Alacsony súrlódású, könnyű és méretre készül - gyorsan, nyomtatással készülő alkatrészek terápiás alkalmazásokhoz

• Amire szükség volt: Ujjízületek egy exoskeletonhoz
• Gyártási eljárás: szelektív lézerszinterezés SLS porral.
• Követelmények: alacsony súrlódási együttható, kopásállóság, kis súly, pontosság
• Anyag: iglidur® i6
• Iparág: Orvostechnikai ipar
• Siker az együttműködésen keresztül: Gyors szállítás, személyre szabott funkcionális alkatrészek költséghatékony gyártása.

A Német Stroke Társaság szerint Németországban kétpercenként egy ember szenved agyvérzést. A zürichi Svájci Szövetségi Technológiai Intézet (ETHZ) kifejlesztett egy RELab tenoexo nevű kéz-exoskeletont, amely a mindennapi tevékenységek akár 80 százalékát is lefedheti, hogy a stroke után könnyebb legyen újra megtanulni a fogást. A nagy teljesítményű iglidur® i6 műanyagból készült 3D nyomtatott ujjízületek optimális erőátvitelt biztosítanak.

Az ujjízületek gyártása klasszikus 3D nyomtatóval nehéznek bizonyult, mivel a készülék felbontása nem elég nagy az ujjízületek szerkezetének megvalósításához. Ezek az alkatrészek nemcsak a laprugót tartják össze, hanem egy filigrán zárómechanizmussal is rendelkeznek a bőrszíj számára. A csat, amelybe a szíj be van fűzve, alig szélesebb egy milliméternél. Az ABS-filament nem bizonyult alkalmasnak nyomtatási anyagnak, mivel az ízületek és a laprugók közötti súrlódás túl nagy volt, ami sok energiaveszteséget eredményezett.

Az iglidur® i6 segítségével az ETHZ egy tribológiailag optimalizált műanyagot talált, amely ideálisnak bizonyult a szükséges alkatrészekhez: Az SLS por kifejezetten a mozgó alkalmazásokban a súrlódás csökkentésére lett kifejlesztve. A lézeres szinterezés nagyfokú pontosságot tesz lehetővé, így a kötés filigrán szerkezete gond nélkül megvalósítható. Az igus® gyors 3D nyomtatási szolgáltatásával az ujjillesztések gyorsan és költséghatékonyan elkészültek, és azonnal használatra készen álltak.

Az ujjakat Jumpei Arata, a Kyushu Egyetem japán professzora tervezte: három vékony, rozsdamentes acélból készült laprugó fekszik egymáson, és négy műanyag láncszem köti össze őket. A középső rugóhoz egy Bowden-kábel csatlakozik - ha előre mozgatjuk, az ujjak becsukódnak, ha hátrahúzzuk, a kéz kinyílik. Az egyenáramú motor feszíti és hajlítja a laprugókat, és támogatja a pácienst a fogó mozdulatokban. "Az exoszkeleton ujjanként hat newton erővel hatol a"," oldalon, mondja Jan Dittli, az ETHZ Egészségtudományi és Technológiai Tanszékének kutatója. "A három megvalósított markolat elegendő a kb. 500 gramm súlyú tárgyak - például egy 0,5 literes vizes palack - felemeléséhez."

Az exoskeleton felhelyezése egy érzékelős csuklópánt segítségével történik, és bőrszíjakkal rögzítik az ujjakhoz. Amikor a páciens mozdulatot tesz a kezével, a csuklópánt elektromiográfiai (EMG) jeleket továbbít egy miniszámítógépnek. Ez egy hátizsákban található a motorokkal, akkumulátorokkal és a vezérlő elektronikával együtt, amely a kézmodulhoz van csatlakoztatva. Ha a viselője fogó mozdulatot kíván tenni, a számítógép ezt felismeri, és aktiválja az egyenáramú motort.

A fejlesztés során a kutatók egy kihívással találkoztak: a finom ujjízületekkel. Ezek az elemek nemcsak a laprugókat tartják össze, hanem a bőrszíj filigrán zárószerkezetét is. A csat, amelybe a szíj be van fűzve, alig szélesebb egy milliméternél. A kézfej hátuljának elkészítéséhez egy 3D nyomtatót használtak ABS szálakkal - mind a gyártási folyamat, mind az anyag alkalmatlannak bizonyult az ujjízületek elkészítéséhez. "Az ízületek és a laprugók közötti súrlódás túl nagy lett volna ezzel az anyaggal"," - mondja Dittli. "Ennek következtében túl sok energiát veszítettünk volna az ujjak mozgatásakor." Kiderült továbbá, hogy a hagyományos 3D nyomtató felbontása nem elég nagy az ujjízületek részletes szerkezetének megvalósításához.

A megoldást erre a problémára az igus® additív gyártásában találták meg: Az önkenő SLS-anyagot iglidur® i6, amelyet kifejezetten a súrlódással igénybevett alkatrészek gyártására fejlesztettek ki, sikeresen lehetett alkalmazni az ujjcsuklók gyártására. iglidur® i6 eredetileg robotcsuklókhoz való csigakerekek gyártására fejlesztették ki. Különösen alkalmas finom részletességű és pontos felületű alkatrészek gyártására, és nagy szívósság és kopásállóság jellemzi. iglidur® i6 az igus® tesztlaboratóriumában bizonyította alkalmasságát tartós funkcionális alkatrészként: Egy ebből a kopásálló iglidur® műanyagból készült szinterelt fogaskereket két hónapon keresztül ugyanolyan körülmények között teszteltek, mint egy POM-ból készült maratott fogaskereket. A POM-ból készült fogaskerék már 321 000 ciklus után nagy kopást mutatott, és 621 000 ciklus után, meghatározatlanul, meghibásodott.

A fémmel ellentétben a műanyag iglidur® i6 különösen könnyű, ezért ideális olyan alkalmazásokhoz, ahol fontos a kis súly. Fontos előny az ETHZ kutatói számára, hiszen csak az elég könnyű és kompakt exo-skeletonok bizonyíthatnak a mindennapi életben is. Az iglidur® i6 anyagból készült ujjízületekkel a kézmodul mindössze 148 grammot nyom. A műanyagba beépített szilárd kenőanyagok szükségtelenné teszik az elemek kenését, és így támogatják a fejlett terápiás alkalmazás könnyű kezelhetőségét.

A lézerszinterezés mint gyártási módszer nemcsak az összetett geometriák és kényes szerkezetek reprodukálására alkalmas, hanem lehetőséget nyújt kis tételek és egyedi darabok költséghatékony előállítására is. Ez a RELab tenoexo exoskeletons esetében is így van, mivel azok személyre szabhatóak az egyes betegek számára. "Kifejlesztettünk egy algoritmust, amellyel az exoszkeleton digitális modelljét néhány kattintással a páciens kezének méretéhez igazíthatjuk."

Akár a termékfejlesztés, akár a funkcionális alkatrészek gyártása során: A gyorsaság piaci előnyöket biztosít a vállalatoknak, az ügyfelek pedig gyorsabb megoldásokat kapnak problémáikra. A szükséges ujjízületek 3D modelljének online 3D nyomtatási szolgáltatásunkba történő feltöltésével az ETHZ tudósai néhány percen belül megrendelhetik a szükséges alkatrészeket. A tényleges gyártás általában egy éjszaka alatt történik, és az elkészült ujjízületek már néhány nap múlva beépíthetők és terápiás célokra használhatók. Egyetlen más gyártási eljárás sem közelíti meg a 3D nyomtatás sebességét és költséghatékonyságát, ha egyedi kisszériák gyártásáról van szó.

De vajon a 3D nyomtatott alkatrészek alkalmasak-e funkcionális alkatrészként a végső alkalmazásban, vagy továbbra is be kell érniük a gyorsan elérhető prototípusok szerény szerepével? Meg vagyunk győződve anyagaink teljesítményéről: az iglidur® műanyagból készült, additív módon gyártott alkatrészeket ügyfeleink számos más alkalmazásban funkcionális szériaalkatrészként használják.