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

• Megoldandó feladat:Ujjízületek külső mesterséges vázhoz (exoszkeletonhoz)
• Gyártási eljárás:Szelektív lézerszinterezés SLS porból
• Követelmények: Kis súrlódási együtthatók, kopásállóság, kis tömeg, precizitás
• Anyag: iglidur I6
• Iparág: Egészségügyi szektor
• Sikeres együttműködés: Gyors kiszállítás, méretre készült alkatrészek költséghatékony gyártása

A Német Stroke Szövetség adatai alapján minden második percben stroke-ot kap valaki Németországban. A stroke utáni rehabilitáció keretében a betegeknek minél előbb újra kell tanulni, hogyan fogják meg tárgyakat. A zürichi Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETHZ egyetem) erre fejlesztette ki a RELab tenoexo exoszkeletont. Mellyel a hétköznapi tevékenységek akár 80%-a elvégezhető. Az optimális erőátvitelt az iglidur I6 nagyteljesítményű műanyagból 3D nyomtatással gyártott ujjpercek biztosítják.

 

Az iglidur I6 nagyteljesítményű polimerből 3D nyomtatással gyártott ujjpercek alkalmazása stroke betegek terápiájában használt exoszkeletonban. (Forrás: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Probléma

Az ujjpercek gyártása egy hagyományos 3D nyomtatóval bajosnak bizonyult, mivel a készülék felbontása nem érte el az ujjpercek felszínének elkészítéséhez szükséges felbontást. Ezek az alkatrészek nem csak a laprugókat tartják, hanem a bőrszíj zármechanizmusának apró alkatrészei is így készülnek. A bőrszíj csatja alig szélesebb, mint egy milliméter. Kiderült, hogy az ABS filament nem megfelelő nyomtatási alapanyag, mivel az ujjpercek és a laprugók közti súrlódás túl nagy és ez rengeteg energiaveszteséget eredményezett. 

Megoldás

Az ETH Zürich véletlenül talált rá az iglidur I6 tribológiailag optimalizált műanyagra, ami történetesen éppen ideálisnak bizonyult az alkalmazáshoz. Az SLS port éppen arra fejlesztették ki, hogy csökkentse a súrlódást a mozgó alkalmazásokban. A lézerszinterezés rendkívüli precizitása révén pedig előállítható a csuklók aprólékos struktúrája. Az igus gyors 3D nyomtatási szolgáltatásával az ujjpercek gyorsan és költséghatékonyan készültek el, azonnal használatra készen.

A kéz exoszkeleton felépítése és működése

Az ujjak terve a japán Kyushu Egyetem professzorától, Arata Jumpei-től ered: három keskeny, rozsdamentes acélból készült laprugót helyeznek egymásra, majd ezeket négy műanyag összekötőelemmel kapcsolják össze. A középső laprugókra egy bowdent erősítettek  - ha előre mozgatják, az ujjak ökölbe szorulnak, ha hátrafelé, kinyúlnak.  DC motorok nyújtják és feszítik a laprugókat és ezzel segítik a beteget, amikor meg akar fogni valamit.  "Az exoszkeleton ujjanként hat newton erőt képes kifejteni", magyarázza Jan Dittli, az ETHZ Egészségtudományi és Technológiai Részlegének kutatója. "A három alkalmazott megfogó mozdulat elég körülbelül 500 g-os tárgyak - például egy fél literes vizespalack - felemeléséhez."   
 
Az exoszkeletont egy szenzoros csuklópánt rögzíti, az ujjakhoz pedig egy-egy apró bőr szíjjal kapcsolható. A beteg kézmozdítására a csuklópánt elektromiografikus (EMG) jeleket továbbít egy mikrokomputernek. Amely egy hátizsákban található a motorokkal, akkumulátorokkal és a vezérlőelektronikával együtt - így kapcsolódik a hátizsák a kéz egységhez. Ha a beteg meg akar fogni valamit, a számítógép érzékeli a szándékot és bekapcsolja a DC motorokat.
 
A fejlesztés során a kutatók szembe kerültek az érzékeny ízületek problémájával.  Ezeknek az elemeknek nem csak a laprugókat kell megtartani, de a bőrszíj zármechanizmusa is rajtuk található. A bőrszíj csatja alig szélesebb, mint egy milliméter. A kézfej gyártásához először ABS filamentet használtak a 3D nyomtatóban - de sem a gyártási eljárás, sem az alapanyag nem volt megfelelő az ujjpercek gyártásához.  "Az ízületek és a laprugók között keletkező súrlódás túl nagy volt ehhez az anyaghoz", magyarázza Dittli, "Így túl nagy lett volna az ujjak mozgatása közbeni energiaveszteség. " Egy átlagos 3D nyomtató felbontása pedig elégtelennek bizonyult az ujjpercek finom struktúrájának az elkészítéséhez. 
 

Az exoszkeleton kézi egysége mindössze 148 gramm (forrás: Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - a legjobb 3D nyomtatási polimer alacsony súrlódású alkalmazásokhoz

A problémára megoldást nyújt az igus additív gyártási rendszere: az iglidur i6 önkenő SLS alapanyagot kifejezetten súrlódásnak kitett alkatrészek gyártására fejlesztettük ki, így az ujjízületekhez is tökéletesen megfelelt. Az iglidur i6-ot eredetileg robotcsuklókba való csigakerekek gyártásához fejlesztették ki. Ideális olyan alkatrészekhez, ahol fontos a finom részletesség és pontos felszínek, kiváló a rugalmas ellenállása és a kopásállósága. Tartós alkatrész alapanyagként az iglidur i6 megfelelt az igus tesztlaboratóriumában végzett vizsgálatokon is: az ebből a kopásálló iglidur műanyagból gyártott fogaskereket két hónapon át teszteltük egy mart POM fogaskerékkel azonos körülmények között. A POM anyagból készült fogaskerék nagymértékű kopás jeleit mutatta már 321 000 ciklus után, és 621 000 ciklus után teljesen tönkrement, ezzel szemben az iglidur i6-ból készült fogaskerék még egymillió ciklus után is működött, mindössze csekély kopás nyomaival. 

A finom ujjpercek a nagyteljesítményű iglidur I6 polimerből készültek. Ezek tartják össze a három laprugót (Forrás: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Az önkenő polimer ideális egészségügyi alkalmazásokhoz.

A fémmel szemben az iglidur I6 kifejezetten könnyű, ezért megfelelő olyan alkalmazásokhoz, ahol az alacsony tömeg kulcsfontosságú.  Ez lényeges előnyt jelentett az ETHZ kutatói számára is, hiszen a hétköznapokban csak a könnyű és kompakt exoszkeletonok használhatóak. Az iglidur I6 anyagból készült ujjpercekkel a kéz egység mindössze 148 grammot nyom. A polimer anyagában lévő szilárd kenőanyagok feleslegessé teszik a külső kenést, és ez által lehetővé teszik a progresszív terápiás eszköz alkalmazását.  
 
A lézerszinterezési gyártási eljárás nem csak a komplex geometriák és aprólékos struktúrák lekövetését teszi lehetővé, hanem a kis mennyiségek vagy egyedi darabok költséghatékony gyártását is. Ami szintén lényeges a RELab tenoexo exoszkeletonok esetében, melyeket egyedileg adaptálnak a betegekre. "Kidolgoztunk egy algoritmust, amellyel pár kattintással átalakíthatjuk az exoszkeleton digitális modelljét úgy, hogy az megfeleljen a beteg kezének méretéhez. " 

A nagyteljesítményű iglidur I6 polimerből 3D nyomtatással készült ízületek a vásárló egyedi igényeire szabva gyorsan és egyszerűen gyárthatók (forrás: Stefan Schneller, ETH Zürich)

A termékfejlesztés vagy a funkcionális alkatrészek gyártása során a gyorsaság piaci előnyöket biztosít a vállalatoknak, a vásárlóknak pedig gyorsabb megoldást a problémáikra. Az ETHZ kutatói pár perc alatt megrendelhették a szükséges alkatrészeket - csak fel kellett tölteniük az ujjízületek 3D modelljét online 3D nyomtatási eszközünkbe. A gyártás másnapra gyakorlatilag el is készül, a kész ujjízületeket pedig pár nap alatt beépítik, ezután pedig már használható is a terápiás eszköz. Egyetlen más gyártási módszer sem közelíti meg a 3D nyomtatás sebességét és költséghatékonyságát, ha testre szabott kis volumenű gyártásról van szó.

De vajon a 3D nyomtatott alkatrészek alkalmasak-e funkcionális alkatrészként a végső alkalmazásban, vagy be kell érniük a gyorsan elérhető prototípusok szerepével? Meg vagyunk győződve alapanyagaink kiemelkedő tulajdonságairól: az iglidur polimerekből additív gyártási eljárással készült alkatrészek számos gyakorlati alkalmazásban bizonyítanak sorozatgyártott alkatrészként. 

Alkatrészek 3D nyomtatása: terápiás exoszkeletonban használt ujjízületek iglidur I6-ból (forrás: Stefan Schneller, ETH Zürich)