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

• De ce era nevoie: articulațiile degetelor pentru un exoschelet
• Metoda de fabricație: sinterizare laser selectivă cu pulbere de sinterizare laser
• Cerințe: coeficient scăzut de frecare, rezistență la uzură, greutate redusă, precizie
• Material: iglidur I6
• Industrie: sectorul medical
• Succes prin colaborare: livrare rapidă, fabricare rentabilă a componentelor funcționale specifice clientului

Potrivit Asociației germane a accidentelor vasculare cerebrale, o persoană din Germania suferă un accident vascular cerebral la fiecare două minute. Pentru a învăța din nou mai ușor cum să înțeleagă lucrurile după un accident vascular cerebral, Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (universitatea ETHZ) a dezvoltat un exoschelet de mână numit RELab tenoexo. Aceasta poate îndeplini până la 80% din activitățile de zi cu zi. Falangele degetelor tipărite 3D realizate din materialul plastic de înaltă performanță iglidur I6 asigură o transmitere optimă a forței.

 

Falange tipărite 3D realizate din polimer iglidur I6 de înaltă performanță utilizate într-un exoschelet pentru terapia pacienților cu AVC. (Sursa: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problema

Fabricarea articulațiilor degetelor cu o imprimantă 3D clasică s-a dovedit a fi dificilă, deoarece rezoluția dispozitivului nu a fost suficientă pentru a crea structura necesară a falangelor degetelor. Aceste componente nu numai că țin arcurile lamelare, dar au și un mecanism de închidere cu filigran pentru o curea din piele. Catarama în care este filetată cureaua este puțin mai lată de un milimetru. Filamentul ABS ca material de tipărire s-a dovedit a fi inadecvat deoarece fricțiunea dintre îmbinări și arcurile lamelare a fost prea mare, urmarea fiind că o mare cantitate de energie a fost pierdută. 

Soluția

ETH Zurich s-a hotărât în cele din urmă la iglidur I6, 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 mobile Sinterizarea cu laser permite o precizie ridicată și astfel face posibilă crearea structurii filigranate a îmbinării. Datorită serviciului rapid de tipărire 3D de la igus, articulațiile degetelor au fost fabricate rapid și rentabil și au fost gata de utilizare imediat.

Structura exoscheletului mâinii și modul în care funcționează

Designul degetelor provine de la profesorul japonez Jumpei Arata de la Universitatea Kyushu: trei arcuri lamelare subțiri din oțel inoxidabil sunt așezate unul peste altul și sunt conectate prin intermediul a patru legături din plastic. Un cablu Bowden este atașat la arcul central - dacă este deplasat înainte, degetele se închid; dacă este tras înapoi, mâna se deschide.  Motoarele de curent continuu întind și flexează arcurile lamelare și ajută pacientul atunci când face mișcări de prindere.  „Per deget, exoscheletul poate exercita forța a șase Newton”, spune Jan Dittli, cercetător la Departamentul ETHZ pentru Știința și Tehnologia Sănătății. „Cele trei mișcări de prindere implementate sunt suficiente pentru ridicarea obiectelor de până la aproximativ 500 de grame - cum ar fi o sticlă de apă de jumătate de litru.”   
 
Exoscheletul este strâns cu ajutorul unei brățări senzor și este atașat la degete prin intermediul curelelor de piele. Când pacientul începe să miște mâna, brățara transmite semnale electromiografice (EMG) către un microcomputer. Acesta din urmă se află într-un rucsac împreună cu motoare, baterii și electronica de comandă, prin care rucsacul este conectat la modulul pentru mână. Dacă purtătorul intenționează să facă o mișcare de apucare, aceasta este detectată de computer, care apoi activează motoarele de curent continuu.
 
În timpul dezvoltării, cercetătorii s-au confruntat cu o provocare: articulațiile delicate ale degetelor.  Aceste elemente nu numai că mențin arcurile lamelare împreună, ci au și un mecanism de blocare cu filigran pentru cureaua de piele. Catarama în care este filetată cureaua este puțin mai lată de un milimetru. Pentru fabricarea dosului mâinii, a fost utilizată o imprimantă 3D cu filament ABS - metoda de fabricație și materialul s-au dovedit a fi inadecvate pentru fabricarea articulațiilor degetelor.  „Fricțiunea dintre articulații și arcurile lamelare ar fi fost mult prea mare cu acest material”, spune Dittli. „Ca urmare, s-ar fi pierdut prea multă energie la mișcarea degetelor. „ Rezoluția unei imprimante 3D normale s-a dovedit a nu fi suficient de mare pentru a recrea structura detaliată a falangelor degetelor. 
 

Modulul mâinii exoscheletului cântărește doar 148 de grame (sursa Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - cel mai bun polimer de tipărire 3D pentru aplicații cu frecare redusă

Soluția la această problemă s-a dovedit a fi sistemul de fabricație aditivă al igus: materialul SLS auto-lubrifiant iglidur i6, care a fost special dezvoltat pentru fabricarea pieselor supuse la frecare, a fost utilizat cu succes pentru fabricarea articulațiilor degetelor. iglidur i6 a fost dezvoltat inițial pentru fabricarea roților dințate melcate pentru articulații de robot. Este ideal pentru fabricarea componentelor, inclusiv detalii delicate cu suprafețe exacte, și se caracterizează prin reziliența și rezistența la abraziune remarcabile. iglidur i6 și-a dovedit adecvarea ca și componentă funcțională durabilă în laboratorul de testare igus: un angrenaj sinterizat din acest plastic iglidur rezistent la abraziune a fost testat timp de două luni în aceleași condiții ca un angrenaj prelucrat din POM. Angrenajul fabricat din POM a prezentat semne de uzură severă după 321.000 de cicluri și a eșuat complet după 621.000 de cicluri, în timp ce angrenajul din iglidur i6 a continuat să funcționeze după 1 milion de cicluri, cu doar mici semne de uzură. 

Falangele fine ale degetelor sunt fabricate din polimerul iglidur I6 de înaltă performanță. Acestea țin împreună cele trei arcuri lamelare (sursa: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Polimerul autolubrifiant este ideal pentru aplicații în sectorul tehnologiei medicale.

Spre deosebire de metal, iglidur I6 este deosebit de ușor, ca urmare este predestinat pentru utilizare în aplicații în care greutatea redusă are o importanță centrală.  Un avantaj important pentru cercetătorii ETHZ, deoarece numai exoscheletele suficient de ușoare și compacte sunt potrivite pentru utilizarea de zi cu zi. Cu articulațiile degetelor realizate din iglidur I6, modulul mâinii cântărește doar 148 de grame. Lubrifianții solizi încorporați în polimer fac superfluă lubrifierea externă a elementelor și facilitează astfel utilizarea aplicației terapeutice progresive.  
 
Sinterizarea cu laser ca metodă de fabricație nu este ideală numai pentru reproducerea geometriilor complexe și a structurilor filigranate, ci face posibilă și fabricarea unor volume mici și a componentelor unice în mod rentabil. Acest lucru se aplică și exoscheletelor RELab tenoexo deoarece acestea pot fi adaptate individual pacientului. „Am dezvoltat un algoritm care ne permite să adaptăm modelul digital al exoscheletului la dimensiunea mâinii pacientului cu doar câteva clicuri de mouse. " 

Articulațiile tipărite 3D realizate din polimerul iglidur I6 de înaltă performanță sunt ușoare și pot fi fabricate pentru a satisface cerințele individuale ale clienților rapid și fără complicații (sursă: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Pentru dezvoltarea de produse sau fabricarea de piese funcționale, viteza oferă companiilor avantaje de piață și clienților soluții mai rapide la problemele lor. Prin încărcarea modelului 3D al articulațiilor degetelor necesare în instrumentul nostru online de servicii de tipărire 3D, oamenii de știință ETHZ pot comanda piesele necesare în doar câteva minute. Fabricarea efectivă are loc de obicei peste noapte și articulațiile degetelor terminate pot fi montate după doar câteva zile, apoi utilizate în scopuri terapeutice. Nicio altă metodă de producție nu se apropie de viteza și rentabilitatea tipăririi 3D în ceea ce privește fabricarea personalizată în volum mic.

Dar sunt piesele tipărite 3D potrivite ca piese funcționale în aplicația finală sau trebuie să rămână în rolul modest al prototipurilor disponibile rapid? Suntem convinși de calitățile materialelor noastre: componentele fabricate suplimentar din materiale plastice iglidur sunt utilizate în numeroase alte aplicații pentru clienți ca piese funcționale produse în serie. 

Tipărire 3D a pieselor funcționale: articulații ale degetelor din iglidur I6 utilizate pentru un exoschelet terapeutic (sursă: Stefan Schneller, ETH Zurich)