Gesekan rendah, ringan dan dibuat sesuai ukuran - komponen yang dicetak dengan cepat untuk aplikasi terapeutik

• Apa yang dibutuhkan: Sambungan jari untuk kerangka luar
• Metode pembuatan: Sintering laser selektif dengan powder sintering laser
• Persyaratan: Koefisien gesekan rendah, ketahanan aus, bobot rendah, presisi
• Bahan: iglidur i6
• Industri: Sektor medis
• Sukses melalui kolaborasi: Pengiriman cepat, pembuatan komponen fungsional khusus pelanggan yang hemat biaya

Menurut Asosiasi Stroke Jerman, seseorang di Jerman menderita stroke setiap dua menit. Untuk mempermudah mempelajari kembali cara menggenggam benda setelah stroke, Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (universitas ETHZ) mengembangkan kerangka luar tangan yang disebut RELab tenoexo. Ini dapat melakukan hingga 80 persen aktivitas sehari-hari. Ruas jari cetak 3D yang terbuat dari plastik iglidur i6 berkinerja tinggi memastikan transmisi gaya yang optimal.

 

Jari phalanx cetak 3D terbuat dari polimer iglidur I6 berkinerja tinggi yang digunakan dalam kerangka luar untuk terapi pasien stroke. (Sumber: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Masalah

Pembuatan sambungan jari dengan printer 3D klasik ternyata sulit karena resolusi perangkat tidak cukup untuk membuat struktur phalanx jari yang diperlukan. Komponen ini tidak hanya menahan pegas daun tetapi juga memiliki mekanisme penutup filigree untuk tali kulit. Gesper tempat tali berulir hampir tidak lebih lebar dari satu milimeter. Filamen ABS sebagai bahan cetak ternyata tidak sesuai karena gesekan antara sambungan dan pegas terlalu tinggi sehingga banyak energi yang hilang. 

Solusi

ETH Zurich akhirnya menemukan iglidur I6, plastik yang dioptimalkan secara tribologis yang ternyata ideal untuk komponen yang dibutuhkan. Bubuk SLS dikembangkan secara khusus untuk mengurangi gesekan dalam aplikasi bergerak Laser sintering memungkinkan presisi tinggi dan dengan demikian memungkinkan untuk membuat struktur filigree sambungan. Berkat layanan 3D printing igus yang cepat, sambungan jari dibuat dengan cepat dan hemat biaya dan siap digunakan dengan segera.

Struktur kerangka eksternal tangan dan cara kerjanya

Rancangan jari-jarinya berasal dari profesor Jepang Jumpei Arata dari Universitas Kyushu: tiga pegas daun tipis yang terbuat dari baja tahan karat ditempatkan satu di atas yang lain dan dihubungkan dengan empat sambungan plastik. Kabel Bowden dipasang ke pegas tengah - Jika digerakkan ke depan, jari-jarinya menutup; jika ditarik ke belakang, maka tangan terbuka.  Motor DC meregangkan dan melenturkan leaf springs dan menopang pasien saat dia melakukan gerakan menggenggam.  "Per jari, kerangka luar dapat menggunakan gaya enam Newton", kata Jan Dittli, peneliti di Departemen Ilmu dan Teknologi Kesehatan ETHZ. "Tiga gerakan menggenggam yang diterapkan cukup untuk mengangkat benda hingga sekitar 500 gram - seperti botol air setengah liter."   
 
Kerangka eksternal dikencangkan dengan gelang sensor dan dipasang ke jari dengan sabuk kulit. Saat pasien mulai menggerakkan tangannya, gelang mentransmisikan sinyal elektromiografik (EMG) ke komputer mikro. Yang terakhir ada di dalam ransel bersama dengan motor, baterai dan elektronik kontrol, dimana ransel dihubungkan ke modul tangan. Jika pemakainya bermaksud melakukan gerakan menggenggam, hal ini dideteksi oleh komputer, yang kemudian mengaktifkan motor DC.
 
Selama pengembangan, para peneliti dihadapkan pada tantangan: sendi jari yang halus.  Elemen-elemen ini tidak hanya menyatukan pegas daun tetapi juga memiliki mekanisme penguncian filigree untuk tali kulit. Gesper, tempat tali diikat, hampir tidak lebih lebar dari satu milimeter. Untuk pembuatan punggung tangan, printer 3D dengan filamen ABS yang digunakan - metode pembuatan dan bahannya ternyata tidak cocok untuk pembuatan sambungan jari.  "Gesekan antara sambungan dan pegas daun akan terlalu tinggi dengan bahan ini," kata Dittli. “Akibatnya, terlalu banyak energi yang hilang ketika jari-jari digerakkan. ” Dengan resolusi printer 3D biasa ternyata tidak cukup tinggi untuk menciptakan kembali struktur detail dari phalanx jari. 
 

Modul tangan exoskeleton hanya berbobot 148 gram (sumber Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - polimer 3D printing terbaik untuk aplikasi yang rendah-gesekan

Solusi untuk masalah ini ditemukan pada sistem produksi aditif igus: bahan SLS iglidur i6 yang melumasi sendiri telah dikembangkan secara khusus untuk pembuatan komponen yang mengalami gesekan dan berhasil digunakan untuk pembuatan sambungan jari. iglidur i6 awalnya dikembangkan untuk pembuatan worm wheels untuk sambungan robot. Ini sangat ideal untuk pembuatan komponen yang termasuk detail halus dengan permukaan yang tepat, dan dicirikan oleh ketahanan dan ketahanan yang luar biasa terhadap abrasi. iglidur i6 membuktikan kesesuaiannya sebagai komponen fungsional yang tahan lama di laboratorium uji igus: gear sinter yang terbuat dari plastik iglidur tahan abrasi diuji selama dua bulan dalam kondisi yang sama dengan gear bermesin yang terbuat dari POM. Gear yang terbuat dari POM menunjukkan tanda-tanda keausan yang parah setelah 321.000 siklus dan gagal total setelah 621.000 siklus, sedangkan gear yang terbuat dari iglidur i6 terus berfungsi setelah 1 juta siklus dengan hanya sedikit tanda aus. 

Phalanx jari yang halus terbuat dari iglidur I6 polimer berkinerja-tinggi. Mereka menyatukan tiga pegas daun (sumber: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Polimer yang melumasi-sendiri ideal untuk aplikasi di sektor teknologi medis.

Berbeda dengan logam, iglidur I6 sangat ringan, sehingga iglidur I6 telah ditentukan sebelumnya untuk digunakan dalam aplikasi yang mengutamakan bobot rendah.  Keuntungan penting bagi para peneliti ETHZ, karena hanya rangka luar yang ringan dan cukup kompak yang cocok untuk penggunaan sehari-hari. Dengan sambungan jari yang terbuat dari iglidur I6, modul tangan hanya memiliki bobot 148 gram. Pelumas padat yang tergabung dalam polimer membuat pelumasan eksternal elemen menjadi berlebihan dan dengan demikian memfasilitasi penggunaan aplikasi terapeutik progresif.  
 
Laser sintering sebagai metode manufaktur yang tidak hanya cocok untuk replikasi geometri kompleks dan struktur filigree tetapi juga memungkinkan untuk memproduksi dalam volume kecil dan komponen satu kali dengan biaya yang efektif. Ini juga berlaku untuk exoskeletons tenoexo RELab karena dapat disesuaikan secara individual dengan pasien. "Kami telah mengembangkan algoritme yang memungkinkan kami menyesuaikan model eksoskeleton digital dengan ukuran tangan pasien hanya dengan beberapa klik pada mouse. " 

Sambungan cetak 3D yang terbuat dari polimer iglidur I6 berkinerja tinggi yang ringan dan dapat diproduksi untuk memenuhi kebutuhan pelanggan individu dengan cepat dan tanpa kerumitan (sumber: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Untuk pengembangan produk atau pembuatan suku cadang fungsional, kecepatan memberikan keuntungan pasar kepada perusahaan dan pelanggan dengan solusi yang lebih cepat untuk masalah mereka. Dengan mengunggah model sendi jari 3D yang diperlukan di alat layanan pencetakan 3D online kami, ilmuwan ETHZ dapat memesan suku cadang yang diperlukan hanya dalam beberapa menit. Pembuatan biasanya dalam semalam, dan sendi jari yang sudah jadi dapat dipasang hanya dalam beberapa hari, kemudian digunakan untuk tujuan terapeutik. Tidak ada metode manufaktur lain yang mendekati kecepatan dan efektivitas biaya pencetakan 3D dalam hal pembuatan volume kecil yang disesuaikan.

Tetapi apakah suku cadang yang dicetak 3D cocok sebagai bagian fungsional dalam aplikasi akhir, atau haruskah mereka tetap dalam peran sederhana dari prototipe yang tersedia dengan cepat? Kami yakin dengan kinerja bahan kami: komponen yang diproduksi secara aditif yang terbuat dari plastik iglidur digunakan di banyak aplikasi pelanggan sebagai suku cadang yang diproduksi secara seri fungsional. 

3D printing untuk bagian fungsional: ruas jari yang terbuat dari iglidur I6 digunakan untuk exoskeleton terapeutik (sumber: Stefan Schneller, ETH Zurich)