Nízké tření, malá hmotnost a výroba na míru – rychlý tisk součástí pro terapeutické aplikace

• Co bylo potřeba: Klouby prstů pro exoskeleton
• Výrobní proces: selektivní laserové spékání s práškem SLS
• Požadavky: nízký koeficient tření, odolnost proti opotřebení, nízká hmotnost, přesnost.
• Materiál: iglidur® i6
• Odvětví: Výroba a zpracování plastů: Výrobní odvětví: zdravotnický průmysl
• Úspěch díky spolupráci: Rychlé dodání, nákladově efektivní výroba funkčních dílů na míru

Podle Německé společnosti pro mrtvici utrpí v Německu každé dvě minuty jeden člověk mrtvici. Švýcarský federální technologický institut v Curychu (ETHZ) vyvinul exoskelet ruky s názvem RELab tenoexo, který pokrývá až 80 % každodenních činností, aby se člověk po mrtvici snáze naučil znovu uchopovat. Optimální přenos síly zajišťují 3D tištěné klouby prstů z vysoce výkonného plastu iglidur® i6.

Výroba kloubů prstů na klasické 3D tiskárně se ukázala jako obtížná, protože rozlišení zařízení není dostatečně vysoké pro realizaci struktury kloubů prstů. Tyto součásti drží pohromadě nejen listovou pružinu, ale mají také filigránský zajišťovací mechanismus pro kožený řemínek. Spona, do které se řemínek navléká, je sotva o milimetr širší. ABS vlákno se ukázalo jako nevhodný materiál pro tisk, protože tření mezi klouby a listovými pružinami bylo příliš vysoké, což vedlo ke ztrátám velkého množství energie.

Společnost ETHZ nalezla v igliduru® i6 tribologicky optimalizovaný plast, který se ukázal jako ideální pro požadované komponenty: Prášek SLS byl speciálně vyvinut pro snížení tření v pohyblivých aplikacích. Laserové spékání umožňuje vysoký stupeň přesnosti, což znamená, že lze bez problémů realizovat filigránskou strukturu spoje. Díky rychlé službě 3D tisku od společnosti igus®, mohly být prstové klouby vyrobeny rychle a levně a byly připraveny k okamžitému použití.

Prsty navrhl japonský profesor Jumpei Arata z univerzity Kjúšú: tři tenké nerezové listové pružiny leží na sobě a jsou spojeny čtyřmi plastovými články. Ke středové pružině je připojeno Bowdenovo lanko - pokud se posune dopředu, prsty se zavřou, pokud se stáhne dozadu, ruka se otevře. Stejnosměrný motor napíná a ohýbá listové pružiny a podporuje pacienta v úchopových pohybech. "Exoskelet působí silou šesti newtonů na každý prst na adrese"," říká Jan Dittli, výzkumný pracovník na katedře zdravotnických věd a techniky ETHZ. "Tři implementované úchopy postačují ke zvedání předmětů o hmotnosti až přibližně 500 gramů - například 0,5litrové láhve na vodu."

Exoskelet se nasazuje pomocí senzorového náramku a k prstům se připevňuje pomocí kožených řemínků. Když pacient provede rukou nějaký pohyb, náramek vysílá elektromyografické (EMG) signály do minipočítače. Ten je umístěn v batohu spolu s motory, bateriemi a řídicí elektronikou, která je připojena k modulu ruky. Pokud má uživatel v úmyslu provést úchopový pohyb, počítač to rozpozná a aktivuje stejnosměrný motor.

Během vývoje narazili výzkumníci na problém: jemné klouby prstů. Tyto prvky drží pohromadě nejen listové pružiny, ale mají také filigránský uzavírací mechanismus pro kožený řemínek. Spona, do které se řemínek navléká, je sotva o milimetr širší. K výrobě hřbetu ruky byla použita 3D tiskárna s vláknem ABS - výrobní proces i materiál se ukázaly jako nevhodné pro výrobu kloubů prstů. "Tření mezi klouby a listovými pružinami by bylo s tímto materiálem příliš vysoké"," říká Dittli. "V důsledku toho bychom při pohybu prstů ztráceli příliš mnoho energie." Ukázalo se také, že rozlišení běžné 3D tiskárny není dostatečně vysoké pro realizaci detailní struktury kloubů prstů.

Řešení tohoto problému bylo nalezeno v aditivní výrobě igus®: Pro výrobu prstových kloubů bylo možné úspěšně použít samomazný SLS materiál iglidur® i6, speciálně vyvinutý pro výrobu třecích dílů. iglidur® i6 byl původně vyvinut pro výrobu šnekových převodů pro klouby robotů. Je obzvláště vhodný pro výrobu dílů s jemnými detaily a přesnými povrchy a vyznačuje se vysokou houževnatostí a odolností proti oděru. iglidur® i6 prokázal svou vhodnost jako odolný funkční díl ve zkušební laboratoři igus®: Spékané ozubené kolo vyrobené z tohoto otěruvzdorného plastu iglidur® bylo testováno po dobu dvou měsíců za stejných podmínek jako frézované ozubené kolo z POM. Ozubené kolo z POM vykazovalo silné opotřebení již po 321 000 cyklech a po 621 000 cyklech selhalo, nedefinováno.

Na rozdíl od kovu je plast iglidur® i6 obzvláště lehký, což jej předurčuje k použití v aplikacích, kde je důležitá nízká hmotnost. Pro výzkumníky z ETHZ je to důležitá výhoda, protože pouze exoskelety, které jsou dostatečně lehké a kompaktní, se mohou osvědčit i v každodenním životě. S klouby prstů vyrobenými z igliduru® i6 váží modul ruky pouhých 148 gramů. Díky pevným mazivům obsaženým v plastu není nutné mazání prvků a podporuje se tak snadná manipulace s pokročilou terapeutickou aplikací.

Laserové spékání jako výrobní metoda se nejen ideálně hodí k reprodukci složitých geometrií a jemných struktur, ale nabízí také možnost nákladově efektivní výroby malých sérií a kusových výrobků. To je případ exoskeletů RELab tenoexo, protože je lze přizpůsobit jednotlivým pacientům. "Vyvinuli jsme algoritmus pro přizpůsobení digitálního modelu exoskeletu velikosti ruky pacienta pomocí několika kliknutí."

Ať už při vývoji produktů, nebo při výrobě funkčních dílů: Rychlost přináší firmám tržní výhody a zákazníkům rychlejší řešení jejich problémů. Nahráním 3D modelu požadovaných prstových kloubů do naší online služby 3D tisku mohou vědci ETHZ objednat požadované díly během několika minut. Samotná výroba obvykle probíhá přes noc a hotové prstové klouby lze instalovat a používat k terapeutickým účelům již po několika dnech. Žádný jiný výrobní proces se nepřibližuje rychlosti a nákladové efektivitě 3D tisku, pokud jde o výrobu malých sérií na míru.

Jsou však 3D tištěné díly vhodné jako funkční díly v konečné aplikaci, nebo se stále musí spokojit se skromnou rolí rychle dostupných prototypů? O výkonnosti našich materiálů jsme přesvědčeni: aditivně vyráběné komponenty z plastu iglidur® používají naši zákazníci jako funkční sériové díly v mnoha dalších aplikacích.