超导线圈加工方法及超导线圈

摘要

本发明涉及一种超导线圈加工方法，采用3D打印的方式制作超导线圈，所述超导线圈的加工方法包括：S100设计超导线圈的线圈模型；S200根据超导线圈的外形和尺寸，设计加工基体，所述加工基体与超导线圈的至少部分外形适配，所述加工基体能够承载超导线圈的打印材料；S300使用3D打印机根据所述打印路径将所述打印材料打印至所述加工基体；S400去除所述加工基体，并对打印成型的超导线圈进行热处理。本发明还涉及一种使用上述超导线圈加工方法制作的超导线圈。上述超导线圈加工方法及超导线圈，采用3D打印方式制作的超导线圈不存在加工过程中的弹性变形或者塑性变形，因此完全能够满足小尺寸、弯曲状态的磁共振超导线圈的加工要求。

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振检测技术领域，特别是涉及一种超导线圈加工方法及超导线圈。

背景技术

随着磁共振技术的发展，磁共振检测在临床医疗过程中的应用越来越广泛。磁共振检测技术与其他检测技术相比具有更低的信噪比，进而能够更加清晰、准确对被检测对象的检测部位进行成像，因而“提高磁共振检测技术的信噪比”是业界持续努力的方向。磁共振检测技术的信号是磁共振线圈检测到的、非常弱的感应电流，降低背景电流的热噪声或增大感应电流都能够直接增加磁共振检测技术的信噪比。在此理论的指导下超导线圈被应用于磁共振检测技术中，并且信噪比得到了有效的提升。

传统的超导线圈中金属材质的线圈本体处于低温(比如几十K甚至十K以下)，以便超导线圈获得更高电导率，从而有效降低背景电流的热噪声，提高低温超导线圈的信噪比。用于小动物(比如小老鼠)检测的磁共振线圈一般尺寸比较小，且要求被检测对象尽量贴近磁共振线圈。因此用于小动物检测的磁共振线圈的外形需要与小动物的外形适配，比如磁共振线圈的外形是弯曲的形状，而不是简单的平面结构。但目前主要的超导材料加工超导磁共振线圈的方式只能用于制作较大尺寸的线圈，无法满足小尺寸、弯曲状态磁共振线圈的制作要求。

发明内容

基于此，有必要针对目前主要的超导材料加工工艺无法制作小尺寸、弯曲状态的磁共振线圈的问题，提供一种能够制作小尺寸、弯曲状态的磁共振超导线圈的超导线圈加工方法及使用这种方法制作的超导线圈。

一种超导线圈加工方法，采用3D打印的方式制作超导线圈，所述超导线圈的加工方法包括：

S100设计超导线圈的线圈模型；

S200根据超导线圈的外形和尺寸，设计加工基体，所述加工基体与超导线圈的至少部分外形适配，所述加工基体能够承载超导线圈的打印材料；

S300使用3D打印机根据所述打印路径将所述打印材料打印至所述加工基体；

S400去除所述加工基体，并对打印成型的超导线圈进行热处理。

在其中一个实施例中，在所述步骤S100中，超导线圈的所述线圈模型呈圆弧形空腔结构；在所述步骤S200中，根据超导线圈的空腔形状及内径尺寸设计所述加工基体。

在其中一个实施例中，在所述步骤S200中，所述加工基体呈圆形截面的支撑轴，所述支撑轴的外表面与所述线圈模型的圆弧形空腔适配；所述支撑轴的外表面能够承载超导线圈的所述打印材料。

在其中一个实施例中，所述步骤S300包括：

S310根据所述线圈模型生成超导线圈的打印路径，并将所述打印路径输入到3D打印机中；

S320根据超导线圈的材质配制打印材料，由3D打印机根据所述打印路径将所述打印材料逐层打印至所述加工基体的支撑面，并且烧结附着于所述加工基体表面的打印层；

S330对打印至所述加工基体上的每层所述打印材料进行表面加工；

S340重复所述步骤S320-S330，直至完成超导线圈的打印。

在其中一个实施例中，在所述步骤S310中，以所述支撑轴为中心轴，对所述线圈模型进行径向分层和轴向分层，进而生成所述打印路径。

在其中一个实施例中，在所述步骤S320中，使用3D打印机中的激光装置对附着于所述加工基体表面的所述打印层进行烧结。

在其中一个实施例中，在所述步骤S330中，所述表面加工的方式包括研磨和/或抛光。

在其中一个实施例中，在所述步骤S200中，设计所述加工基体的材质与超导线圈材质其物理特性和/或化学特性不同；在所述步骤S400中，根据所述加工基体与超导线圈材质的特性不同，利用物理和/或化学方式去除所述加工基体。

在其中一个实施例中，在所述步骤100中，所述线圈模型包括超导线圈中承载体及线圈天线的三维模型；对应的，在所述步骤S300中，所述打印材料包括承载体材料和线圈材料。

在其中一个实施例中，采用3D打印的方式制作高温超导线圈；在所述步骤S300中，所述线圈材料包括铋系高温超导材料或钇钡铜氧化物。

在其中一个实施例中，在所述步骤S300中，所述承载材料包括蓝宝石。

一种超导线圈，使用上述各个实施例中任一项所述的超导线圈加工方法进行制作。

在其中一个实施例中，所述超导线圈包括承载体和线圈天线，所述线圈天线固定设置于所述承载体。

上述超导线圈加工方法及超导线圈，采用3D打印技术并且基于加工基体，对超导线圈进行设计、建模及加工，同时辅以热处理工艺，有效保证了超导线圈的结构稳定及性能稳定。采用3D打印方式制作的超导线圈不存在加工过程中的弹性变形或者塑性变形，因此完全能够满足小尺寸、弯曲状态的磁共振超导线圈的加工要求。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的超导线圈加工方法示意图；

图2为本发明一实施例提供的超导线圈正视结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的超导线圈3D打印过程示意图；

图4为本发明一实施例提供的超导线圈立体结构示意图。

其中：100、承载体；200、线圈天线；300、加工基体；400、喷嘴；500、线圈安装座。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

磁共振超导线圈在超导状态下工作时具有比常温下更高的信噪比，同时随着磁共振技术的发展，磁共振检测不仅用于人体病灶的检测，也越来越多的应用于动物体的检测。对于一些大型的动物，磁共振超导线圈的外形及尺寸能够基于传统用于人体检测的磁共振超导线圈进行设计或者改造。对于一些小型动物(比如幼鼠)，磁共振超导线圈能否与其外形及尺寸进行适配是决定磁共振检测结构的关键。本发明提供一种超导线圈加工方法，能够制作小尺寸、弯曲状态的超导线圈，并且使用此种方法制作的超导线圈能够与小型动物(比如幼鼠)进行贴合。

如图1-3所示，本发明提供一种超导线圈加工方法，采用3D打印的方式制作超导线圈，所述超导线圈的加工方法包括：S100设计超导线圈的线圈模型；S200根据超导线圈的外形和尺寸，设计加工基体300，所述加工基体300与超导线圈的至少部分外形适配，所述加工基体300能够承载超导线圈的打印材料；S300使用3D打印机根据所述打印路径将所述打印材料打印至所述加工基体300；S400去除所述加工基体300，并对打印成型的超导线圈进行热处理。上述超导线圈加工方法，采用3D打印技术并且基于加工基体300，对超导线圈进行设计、建模及加工，同时辅以热处理工艺，有效保证了超导线圈的结构稳定及性能稳定。采用3D打印方式制作的超导线圈不存在加工过程中的弹性变形或者塑性变形，因此完全能够满足小尺寸、弯曲状态的磁共振超导线圈的加工要求。

对超导线圈进行准确建模是使用3D打印的方式制作超导线圈的前提，并且可以理解的，建立的线圈模型应该是准确反映超导线圈整体及内部结够。使用上述实施例所提供的超导线圈加工方法加工的超导线圈可以是平面线圈，也可以是曲面(比如圆弧面)线圈或者其他异形面线圈。如图1-4所示，在本发明一实施例中，在所述步骤S100中，超导线圈的所述线圈模型呈圆弧形空腔结构；在所述步骤S200中，根据超导线圈的空腔形状及内径尺寸设计所述加工基体300。圆弧形空腔结构的超导线圈是在磁共振检测过程中广泛使用的线圈类型。可以理解的，当需要制作其他类型的超导线圈(比如平面线圈)时，只需在本实施例的基础上做出适应性的修改即可。进一步，在所述步骤S200中，所述加工基体300呈圆形截面的支撑轴，所述支撑轴的外表面与所述线圈模型的圆弧形空腔适配；所述支撑轴的外表面能够承载超导线圈的所述打印材料。根据超导线圈的结构设计与其外形和尺寸是配的加工基体300，能够有效保证打印出的超导线圈的外形及尺寸。

使用3D打印机对超导线圈进行打印是制作超导线圈的关键步骤之一。在本发明一实施例中，所述步骤S300包括：S310根据所述线圈模型生成超导线圈的打印路径，并将所述打印路径输入到3D打印机中；S320根据超导线圈的材质配制打印材料，由3D打印机根据所述打印路径将所述打印材料逐层打印至所述加工基体300的支撑面，并且烧结附着于所述加工基体300表面的打印层；S330对打印至所述加工基体300上的每层所述打印材料进行表面加工；S340重复所述步骤S320-S330，直至完成超导线圈的打印。可以理解的，本实施例中提供的3D打印机的打印步骤可以根据所使用3D打印机的具体型号进行进一步拆分或者组合，只要最终能够将需要制作的超导线圈的结构及外形信息传递至3D打印机，并且3D打印机能够按照超导线圈的结构及外形要求进行打印即可。

尤其需要注意的是，3D打印机在打印过程中需要保证所打印的第一层打印层与加工基体300之间的结合力，因此通过烧结的方式实现第一层打印层与加工基体300之间的稳定结合。作为一种可实现的方式，在所述步骤S320中，使用3D打印机中的激光装置对附着于所述加工基体300表面的所述打印层进行烧结。在其它的实施例中，还可以使用红外加热等方式对附着于所述加工基体300表面的所述打印层进行烧结。同时在步骤S330中对打印至所述加工基体300上的每层所述打印材料进行表面加工是为下一层的打印提供平整的基础面，并且保证多层之间的稳定结合力。在本发明一实施例中，在所述步骤S330中，所述表面加工的方式包括研磨和/或抛光。可以理解的，根据具体的打印过程中的实际工况可以仅选择进行研磨或者抛光，也可以先后选择研磨和抛光。

逐层打印是3D打印机的基本工作方式之一。具体在打印超导线圈的过程中，可以按照不同的层次进行划分进而决定打印顺序。如图1-3所示，作为一种可实现的方式，在所述步骤S310中，以所述支撑轴为中心轴，对所述线圈模型进行径向分层和轴向分层，进而生成所述打印路径。按照径向和轴向进行分层不仅便于计算，而且能够充分保证所打印的超导线圈的结构稳定性。

上述各个实施例所提供的超导线圈加工方法既能够用于加工低温超导线圈(比如超导温度在10K以下的铌钛与铜的多丝复合线材质)，也能够用于加工高温超导线圈。并且在3D打印的过程中，一般会至少打印两种材料。如图1-3所示，在本发明一实施例中，在所述步骤100中，所述线圈模型包括超导线圈中承载体100及线圈天线200的三维模型；对应的，在所述步骤S300中，所述打印材料包括承载体材料和线圈材料。将承载体材料和线圈材料通过3D打印的方式结合在一起，所制作的承载体100和超导线圈之间不存在变形应力，能够更紧密的结合在一起。作为一种可实现的方式，采用3D打印的方式制作高温超导线圈；在所述步骤S300中，所述线圈材料包括铋系高温超导材料或钇钡铜氧化物(YBCO)。铋系高温超导材料或钇钡铜氧化物在77K或更高温度下即可进入超导状态。承载体100的材质选择也是决定超导线圈工作性能的关键因素之一。如图2-4所示，在本发明一实施例中，在所述步骤S300中，所述承载材料包括蓝宝石。蓝宝石具有导热系数高(尤其在更低的温度下，如77K以下有更优良的导热系数)与线圈材料有结合性好的特点。

在本发明一实施例中，在所述步骤S200中，设计所述加工基体300的材质与超导线圈材质其物理特性和/或化学特性不同。对应的，在所述步骤S400中，根据所述加工基体300与超导线圈材质的特性不同，利用物理和/或化学方式去除所述加工基体。作为一种可实现的方式，加工基体300相比于超导线圈材质为脆性材质，使用机械破碎的方式即可便捷的去除加工基体；或者加工基体300相比于超导线圈材质具有更低的熔点，通过加热即可便捷的去除加工基体300。作为另一种可实现的方式，加工基体300与超导线圈材质不同，使用能够溶解加工基体300而不能溶解超导线圈的溶解剂即可便捷的去除加工基体；比如加工基体300的材质采用能够溶于水的盐类，金属氧化物材质的超导线圈不溶于水得以保留；或者采用能够仅与加工基体300发生化学反应而不与超导线圈发生化学反应的溶解剂，比如加工基体300的材质采用能够溶于碱溶液的盐类，金属氧化物材质的超导线圈不溶于碱溶液得以保留。

在本发明一个具体的实施例中，在所述步骤S200中，设计所述加工基体300材质的熔点低于超导线圈材质的熔点；在所述步骤S400中，在打印成型的超导线圈的热处理工序中，通过加热融化的方式将所述加工基体300去除。在本实施例中将去除步骤和超导线圈的热处理步骤结合为一个步骤，有效节省了超导线圈的加工工序进而提升了加工效率。在本发明其他的实施例中，还可以是通过加工基体300和超导线圈之间在温度循环时相异的热膨胀率从超导线圈上分离加工基体300。

本发明一实施例还提供一种超导线圈，使用上述各个实施例中所述的任一项所记述的超导线圈加工方法进行制作。上述超导线圈，采用3D打印技术并且基于加工基体300，对超导线圈进行设计、建模及加工，同时辅以热处理工艺，有效保证了超导线圈的结构稳定及性能稳定。采用3D打印方式制作的超导线圈不存在加工过程中的弹性变形或者塑性变形，因此完全能够满足小尺寸、弯曲状态的磁共振超导线圈的加工要求。进一步，所述超导线圈包括承载体100和线圈天线200，所述线圈天线200固定设置于所述承载体100，并且承载体100安装在线圈安装座500上。

在本发明一个具体的实施例中，如图2-4所示，采用3D打印技术的方法，对超导线圈进行打印，以解决传统的高温超导材料工艺无法应用于磁共振超导小动物线圈的问题。磁共振的超导线圈一般分为承载体100和线圈天线200。承载体100要求为绝缘体、低RF(射频)介质损耗、高热系统的特点，线圈天线200要求高电导率。加工步骤举例如下：

S1设计圆形超导线圈的承载体100及线圈天线200的三维模型；

S2基于设计的超导线圈的三维模型，根据超导线圈的空腔内径尺寸，设计圆形超导线圈加工的支撑轴，超导线圈将从该支撑轴的表面成型；

S3将超导线圈的三维模型保存为STL格式文件输出到打印路径生成软件中，打印路径生成软件将该三维模型，以其轴为中心轴，对三维模型进行径向分层和轴向分层，生成打印路径，并对承载体100和线圈天线200进行区分，并保存为Gcode格式等；

S4将Gcode格式的打印路径文件输入3D打印机中，该3D打印机的工作原理如下图4所示，主要包括转轴、喷嘴400(喷嘴400可以设置为一个，也可根据材料种类设置为多个)、激光装置、表面加工装置。3D打印机识别Gcode格式文件数据，按打印路径数据控制喷嘴400运动(轴向和径向)，并根据Gcode格式文件数据中涉及的是承载体100还是线圈天线200，相应的喷嘴400中提供承载体材料或超导体线圈材料，同时激光装置对打印材料进行烧结使其成型在支撑轴表面；

S5完成一整个轴向层的打印后，通过3D打印机的表面加工装置，对成型表面进行研磨及至少一次抛光处理；

S6完成抛光处理后，根据超导线圈的具体层数，可重复S4-S5步骤进行第二层，甚至更多层的成型制造；

S7在打印完成后经过烘干，热处理工序，使得具有超导特性的线圈材料稳妥的附着在承载体100表面。

需要注意的是，在上述实施例中，承载体100具有导热系数高(尤其在更低的温度下，如77K以下有更优良的导热系数)与线圈材料有结合性好的特点，这种介质材料优选为蓝宝石。所用线圈材料具有超导特性，优选为高温超导材料(即在77K或更高温度下形成超导状态)，优选为铋系材料。其中，所述支撑轴采用的材料熔点均低于承载体100和超导体材质，在热处理工作中，可通过加热融化的方式将该支撑轴从超导线圈中去掉。如下图2及图4所示，线圈天线200与承载体100紧密接触，附着于承载体100表面。这样工艺生产的超导线圈能够使得线圈天线200部分处于恒定的低温，且可规避由于超导线圈尺寸过小导致的传统高温超导材料无法应用的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。