Baixo atrito, leve e feito sob medida - componentes impressos rapidamente para aplicações terapêuticas

• O que era necessário: Juntas de dedos para um exoesqueleto
• Processo de fabricação: sinterização seletiva a laser com pó SLS
• Requisitos: baixo coeficiente de atrito, resistência ao desgaste, baixo peso, precisão
• Material: iglidur® i6
• Setor: Setor médico
• Sucesso por meio da colaboração: Entrega rápida, produção econômica de peças funcionais personalizadas

De acordo com a Sociedade Alemã de Derrame, uma pessoa na Alemanha sofre um derrame a cada dois minutos. O Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique (ETHZ) desenvolveu um exoesqueleto de mão chamado RELab tenoexo, que cobre até 80% das atividades diárias, para facilitar o aprendizado da preensão após um derrame. As juntas dos dedos impressas em 3D feitas de plástico de alto desempenho iglidur® i6 garantem uma ótima transmissão de energia.

A fabricação das articulações dos dedos com uma impressora 3D clássica se mostrou difícil, pois a resolução do dispositivo não é alta o suficiente para realizar a estrutura das articulações dos dedos. Esses componentes não apenas mantêm a mola de lâmina unida, mas também têm um mecanismo de travamento em filigrana para uma pulseira de couro. A fivela na qual a pulseira é rosqueada é pouco maior que um milímetro. O filamento ABS provou ser inadequado como material de impressão, pois o atrito entre as juntas e as molas era muito alto, resultando em muita perda de energia.

Com o iglidur® i6, a ETHZ encontrou um plástico tribologicamente otimizado que provou ser ideal para os componentes necessários: O pó SLS foi desenvolvido especialmente para reduzir o atrito em aplicações móveis. A sinterização a laser permite um alto grau de precisão, o que significa que a estrutura em filigrana da junta pode ser realizada sem problemas. Com o rápido serviço de impressão 3D da igus®, as juntas de dedos puderam ser produzidas de forma rápida e econômica e ficaram prontas para uso imediato.

Os dedos foram projetados pelo professor japonês Jumpei Arata, da Universidade de Kyushu: três finas molas de aço inoxidável ficam uma sobre a outra e são conectadas por quatro elos de plástico. Um cabo Bowden é conectado à mola central - se for movido para frente, os dedos se fecham; se for puxado para trás, a mão se abre. O motor CC estica e flexiona as molas de lâmina e dá suporte ao paciente nos movimentos de preensão. "O exoesqueleto aplica uma força de seis newtons por dedo em"," diz Jan Dittli, pesquisador do Departamento de Ciências da Saúde e Tecnologia da ETHZ. "As três garras implementadas são suficientes para levantar objetos com peso de até aproximadamente 500 gramas, como uma garrafa de água de 0,5 litro."

O exoesqueleto é colocado usando uma pulseira com sensor e preso aos dedos com tiras de couro. Quando o paciente faz um movimento com a mão, a pulseira transmite sinais eletromiográficos (EMG) para um minicomputador. Ele fica em uma mochila junto com os motores, as baterias e os componentes eletrônicos de controle, que são conectados ao módulo de mão. Se o usuário tiver a intenção de fazer um movimento de preensão, isso é reconhecido pelo computador, que, por sua vez, ativa o motor CC.

Durante o desenvolvimento, os pesquisadores se depararam com um desafio: as articulações finas dos dedos. Esses elementos não apenas mantêm as molas de lâmina unidas, mas também possuem um mecanismo de fechamento em filigrana para a pulseira de couro. A fivela na qual a pulseira é rosqueada é pouco maior que um milímetro. Uma impressora 3D com um filamento de ABS foi usada para produzir o dorso da mão - tanto o processo de fabricação quanto o material se mostraram inadequados para a produção das articulações dos dedos. "O atrito entre as articulações e as molas de lâmina teria sido muito alto com esse material"," diz Dittli. "Como resultado, teríamos perdido muita energia ao mover os dedos." A resolução de uma impressora 3D convencional também não era alta o suficiente para realizar a estrutura detalhada das articulações dos dedos.

A solução para esse problema foi encontrada na manufatura aditiva da igus®: O material SLS autolubrificante iglidur® i6, especialmente desenvolvido para a produção de peças com estresse por atrito, pôde ser usado com sucesso para a produção das juntas dos dedos. iglidur® i6 foi originalmente desenvolvido para a produção de engrenagens sem-fim para juntas de robôs. Ele é particularmente adequado para a produção de componentes com detalhes finos e superfícies precisas e se caracteriza pela alta tenacidade e resistência à abrasão. O iglidur® i6 provou sua adequação como uma peça funcional durável no laboratório de testes da igus®: Uma engrenagem sinterizada feita com esse plástico iglidur® resistente à abrasão foi testada por dois meses sob as mesmas condições de uma engrenagem fresada feita de POM. A engrenagem feita de POM já apresentava desgaste intenso após 321.000 ciclos e falhou após 621.000 ciclos, sem definição.

Em contraste com o metal, o plástico iglidur® i6 é particularmente leve, o que o torna ideal para uso em aplicações em que o baixo peso é importante. Uma vantagem importante para os pesquisadores da ETHZ, pois somente os exoesqueletos que são leves e compactos o suficiente também podem ser usados na vida cotidiana. Com as articulações dos dedos feitas de iglidur® i6, o módulo de mão pesa apenas 148 gramas. Os lubrificantes sólidos incorporados ao plástico tornam desnecessária a lubrificação dos elementos e, portanto, facilitam o manuseio do aplicativo de terapia avançada.

A sinterização a laser como método de fabricação não é apenas ideal para a reprodução de geometrias complexas e estruturas delicadas, mas também oferece a possibilidade de produzir pequenos lotes e peças únicas de forma econômica. Esse é o caso dos exoesqueletos RELab tenoexo, pois eles podem ser personalizados para pacientes individuais. "Desenvolvemos um algoritmo para adaptar o modelo digital do exoesqueleto ao tamanho da mão do paciente com apenas alguns cliques."

Seja no desenvolvimento de produtos ou na produção de peças funcionais: A velocidade traz às empresas vantagens de mercado e aos clientes soluções mais rápidas para seus problemas. Ao fazer o upload do modelo 3D das articulações dos dedos necessárias para o nosso serviço de impressão 3D on-line, os cientistas da ETHZ podem encomendar as peças necessárias em poucos minutos. A produção real geralmente ocorre durante a noite e as articulações dos dedos prontas podem ser instaladas e usadas para fins terapêuticos após apenas alguns dias. Nenhum outro processo de fabricação se aproxima da velocidade e da eficiência de custo da impressão 3D quando se trata da produção de pequenas séries personalizadas.

Mas será que as peças impressas em 3D são adequadas como peças funcionais na aplicação final ou elas ainda precisam se contentar com o modesto papel de protótipos rapidamente disponíveis? Estamos convencidos do desempenho de nossos materiais: os componentes manufaturados aditivamente feitos de plástico iglidur® são usados como peças funcionais em série em várias outras aplicações por nossos clientes.