Lav friktion, let og skræddersyet - hurtigt printede komponenter for terapeutiske applikationer

• Hvad var behovet: Fingerled til et eksoskelet
• Produktionsmetode: Selektiv lasersintring med lasersintringspulver
• Krav: Lave friktionskoefficienter, slidstyrke, lav vægt, præcision
• Materiale: iglidur® I6
• Branche: Den medicinske sektor
• Succes gennem samarbejde: Hurtig levering, økonomisk fremstilling af kundespecifikke funktionelle komponenter

I henhold til den tyske organisation for hjerneblødninger, oplever en person i Tyskland en hjerneblødning for hver to minutter. For at gøre det lettere at genlære at forstå ting efter et slagtilfælde udviklede Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ universitet) et håndeksoskelet kaldet RELab tenoexo. Dette kan udføre op til 80 procent af hverdagens aktiviteter. 3D printede fingerled fremstillet af iglidur® I6 højtydende plast sikrer optimal kraftoverførsel.

 

3D printede fingerled fremstillet af højtydende iglidur I6 polymer anvendt i et exoskelet for behandling af patienter med hjerneblødninger. (Kilde: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problem

Produktionen af fingerled med klassisk 3D printer viste sig at være besværlig da opløsningen på enheden var utilstrækkelig til at skabe den ønskede struktur på fingerleddene. Disse komponenter holder ikke bare bladfjedre sammen, men har også en filigran lukkemekanisme for en læderstrop. Spændet som stroppen er fastgjort på er ikke stort mere end en millimeter bred. ABS filament som printmateriale viste sig at være uegnet da friktionen mellem leddene og bladfjedre var for høj, hvorved en masse energi gik tabt. 

Løsning

ETH Zurich faldt over iglidur I6, en tribologisk optimeret plast der viste sig at være ideel til de påkrævede komponenter. SLS pulveret er specielt udviklet til at reducere friktionen i bevægelige applikationer. Laser sintring tillader en høj præcision og gør det herved muligt at skabe den filigrane struktur i leddet. Takket være den hurtige 3D printservice fra igus, er fingerleddene produceret hurtigt og økonomisk og er klar til brug omgående.

Strukturen af hånd-exoskelettet og hvordan det fungerer

Designet af fingre stammer fra den japanske professor Jumpei Arata fra Kyushu universitetet: tre tynde bladfjedre fremstillet af rustfrit stål og anbragt oven på hinanden og tilsluttet ved hjælp af fire plastled. Et Bowden kabel er fastgjort på midterste fjeder - hvis det bevæges fremad lukker fingeren, hvis det trækkes bagud, åbner hånden.  DC motorer strækker og bøjer fingrene og støtter patienten når han/hun foretager gribebevægelser.  "Exoskelettet kan udøve en kraft på seks Newton pr. finger", fortæller Jan Dittli, forsker ved ETHZ Afdeling for sundhedsvidenskab og teknologi. "De tre implementerede gribebevægelser er tilstrækkelige til løft af objekter op til 500 gram - som en halvliters vandflaske."   
 
Exoskelettet er spændt ved hjælp af et sensorarmbånd og er fastgjort til fingrene med læderstropper. Når patienten starter håndbevægelsen, sender armbåndet elektromyografiske (EMG) signaler til en mikrocomputer. Denne er anbragt i en rygsæk sammen med motorer, batterier og styreelektronik, og rygsækken er forbundet med håndmodulet. Hvis brugeren forsøger en gribebevægelse, registreres det af computeren, der herefter aktiverer DC motorerne.
 
Under udviklingen blev forskerne konfronteret med en udfordring: de delikate fingerled.  Disse elementer holder ikke bare bladfjedre sammen, men har også en filigran lukkemekanisme for læderstroppen. Spændet, som stroppen er fastgjort på, er ikke stort mere end en millimeter bred. Til produktion af håndryggen blev der brug et 3D printer med et ABS filament - produktionsmetoden og materialet viste sig at være uegnet for produktion af fingerled.  "Friktionen mellem leddene og bladfjedrene ville have været for høj med dette materiale", siger Dittli. "Der ville gå for meget energi tabt ved bevægelse af fingrene. "  Opløsningen ved en normal 3D printer viste sig at være utilstrækkelig til at genskabe den detaljerede struktur i fingerleddene. 
 

Håndmodulet på exoskelettet vejer kun 148 gram (kilde Stefan Schneller, ETH Zürich)

iglidur I6 - den bedste 3D printpolymer for lavfriktions applikationer

Løsningen på disse problemer var igus additive produktionssystem: det selvsmørende SLS materiale iglidur i6, der er specielt udviklet til produktion af komponenter der er underlagt friktion, blev anvendt med succes til produktion af fingerleddene. iglidur i6 blev oprindeligt udviklet til produktion af snekkehjul for robotled. Det er ideelt til fremstilling af komponenter, herunder delikate detaljer med nøjagtige overflader, og er kendetegnet ved sin fremragende elasticitet og modstandsdygtighed over for slid. iglidur i6 beviste sin egnethed som en holdbar funktionskomponent i igus testlaboratorium: et sintret tandhjul fremstillet af denne slidbestandige iglidur plast blev testet i to måneder under de samme betingelser som et maskinbearbejdet tandhjul fremstillet af POM. Tandhjulet fremstillet af POM udviste alvorlig slitage efter 321.000 cyklusser og svigtede helt efter 621.000 cyklusser, mens tandhjulet fremstillet af iglidur i6 fortsatte i drift efter 1 million cyklusser og med kun små tegn på slitage. 

De fine fingerled er fremstillet af højtydende polymer iglidur I6. De holder de tre bladfjedre sammen (kilde: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Selvsmørende polymer er ideel til applikationer i medicinalteknologi sektoren.

I modsætning til metal, er iglidur I6 specielt let, og derfor ideelt til brug i applikationer hvor lav vægt er af afgørende betydning.  En vigtig fordel for ETHZ forskerne, da kun exoskeletter der er lette og kompakte nok er egnede til daglig brug. Med fingerled fremstillet af iglidur I6, vejer håndmodulet kun 148 gram. De inkluderede faste smøremidler i polymeren gør ekstern smøring overflødig og forenkler brugen af den progressive terapeutiske applikation.  
 
Lasersintring som produktionsmetode er ikke kun ideelt egnet til genskabelse af komplekse geometrier og filigrane strukturer, men tilllader også økonomisk produktion af små volumener og enkelte komponenter. Dette er også gældende for RELab tenoexo esoskelet da de kan tilpasses individuelt til patienten. "Vi har udviklet en algoritme der tillader os at tilpasse den digitale model af exoskelettet til størrelsen på patientens hånd med nogle få museklik. " 

3D printede led fremstillet af højtydende iglidur I6 polymer er lette og kan produceres hurtigt og uden besvær efter individuelle kundekrav (kilde: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Til produktudvikling eller fremstilling af funktionelle dele giver hurtighed markedsfordele for virksomheder, og hurtigere problemløsninger for kunder. Ved at uploade 3D modellen af fingerleddet der behøves i vores online 3D printservice værktøj, kan ETHZ forskerne bestille den påkrævede komponent på nogle få minutter. Faktisk fremstilling sker normalt natten over, og de færdige fingerled kan monteres efter blot et par dage og derefter bruges til terapeutiske formål. Ingen anden fremstillingsmetode nærmer sig hastigheden og omkostningseffektiviteten af 3D print, når det drejer sig om individuel fremstilling af små mængder.

Men er 3D printede dele egnede som funktionelle dele i den endelige applikation, eller skal de forblive i den beskedne rolle som hurtigt tilgængelige prototyper? Vi er overbeviste om vores materialers ydeevne: additivt fremstillede komponenter fremstillet af iglidur® plast anvendes i mange andre kundeapplikationer som funktionelle serieproducerede dele. 

3D print for funktionelle komponenter: fingerled fremstillet af iglidur I6 og anvendt til terapeutisk exoskelet (kilde: Stefan Schneller, ETH Zürich)