Lage wrijving, licht en op maat gemaakt - snel geprinte componenten voor therapeutische toepassingen

• Wat er nodig was: vingerkootjes voor een exoskelet
• Productiemethode: selectief lasersinteren met lasersinter-poeder
• Vereisten: lage wrijvingscoëfficiënten, slijtvastheid, laag gewicht, precisie
• Materiaal: iglidur I6
• Industrie: medische sector
• Succes door samenwerking: snelle levering, kosteneffectieve productie van klantspecifieke functionele componenten

Volgens de Duitse hersenstichting, wordt in Duitsland elke twee minuten iemand getroffen door een beroerte. Om het gemakkelijker te maken opnieuw aan te leren dingen te grijpen na een beroerte, ontwikkelde de Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETHZ universiteit) een hand exoskelet genaamd RELab tenoexo. Dit kan tot wel 80% van de dagelijkse activiteiten uitvoeren. 3D-geprinte vingerkootjes gemaakt van het iglidur I6 high-performance kunststof zorgen voor een optimale krachtoverdracht.

 

3D-geprinte vingerkootjes gemaakt van hoogwaardig iglidur I6 polymeer, gebruikt in een exoskelet voor therapie van patiënten die zijn getroffen door een beroerte. (Bron: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Probleem

De productie van vingergewrichten met een klassieke 3D-printer bleek moeilijk te zijn omdat de resolutie van het apparaat niet voldoende was om de benodigde structuur van de vingerkootjes te creëren. Deze componenten houden niet alleen de bladveren bij elkaar maar hebben ook een filigraan sluitmechanisme voor een leren band. De gesp waar de band wordt doorgevoerd is amper breder dan een millimeter. ABS-filament als printmateriaal bleek ongeschikt te zijn omdat de wrijving tussen de gewrichten en de bladveren te hoog was, met als gevolg dat er veel energie verloren ging. 

Oplossing

ETH Zurich kwam uiteindelijk uit bij iglidur I6, een tribologisch geoptimaliseerd kunststof dat ideaal bleek voor de benodigde componenten. Het SLS-poeder was speciaal ontwikkeld teneinde de wrijving in bewegende toepassingen te reduceren. Laser sintering maakte een hoge mate van precisie mogelijk en maakt het zo mogelijk de fijne structuur van het gewricht te creëren. Dankzij de snelle 3D-printservice van igus, werden de vingergewrichten snel en kosten-effectief geproduceerd en waren ze direct klaar voor gebruik.

Opbouw van het hand-exoskelet en hoe het werkt

Het ontwerp van de vingers is afkomstig van de Japanse professor Jumpei Arata van de Kyushu universiteit: drie dunnen bladveren gemaakt van roestvast staal zijn op elkaar geplaatst en verbonden middels vier kunststof schakels. Er is een Bowden-kabel bevestigd aan de middelste veer - wanneer het naar voren wordt bewogen sluiten de vingers; wanneer het wordt teruggetrokken opent de hand.  DC-motoren ontspannen en spannen de bladveren en versterkt de patient wanneer hij/zij grijpende bewegingen maakt.  "Per vinger, kan het exoskelet een kracht uitoefenen van zes Newton", zegt Jan Dittli, onderzoeker bij het ETHZ departement voor gezondheidswetenschappen en techniek. "De drie geïmplementeerde grijpbewegingen zijn voldoende voor het optillen van objecten tot ca. 500 gram -zoals een waterfles van een halve liter."   
 
Het exoskelet wordt aangesnoerd middels een sensor polsband en is aan de vingers bevestigd middels leren banden. Wanneer de patient begint met het bewegen van de hand, dan verstuurt de polsband elektromyografische (EMG) signalen naar een microcomputer. De laatstgenoemde bevindt zich in een rugzak, samen met motoren, batterijen en besturingselektronica, waarbij de rugzak is aangesloten op de handmodule. Wanneer de drager een grijpbeweging wil maken, dan wordt dit gedetecteerd door de computer, welke vervolgens de DC-motoren activeert.
 
Tijdens de ontwikkeling kregen de onderzoekers te maken met een uitdaging: de delicate vingergewrichten.  Niet alleen houden deze elementen de bladveren bij elkaar, maar ze zijn ook voorzien van een filigraan borgmechanisme voor de leren band. De gesp, waar de band doorheen wordt gevoerd, is amper breder dan een millimeter. Voor de productie van de hand rug werd een 3D-printer met een ABS filament gebruikt - de productiemethode en het materiaal bleken ongeschikt te zijn voor de productie van de vinger gewrichten.  "De wrijving tussen de gewrichten en de bladveren zou veel te hoog zijn geweest met dit materiaal", zegt Dittli. "Het gevolg zou zijn dat te veel energie verloren zou gaan bij het bewegen van de vingers. "De resolutie van een normale 3D-printer bleek onvoldoende voor het namaken van de gedetailleerde structuur van de vingerkootjes. 
 

De handmodule van het exoskelet weegt slechts 148 gram (bron: Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - het beste 3D-printpolymeer voor wrijvingsarme toepassingen

De oplossing voor dit probleem werd gevonden in het additieve productiesysteem van igus: het zelfsmerende SLS-materiaal iglidur i6 werd speciaal ontwikkeld voor de vervaardiging van onderdelen die onderhevig zijn aan wrijving en werd met succes gebruikt voor de vervaardiging van de vingerverbindingen. iglidur i6 werd oorspronkelijk ontwikkeld voor de productie van wormwielen voor robotgewrichten. Het is ideaal voor het vervaardigen van componenten, waaronder delicate details met exacte oppervlakken, en wordt gekenmerkt door zijn uitstekende veerkracht en slijtvastheid. iglidur i6 bewees zijn geschiktheid als duurzame functionele component in het igus-testlaboratorium: een gesinterd tandwiel gemaakt van deze slijtvaste iglidur-kunststof werd gedurende twee maanden getest onder dezelfde omstandigheden als een machinaal bewerkt tandwiel gemaakt van POM. Het tandwiel gemaakt van POM vertoonde tekenen van ernstige slijtage na 321.000 cycli en faalde volledig na 621.000 cycli, terwijl het tandwiel gemaakt van iglidur i6 bleef functioneren na 1 miljoen cycli met slechts geringe tekenen van slijtage. 

De fijne vingerkootjes zijn gemaakt van het hoogwaardige polymeer iglidur I6. Zij houden de drie bladveren bij elkaar (bron: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Zelfsmerend polymeer is ideaal voor toepassingen in de sector van de medische techniek.

In tegenstelling tot metaal, is iglidur I6 bijzonder licht en daarom is het voorbestemd voor gebruik in toepassingen waarbij een laag gewicht van cruciaal belang is.  Een belangrijk voordeel voor de ETHZ-onderzoekers, omdat alleen exoskeletten die licht en compact genoeg zijn geschikt zijn voor dagelijks gebruik. Met de vingerkootjes gemaakt van iglidur I6, weegt de handmodule slechts 148 gram. De vaste smeermiddelen die zijn opgenomen in het polymeer maken externe smering van de elementen overbodig en ondersteunen zo het gebruik van de progressieve therapeutische toepassing.  
 
Lasersintering als productiemethode is niet alleen ideaal geschikt voor het kopiëren van complexe geometrieën en filigrane structuren maar maakt het ook mogelijk kleine aantallen en eenmalige componenten voordelig te produceren. Dit geldt ook voor de RELab tenoexo exoskeletten omdat  ze individueel aan de patient kunnen worden aangepast. "We hebben een algoritme ontwikkeld dat ons in staat stelt het digitale model van het exoskelet aan te passen aan de grootte van de hand van de patient met slechts een paar muisklikken. " 

De 3D-geprinte gewrichten gemaakt van het hoogwaardige iglidur I6 polymeer zijn licht en kunnen snel en zonder complicaties worden geproduceerd afgestemd op de vereisten van de individuele klant (bron: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Voor productontwikkeling of fabricage van functionele onderdelen biedt snelheid bedrijven marktvoordelen en klanten snellere oplossingen voor hun problemen. Door het uploaden van het 3D-model van de benodigde vingerkootjes in onze online 3D-printservice-tool, kunnen de ETHZ-wetenschappers de benodigde onderdelen in slechts enkele minuten bestellen. De daadwerkelijke productie vindt meestal 's nachts plaats en de voltooide vingergewrichten kunnen al na een paar dagen worden aangebracht en vervolgens voor therapeutische doeleinden worden gebruikt. Geen enkele andere productiemethode benadert de snelheid en kosteneffectiviteit van 3D-printen als het gaat om de fabricage op maat van kleine aantallen.

Maar zijn 3D-geprinte onderdelen geschikt als functionele onderdelen in de laatste toepassing of moeten ze in de bescheiden rol blijven van snel beschikbare prototypen? We zijn overtuigd van de prestaties van onze materialen: additief vervaardigde componenten gemaakt van iglidur-kunststoffen worden gebruikt in tal van andere klanttoepassingen als ook functionele, in serie geproduceerde, onderdelen. 

3D-printen voor functionele componenten: vingerkootjes gemaakt van iglidur I6 toegepast in een therapeutisch exoskelet (bron: Stefan Schneller, ETH Zurich)