Låg friktion, lätta och skräddarsydda – snabbt utskrivna komponenter för terapiområdet

• Vad som behövdes: fingerleder för ett exoskelett
• Tillverkningsprocess: selektiv lasersintring med SLS-pulver
• Krav: låg  friktionskoefficient, slitstark, låg vikt, precision
• Material: iglidur I6
• Bransch: läkemedelsbranschen
• Framgång genom samarbete: snabb leverans, billig produktion av anpassade funktionella delar

Enligt den tyska strokeföreningen drabbas någon av stroke i Tyskland varannan minut. För att göra det lättare att lära sig att gripa igen efter ett slaganfall utvecklade Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) ett handexoskelett kallat RELab tenoexo, som täcker upp till 80 procent av de dagliga aktiviteterna. 3D-printade fingrar av den högpresterande plasten iglidur I6 sörjer för optimal kraftöverföring.

 

3D-printade fingerfalanger av den högpresterande plasten iglidur I6 som används i ett exoskelett för behandling av strokepatienter. (Källa: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Problem

Produktionen av fingerleder med en klassisk 3D-skrivare visade sig vara svår, eftersom enhetens upplösning inte är tillräckligt hög för att förverkliga fingerfalangernas struktur. Dessa komponenter håller inte bara ihop bladfjädern, utan har också en filigran låsningsmekanism för en läderrem. Spännet, i vilket remmen är iträdd, är knappt bredare än en millimeter. ABS-filament som utskriftsmaterial visade sig vara olämpligt, eftersom friktionen mellan lederna och bladfjädrarna var för hög, vilket resulterade i att mycket energi förlorades. 

Lösning

I och med iglidur I6 hittade ETHZ en tribologiskt optimerad plast som visade sig vara idealisk för de nödvändiga komponenterna: SLS-pulvret utvecklades speciellt för att minska friktionen i rörliga applikationer. Lasersintring möjliggör hög noggrannhet, vilket gör att ledens filigranstruktur kan implementeras utan problem. Med den snabba 3D-utskriftstjänsten från igus kunde fingerleder produceras snabbt och kostnadseffektivt och var omedelbart redo att användas.

Handexoskelettets uppbyggnad och funktion

Fingrarna designades av den japanska professorn Jumpei Arata från Kyushu University: Tre tunna bladfjädrar av rostfritt stål ligger över varandra och är förbundna med fyra plastfalanger. På mittfjädern är en bowdenkabel fäst – om den flyttas framåt stängs fingrarna, om den dras tillbaka öppnas handen. DC-motorer sträcker och böjer bladfjädrarna och stöder patienten vid grepprörelser. "Per finger ger exoskelettet en kraft på sex newton", säger Jan Dittli, forskare vid ETHZ-avdelningen för hälsovetenskap och teknologi. "De tre implementerade handtagen räcker för att lyfta föremål upp till ca 500 g – till exempel en 0,5-liters vattenflaska."  
 
Exoskelettet sätts på via ett sensorarmband och fästs på fingrarna via läderremmar. När patienten påbörjar en handrörelse överför armbandet elektromyografiska (EMG) signaler till en minidator. Den är placerat tillsammans med motorerna, batterierna och styrelektroniken i en ryggsäck som är ansluten till handmodulen. Om bäraren avser att göra en griprörelse uppfattar datorn detta och aktiverar i sin tur DC-motorerna.
 
Under utvecklingen stötte forskarna på en utmaning: de fina fingerlederna. Dessa element håller inte bara ihop bladfjädrarna, utan har också en filigran låsningsmekanism för en läderrem. Spännet, i vilket remmen är iträdd, är knappt bredare än en millimeter. För att tillverka handryggen användes en 3D-skrivare med ABS-filament – både tillverkningsprocessen och materialet visade sig vara olämpliga för tillverkning av fingerlederna.  "Friktionen mellan lederna och bladfjädrarna skulle vara för hög med detta material", säger Dittli. "Därigenom skulle för mycket energi gå förlorad vid fingerrörelsen." Även upplösningen på en vanlig 3D-skrivare visade sig vara icke tillräckligt hög för att förverkliga fingerfalangernas detaljerade struktur. 
 

Exoskelettets handmodul väger bara 148 g (källa: Stefan Schneller, ETH Zürich)

iglidur I6 – den bästa 3D-utskriftsplasten för låg friktion

Lösningen på det här problemet hittades i igus additiva tillverkning: Det självsmörjande SLS-materialet iglidur i6, speciellt utvecklat för tillverkning av friktionsutsatta delar, visade sig vara framgångsrikt för tillverkningen av fingerleder. iglidur i6 utvecklades ursprungligen för tillverkning snäckhjul för robotleder. Materialet är särskilt lämpligt för tillverkning av komponenter med fina detaljer med exakta ytor och kännetecknas av hög seghet och nötningsbeständighet. I igus testlabb bevisade iglidur i6 sin lämplighet som en långlivad funktionsdel: Ett sintrat kugghjul av denna nötningsbeständiga iglidur-plast testades i två månader under samma förhållanden som ett fräst kugghjul av POM. Kugghjulet av POM uppvisade kraftigt slitage redan efter 321 000 cykler och upphörde fungera efter 621 000 cykler, medan kugghjulet av iglidur i6 fortfarande fungerade efter 1 miljon cykler med endast små tecken på slitage. 

De fina fingerfalangerna är gjorda av den högpresterande plasten iglidur I6. De håller ihop de tre bladfjädrarna som ligger över varandra (källa: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Självsmörjande plast är perfekt lämpad för applikationer inom medicinteknik

I motsats till metall är iglidur I6-plasten särskilt lätt, vilket gör den predestinerad för användning i applikationer där låg vikt är avgörande. En viktig fördel för ETHZ-forskarna, eftersom endast exoskelett som är tillräckligt lätta och kompakta också måste hålla i vardagen. Med fingerlederna i iglidur I6 väger handmodulen endast 148 g. De fasta smörjmedlen som ingår i plasten gör smörjning av elementen onödig och stöder således den enkla hanteringen av den avancerade terapiapplikationen. 
 
Lasersintring som tillverkningsmetod är inte bara idealisk för att avbilda komplexa geometrier och finlemmade strukturer, utan ger också möjlighet att tillverka små serier och enstaka exemplar kostnadseffektivt. Detta är vad RELab tenoexo-exoskelett står för, eftersom de kan anpassas individuellt till patienter. "Vi har utvecklat en algoritm för att anpassa den digitala modellen av exoskelettet till patientens handstorlek med bara några få klick." 

De 3D-printade lederna av den högpresterande iglidur I6-plasten är lätta och kan tillverkas snabbt och enkelt utifrån individuella behov (källa: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Vare sig det gäller produktutveckling eller tillverkning av funktionsdelar: hastighet ger företag marknadsfördelar och kunderna kan lösa sina problem snabbare. Genom att ladda upp 3D-modellen av de nödvändiga fingerlederna till vår online-3D-utskriftstjänst kan ETHZ-forskarna beställa nödvändiga delar på några minuter. Den faktiska tillverkningen sker vanligtvis över natten och de färdiga fingerlederna kan installeras och användas för terapeutiska ändamål efter bara några dagar. Ingen annan tillverkningsprocess kommer nära hastigheten och kostnadseffektiviteten hos 3D-utskrift när det gäller produktion av individuella små serier.

Men är 3D-utskrivna delar är dock lämpliga som funktionsdelar i tillämpningen eller måste de även framöver nöja sig med den försynta rollen som snabbtillgängliga prototyper? Vi är övertygade om prestandan i våra material: tilläggskomponenter av iglidur-plast används som serietillverkade funktionella delar i många andra tillämpningar ute hos våra kunder. 

3D-utskrift för funktionsdelar: fingerleder gjorda av iglidur I6 som används som terapiexoskelett (källa: Stefan Schneller, ETH Zürich)