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

• Vad behövdes? Fingerleder för ett exoskelett
• Tillverkningsprocess: selektiv lasersintring med SLS-pulver
• Krav: låga friktionskoefficienter, slitstarka, låg vikt, precision
• Material: iglidur i6
• Bransch: Medicinsk industri
• Framgånggenom samarbete: Snabb leverans, kostnadseffektiv produktion av kundanpassade funktionella delar

Enligt den tyska strokeföreningen drabbas en person i Tyskland av stroke varannan minut. Swiss Federal Institute of Technology i Zürich (ETHZ) har utvecklat ett handskelett kallat RELab tenoexo, som täcker upp till 80 procent av de dagliga aktiviteterna, för att göra det lättare att lära sig att greppa igen efter en stroke. 3D-printade fingerleder tillverkade av den högpresterande plasten iglidur i6 säkerställer optimal kraftöverföring.

Att tillverka fingerlederna med en klassisk 3D-skrivare visade sig vara svårt, eftersom enhetens upplösning inte är tillräckligt hög för att förverkliga fingerledernas struktur. Dessa komponenter håller inte bara ihop bladfjädern, utan har också en filigranlåsmekanism för ett läderband. Spännet som remmen träs i är knappt bredare än en millimeter. ABS-filament visade sig vara olämpligt som utskriftsmaterial, eftersom friktionen mellan lederna och bladfjädrarna var för hög, vilket resulterade i att mycket energi gick förlorad.

Med iglidur i6 hittade ETHZ en tribologiskt optimerad plast som visade sig vara perfekt lämpad för de komponenter som behövdes: SLS-pulvret har utvecklats speciellt för att minska friktionen i rörliga applikationer. Lasersintring möjliggör en hög grad av precision, vilket innebär att fogens filigranstruktur kan förverkligas utan problem. Med igus snabba 3D-utskriftstjänst kunde fingerlederna produceras snabbt och kostnadseffektivt och var redo för omedelbar användning.

Fingrarna har designats av den japanske professorn Jumpei Arata från Kyushu University: tre tunna bladfjädrar i rostfritt stål ligger ovanpå varandra och är förbundna med fyra plastlänkar. En Bowden-kabel är fäst vid den mittersta fjädern - om den flyttas framåt stängs fingrarna, om den dras tillbaka öppnas handen. Likströmsmotorer sträcker och böjer bladfjädrarna och stöder patienten i grepprörelser. "Exoskelettet utövar en kraft på sex newton per finger på"", säger Jan Dittli, forskare vid ETHZ Department of Health Sciences and Technology. "De tre greppen räcker för att lyfta föremål som väger upp till ca 500 gram - t.ex. en 0,5 liters vattenflaska."

Exoskelettet sätts på med hjälp av ett sensorarmband och fästs på fingrarna med läderremmar. När patienten gör en rörelse med handen sänder armbandet elektromyografiska (EMG) signaler till en minidator. Denna ligger i en ryggsäck tillsammans med motorer, batterier och styrelektronik, som är ansluten till handmodulen. Om bäraren vill göra en grepprörelse känner datorn av det, vilket i sin tur aktiverar likströmsmotorerna.

Under utvecklingsarbetet stötte forskarna på en utmaning: de fina fingerlederna. Dessa element håller inte bara ihop bladfjädrarna utan har också en filigran stängningsmekanism för läderremmen. Spännet som remmen träs i är knappt bredare än en millimeter. För att tillverka handryggen användes en 3D-skrivare med ABS-filament - både tillverkningsprocessen och materialet visade sig vara olämpligt för att tillverka fingerlederna. "Friktionen mellan lederna och bladfjädrarna skulle ha blivit för hög med det här materialet"," säger Dittli. "Följden skulle ha blivit att vi förlorat för mycket energi när vi rört fingrarna." Upplösningen hos en konventionell 3D-skrivare visade sig inte heller vara tillräckligt hög för att förverkliga den detaljerade strukturen hos fingerlederna.

Lösningen på detta problem hittades i igus additiva tillverkning: Det självsmörjande SLS-materialet iglidur i6, som utvecklats speciellt för tillverkning av friktionsbelastade delar, kunde med framgång användas för tillverkning av fingerlederna. iglidur i6 utvecklades ursprungligen för tillverkning av snäckväxlar för robotleder. Det lämpar sig särskilt väl för tillverkning av komponenter med fina detaljer och exakta ytor och kännetecknas av hög seghet och nötningsbeständighet. iglidur i6 visade sin lämplighet som en hållbar funktionell del i igus testlaboratorium: Ett sintrat kugghjul tillverkat av denna nötningsbeständiga iglidurplast testades under två månader under samma förhållanden som ett fräst kugghjul tillverkat av POM. Kugghjulet av POM visade kraftigt slitage redan efter 321.000 cykler och gick sönder efter 621.000 cykler, odefinierat.

Till skillnad från metall är plasten iglidur i6 särskilt lätt, vilket gör den predestinerad för användning i applikationer där låg vikt är viktigt. En viktig fördel för ETHZ-forskarna, eftersom det bara är exoskelett som är tillräckligt lätta och kompakta som också kan bevisa sig i vardagen. Med fingerleder av iglidur i6 väger handmodulen endast 148 gram. De fasta smörjmedel som ingår i plasten gör smörjning av elementen onödig och bidrar därmed till enkel hantering av den avancerade terapiapplikationen.

Lasersintring som tillverkningsmetod är inte bara idealiskt lämpad för reproduktion av komplexa geometrier och känsliga strukturer, utan ger också möjlighet att producera små serier och engångsartiklar på ett kostnadseffektivt sätt. Detta är fallet med exoskeletten RELab tenoexo, eftersom de kan skräddarsys för enskilda patienter. "Vi har utvecklat en algoritm som med bara några klick anpassar den digitala modellen av exoskelettet till storleken på patientens hand."

Oavsett om det gäller produktutveckling eller produktion av funktionella delar: Snabbhet ger företagen marknadsfördelar och kunderna snabbare lösningar på sina problem. Genom att ladda upp 3D-modellen av de fingerleder som behövs till vår 3D-utskriftstjänst online kan ETHZ:s forskare beställa de delar som behövs inom några minuter. Själva tillverkningen sker vanligtvis över natten och de färdiga fingerlederna kan installeras och användas i terapeutiskt syfte efter bara några dagar. Ingen annan tillverkningsprocess kommer i närheten av den snabbhet och kostnadseffektivitet som 3D-printing erbjuder när det gäller produktion av kundanpassade små serier.

Men är 3D-utskrivna delar lämpliga som funktionella delar i slutapplikationen eller måste de fortfarande nöja sig med den blygsamma rollen som snabbt tillgängliga prototyper? Vi är övertygade om våra materials prestanda: Additivt tillverkade komponenter av iglidur-plast används som funktionella seriedelar i många andra applikationer av våra kunder.