Attrito ridotto, leggeri e su misura - componenti stampati velocemente per applicazioni terapeutiche

• Cosa serviva: articolazioni delle dita per un esoscheletro
• Processo di produzione: sinterizzazione laser selettiva con polvere SLS
• Requisiti: basso coefficiente di attrito, resistente all'usura, peso ridotto, precisione
• Materiale: iglidur® i6
• Settore: settore medico
• Successo attraverso la collaborazione: consegna rapida, produzione conveniente di parti funzionali personalizzate

Secondo la German Stroke Society, in Germania una persona subisce un ictus ogni due minuti. L'Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo (ETHZ) ha sviluppato un esoscheletro per la mano chiamato RELab tenoexo, che copre fino all'80 percento delle attività quotidiane, per facilitare l'apprendimento della presa dopo un ictus. Le articolazioni delle dita stampate in 3D realizzate in plastica ad alte prestazioni iglidur® i6 garantiscono una trasmissione di potenza ottimale.

La produzione delle giunzioni delle dita con una stampante 3D classica si è rivelata difficile, poiché la risoluzione del dispositivo non è sufficientemente elevata per realizzare la struttura delle giunzioni delle dita. Questi componenti non solo tengono insieme la balestra, ma hanno anche un meccanismo di bloccaggio in filigrana per un cinturino in pelle. La fibbia in cui è infilato il cinturino è appena più larga di un millimetro. Il filamento ABS si è rivelato inadatto come materiale di stampa, poiché l'attrito tra le giunzioni e le balestre era troppo elevato, con conseguente perdita di molta energia.

Con iglidur® i6, l'ETHZ ha trovato una plastica tribologicamente ottimizzata che si è dimostrata ideale per i componenti richiesti: la polvere SLS è stata sviluppata appositamente per ridurre l'attrito nelle applicazioni in movimento. La sinterizzazione laser consente un elevato grado di precisione, il che significa che la struttura filigranata del giunto può essere realizzata senza problemi. Con il rapido servizio di stampa 3D di igus®, i giunti a dita hanno potuto essere prodotti in modo rapido ed economico ed erano pronti per l'uso immediato.

Le dita sono state progettate dal professore giapponese Jumpei Arata della Kyushu University: tre sottili molle a balestra in acciaio inossidabile sono sovrapposte e collegate da quattro maglie in plastica. Un cavo Bowden è attaccato alla molla centrale: se viene spostato in avanti, le dita si chiudono, se viene tirato indietro, la mano si apre. Il motore a corrente continua allunga e flette le molle a balestra e supporta il paziente nei movimenti di presa. "L'esoscheletro applica una forza di sei newton per dito a", afferma Jan Dittli, ricercatore presso il Dipartimento di scienze della salute e tecnologia dell'ETHZ. "Le tre prese implementate sono sufficienti per sollevare oggetti che pesano fino a circa 500 grammi, come una bottiglia d'acqua da 0,5 litri." L'esoscheletro

viene indossato tramite un braccialetto con sensore e fissato alle dita tramite cinghie di cuoio. Quando il paziente esegue un movimento con la mano, il braccialetto trasmette segnali elettromiografici (EMG) a un minicomputer. Questo si trova in uno zaino insieme ai motori, alle batterie e all'elettronica di controllo, che è collegato al modulo della mano. Se chi lo indossa intende eseguire un movimento di presa, questo viene riconosciuto dal computer, che a sua volta attiva il motore a

corrente continua. Durante lo sviluppo, i ricercatori hanno incontrato una sfida: le sottili articolazioni delle dita. Questi elementi non solo tengono insieme le balestre, ma hanno anche un meccanismo di chiusura in filigrana per il cinturino in cuoio. La fibbia in cui è infilata la cinghia è appena più larga di un millimetro. Per produrre il dorso della mano è stata utilizzata una stampante 3D con un filamento ABS: sia il processo di fabbricazione che il materiale si sono rivelati inadatti per la produzione delle articolazioni delle dita. "L'attrito tra le articolazioni e le balestre sarebbe stato troppo elevato con questo materiale", afferma Dittli. "Di conseguenza, avremmo perso troppa energia quando muovevamo le dita". Anche la risoluzione di una stampante 3D convenzionale si è rivelata non abbastanza elevata per realizzare la struttura dettagliata delle articolazioni delle dita.

La soluzione a questo problema è stata trovata nella produzione additiva di igus®: il materiale SLS autolubrificante iglidur® i6, sviluppato appositamente per la produzione di parti sollecitate da attrito, potrebbe essere utilizzato con successo per la produzione di giunti a dita. iglidur® i6 è stato originariamente sviluppato per la produzione di ingranaggi a vite senza fine per giunti robotici. È particolarmente adatto per la produzione di componenti con dettagli fini e superfici precise ed è caratterizzato da elevata tenacità e resistenza all'abrasione. iglidur® i6 ha dimostrato la sua idoneità come parte funzionale durevole nel laboratorio di prova igus®: un ingranaggio sinterizzato realizzato in questa plastica iglidur® resistente all'abrasione è stato testato per due mesi nelle stesse condizioni di un ingranaggio fresato in POM. L'ingranaggio in POM ha mostrato già un'usura elevata dopo 321.000 cicli e si è rotto dopo 621.000 cicli, indefinito.

A differenza del metallo, la plastica iglidur® i6 è particolarmente leggera, il che la rende ideale per l'uso in applicazioni in cui è importante il peso ridotto. Un vantaggio importante per i ricercatori dell'ETHZ, perché solo gli esoscheletri sufficientemente leggeri e compatti possono dimostrare il loro valore anche nella vita di tutti i giorni. Con le articolazioni delle dita realizzate in iglidur® i6, il modulo della mano pesa solo 148 grammi. I lubrificanti solidi incorporati nella plastica rendono superflua la lubrificazione degli elementi e supportano quindi la facile gestione dell'applicazione di terapia avanzata. La

sinterizzazione laser come metodo di produzione non è solo ideale per la riproduzione di geometrie complesse e strutture delicate, ma offre anche la possibilità di produrre in modo conveniente piccoli lotti e pezzi unici. Questo è il caso degli esoscheletri RELab tenoexo, poiché possono essere personalizzati per i singoli pazienti. "Abbiamo sviluppato un algoritmo per adattare il modello digitale dell'esoscheletro alle dimensioni della mano del paziente con pochi clic."

Che si tratti dello sviluppo di prodotti o della produzione di parti funzionali: la velocità offre alle aziende vantaggi di mercato e ai clienti soluzioni più rapide ai loro problemi. Caricando il modello 3D delle articolazioni delle dita richieste sul nostro servizio di stampa 3D online, gli scienziati dell'ETHZ possono ordinare le parti richieste in pochi minuti. La produzione effettiva avviene solitamente durante la notte e le articolazioni delle dita finite possono essere installate e utilizzate per scopi terapeutici dopo solo pochi giorni. Nessun altro processo di produzione si avvicina alla velocità e all'efficienza dei costi della stampa 3D quando si tratta di produrre piccole serie personalizzate.

Ma le parti stampate in 3D sono adatte come parti funzionali nell'applicazione finale o devono ancora accontentarsi del modesto ruolo di prototipi rapidamente disponibili? Siamo convinti delle prestazioni dei nostri materiali: i componenti realizzati in modo additivo in plastica iglidur® vengono utilizzati come parti di serie funzionali in numerose altre applicazioni dai nostri clienti.