Низкий коэффициент трения, малый вес и изготовление на заказ - компоненты для терапевтического оборудования быстро производят на 3D-принтере

• Что требовалось: суставы пальцев для экзоскелета
• Способ изготовления:селективное лазерное спекание в порошковом слое
• Требования: низкие коэффициенты трения, износостойкость, малый вес, точность изготовления
• Материал: iglidur I6
• Отрасль: медицина
• Успех за счет сотрудничества: кратчайший срок изготовления, экономичное производство функциональных компонентов по индивидуальному заказу

По данным Германской ассоциации изучения инсульта в Германии каждые две минуты случается инсульт. Для облегчения последующего восстановления навыков кистевого захвата вещей пациентом, перенесшим инсульт, ученые Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (университет ETHZ) разработали экзоскелет руки под названием RELab tenoexo. Он помогает выполнять до 80 процентов повседневных операций. Фаланги пальцев, изготовленные на 3D-принтере из высококачественного полимера iglidur I6, обеспечивают оптимальную передачу усилия.

 

Изготовленные на 3D-принтере фаланги пальцев рук из высококачественного полимера iglidur I6 находят применение в составе экзоскелета для реабилитации пациентов после инсульта. (Источник: Источник Штефан Шнеллер, ETH Цюрих)

Проблема

Изготовление узлов суставов пальцев на классическом 3D-принтере было связано с рядом проблем, поскольку разрешение устройства оказалось недостаточным для создания требуемой структуры фаланг пальцев. Указанные компоненты не только удерживают вместе пружинные пластины, но и имеют очень тонкий замыкающий механизм для кожаного ремешка. Пряжка, куда вставляется ремешок едва превышает один миллиметр. Волокно ABS в этом случае оказалось непригодным для печати материалом, поскольку коэффициент трения между узлами сочленения и пружинными пластинами оказался слишком высоким, в результате возникла огромная потеря энергии. 

Решение

Ученые из ETH Цюрих в конечном итоге узнали о материале iglidur I6, полимере с улучшенными трибологическими свойствами, который идеально соответствовал функционалу требуемых компонентов. Состав порошка SLS был специально подобран для уменьшения трения подвижных элементов Лазерное спекание позволяет добиться высокой точности, а за счет этого появляется возможность изготовления тонкой конструкции узла сочленения. Благодаря оперативному оказанию услуг сервиса 3D-печати компании igus узлы суставов пальцев были изготовлены быстро и экономично, при этом они были без доработки готовы для монтажа.

Конструкция экзоскелета руки, и как это работает

Конструкция пальцев создана японским профессором Джумпеи Арата из университета Кюсю: три тонкие пружинные пластины из нержавеющей стали располагаются одна над другой и соединены четырьмя полимерными стяжками. Трос Боудена крепится к  средней пружине - при ее перемещении вперед пальцы сгибаются; а при растягивании пружины фаланги пальцев раскрываются.  Моторы постоянного тока натягивают и сгибают пружинные пластины и и помогают руке пациента выполнить захват кистью какого-либо предмета.  "Для каждого пальца экзоскелет может развивать усилие шесть Ньютонов", утверждает Жан Дитли, исследователь университета ETHZ отдела Медицинские технологии. "Реализованных трех алгоритмов захвата рукой достаточно для подъема объекта весом до 500 грамм - например, поллитровой бутылки воды."   
 
Экзоскелет крепится к руке с помощью сенсорного ремешка, а кожаные ремешки закреплены на пальцах руки. Когда пациент начинает движение рукой, от ремешка поступают электромиографические (EMG) сигналы на микрокомпьютер. Последний находится в рюкзаке вместе с приводами, элементами питания и электроникой управления, которые, соответственно, соединены с модулем руки. Когда пользователь собирается захватить рукой предмет, компьютер фиксирует движение и активирует моторы постоянного тока.
 
В процессе разработки устройства ученые столкнулись с проблемой: тонкие узлы сочленения пальцев.  Данные элементы на только скрепляют между собой пружинные пластины, но и имеют тонкий механизм фиксации для кожаного ремешка. Застежка, в которую продевается ремешок, не шире одного миллиметра. Для изготовления узла обратной стороны руки, применена 3D-печать с использование волокна ABS - способ изготовления и материал оказались непригодными для изготовления узлов сочленения пальцев экзоскелета.  "Трение между узлами сочленения и пружинными пластинами было бы неприемлемым для данного материала", заявляет Диттли. "В результате имеем слишком большие потери энергии при движении пальцев. " Разрешение печати на обычном 3D-принтере оказалось недостаточно высоким для воссоздания детальной структуры фаланг пальцев. 
 

Вес модуля руки экзоскелета всего 148 грамм (Источник Штефан Шнеллер, ETH Цюрих)

iglidur I6 - лучший полимер для 3D-печати компонентов в системах с малым трением

Решение указанных проблем найдено за счет применения системы аддитивного производства компании igus: не требующий дополнительной смазки материал SLS iglidur i6, который специально разрабатывался для производства элементов трения, нашел успешное применение при изготовлении узлов сочленения пальцев экзоскелета. iglidur i6 изначально разрабатывался для изготовления червячных колес для узлов сочленения роботов. Он идеально подходит для изготовления деталей, включая тонкие детали с высокоточной обработкой поверхности, и характеризуется исключительной упругостью и устойчивостью к истиранию. iglidur i6 доказал пригодность в качестве долговечного функционального компонента в испытательной лаборатории igus: шестерня, изготовленная из данного стойкого к истиранию полимера iglidur методом лазерного спекания, испытывалась в течение двух месяцев в тех же условиях, что и обработанная шестерня из POM. Шестерня из POM имела следы серьезной выработки после 321 000 циклов и полностью вышла из строя после 621 000 циклов, в то время как шестерня из полимера iglidur i6 сохранила работоспособность после 1 миллиона циклов, имея лишь незначительные следы износа. 

Тонкие фаланги пальцев экзоскелета из высококачественного полимера iglidur I6. Они удерживают вместе три пружинные пластины (источник: Штефан Шнеллер, ETH Цюрих)

Не требующий дополнительной смазки полимер идеально подходит для оборудования в секторе медицинской техники.

В отличие от металла полимер iglidur I6 очень легкий, очевидно, что он находит применение в составе оборудования, где малый вес имеет решающее значение.  Важное преимущество для ученых из университета ETHZ, ведь только легкие и компактные экзоскелеты подходят для каждодневного использования. Благодаря тому, что узлы сочленения пальцев сделаны из материала iglidur I6 модуль руки человека весит всего 148 грамм. Интегрированная в состав полимера твердая смазка делает избыточной необходимость ее добавления в процессе эксплуатации, что дает возможность применять материал для прогрессивного терапевтического оборудования.  
 
Лазерное спекание как способ изготовления не только отлично подходит для воссоздания сложной геометрии элемента и его тонкой структуры, но и обеспечивает экономичное производство малых партий и единичных изделий. Это также относится к экзоскелетам RELab tenoexo, поскольку для них имеется возможность адаптации изделия для каждого пациента в отдельности "Нами разработан алгоритм адаптации цифровой модели экзоскелета по размерам руки пациента, это делается буквально за несколько щелчков мышкой. " 

Изготовленные на 3D-принтере узлы сочленения суставов произведены из высококачественного полимера iglidur I6, поэтому они имеют малый вес и могут быстро и без проблем изготавливаться с учетом индивидуальных потребностей заказчика (источник: Штефан Шнеллер, ETH Цюрих)

При разработке продукта или производстве функциональных деталей фактор времени - это конкурентное преимущество компаний на рынке, а для клиентов это означает более оперативное решение их проблем. Путем загрузки требуемой 3D-модели узлов сочленения пальцев экзоскелета в предлагаемую нами в режиме онлайн программу для 3D-печати ученые университета ETHZ имеют возможность буквально за несколько минут сделать заказ необходимых им компонентов. Изготавливают заказ, как правило, за ночь, а готовые суставы пальцев можно устанавливать уже через несколько дней, а затем использовать в терапевтических целях. Ни один другой метод производства не приближается по скорости и рентабельности к 3D-печати, когда речь идет об изготовлении небольших объемов по индивидуальному заказу.

Но подходят ли детали, напечатанные на 3D-принтере, в качестве функциональных деталей в составе работающего оборудования, или они вынуждены оставаться в скромной роли быстро доступных прототипов? Мы уверены в характеристиках наших материалов: компоненты, изготовленные по методу аддитивного производства из полимера iglidur находят применение и на другом оборудовании заказчиков качестве функциональных серийно производимых деталей. 

3D-печать функциональных элементов: узлы сочленения пальцев из материала iglidur I6 применены в конструкции терапевтического экзоскелета (источник: Штефан Шнеллер, ETH Цюрих)