Düşük sürtünmeli, hafif ve ölçüm için yapılır - terapötik uygulamalar için hızlı bir şekilde basılan parçalar

• Neye ihtiyaç vardı: bir dış iskelet için parmak eklemleri
• Üretim yöntemi: lazer sinterleme tozu ile seçkili lazer sinterleme
• Gereklilikler: düşük sürtünme katsayıları, aşınma direnci, düşük ağırlık, hassasiyet
• Malzeme: iglidur I6
• Sanayi: medikal sektörü
• İşbirliğinden doğan başarı: müşteriye özel fonksiyonel bileşenlerin hızlı teslimatı, uygun maliyetli imalatı

Alman İnme Birliğine göre Almanya'da her iki dakikada bir biri felç geçiriyor. Felç geçirdikten sonra eşyaları tekrar nasıl tutacağını yeniden öğrenmek için Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETHZ Üniversitesi) RELab tenoexo denilen bir el eksoskeletonu geliştirdi. Bu sayede günlük aktivitelerin %80'ine kadar gerçekleştirilebilir. iglidur I6 yüksek performanslı plastikten yapılmış 3D baskılı parmak falanjları, optimum kuvvet aktarımı sağlar.

 

Yüksek performanslı iglidur I6 polimerden yapılan 3D baskı parmak falanksları felçli hasta terapisi için bir eksoskeletonda kullanılmaktadır. (Kaynak: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Sorun

Klasik 3D yazıcı ile parmak eklemlerinin üretiminin cihazın çözünürlüğü parmak falankslarının gerekli yapısın oluşturacak yeterlilikte olmadığından zor olduğu anlaşıldı. Bu bileşenler yalnızca yaprak yayları birlikte tutmaz, aynı zamanda kösele kayış için tel işi kapama mekanizmasına sahiptir. Kayışın döndürüldüğü toka bir milimetreden çok az daha geniştir. Baskı malzemesi olarak ABS filamanın eklemler arasındaki sürtünme ve yaprak yayların çok yüksek olması sebebiyle uygun olmadığı anlaşılmıştır, bu sebeple çok fazla enerji kaybı yaşanmıştır. 

Çözüm

ETH Zurich sonunda tribolojik olarak optimize edilmiş plastik olan iglidur I6'yla karşılaştı ve bunun gereken bileşenler için ideal olduğu görüldü. SLS tozu  hareket halindeki uygulamalarda sürtünmeyi azaltmak için özel olarak geliştirildi. Lazer sinterleme  yüksek kesinlik sağlayarak eklemin tel işi yapısını oluşturmayı mümkün kılar. Hızlı igus 3D baskı hizmeti sayesinde parmak eklemleri hızlı ve uygun maliyetli olarak üretildi ve hemen kullanılmaya hazır hale geldi.

El eksoskeleton yapısı ve çalışma şekli

Parmakların tasarımı Kyushu Üniversitesi'nde Japon bir öğretim üyesi olan Jumpei Arata'dan gelmektedir: paslanmaz çelikten yapılan üç ince yaprak yayı diğerinin üzerine yerleştirilir ve dört plastik bağlantı ile birleştirilir. Bir Bowden kablo  orta yaya eklenir - eğer ileri hareket ederse parmaklar kapanır, geri çekilirse el açılır.  DC motorları yaprak yayları gerip esnetir ve hastayı tutma hareketleri yaparken destekler.  ETHZ Sağlık Bilimleri ve Teknolojisi bölümünde araştırmacı olan Jan Dittli '' Her parmak için eksoskeleton 6 Newton kuvveti kullanabilir'' diyor. ''Uygulanan üç tutma hareketi yarım litrelik su şişesi gibi 500 grama kadar nesneleri kaldırmak için yeterlidir.''   
 
Eksoskeleton bir sensörlü bilek bandıyla sıkılır ve kösele kayış işe parmaklara tutturulur. Hasta elini hareket ettirmeye başladığında bilek bandı elektromiyografik (EMG) sinyalleri bir mikro bilgisayara iletir. İkincisi sırt motorlar, bataryalar ve sırt çantasının  el modülüne bağlandığı kontrol elektronikleri ile birlikte bir sırt çantasındadır. Taşıyan kişi bir tutma hareketi yapmak isterse bilgisayar bunu anlar ve DC motorlarını aktive eder.
 
Geliştirme sırasında araştırmacılar bir sorunla karşılaştı: hassas parmak eklemleri.  Bu elemanlar yaprak yayları birlikte tutmakla kalmaz, kösele kayış için tel işi bir kilitleme mekanizmasına da sahiptir. Kayışın döndürüldüğü toka bir milimetreden çok az daha geniştir. Elin arkasının üretimi için ABS filamanlı bir 3D yazıcı kullanılmıştır - üretim yöntemi ve malzemesinin parmak eklemleri üretimi için uygun olmadığı anlaşılmıştır.  Dittli ''Eklemler arasındaki sürtünme ve yaprak yaylar bu malzeme ile gereğinden çok yüksek olurdu'' diyor. ''Sonuç olarak, parmaklar hareket ettiğinde çok fazla enerji kaybı yaşanırdı. '' Normal bir 3D yazıcının çözünürlüğünün parmak falankslarının detaylı yapısını yeniden yaratacak kadar yüksek olmadığı görülmüştür. 
 

Eksoskeletonun el modülü yalnızca 148 gram gelmektedir (kaynak Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6- düşük sürtünmeli uygulamalar için en iyi 3D baskı polimeri

Bu sorunun çözümünün, igus'un eklemeli imalat sistemi olduğu anlaşıldı: kendinden yağlamalı SLS malzemesi iglidur i6, sürtünmeye maruz kalan parçaların üretimi için özel olarak geliştirilmişti ve parmak eklemlerinin üretiminde başarıyla kullanıldı. iglidur i6, orijinal olarak robot eklemleri için sonsuz dişli üretimi için geliştirilmiştir. Keskin yüzeylere sahip hassas ayrıntılar içeren bileşenlerin üretimi için idealdir ve olağanüstü esnekliği ve aşınmaya karşı direnci ile karakterize edilir. iglidur i6, igus test laboratuvarındadayanıklı bir fonksiyonel bileşen olarak uygunluğunu kanıtladı: aşınmaya dayanıklı iglidur plastiğinden yapılmış sinterlenmiş bir dişli, POM'dan yapılmış işlenmiş bir dişli ile aynı koşullar altında iki ay boyunca test edildi. POM'dan yapılan dişli, 321.000 döngüden sonra şiddetli aşınma belirtileri gösterdi ve 621.000 döngüden sonra tamamen arızalandı, oysa iglidur i6'dan yapılan dişli, yalnızca küçük aşınma belirtileriyle 1 milyon döngüden sonra çalışmaya devam etti. 

İnce parmak falanksları yüksek performanslı iglidur I6 polimerden yapılır. Üç yaprak yayını birlikte tutarlar (Kaynak: Schneller, ETH Zurich)

Kendinden yağlamalı polimer medikal teknoloji sektöründeki uygulamalar için idealdir.

Metalin aksine iglidur I6 özellikle hafiftir, bu sebeple hafifliğin merkezi önem taşıdığı uygulamalarda kullanım için idealdir.  ETHZ araştırmacıları için önemli bir avantaj çünkü yalnızca hafif ve yeterince kompakt eksoskeletonlar günlük kullanıma uygundur. iglidur I6'dan yapılan parmak eklemler sayesinde el modülü yalnızca 148 gramdır. Polimerde bulunan katı yağlayıcılar elemanların dış yağlamasını fazla hale getirir ve böylece devamlı terapötik uygulama kullanımını kolaylaştırır.  
 
Bir üretim yöntemi olarak lazer sinterleme yalnızca kompleks geometrilerin ve tel işi yapıların replikasyonu için ideal olarak uygun olmakla kalmaz aynı zamanda küçük miktarların ve özel parçaları uygun maliyetli üretimini mümkün kılar. Bu RELab tenoxeo eksoskeletonları için de geçerlidir çünkü bunlar  hastaya özel olarak uyarlanabilir. Yalnızca birkaç tıkla eksoskeletonun dijital modelini hastanın eline uyarlamamıza izin veren bir algoritma geliştirdik. " 

iglidur I6 yüksek performanslı polimerden yapılan 3D baskı eklemler hafiftir ve özel müşteri gereksinimlerini karşılamak üzere hızlı ve karışıklık olmadan üretilebilir (kaynak: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Ürün geliştirme veya fonksiyonel parça üretimi için hız, şirketler için pazar avantajları ve müşterileri içinse sorunlarına daha hızlı çözümler anlamına gelir. Gerekli parmak eklemlerinin 3D modelini online 3D baskı hizmeti aracımıza yükleyerek ETHZ bilim insanları yalnızca birkaç dakikada gereken parçaları sipariş edebilirler. Gerçek üretim genellikle bir gecede gerçekleşir ve nihai parmak eklemleri sadece birkaç gün sonra yerleştirilebilir ve sonrasında terapötik amaçlarla kullanılabilirler. Kişiye özel küçük hacimli üretim söz konusu olduğunda 3D baskının hız ve maliyet etkinliğinin yanından başka hiçbir üretim yöntemi geçemez.

Ancak 3D baskılı parçalar nihai uygulamada işlevsel parçalar olarak uygun mu yoksa hızla elde edilebilen prototipler rolünde mi kalmalı? Malzemelerimizin performansından eminiz: iglidur plastiğe ek olarak üretilen bileşenler, diğer birçok müşteri uygulamasında fonksiyonel seri üretilen parçalar olarak kullanılmaktadır.

Fonksiyonel parçalar için 3D baskı: iglidur I6'dan yapılan parmak eklemleri terapötik eksoskeleton için kullanılmaktadır (Kaynak: Stefan Schneller, ETH Zurich)