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

• O que era necessário:articulações dos dedos para um exoesqueleto
• Método de fabricação:sinterização seletiva a laser com pó de sinterização a laser
• Requisitos:baixos coeficientes de atrito, resistência ao desgaste, baixo peso, precisão
• Material:iglidur i6
• Indústria:Setor médico
• Sucesso por meio da colaboração:entrega rápida e fabricação econômica de componentes funcionais específicos do cliente

De acordo com a Associação Alemã de AVC, alguém na Alemanha sofre um AVC a cada dois minutos. Para tornar mais fácil reaprender a entender as coisas após um derrame, a Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (Universidade ETHZ) desenvolveu um exoesqueleto de mão chamado ReLab tenoexo. Isso pode realizar até 80% das atividades diárias.Falanges de dedo impressas em 3D feitas de plástico de alto desempenho iglidur i6 garantem uma transmissão de força ideal.

Falanges digitais impressas em 3D feitas de polímero iglidur I6 de alto desempenho, usadas em um exoesqueleto para terapia de pacientes com AVC. (Fonte: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problema

A fabricação das articulações dos dedos com uma impressora 3D clássica revelou-se difícil, pois a resolução do dispositivo não era suficiente para criar a estrutura necessária das falanges dos dedos. Esses componentes não apenas mantêm as molas de lâmina juntas, mas também têm um mecanismo de fechamento em filigrana para uma pulseira de couro. A fivela na qual a correia é enfiada é pouco mais larga do que um milímetro. O filamento ABS como material de impressão revelou-se inadequado porque o atrito entre as juntas e as molas de lâmina era muito alto, resultando na perda de muita energia. 

Solução

A ETH Zurich acabou descobrindo o iglidur I6, um plástico tribologicamente otimizado que acabou sendo ideal para os componentes necessários. O pó SLS foi desenvolvido especialmente para reduzir o atrito em aplicações móveis. A sinterização a laser permite uma alta precisão e, assim, possibilita a criação da estrutura filigranada da junta. Graças ao rápido serviço de impressão 3D da igus, as juntas dos dedos foram fabricadas de forma rápida e econômica e estavam prontas para uso imediatamente.

Estrutura do exoesqueleto da mão e como funciona

O desenho dos dedos é do professor japonês Jumpei Arata, da Universidade de Kyushu: três molas de lâmina finas de aço inoxidável são colocadas uma sobre a outra e conectadas por meio de quatro elos de plástico. Um cabo Bowden é preso à mola média - se for movido para a frente, os dedos se fecham; se for puxado para trás, a mão se abre.  Os motores DC estendem e flexionam as molas de lâmina e apoiam o paciente quando ele/ela faz movimentos de preensão.  “Por dedo, o exoesqueleto pode exercer a força de seis Newton”, diz Jan Dittli, pesquisador do Departamento de Ciência e Tecnologia da Saúde da ETHZ. "Os três movimentos de agarrar implementados são suficientes para levantar objetos de até 500 gramas - como uma garrafa de água de meio litro."   
 
O exoesqueleto é apertado por meio de uma pulseira sensora e preso aos dedos por meio de cintos de couro. Quando o paciente começa a mover a mão, a pulseira transmite sinais eletromiográficos (EMG) para um microcomputador. Este último está em uma mochila junto com motores, baterias e a eletrônica de controle, sendo que a mochila é conectada ao módulo manual. Se o usuário pretende fazer um movimento de preensão, isso é detectado pelo computador, que aciona os motores DC.
 
Durante o desenvolvimento, os pesquisadores se depararam com um desafio: as delicadas articulações dos dedos.  Esses elementos não apenas mantêm as molas de lâmina juntas, mas também possuem um mecanismo de bloqueio em filigrana para a pulseira de couro. A fivela, na qual a tira é enfiada, é pouco mais larga do que um milímetro. Para a confecção do dorso da mão, foi utilizada uma impressora 3D com filamento ABS - o método de fabricação e o material revelaram-se inadequados para a confecção de juntas de dedos.  “O atrito entre as juntas e as molas de lâmina teria sido muito alto com esse material”, diz Dittli. "Como resultado, muita energia teria sido perdida quando os dedos se moviam. "A resolução de uma impressora 3D normal acabou não sendo alta o suficiente para recriar a estrutura detalhada das falanges dos dedos. 
 

O módulo de mão do exoesqueleto pesa apenas 148 gramas (fonte Stefan Schneller, ETH Zurique)

iglidur I6 - o melhor polímero de impressão 3D para aplicações de baixo atrito

A solução para este problema foi encontrada no sistema de fabricação aditiva da igus: o material autolubrificante iglidur i6 de SLS foi desenvolvido especialmente para a fabricação de peças sujeitas a atrito e foi usado com sucesso para fabricar as articulações dos dedos. O iglidur i6 foi originalmente desenvolvido para a fabricação de engrenagens sem-fim para articulações robóticas. É ideal para fabricar componentes com detalhes delicados de superfícies exatas e é caracterizado por sua excelente resiliência e resistência à abrasão. O iglidur i6 comprovou sua adequação como componente durável funcional no laboratório de testes da igus: uma engrenagem sinterizada feita deste plástico iglidur resistente à abrasão foi testada por dois meses nas mesmas condições que uma engrenagem usinada feita de POM. A engrenagem feita de POM mostrou sinais de desgaste severo após 321.000 ciclos e falhou completamente após 621.000 ciclos, enquanto a engrenagem feita de iglidur i6 continuou funcionando após 1 milhão de ciclos com apenas pequenos sinais de desgaste. 

As finas falanges dos dedos são feitas de polímero de alto desempenho iglidur I6. Eles mantêm as três molas de lâmina juntas (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurique)

O polímero autolubrificante é ideal para aplicações no setor de tecnologia médica.

Ao contrário do metal, o iglidur I6 é especialmente leve, pelo que está predestinado a ser utilizado em aplicações onde o baixo peso é de importância central.  Uma vantagem importante para os pesquisadores do ETHZ, pois apenas exoesqueletos leves e compactos são adequados para o uso diário. Com as articulações dos dedos em iglidur I6, o módulo manual pesa apenas 148 gramas. Os lubrificantes sólidos incorporados no polímero tornam supérflua a lubrificação externa dos elementos e, assim, facilitam o uso da aplicação terapêutica progressiva.  
 
A sinterização a laser como método de fabricação não é apenas ideal para a replicação de geometrias complexas e estruturas de filigrana, mas também torna possível a fabricação de pequenos volumes e componentes únicos de maneira econômica. Isto também se aplica aos exoesqueletos RELab tenoexo, uma vez que podem ser adaptados individualmente ao paciente. “Desenvolvemos um algoritmo que nos permite adaptar o modelo digital do exoesqueleto ao tamanho da mão do paciente com apenas alguns cliques do mouse. " 

As juntas impressas em 3D feitas de polímero iglidur I6 de alto desempenho são leves e podem ser fabricadas para atender às necessidades individuais do cliente rapidamente e sem complicações (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Para desenvolvimento de produtos ou fabricação de peças funcionais, a velocidade oferece às empresas vantagens de mercado e aos clientes soluções mais rápidas para seus problemas. Ao fazer o upload do modelo 3D das juntas dos dedos necessárias em nossa ferramenta de serviço de impressão 3D on-line, os cientistas da ETHZ podem solicitar as peças necessárias em apenas alguns minutos. A fabricação real geralmente ocorre durante a noite, e as juntas dos dedos acabadas podem ser instaladas após apenas alguns dias e depois usadas para fins terapêuticos. Nenhum outro método de fabricação se aproxima da velocidade e da relação custo-benefício da impressão 3D no que diz respeito à fabricação personalizada de pequenos volumes.

Mas as peças impressas em 3D são adequadas como peças funcionais na aplicação final ou devem permanecer no modesto papel de protótipos rapidamente disponíveis? Estamos convencidos do desempenho de nossos materiais: componentes fabricados aditivamente feitos de plásticos iglidur são usados em inúmeras outras aplicações de clientes como peças funcionais produzidas em série.

Impressão 3D para peças funcionais: articulações dos dedos feitas de iglidur I6 usadas para um exoesqueleto terapêutico (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurich)