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MDS Sciex公司利用DFA进行质谱仪创新设计

发布时间:2021-10-11作者来源:科理咨询浏览:505


MDS Sciex公司(位于安大略省康科德市)在科学仪器这一领域是处于领先地位。在90年代已成功开发了一种结合飞行时间技术和传统四极设计的混合质谱仪。这项新设计之所以受到化学家们的青睐,是因为它扩大了实验室能够分析和识别的化合物的范围——从命名简单的化合物到区分像DNA这样大而复杂的分子之间的差异


图片   背景

MDS Sciex是MDS公司的一个部门,也是四极质谱仪的领先制造商。1998年初,管理层启动了Qstar项目,这是公司25年历史上最大的产品开发项目。由75名成员组成的开发团队将把由研究实验室的科学家开发的一个电路试验板改造成了一种高质量、具有成本竞争力、可装运的产品,不需要安装技术人员进行现场组装。


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(三重四极质谱仪飞行管视图)


实现这些目标是一个巨大的挑战,因为电路试验板本质上是用于证明概念的科学实验,而且太复杂了,无法构建和使用。机械工程经理乔治·瓦莱蒂斯说:每一个都是定制组装和调整。”因此,设计和制造工程师团队必须与科学家合作,将电路试验板转化为商业产品。


工程团队使用了BDI公司的DFA软件,这是面向制造和装配设计(DFMA®)系列软件的一部分。此外,该团队还依赖于Edward de Bono博士开发的“六思维帽”头脑风暴技术。Valaitis说:“DFA软件是促进讨论和指导设计技术分析的催化剂。而六帽法使我们的讨论集中在一起,这样设计工作就可以如期进行。”


图片   创新过程

第一,制造团队的认识。

Qstar质谱仪是一种小产量的大型精密仪器。他们认识到易于装配在很大程度上决定了产品的成本、制造效率和现场性能。


第二,重新设计Qstar。

简化电路试验板的重要目标是使其具有尽可能少的组件,并设计自定位和自固定的零部件。Qstar工程师使用DFA软件分析现有的设计,并激发创新的方法来巩固零件和消除装配困难。在DFA软件指导下进行了一轮改进后,投入生产的Qstar版本不需要在装配后调整的情况下实现了严格的机械公差。


第三,稳定仪器及其模块,方便运输。

因为研制电路试验板的科学家利用重力把一些组件固定在一起,所以这个装置不能承受任何侧向负荷。此外,电路试验板中也有些主要组件是易碎的,精密元件像积木一样叠放在一起。为了增加支撑并提高公差,新的设计要求从支撑结构上悬挂组件和模块,而不是将它们堆叠起来。对重新设计的仪器进行的测试表明,它能承受8G(重力G)的侧向载荷。


第四,借助DFA软件设计的最重要的组件之一是飞行管。

它是一个附加组件,允许传统的四极体装置生成同等数量级的更多被测物质的数据。飞行管开发团队成员机械工程师Goran Marunic说:“我们一个接一个地回答了DFA软件中的问题,这些问题引发了一系列关于零件数量和装配效率的讨论。我们与制造工程部门密切合作,保持设计模块化,旨在实现更易于开发管理和更好的装配及服务。我们按照逻辑将设计分为多个组件,每个组件都有自己的物料清单。”


Marunic和他的团队为装配实践进行了良好的设计,还将飞行管的部件设计成自固定和自对中模块。离子探测器和加速器组件的组装只能用一种方式配合,因此装配机械师可以每次正确插入它们,而不必花费时间调整对准。


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(飞行管顶部视图)


图片   创新亮点——反射镜组件的设计

反射镜组件是飞行管中的关键模块,也是试验板中最脆弱的部件。因此,使用DFA软件对反射镜组件进行了多次分析。在考虑了结果并改进了反射镜模块之后,再次使用该软件来验证我们的概念。


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(反射组件视图)


软件标记的一个问题是绝缘层分离了一系列金属环,这些金属环排列在飞行管的反射部分。在电路试验板中,陶瓷球被用作每个金属环之间的隔离物以调节整个组件到-5到+1千伏电位。因此,在设计过程中,他们从陶瓷球到平板陶瓷垫片再到卡普顿片材,而卡普顿片材又能极大地降低了成本并让装配体更加结实坚固。


DFA软件还标记了连接电阻和金属环的紧固件数量。Marunic说:“作为替代方案,我们设计了一个连接,允许技术人员将电阻压入金属部分,因为这样不需要螺丝,组装迅速,更换方便。”


最后,Qstar团队设计了一个反射器组件,它可以在45分钟内组装起来,并且可以在不干扰仪器其余部分的情况下拆卸和维修。初始的电路试验板反射器包含289个零件和26个独特组件,而最终的反射器模块包含144个零件和21个独特组件。只有三个螺钉和三个螺母将144个零件固定在一起。因此,更好的平行度是另一个重要的结果。


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(反射镜组件顶部视图)


图片   创新小结

从一开始,Qstar工程师遵循设计实践,帮助他们避免质量控制和制造中的故障排除。他们策略的关键要素是在采用模块化的设计,并确定可测量的参数,这些参数将指示仪器在现场执行的能力。行管组件的平行度就是这样一个参数。因为飞行管的偏移电压是管平行度的函数,所以Qstar开发团队决定测量电压将是对平行度的快速质量控制检查。如果偏移电压或其他值超出公差范围,研究团队可以利用Qstar的模块化设计来找到问题的来源。

 

Marunic指出:“模块化的设计能够在不中断生产的情况下找到问题并迅速加以纠正。”通过减少零件数量,Qstar工程师将每台设备的材料成本降低了35000美元,并减少了设计和制造错误的机会。同时,在其他方面也节省了资金。最重要的是,DFA帮助缩短了20%的开发周期。MDS Sciex Management计算,在14个月内上市后,收入增加了2000万美元,并使Qstar在第一年的销售中占据全球市场的五分之一。对于一家计划继续跨越机遇之窗的公司来说,这是一次受欢迎的着陆。

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