Frecare redusă, ușoare și fabricate pe măsură - componente tipărite rapid pentru aplicații terapeutice

• Ce era necesar: Articulații ale degetelor pentru un exoschelet
• Proces de fabricație: sinterizare selectivă cu laser cu pulbere SLS
• Cerințe: coeficient de frecare scăzut, rezistent la uzură, greutate redusă, precizie
• Material: iglidur® i6
• Industrie: Industria medicală
• Succes prin colaborare: Livrare rapidă, producție rentabilă de piese funcționale personalizate

Conform Societății germane pentru accidente vasculare cerebrale, o persoană din Germania suferă un accident vascular cerebral la fiecare două minute. Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich (ETHZ) a dezvoltat un exoschelet de mână denumit RELab tenoexo, care acoperă până la 80 % din activitățile zilnice, pentru a face mai ușoară învățarea de a apuca din nou după un accident vascular cerebral. Articulațiile degetelor imprimate 3D realizate din plasticul de înaltă performanță iglidur® i6 asigură o transmisie optimă a puterii.

Fabricarea articulațiilor degetelor cu o imprimantă 3D clasică s-a dovedit a fi dificilă, deoarece rezoluția dispozitivului nu este suficient de mare pentru a realiza structura articulațiilor degetelor. Aceste componente nu numai că țin împreună arcurile cu foiță, dar au și un mecanism de blocare filigranat pentru o curea din piele. Catarama în care este înfiletată cureaua este abia mai lată de un milimetru. Filamentul ABS s-a dovedit a fi nepotrivit ca material de imprimare, deoarece frecarea dintre articulații și arcurile cu foi era prea mare, ceea ce ducea la o pierdere mare de energie.

Cu iglidur® i6, ETHZ a găsit un plastic optimizat din punct de vedere tribologic care s-a dovedit a fi ideal pentru componentele necesare: Pulberea SLS a fost special dezvoltată pentru a reduce frecarea în aplicațiile în mișcare. Sinterizarea cu laser permite un grad ridicat de precizie, ceea ce înseamnă că structura filigranată a îmbinării poate fi realizată fără probleme. Cu ajutorul serviciului rapid de imprimare 3D de la igus®, articulațiile degetelor au putut fi produse rapid și eficient din punct de vedere al costurilor și au fost gata pentru utilizare imediată.

Degetele au fost concepute de profesorul japonez Jumpei Arata de la Universitatea Kyushu: trei arcuri subțiri din oțel inoxidabil se află unul deasupra celuilalt și sunt conectate prin patru verigi din plastic. Un cablu Bowden este atașat arcului central - dacă acesta este deplasat înainte, degetele se închid, dacă este tras înapoi, mâna se deschide. Motorul de curent continuu întinde și flexează arcurile și sprijină pacientul în mișcările de prindere. "Exoscheletul aplică o forță de șase newtoni pe deget la"," spune Jan Dittli, cercetător la Departamentul de Științe și Tehnologie a Sănătății al ETHZ. "Cele trei mânere implementate sunt suficiente pentru a ridica obiecte care cântăresc până la aprox. 500 de grame - cum ar fi o sticlă de apă de 0,5 litri."

Exoscheletul se îmbracă cu ajutorul unei brățări cu senzori și se atașează la degete cu ajutorul unor curele din piele. Atunci când pacientul face o mișcare cu mâna, brățara transmite semnale electromiografice (EMG) către un mini-computer. Acesta se află într-un rucsac împreună cu motoarele, bateriile și sistemul electronic de control, care este conectat la modulul de mână. Dacă utilizatorul intenționează să facă o mișcare de prindere, aceasta este recunoscută de computer, care, la rândul său, activează motorul de curent continuu.

În timpul dezvoltării, cercetătorii s-au confruntat cu o provocare: articulațiile fine ale degetelor. Aceste elemente nu numai că țin împreună arcurile cu foi, dar au și un mecanism de închidere filigranat pentru cureaua din piele. Catarama în care este înfiletată cureaua este abia mai lată de un milimetru. Pentru realizarea dosului mâinii a fost utilizată o imprimantă 3D cu filament ABS - atât procesul de fabricație, cât și materialul s-au dovedit a fi nepotrivite pentru realizarea articulațiilor degetelor. "Frecarea dintre articulații și arcuri ar fi fost prea mare cu acest material"," spune Dittli. "În consecință, am fi pierdut prea multă energie la mișcarea degetelor." De asemenea, rezoluția unei imprimante 3D convenționale s-a dovedit a nu fi suficient de mare pentru a realiza structura detaliată a articulațiilor degetelor.

Soluția la această problemă a fost găsită în fabricarea aditivă a igus®: Materialul SLS autolubrifiant iglidur® i6, special dezvoltat pentru producția de piese supuse frecării, a putut fi utilizat cu succes pentru producția articulațiilor degetelor. iglidur® i6 a fost dezvoltat inițial pentru producția de roți dințate fără sfârșit pentru articulațiile roboților. Este deosebit de potrivit pentru producția de componente cu detalii fine și suprafețe precise și se caracterizează prin duritate ridicată și rezistență la abraziune. iglidur® i6 și-a dovedit adecvarea ca piesă funcțională durabilă în laboratorul de testare igus®: Un angrenaj sinterizat realizat din acest plastic iglidur® rezistent la abraziune a fost testat timp de două luni în aceleași condiții ca un angrenaj frezat realizat din POM. Angrenajul din POM prezenta deja o uzură puternică după 321 000 de cicluri și a cedat după 621 000 de cicluri, nedefinit.

Spre deosebire de metal, plasticul iglidur® i6 este deosebit de ușor, ceea ce îl face ideal pentru utilizarea în aplicații în care greutatea redusă este importantă. Un avantaj important pentru cercetătorii ETHZ, deoarece numai exo-scheletele care sunt suficient de ușoare și compacte se pot dovedi și în viața de zi cu zi. Cu articulațiile degetelor realizate din iglidur® i6, modulul de mână cântărește doar 148 de grame. Lubrifianții solizi încorporați în plastic fac inutilă lubrifierea elementelor și susțin astfel manipularea ușoară a aplicației avansate de terapie.

Sinterizarea cu laser ca metodă de fabricație nu numai că este ideală pentru reproducerea geometriilor complexe și a structurilor delicate, dar oferă și posibilitatea de a produce în mod rentabil loturi mici și piese unice. Acesta este cazul exoscheletelor RELab tenoexo, deoarece acestea pot fi personalizate pentru fiecare pacient în parte. "Am dezvoltat un algoritm pentru a adapta modelul digital al exoscheletului la dimensiunea mâinii pacientului cu doar câteva clicuri."

Fie că este vorba de dezvoltarea de produse sau de producția de piese funcționale: Viteza aduce companiilor avantaje pe piață și clienților soluții mai rapide la problemele lor. Prin încărcarea modelului 3D al articulațiilor degetelor necesare în serviciul nostru online de imprimare 3D, cercetătorii ETHZ pot comanda piesele necesare în câteva minute. Producția efectivă are loc, de obicei, peste noapte, iar articulațiile finalizate pot fi instalate și utilizate în scopuri terapeutice după doar câteva zile. Niciun alt proces de fabricație nu se apropie de viteza și rentabilitatea imprimării 3D atunci când vine vorba de producția de serii mici personalizate.

Dar sunt piesele imprimate 3D adecvate ca piese funcționale în aplicația finală sau trebuie să se mulțumească în continuare cu rolul modest de prototipuri disponibile rapid? Suntem convinși de performanța materialelor noastre: componentele fabricate aditiv din plastic iglidur® sunt utilizate ca piese funcționale de serie în numeroase alte aplicații de către clienții noștri.