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

• Hvad der var brug for: Fingerled til et exoskelet
• Fremstillingsproces: selektiv lasersintring med SLS-pulver
• Krav: lav friktionskoefficient, slidstærk, lav vægt, præcision
• Materiale: iglidur® i6
• Branche: Medicinsk industri
• Succes gennem samarbejde: Hurtig levering, omkostningseffektiv produktion af kundetilpassede funktionelle dele

Ifølge German Stroke Society rammes en person i Tyskland af et slagtilfælde hvert andet minut. Det schweiziske Federal Institute of Technology i Zürich (ETHZ) har udviklet et håndskelet kaldet RELab tenoexo, som dækker op til 80 procent af de daglige aktiviteter, for at gøre det lettere at lære at gribe igen efter et slagtilfælde. 3D-printede fingerled fremstillet af den højtydende plast iglidur® i6 sikrer optimal kraftoverførsel.

Det viste sig at være vanskeligt at fremstille fingerleddene med en klassisk 3D-printer, da enhedens opløsning ikke er høj nok til at realisere fingerleddenes struktur. Disse komponenter holder ikke kun bladfjederen sammen, men har også en filigran låsemekanisme til en læderrem. Spændet, som remmen trækkes ind i, er knap nok bredere end en millimeter. ABS-filament viste sig at være uegnet som printmateriale, da friktionen mellem leddene og bladfjedrene var for høj, hvilket resulterede i, at der gik meget energi tabt.

Med iglidur® i6 fandt ETHZ en tribologisk optimeret plast, som viste sig at være ideel til de nødvendige komponenter: SLS-pulveret blev specielt udviklet til at reducere friktion i bevægelige applikationer. Lasersintring muliggør en høj grad af præcision, hvilket betyder, at samlingens filigranstruktur kan realiseres uden problemer. Med den hurtige 3D-print-service fra igus® kunne fingerleddene produceres hurtigt og omkostningseffektivt og var klar til brug med det samme.

Fingrene er designet af den japanske professor Jumpei Arata fra Kyushu University: Tre tynde bladfjedre i rustfrit stål ligger oven på hinanden og er forbundet med fire plastikforbindelser. Et Bowden-kabel er fastgjort til den midterste fjeder - hvis det bevæges fremad, lukker fingrene, og hvis det trækkes tilbage, åbnes hånden. En jævnstrømsmotor strækker og bøjer bladfjedrene og støtter patienten i gribebevægelser. "Exoskelettet udøver en kraft på seks newton pr. finger på"," siger Jan Dittli, forsker ved ETHZ Department of Health Sciences and Technology. "De tre implementerede greb er tilstrækkelige til at løfte genstande, der vejer op til ca. 500 gram - som f.eks. en 0,5 liters vandflaske."

Exoskelettet tages på ved hjælp af et sensorarmbånd og fastgøres til fingrene ved hjælp af læderremme. Når patienten laver en bevægelse med hånden, sender armbåndet elektromyografiske (EMG) signaler til en minicomputer. Den er placeret i en rygsæk sammen med motorer, batterier og kontrolelektronik, som er forbundet med håndmodulet. Hvis bæreren har til hensigt at foretage en gribebevægelse, genkendes dette af computeren, som igen aktiverer jævnstrømsmotoren.

Under udviklingen stødte forskerne på en udfordring: de fine fingerled. Disse elementer holder ikke kun bladfjedrene sammen, men har også en filigran lukkemekanisme til læderremmen. Spændet, som remmen trækkes ind i, er knap nok bredere end en millimeter. En 3D-printer med ABS-filament blev brugt til at fremstille håndryggen - både fremstillingsprocessen og materialet viste sig at være uegnet til at fremstille fingerleddene. "Friktionen mellem leddene og bladfjedrene ville have været for høj med dette materiale"," siger Dittli. "Derfor ville vi have mistet for meget energi, når vi bevægede fingrene." Opløsningen på en konventionel 3D-printer viste sig heller ikke at være høj nok til at realisere den detaljerede struktur i fingerleddene.

Løsningen på dette problem blev fundet i den additive fremstilling af igus®: Det selvsmørende SLS-materiale iglidur® i6, der er specielt udviklet til produktion af friktionsbelastede dele, kunne med succes bruges til produktion af fingerleddene. iglidur® i6 blev oprindeligt udviklet til produktion af snekkegear til robotled. Det er særligt velegnet til produktion af komponenter med fine detaljer og præcise overflader og er kendetegnet ved høj sejhed og slidstyrke. iglidur® i6 beviste sin egnethed som en holdbar funktionel del i igus'® testlaboratorium: Et sintret tandhjul lavet af denne slidstærke iglidur® plast blev testet i to måneder under de samme forhold som et fræset tandhjul lavet af POM. Gearet af POM viste allerede kraftig slitage efter 321.000 cyklusser og svigtede efter 621.000 cyklusser, udefineret.

I modsætning til metal er plastikken iglidur® i6 særlig let, hvilket gør den ideel til brug i applikationer, hvor lav vægt er vigtig. En vigtig fordel for ETHZ-forskerne, for kun exo-skeletter, der er lette og kompakte nok, kan også gøre sig gældende i hverdagen. Med fingerleddene lavet af iglidur® i6 vejer håndmodulet kun 148 gram. De faste smøremidler, der er indarbejdet i plasten, gør smøring af elementerne unødvendig og understøtter dermed den lette håndtering af den avancerede terapiapplikation.

Lasersintring som fremstillingsmetode er ikke kun ideel til reproduktion af komplekse geometrier og delikate strukturer, men giver også mulighed for omkostningseffektivt at producere små partier og enkeltstykker. Det er tilfældet med RELab tenoexo-eksoskeletterne, da de kan tilpasses den enkelte patient. "Vi har udviklet en algoritme til at tilpasse den digitale model af exoskelettet til størrelsen på patientens hånd med blot nogle få klik."

Uanset om det drejer sig om produktudvikling eller produktion af funktionelle dele: Hastighed giver virksomheder markedsfordele og kunder hurtigere løsninger på deres problemer. Ved at uploade 3D-modellen af de nødvendige fingerled til vores online 3D-printningstjeneste kan ETHZ-forskere bestille de nødvendige dele inden for få minutter. Selve produktionen foregår normalt natten over, og de færdige fingerled kan installeres og bruges til terapeutiske formål efter blot et par dage. Ingen anden fremstillingsproces kommer i nærheden af 3D-printningens hastighed og omkostningseffektivitet, når det drejer sig om produktion af skræddersyede små serier.

Men er 3D-printede dele egnede som funktionelle dele i den endelige anvendelse, eller må de stadig nøjes med den beskedne rolle som hurtigt tilgængelige prototyper? Vi er overbeviste om vores materialers ydeevne: additivt fremstillede komponenter af iglidur® plast bruges som funktionelle seriedele i mange andre anvendelser af vores kunder.