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

• Co bylo zapotřebí: Klouby prstů pro exoskelet
• Výrobní metoda: Selektivní laserové sintrování s práškem na laserové sintrování
• Požadavky: Nízké koeficienty tření, odolnost proti otěru, nízká hmotnost, přesnost
• Materiál: iglidur I6
• Odvětví: Zdravotnický sektor
• Výsledky úspěšné spolupráce: Rychlé doručení, cenově výhodná výroba funkčních součástí na míru

Podle Německé asociace pro mozkový infarkt postihne v Německu někoho cévní mozková příhoda každé dvě minuty. Ve snaze pomoci pacientům po mozkovém infarktu znovu se naučit uchopovat věci vyvinula univerzita Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETHZ) exoskelet ruky RELab tenoexo. Zařízení dokáže provádět až 80 procent každodenních aktivit. Články prstů vyrobené 3D tiskem z vysoce výkonného plastu iglidur I6 zajišťují optimální přenos síly.

 

Články prstů vyrobené 3D tiskem z vysoce výkonného polymeru iglidur I6 se používají v exoskeletu pro pacienty zotavující se z mozkového infarktu. (Zdroj: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problém

Výroba kloubů prstů pomocí klasické 3D tiskárny se ukázala být složitou, jelikož rozlišení zařízení nebylo dostatečné pro vytvoření požadované struktury článků prstů. Tyto součásti nejenže drží listové pružiny pohromadě, ale zároveň disponují jemným zavíracím mechanismem pro kožený popruh. Spona, kterou je popruh provlečený, má šířku něco málo přes milimetr. ABS vlákno se neosvědčilo jako vhodný materiál tisku, a sice kvůli příliš vysokému tření mezi klouby a listovými pružinami, v důsledku čehož docházelo k velkým ztrátám energie. 

Řešení

Institut ETH Zurich nakonec narazil na materiál iglidur I6, tribologicky optimalizovaný plast, který se ukázal být ideálním materiálem pro požadované součásti. SLS prášek byl vyvinut speciálně proto, aby snížil tření v pohyblivých aplikacích. Laserové sintrování umožňuje vysokou přesnost potřebnou při tvorbě jemných struktur kloubu. Díky rychlé službě 3D tisku společnosti igus byly klouby prstů vyrobeny rychle a cenově výhodně a byly okamžitě připraveny k použití.

Struktura exoskeletu ruky a jak funguje

Autorem konstrukčního návrhu pěti prstů je japonský profesor Jumpei Arata z Kjúšúské univerzity. Tři tenké listové pružiny z nerezové oceli jsou umístěny na sebe a spojeny čtyřmi plastovými články. K prostřední pružině je připevněný Bowdenův kabel – když se pohne dopředu, prsty se zavřou; když je zatažen dozadu, ruka se otevře.  Stejnosměrné motory natahují a ohýbají listové pružiny a pomáhají pacientovi při pohybech uchopování.  "Exoskelet dokáže vyvinout sílu šest newtonů na jeden prst", říká Jan Dittli, výzkumník oddělení zdravotnické vědy a technologie univerzity ETHZ. "Tři implementované pohyby uchopování jsou dostatečné pro zvedání předmětů do hmotnosti 500 gramů – jako je například půllitrová láhev s vodou."   
 
Exoskelet je upevněný pomocí senzorového náramku a je připevněný k prstům pomocí kožených pásů. Když pacient začne pohybovat rukou, náramek přenáší elektromyografické (EMG) signály do mikropočítače. Tento mikropočítač se nachází ve speciálním batohu spolu s motory, bateriemi a ovládací elektronikou, kterou je batoh propojen s modulem ruky. Pokud chce uživatel provést pohyb uchopení, počítač to detekuje a následně aktivuje stejnosměrné motory.
 
V průběhu vývoje výzkumníci narazili na problém: jemné klouby prstů.  Tyto prvky nejenže drží listové pružiny pohromadě, ale zároveň disponují jemným zavíracím mechanismem pro kožený popruh. Spona, kterou je popruh provlečený, má šířku něco málo přes milimetr. Pro výrobu horní části ruky byla použita 3D tiskárna s ABS vláknem. Ukázalo se však, že ani výrobní metoda, ani materiál nejsou vhodné pro výrobu kloubů prstů.  "Tření mezi klouby a listovými pružinami by u tohoto materiálu bylo příliš vysoké", vysvětluje Dittli. "Tím pádem by při pohybu prsty docházelo k příliš vysokým ztrátám energie. " Rozlišení normální 3D tiskárny se ukázalo jako nedostatečné pro napodobení detailní struktury článků prstů. 
 

Modul ruky exoskeletu váží pouze 148 gramů (Zdroj: Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 – nejlepší polymer pro 3D tisk u aplikací s nízkým třením

Řešením tohoto problému se ukázal být systém aditivní výroby společnosti igus: samomazný materiál SLS iglidur i6, který byl navržen speciálně pro výrobu dílů vystavených tření, byl úspěšně použit pro výrobu kloubů prstů. iglidur i6 byl původně vyvinut pro výrobu šnekových kol pro klouby robotů. Je ideální pro výrobu součástí s drobnými detaily a přesnými povrchy a vyznačuje se vynikající odolností proti otěru. Materiál iglidur i6 prokázal svou vhodnost v odolných funkčních součástech ve zkušební laboratoři igus: sintrovaný převod vyrobený z tohoto plastu iglidur odolného proti otěru byl testován po dobu dvou měsíců ve stejných podmínkách jako obráběný převod vyrobený z POM. Převod vyrobený z POM vykazoval známky závažného poškození po 321 000 cyklech a zcela selhal po 621 000 cyklech, zatímco převod vyrobený z materiálu iglidur i6 fungoval i po 1 milionu cyklů s pouze malými známkami opotřebení. 

Jemné články prstů jsou vyrobeny z vysoce výkonného polymeru iglidur I6. Drží pohromadě tři listové pružiny (zdroj: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Samomazné polymery jsou ideální pro aplikace v oblasti zdravotnické techniky.

Oproti kovu je iglidur I6 mimořádně lehký, takže je předurčený k použití v aplikacích, kde je zásadní nízká hmotnost.  To byla důležitá výhoda pro výzkumníky z univerzity ETHZ, neboť pouze lehký a dostatečně kompaktní exoskelet je vhodný pro každodenní použití. Modul ruky s prstovými klouby vyrobenými z materiálu iglidur I6 váží pouze 148 gramů. Díky pevným mazivům zabudovaným v polymeru je externí mazání prvků zbytečné, což napomáhá použití v progresivní terapeutické aplikaci.  
 
Laserové sintrování jako výrobní metoda je nejen ideálně vhodné pro napodobení komplexních geometrií a jemných struktur, ale také umožňuje cenově výhodnou výrobu malých objemů a jednorázových součástí. To platí i pro exoskelety RELab tenoexo, které lze přizpůsobit individuálně pro každého pacienta. "Vyvinuli jsme algoritmus, který nám umožňuje přizpůsobit digitální model exoskeletu podle velikosti pacientovy ruky několika kliknutími myší. " 

Klouby vyrobené 3D tiskem z vysoce výkonného polymeru iglidur I6 jsou lehké a lze je rychle a jednoduše vyrobit tak, aby splňovaly požadavky individuálních zákazníků (zdroj: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Pokud jde o vývoj produktů nebo výrobu funkčních dílů, znamená pro společnosti rychlost tržní výhodu a pro zákazníky rychlejší řešení jejich problémů. Vědci z univerzity ETHZ mohou jednoduše nahrát 3D model požadovaných kloubů prstů do našeho online nástroje služby 3D tisku a objednat si potřebné díly během pár minut. Samotná výroba obvykle trvá přes noc a hotové prsty kloubů lze namontovat již po pár dnech a následně je použít pro účely rehabilitace. Žádná jiná výrobní metoda nedosahuje rychlosti a cenové výhodnosti 3D tisku, pokud jde o výrobu dílů na míru v malých objemech.

Jsou však díly vyrobené 3D tiskem vhodné jako funkční díly i pro finální aplikaci, nebo se musí spokojit se skromnou úlohou rychle dostupných prototypů? Jsme přesvědčeni o výkonnosti našich materiálů: aditivně vyrobené součásti z plastů iglidur se používají v řadě dalších zákaznických aplikací jako funkční sériově vyráběné díly. 

3D tisk funkčních dílů: prstové klouby vyrobené z materiálu iglidur I6 se používají v terapeutickém exoskeletu (zdroj: Stefan Schneller, ETH Zurich)