglich. Denn wie beschrieben sind die Erhebungen voneinander beabstandet, schließen also nicht aneinander an, so dass in jedem Fall ein in Axialrichtung überall offener Fließweg gegeben ist. Gleichzeitig lassen die Erhebungen eine entsprechende Beabstandung der Gradientenspulen voneinander zu.
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Wenngleich die Erhebungen nur an einer Seite ausgebildet werden können, mithin also an der anderen Seite ausschließlich Vertiefungen vorgesehen sind, ist es gleichermaßen denkbar, die Erhebungen auch beidseits auszubilden, so dass an beiden Seiten Erhebungen und entsprechende formkompatible Vertiefungen vorgesehen sind.
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Wird das jeweilige Halbzeug an beiden Seiten mit Erhebungen versehen, so ist es beispielsweise denkbar, dass die Erhebungen an der einen Seite, in Querrichtung der Platte, des Bands oder der Folie gesehen, in Reihen versetzt zu den Erhebungen an der anderen Seite liegen. Es sind also in Längsrichtung der Isolationslage gesehen Reihen benachbarter Erhebungen und Reihen benachbarter Vertiefungen vorgesehen, wobei sich beispielsweise die Erhebungsreihen und Vertiefungsreihen abwechseln. Dies kann so gewählt werden, muss aber nicht. Es sind auch andere beliebige Verteilungen denkbar. Beispielsweise kann sich in jeder Reihe eine Erhebung und eine Vertiefung abwechseln, wobei die Erhebungen und Vertiefungen zwei benachbarter Reihen wiederum versetzt zueinander liegen etc.
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Zweckmäßig ist es beim Verbauen der Isolierlagen, wenn in Axialrichtung aneinander anschließende Isolierlagen axial aneinander befestigt respektive axial gesehen aneinander gesichert sind. Um dies auch bei Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Lage zu ermöglichen, sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass an einem Randbereich sich in Längsrichtung der Platte, des Bands oder der Folie verlaufende und voneinander beabstandete, vorzugsweise längliche Vertiefungen oder Ausnehmungen ausgebildet sind. Nur an einem der Randbereiche werden besondere Geometrien vorgesehen, nämlich entweder vorzugsweise längliche, nutartige Vertiefungen oder vorzugsweise längliche Ausnehmungen, also Langlöcher. In diese Vertiefungen oder Ausnehmungen können, wenn nun zwei benachbarte Isolierlagen mit leichtem Überlapp gesetzt werden, die randseitigen Erhebungen der benachbarten Isolierlage eingreifen. Es ergibt sich dann eine Art Formschluss, so dass zwei benachbarte Isolierlagen miteinander verbunden sind. Selbstverständlich ist die Anordnung der länglichen Vertiefungen respektive Ausnehmungen entsprechend der Anordnung der randseitig an der benachbarten Isolierlage vorgesehenen Erhebungen zu wählen, so dass ein entsprechender Eingriff gegeben ist.
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Da die Isolierlagen, seien es die Platten, die Bänder oder die Folien, allesamt identisch ausgeführt sind, weist folglich eine solche Isolierlage an dem einen Rand die länglichen Vertiefungen oder Ausnehmungen auf, während am anderen Rand die Erhebungen vorgesehen sind. Die Zahl der Erhebungen kann in diesem Bereich auch reduziert werden, verglichen mit der Erhebungsanzahl im Rest der Fläche, so dass eine abgestimmte Anzahl an randseitigen Erhebungen und randseitigen Vertiefungen gegeben ist.
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Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner eine Isolationslage, hergestellt in einem Verfahren der vorbeschriebenen Art.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Gradientenspule, umfassend mehrere Spulen, die auf unterschiedlichen Radialebenen angeordnet sind, und zwischen denen Isolierlagen angeordnet sind, wobei die Spulen und die Isolierlagen mit einem aushärtbaren Harz vergossen werden, wobei Isolierlagen der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Form verwendet werden.
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Im Rahmen der Herstellung können die Isolierlagen einer Isolierebene um die Längsachse der Gradientenspule herum angeordnet oder gewickelt werden, wobei sich die benachbart zueinander gewickelten Isolierlagen randseitig überlappen.
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Werden Isolierlagen, die randseitige längliche Vertiefungen oder Ausnehmungen aufweisen, verwendet, so werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Isolierlagen derart angeordnet oder gewickelt, dass randseitige Erhebungen der einen Isolierlage in randseitige längliche Vertiefungen oder Ausnehmungen der benachbarten anderen Isolierlage eingreifen und sich auf diese Weise ein axial gesicherter Isolierlagenverbund ergibt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung neben dem Herstellungsverfahren auch eine Gradientenspule, hergestellt nach dem Verfahren der beschriebenen Art.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer Gradientenspule im Schnitt,
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2 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Isolationslage,
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3 eine Prinzipdarstellung mehrerer nebeneinander angeordneter Isolationslagen in überlappter Anordnung,
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4 eine Schnittansicht in Richtung der Linie IV-IV in 3,
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5 zwei Isolierlagen einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
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6 die beiden Isolierlagen aus 5 in zusammengesetzter Montagestellung.
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1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine Schnittansicht einer Gradientenspule 1, umfassend mehrere Gradientenspulen 2, zwischen denen Isolationslagen 3 angeordnet sind, über die die Gradientenspulen 2 voneinander isoliert und beabstandet sind. Dieser Aufbau ist in einem Epoxidharz 4, das die Form der Spule definiert, eingegossen. Der grundsätzliche Aufbau einer Gradientenspule ist hinlänglich bekannt.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Isolierlage einer ersten Ausführungsform. Diese Isolierlage besteht aus einem thermoplastischen Material 5 in Form einer Platte, eines Bandes oder einer Folie. Verwendet werden kann beispielsweise Polybutylenterephthalat, Polyoxymethylen, Polyamid oder Polyethylentherephthalat, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
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Die Isolierlage 3 ist aus einem Halbzeug in Form einer Platte, eines Bandes oder einer Folie aus dem thermoplastischen Material durch Warmumformung unter Verwendung eines entsprechenden Umformwerkzeugs, das hier nicht näher dargestellt ist, hergestellt. Dies kann beispielsweise eine Presse sein im Falle einzelner Platten oder entsprechende Presswalzen im Falle kontinuierlich umgeformter Bänder oder Folien.
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Im Rahmen der Umformung erfolgt eine dreidimensionale Formänderung zur Ausbildung von Erhebungen 6 und Vertiefungen 7, wobei die Erhebungen 6 an der einen Seite zwangsläufig formkompatible Vertiefungen 7 an der anderen Seite zur Folge haben, da es im Rahmen der Warmumformung lediglich zu einer Geometrieänderung, nicht aber zu einem Materialfluss kommt. Die Erhebungen 6 sind beispielsweise als runde Noppen oder ähnliches ausgeführt, entsprechend sind die Vertiefungen 7 napfartig rund.
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Ersichtlich sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Erhöhungen 6 und die Vertiefungen 7 in Reihen, die sich in Längsrichtung L der Isolierlage 3 erstrecken, angeordnet, wobei sich Reihen aus Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 abwechseln. Es können jedoch auch beliebige andere Geometrien gewählt werden, beispielsweise können sich innerhalb einer Reihe Erhöhungen 6 und Vertiefungen 7 abwechseln und ähnliches.
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In jedem Fall sind die Erhöhungen 6 an den jeweiligen Seiten voneinander beabstandet, so dass ein Vergussharz, also das Epoxidharz 4, in nahezu beliebiger Richtung entlang der Oberflächen der Isolationslage 3 strömen kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Vakuumvergussverfahren das Epoxidharz 4 an jede Stelle, die mit Epoxidharz 4 zu vergießen ist, gelangt, so dass sich keine Hohlräume und ähnliche Vergussfehler bilden.
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3 zeigt exemplarisch die Anordnung mehrerer Isolationslagen 3 nebeneinander. Bei den Isolationslagen 3 kann es sich entweder um separate stabile Platten handeln, die in realiter quasi halbkreisförmig, sich um ca. 180° erstreckend, ausgeführt sind. Sind die Isolationslagen 3 in Form von Bändern oder Folien ausgeführt, so werden sie quasi von einem langen Band- oder Folienwickel abgewickelt und um die Längsachse der Gradientenspule gewickelt.
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In jedem Fall erfolgt die Anordnung der Isolationslagen 3 so, dass sie sich randseitig etwas überlappen, mithin also eine Überlappzone 8 entsteht, wie in 3 und insbesondere in der Schnittansicht gemäß 4 gezeigt. Die Anordnung ist dabei derart, dass die randseitigen Erhebungen 6 der unten liegenden Isolationslage 3 in die gegenüberliegenden Vertiefungen der darüber liegenden Isolationslage 3 eingreifen. Sind die Isolationslagen 3 um die Gradientenspulenachse gelegt, so wird durch diesen formschlüssigen Eingriff – die Geometrie der Erhebungen 6 entspricht der Geometrie der gegenüberliegenden Vertiefungen – der Lagenverbund axial gesichert, eine Axialbewegung ist folglich nicht möglich.
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Der Eingriff der noppenartigen Erhebungen 6 in die entsprechenden Vertiefungen 7 setzt aufgrund der definierten Beabstandung der Erhebungen 6 respektive der Vertiefungen 7 voneinander voraus, dass die Isolationslagen 3 auf einem definierten Radius angeordnet werden, mithin also auf einer ganz bestimmten Radialebene positioniert werden. Um hinreichend Spielraum zu haben, die Isolationslagen 3 auch auf anderen Radialebenen positionieren zu können, ist es, wie in den 5 und 6 gezeigt denkbar, an einer Randseite 9 längliche Ausnehmungen 10, also Langlöcher, auszubilden, die sich in Längsrichtung der Isolationslage 3 erstrecken. Alternativ zu den Ausnehmungen 10 ist auch die Ausbildung länglicher Erhebungen, die zwangsläufig an der Unterseite zu entsprechenden länglichen nutartigen Vertiefungen führen, denkbar.
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Am gegenüberliegenden Randbereich 11 sind an jeder Isolationslage eine entsprechende Anzahl der Ausnehmungen 10 oder länglichen Vertiefungen entsprechende Anzahl von Erhebungen 6a ausgebildet, im gezeigten Beispiel wieder noppenartig.
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Wie das Beispiel ferner zeigt, sind über die sonstige Fläche Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 in der bereits aus 2 bekannten Weise angeordnet, das heißt, die Anzahl der Erhebungen 6/Vertiefungen 7 über die Fläche sind deutlich größer als die Anzahl der wenigen Erhebungen 6a im Randbereich 11.
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Werden nun zwei Isolationslagen 3 unter Bildung eines Überlappbereichs 8 nebeneinander angeordnet, seien es Platten, Bänder oder Folien, so greifen die im Bereich des Randabschnitts 11 ausgebildeten Erhebungen 6a in die entsprechenden länglichen Ausnehmungen 10 ein, wie in 6 gezeigt. Da die Ausnehmungen 10 länglich sind, also Langlöcher darstellen, kommt es auf die exakte Positionierung der Erhebungen 6a relativ zu den Ausnehmungen 10 nicht an, das heißt, dass diese Isolationslagen auf verschiedenen Radialebenen verbaut werden können.
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Wenngleich in den Figuren runde Erhebungen, die sich leicht konisch aus der Ebene erheben, gezeigt sind, sind selbstverständlich auch eckige Erhebungen oder längliche, steg- oder rippenartige Erhebungen denkbar. Wichtig ist lediglich, dass sie in beiden Raumrichtungen hinreichend voneinander beabstandet sind, so dass ein Harzfluss beim Vakuumverguss in beliebiger Richtung möglich ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
