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

• Wat was er nodig? Vingergewrichten voor een exoskelet
• Fabricageproces: selectief lasersinteren met SLS-poeder
• Vereisten: lage wrijvingscoëfficiënt, slijtvast, laag gewicht, precisie
• Materiaal: iglidur® i6
• Industrie: Medische industrie
• Succes door samenwerking: Snelle levering, kosteneffectieve productie van functionele onderdelen op maat

Volgens de Duitse Stroke Society krijgt elke twee minuten iemand in Duitsland een beroerte. Het Zwitserse Federale Technologie-instituut in Zürich (ETHZ) heeft een handexoskelet ontwikkeld met de naam RELab tenoexo, dat tot 80 procent van de dagelijkse activiteiten dekt, om het gemakkelijker te maken om opnieuw te leren grijpen na een beroerte. 3D-geprinte vingergewrichten van de hoogwaardige kunststof iglidur® i6 zorgen voor een optimale krachtoverbrenging.

Het maken van de vingergewrichten met een klassieke 3D-printer bleek moeilijk, omdat de resolutie van het apparaat niet hoog genoeg is om de structuur van de vingergewrichten te realiseren. Deze onderdelen houden niet alleen de bladveer bij elkaar, maar hebben ook een filigraan sluitmechanisme voor een leren riem. De gesp waarin de riem wordt geregen is nauwelijks breder dan een millimeter. ABS-filament bleek ongeschikt als printmateriaal, omdat de wrijving tussen de gewrichten en de bladveren te hoog was, waardoor veel energie verloren ging.

Met iglidur® i6 vond ETHZ een tribologisch geoptimaliseerde kunststof die uitermate geschikt bleek voor de vereiste onderdelen: Het SLS-poeder werd speciaal ontwikkeld om de wrijving in bewegende toepassingen te verminderen. Lasersinteren maakt een hoge mate van precisie mogelijk, waardoor de filigraanstructuur van de verbinding probleemloos kan worden gerealiseerd. Met de snelle 3D printservice van igus® konden de vingerverbindingen snel en voordelig worden geproduceerd en waren ze direct klaar voor gebruik.

De vingers zijn ontworpen door de Japanse professor Jumpei Arata van de Kyushu Universiteit: drie dunne roestvrijstalen bladveren liggen op elkaar en zijn verbonden door vier plastic schakels. Aan de middelste veer is een Bowden-kabel bevestigd - als deze naar voren wordt bewogen, sluiten de vingers zich, als deze naar achteren wordt getrokken, gaat de hand open. Een gelijkstroommotor rekt en buigt de bladveren en ondersteunt de patiënt bij grijpbewegingen. "Het exoskelet oefent een kracht uit van zes newton per vinger op"," zegt Jan Dittli, onderzoeker aan het ETHZ Department of Health Sciences and Technology. "De drie geïmplementeerde handgrepen zijn voldoende om voorwerpen met een gewicht tot ongeveer 500 gram op te tillen - zoals een waterfles van 0,5 liter."

Het exoskelet wordt aangetrokken met behulp van een sensorarmband en met leren banden aan de vingers bevestigd. Wanneer de patiënt een beweging met zijn hand maakt, zendt de polsband elektromyografische (EMG) signalen naar een minicomputer. Deze bevindt zich samen met de motoren, batterijen en besturingselektronica in een rugzak, die verbonden is met de handmodule. Als de drager een grijpbeweging wil maken, wordt dit herkend door de computer, die op zijn beurt de gelijkstroommotor activeert.

Tijdens de ontwikkeling stuitten de onderzoekers op een uitdaging: de fijne vingergewrichten. Deze elementen houden niet alleen de bladveren bij elkaar, maar hebben ook een filigraan sluitmechanisme voor het leren bandje. De gesp waarin het bandje wordt geregen is nauwelijks breder dan een millimeter. Een 3D-printer met ABS-filament werd gebruikt om de rug van de hand te maken - zowel het fabricageproces als het materiaal bleken ongeschikt om de vingergewrichten te maken. "De wrijving tussen de gewrichten en de bladveren zou te hoog zijn geweest met dit materiaal"," zegt Dittli. "Daardoor zouden we te veel energie hebben verloren bij het bewegen van de vingers." De resolutie van een conventionele 3D-printer bleek ook niet hoog genoeg om de gedetailleerde structuur van de vingergewrichten te realiseren.

De oplossing voor dit probleem werd gevonden in de additieve productie van igus®: Het zelfsmerende SLS-materiaal iglidur® i6, speciaal ontwikkeld voor de productie van onderdelen met wrijvingsweerstand, kon met succes worden gebruikt voor de productie van de vingergewrichten. iglidur® i6 werd oorspronkelijk ontwikkeld voor de productie van wormwielen voor robotgewrichten. Het is bijzonder geschikt voor de productie van onderdelen met fijne details en precieze oppervlakken en wordt gekenmerkt door een hoge taaiheid en slijtvastheid. iglidur® i6 bewees zijn geschiktheid als duurzaam functioneel onderdeel in het igus® testlaboratorium: Een gesinterd tandwiel gemaakt van deze slijtvaste iglidur® kunststof werd twee maanden onder dezelfde omstandigheden getest als een gefreesd tandwiel gemaakt van POM. Het tandwiel van POM vertoonde al na 321.000 cycli zware slijtage en viel na 621.000 cycli uit, ongedefinieerd.

In tegenstelling tot metaal is de kunststof iglidur® i6 bijzonder licht, waardoor het ideaal is voor gebruik in toepassingen waar een laag gewicht belangrijk is. Een belangrijk voordeel voor de ETHZ-onderzoekers, want alleen exo-skeletten die licht en compact genoeg zijn, kunnen zich ook in het dagelijks leven bewijzen. Met de vingergewrichten van iglidur® i6 weegt de handmodule slechts 148 gram. De vaste smeermiddelen in de kunststof maken smering van de elementen overbodig en ondersteunen zo de eenvoudige bediening van de geavanceerde therapietoepassing.

Lasersinteren is als productiemethode niet alleen bij uitstek geschikt voor de reproductie van complexe geometrieën en delicate structuren, maar biedt ook de mogelijkheid om kosteneffectief kleine series en eenmalige producten te produceren. Dit is het geval bij de RELab tenoexo exoskeletten, omdat ze op maat gemaakt kunnen worden voor individuele patiënten. "We hebben een algoritme ontwikkeld om het digitale model van het exoskelet met slechts een paar muisklikken aan te passen aan de grootte van de hand van de patiënt."

Of het nu gaat om productontwikkeling of de productie van functionele onderdelen: Snelheid brengt bedrijven marktvoordelen en klanten snellere oplossingen voor hun problemen. Door het 3D-model van de benodigde vingergewrichten te uploaden naar onze online 3D-printservice, kunnen ETHZ-wetenschappers de benodigde onderdelen binnen enkele minuten bestellen. De eigenlijke productie vindt meestal 's nachts plaats en de afgewerkte vingergewrichten kunnen al na een paar dagen worden geïnstalleerd en gebruikt voor therapeutische doeleinden. Geen enkel ander fabricageproces komt in de buurt van de snelheid en kostenefficiëntie van 3D-printen als het gaat om de productie van kleine series op maat.

Maar zijn 3D-geprinte onderdelen geschikt als functionele onderdelen in de eindtoepassing of moeten ze nog steeds genoegen nemen met de bescheiden rol van snel beschikbare prototypes? We zijn overtuigd van de prestaties van onze materialen: additief gefabriceerde onderdelen van iglidur® kunststof worden door onze klanten gebruikt als functionele serieonderdelen in tal van andere toepassingen.