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

• Co było potrzebne: Przeguby palców do egzoszkieletu
• Proces produkcji: selektywne spiekanie laserowe z proszkiem SLS
• Wymagania: niski współczynnik tarcia, odporność na zużycie, niska waga, precyzja
• Materiał: iglidur® i6
• Przemysł: Przemysł medyczny
• Sukces dzięki współpracy: Szybka dostawa, opłacalna produkcja niestandardowych części funkcjonalnych

Według Niemieckiego Towarzystwa Udarowego co dwie minuty jedna osoba w Niemczech doznaje udaru mózgu. Szwajcarski Federalny Instytut Technologii w Zurychu (ETHZ) opracował egzoszkielet dłoni o nazwie RELab tenoexo, który obejmuje do 80 procent codziennych czynności, aby ułatwić ponowną naukę chwytania po udarze. Wydrukowane w 3D przeguby palców wykonane z wysokowydajnego tworzywa sztucznego iglidur® i6 zapewniają optymalne przenoszenie mocy.

Produkcja przegubów palców za pomocą klasycznej drukarki 3D okazała się trudna, ponieważ rozdzielczość urządzenia nie jest wystarczająco wysoka, aby zrealizować strukturę przegubów palców. Elementy te nie tylko utrzymują razem sprężynę piórową, ale także posiadają filigranowy mechanizm blokujący skórzany pasek. Klamra, w którą wkręcany jest pasek, ma zaledwie milimetr szerokości. Filament ABS okazał się nieodpowiedni jako materiał do drukowania, ponieważ tarcie między przegubami a sprężynami piórowymi było zbyt wysokie, co powodowało utratę dużej ilości energii.

Dzięki iglidur® i6 firma ETHZ znalazła trybologicznie zoptymalizowane tworzywo sztuczne, które okazało się idealnie nadawać do wymaganych komponentów: Proszek SLS został specjalnie opracowany w celu zmniejszenia tarcia w ruchomych aplikacjach. Spiekanie laserowe zapewnia wysoki stopień precyzji, co oznacza, że filigranowa struktura złącza może być zrealizowana bez żadnych problemów. Dzięki szybkiej usłudze druku 3D firmy igus®, złącza palcowe mogły zostać wyprodukowane szybko i ekonomicznie i były gotowe do natychmiastowego użycia.

Palce zostały zaprojektowane przez japońskiego profesora Jumpei Arata z Uniwersytetu Kyushu: trzy cienkie sprężyny piórowe ze stali nierdzewnej leżą jedna na drugiej i są połączone czterema plastikowymi ogniwami. Do środkowej sprężyny przymocowana jest linka Bowdena - jeśli zostanie ona przesunięta do przodu, palce zamykają się, jeśli zostanie pociągnięta do tyłu, dłoń otwiera się. Silnik prądu stałego rozciąga i zgina sprężyny płytkowe i wspiera pacjenta w ruchach chwytających. "Egzoszkielet wywiera siłę sześciu niutonów na palec na stronie"," - mówi Jan Dittli, badacz z Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii ETHZ. "Trzy zaimplementowane uchwyty są wystarczające do podnoszenia przedmiotów o wadze do około 500 gramów - takich jak 0,5-litrowa butelka wody."

Egzoszkielet jest zakładany za pomocą opaski z czujnikiem i mocowany do palców za pomocą skórzanych pasków. Gdy pacjent wykonuje ruch ręką, opaska przesyła sygnały elektromiograficzne (EMG) do minikomputera. Znajduje się on w plecaku wraz z silnikami, bateriami i elektroniką sterującą, która jest podłączona do modułu ręcznego. Jeśli użytkownik zamierza wykonać ruch chwytający, jest to rozpoznawane przez komputer, który z kolei aktywuje silnik prądu stałego.

Podczas prac rozwojowych naukowcy napotkali wyzwanie: drobne stawy palców. Elementy te nie tylko utrzymują razem sprężyny piórowe, ale także posiadają filigranowy mechanizm zamykający skórzany pasek. Sprzączka, w którą wkręcany jest pasek, ma zaledwie milimetr szerokości. Do produkcji grzbietu dłoni wykorzystano drukarkę 3D z filamentem ABS - zarówno proces produkcyjny, jak i materiał okazały się nieodpowiednie do produkcji stawów palców. "Tarcie między przegubami a sprężynami liściowymi byłoby zbyt wysokie w przypadku tego materiału"," mówi Dittli. "W rezultacie stracilibyśmy zbyt dużo energii podczas poruszania palcami." Rozdzielczość konwencjonalnej drukarki 3D również okazała się niewystarczająca do uzyskania szczegółowej struktury przegubów palców.

Rozwiązanie tego problemu znaleziono w produkcji addytywnej igus®: Samosmarujący materiał SLS iglidur® i6, opracowany specjalnie do produkcji części poddawanych naprężeniom ciernym, mógł być z powodzeniem stosowany do produkcji przegubów palców. iglidur® i6 został pierwotnie opracowany do produkcji przekładni ślimakowych do przegubów robotów. Jest szczególnie odpowiedni do produkcji elementów o drobnych szczegółach i precyzyjnych powierzchniach oraz charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i odpornością na ścieranie. iglidur® i6 udowodnił swoją przydatność jako trwała część funkcjonalna w laboratorium testowym igus®: Spiekane koło zębate wykonane z tego odpornego na ścieranie tworzywa iglidur® było testowane przez dwa miesiące w takich samych warunkach jak frezowane koło zębate wykonane z POM. Koło zębate wykonane z POM wykazało duże zużycie już po 321 000 cykli i uległo uszkodzeniu po 621 000 cykli.

W przeciwieństwie do metalu, plastik iglidur® i6 jest wyjątkowo lekki, co czyni go idealnym do zastosowań, w których ważna jest niska waga. Jest to ważna zaleta dla naukowców z ETHZ, ponieważ tylko egzoszkielety, które są wystarczająco lekkie i kompaktowe, mogą sprawdzić się również w życiu codziennym. Z przegubami palców wykonanymi z tworzywa iglidur® i6, moduł dłoni waży zaledwie 148 gramów. Stałe środki smarne zawarte w tworzywie sztucznym sprawiają, że smarowanie elementów nie jest konieczne, co ułatwia obsługę zaawansowanej aplikacji terapeutycznej.

Spiekanie laserowe jako metoda produkcji nie tylko idealnie nadaje się do odtwarzania złożonych geometrii i delikatnych struktur, ale także oferuje możliwość ekonomicznej produkcji małych partii i jednorazowych produktów. Tak jest w przypadku egzoszkieletów RELab tenoexo, ponieważ można je dostosować do indywidualnych potrzeb pacjentów. "Opracowaliśmy algorytm dostosowujący cyfrowy model egzoszkieletu do rozmiaru dłoni pacjenta za pomocą zaledwie kilku kliknięć."

Niezależnie od tego, czy chodzi o rozwój produktu, czy produkcję części funkcjonalnych: Szybkość przynosi firmom przewagę rynkową, a klientom szybsze rozwiązania ich problemów. Przesyłając model 3D wymaganych stawów palców do naszej usługi drukowania 3D online, naukowcy ETHZ mogą zamówić wymagane części w ciągu kilku minut. Faktyczna produkcja odbywa się zwykle w ciągu jednej nocy, a gotowe stawy palców można zainstalować i wykorzystać do celów terapeutycznych już po kilku dniach. Żaden inny proces produkcyjny nie zbliża się do szybkości i efektywności kosztowej druku 3D, jeśli chodzi o produkcję niestandardowych małych serii.

Ale czy części drukowane 3D nadają się jako funkcjonalne części w końcowym zastosowaniu, czy też nadal muszą zadowolić się skromną rolą szybko dostępnych prototypów? Jesteśmy przekonani o wydajności naszych materiałów: komponenty wytwarzane addytywnie z tworzywa sztucznego iglidur® są wykorzystywane przez naszych klientów jako funkcjonalne części seryjne w wielu innych zastosowaniach.