Niskie tarcie, lekkość i wykonanie na miarę - szybko drukowane elementy do zastosowań terapeutycznych

• Co było potrzebne: Stawy palców dla egzoszkieletu
• Metoda produkcji: Selektywne spiekanie laserowe z proszkiem SLS
• Wymagania: Niski współczynnik tarcia, odporność na zużycie, niewielka masa, precyzja
• Materiał: iglidur I6
• Przemysł: Sektor medyczny
• Sukces współpracy: Szybka dostawa, opłacalna produkcja elementów funkcjonalnych dostosowanych do potrzeb klienta

Według Niemieckiego Stowarzyszenia Udarowego, co dwie minuty ktoś w Niemczech doznaje udaru. Aby łatwiej nauczyć się ponownie chwytać przedmioty po udarze, Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (uczelnia ETHZ) opracowała egzoszkielet dłoni o nazwie RELab tenoexo, który może wykonywać do 80 procent codziennych czynności. To może wykonać do 80 procent codziennych czynności. Drukowane w 3D paliczki wykonane z wysokowydajnego tworzywa sztucznego iglidur I6 zapewniają optymalne przenoszenie siły.

 

Wydrukowane w 3D paliczki palców, wykonane z wysokowydajnego polimeru iglidur I6, zastosowane w egzoszkielecie do terapii pacjentów po udarze mózgu. (Źródło: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problem

Wykonanie stawów palców za pomocą klasycznej drukarki 3D okazało się trudne, gdyż rozdzielczość urządzenia nie była wystarczająca do stworzenia wymaganej struktury paliczków palców. Elementy te nie tylko utrzymują razem sprężyny piórowe, ale również posiadają niewielki mechanizm zamykający dla skórzanego paska. Klamra, na którą nawleczony jest pasek, jest niewiele szersza niż milimetr. Filament ABS jako materiał do druku okazał się nieodpowiedni, ponieważ tarcie pomiędzy stawami a sprężynami piórowymi było zbyt duże, w wyniku czego tracono dużo energii. 

Rozwiązanie

ETH Zurich natrafiła w końcu na iglidur I6, zoptymalizowane trybologicznie tworzywo sztuczne, które okazało się idealne dla potrzebnych komponentów. Proszek SLS został opracowany w celu zmniejszenia tarcia w zastosowaniach ruchomych. Spiekanie laserowe umożliwia wysoką precyzję, a tym samym pozwala na tworzenie niewielkiej struktury stawu. Dzięki usłudze druku 3D firmy igus, stawy palców zostały wyprodukowane szybko i ekonomicznie oraz były natychmiast gotowe do użycia.

Struktura egzoszkieletu ręki i jego działanie

Konstrukcja palców pochodzi od japońskiego profesora Jumpei Arata z Uniwersytetu Kyushu: trzy cienkie sprężyny piórowe wykonane ze stali nierdzewnej są umieszczone jedna na drugiej i połączone za pomocą czterech polimerowych ogniw. Do  środkowej sprężyny przymocowane jest cięgno Bowdena - jeśli zostanie przesunięte do przodu, palce się zamykają; jeśli zostanie pociągnięte do tyłu, ręka się otwiera.  Silniki prądu stałego rozciągają i zginają sprężyny piórowe oraz podtrzymują pacjenta podczas wykonywania przez niego ruchów chwytnych.  "Egzoszkielet może wywierać na każdy palec siłę równą sześciu Newtonom" - mówi Jan Dittli, pracownik naukowy Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii ETHZ. "Trzy zaimplementowane ruchy chwytania wystarczą do podnoszenia obiektów o masie do około 500 gramów - takich jak półlitrowa butelka z wodą".   
 
Egzoszkielet jest napinany za pomocą opaski z czujnikiem, a do palców przymocowany jest za pośrednictwem skórzanych pasków. Kiedy pacjent zaczyna poruszać ręką, opaska przesyła sygnały elektromiograficzne (EMG) do mikrokomputera. Ten ostatni znajduje się w plecaku wraz z silnikami, bateriami i elektroniką sterowniczą, przy czym plecak jest połączony z modułem ręcznym. Jeśli użytkownik zamierza wykonać ruch chwytający, jest to wykrywane przez komputer, który następnie uruchamia silniki prądu stałego.
 
Podczas projektowania, naukowcy stanęli przed wyzwaniem: delikatne stawy palców.  Elementy te nie tylko utrzymują razem sprężyny piórowe, ale również posiadają niewielki mechanizm blokujący dla skórzanego paska. Klamra, na którą nawleczony jest pasek, jest delikatnie szersza niż milimetr. Do wykonania tyłu dłoni użyto drukarki 3D z filamentem ABS - metoda produkcji i materiał okazały się nieodpowiednie do wykonania stawów palców.  "W przypadku tego materiału tarcie pomiędzy stawami a sprężynami piórowymi byłoby o wiele za duże", mówi Dittli. "W rezultacie, zbyt wiele energii byłoby tracone podczas ruchu palców. "  Rozdzielczość normalnej drukarki 3D nie była wystarczająca do stworzenia szczegółowej struktury paliczków palców. 
 

Moduł dłoni egzoszkieletu posiada masę tylko 148 gramów (źródło: Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - najlepszy polimer do druku 3D do zastosowań o niskim współczynniku tarcia

Rozwiązaniem tego problemu okazał się system produkcji addytywnej firmy igus: samosmarowy materiał SLS iglidur i6, który został opracowany specjalnie do produkcji części narażonych na tarcie, został z powodzeniem wykorzystany do produkcji stawów palców. iglidur i6 został pierwotnie opracowany do produkcji kół ślimakowych do przegubów robotów. Nadaje się szczególnie do produkcji elementów o drobnych szczegółach oraz równych powierzchniach, a także charakteryzuje się wyjątkową sprężystością i odpornością na ścieranie. Przydatność iglidur i6 jako trwałego komponentu funkcjonalnego została udowodniona w laboratorium testowym igus: koło zębate wykonane z tego odpornego na ścieranie polimeru iglidur było testowane przez dwa miesiące w takich samych warunkach jak koło zębate obrabiane maszynowo, wykonane z POM. Koło zębate wykonane z POM wykazało oznaki silnego zużycia po 321 000 cykli, a po 621 000 cykli uległo całkowitemu uszkodzeniu, podczas gdy koło zębate wykonane z iglidur i6 działało nadal po milionie cykli z jedynie niewielkimi oznakami zużycia. 

Wydrukowane w 3D, drobne paliczki palców są wykonane z wysokowydajnego polimeru iglidur I6. Utrzymują one razem trzy sprężyny piórowe (źródło: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Samosmarowy polimer jest idealny do zastosowań w sektorze technologii medycznych.

W przeciwieństwie do metalu, iglidur I6 jest szczególnie lekki, dzięki czemu jest przeznaczony do zastosowań, w których najważniejsza jest niska masa.  Dla naukowców z ETHZ jest to istotna zaleta, ponieważ tylko egzoszkielety, które są wystarczająco lekkie i kompaktowe, nadają się do codziennego użytku. Ze stawami palców wykonanymi z iglidur I6, moduł dłoni posiada masę tylko 148 gramów. Smary stałe zawarte w polimerze sprawiają, że zewnętrzne smarowanie elementów staje się zbędne, co ułatwia korzystanie z terapii progresywnej.  
 
Spiekanie laserowe jako metoda produkcji nie tylko idealnie nadaje się do odtwarzania złożonych geometrii i niewielkich struktur, ale również umożliwia ekonomiczną produkcję małych ilości i pojedynczych elementów. Dotyczy to również egzoszkieletów RELab tenoexo, ponieważ  można je indywidualnie dopasować do pacjenta. "Opracowaliśmy algorytm, który umożliwia nam dostosowanie cyfrowego modelu egzoszkieletu do wielkości dłoni pacjenta za pomocą zaledwie kilku kliknięć myszką. " 

Drukowane w 3D złącza z wysokowydajnego polimeru iglidur I6 są lekkie i mogą być szybko oraz bez komplikacji wykonane zgodnie z indywidualnymi wymaganiami klienta (źródło: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Rozwój nowych produktów i produkcja funkcjonalnych części to korzyści płynące z szybkości, które dają firmom przewagę na rynku, a klientom szybsze rozwiązania ich problemów. Poprzez przesłanie modelu 3D stawów palców do naszego internetowego narzędzia dla druku 3D, naukowcy z ETHZ mogą zamówić potrzebne części w ciągu zaledwie kilku minut. Faktyczna produkcja odbywa się zazwyczaj w ciągu jednej nocy, a stawy palców są gotowe już po kilku dniach, po czym można je wykorzystać do celów terapeutycznych. Żadna inna metoda produkcji nie zbliża się do szybkości i opłacalności drukowania 3D, jeśli chodzi o zindywidualizowaną produkcję małych ilości.

Ale czy części wydrukowane w 3D mogą spełniać rolę części funkcjonalnych w ostatecznej aplikacji, czy też muszą pozostać jako szybko dostępne elementy dla prototypów? Jesteśmy przekonani o wyjątkowych właściwościach naszych materiałów: elementy wytwarzane addytywnie z polimerów iglidur znajdują zastosowanie w wielu innych aplikacjach klientów jako części funkcjonalne produkowane seryjnie. 

Druk 3D dla funkcjonalnych części: stawy palców wykonane z iglidur I6 wykorzystane w egzoszkielecie terapeutycznym (źródło: Stefan Schneller, ETH Zurich)