Ma sát thấp, nhẹ và và được chế tạo để đo lường - các thành phần được in nhanh chóng cho các ứng dụng điều trị

• Những gì cần thiết: Các khớp ngón tay cho bộ xương ngoài
• Quy trình sản xuất: thiêu kết laser chọn lọc với bột SLS
• Yêu cầu: hệ số ma sát thấp, chống mài mòn, trọng lượng thấp, độ chính xác
• Vật liệu: iglidur i6
• Ngành: Ngành y tế
• Thành công thông qua sự hợp tác: Giao hàng nhanh chóng, sản xuất hiệu quả về mặt chi phí các bộ phận chức năng tùy chỉnh

Theo Hiệp hội Đột quỵ Đức, cứ hai phút lại có một người ở Đức bị đột quỵ. Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Zurich (ETHZ) đã phát triển một bộ xương ngoài bàn tay có tên là RELab tenoexo, có thể thực hiện tới 80 phần trăm các hoạt động hàng ngày, giúp bạn dễ dàng học lại cách cầm nắm sau khi bị đột quỵ. Các khớp ngón tay in 3D làm từ nhựa iglidur i6 hiệu suất cao đảm bảo truyền lực tối ưu.

Việc sản xuất các khớp ngón tay bằng máy in 3D cổ điển tỏ ra khó khăn, vì độ phân giải của thiết bị không đủ cao để nhận ra cấu trúc của các khớp ngón tay. Các thành phần này không chỉ giữ cho lò xo lá gắn kết với nhau mà còn có cơ chế khóa bằng sợi cho dây đeo bằng da. Khóa mà dây đeo được luồn vào chỉ rộng hơn một milimét một chút. Sợi nhựa ABS tỏ ra không phù hợp làm vật liệu in, vì ma sát giữa các khớp và lò xo lá quá cao, dẫn đến mất rất nhiều năng lượng.

Với iglidur i6, ETHZ đã tìm ra một loại nhựa được tối ưu hóa về mặt ma sát, được chứng minh là phù hợp lý tưởng cho các thành phần cần thiết: Bột SLS được phát triển đặc biệt để giảm ma sát trong các ứng dụng chuyển động. Quá trình thiêu kết bằng laser cho phép đạt được độ chính xác cao, nghĩa là cấu trúc dạng sợi của mối nối có thể được thực hiện mà không gặp bất kỳ vấn đề nào. Với dịch vụ in 3D nhanh chóng từ igus, các mối nối ngón tay có thể được sản xuất nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, sẵn sàng để sử dụng ngay.

Các ngón tay được thiết kế bởi giáo sư người Nhật Jumpei Arata từ Đại học Kyushu: ba lò xo lá thép không gỉ mỏng nằm chồng lên nhau và được kết nối bằng bốn liên kết nhựa. Một cáp Bowden được gắn vào lò xo trung tâm - nếu nó di chuyển về phía trước, các ngón tay khép lại, nếu nó được kéo về phía sau, bàn tay mở ra. Động cơ DC kéo căng và uốn cong các lò xo lá và hỗ trợ bệnh nhân trong các chuyển động cầm nắm. "Bộ xương ngoài tác dụng một lực sáu newton cho mỗi ngón tay tại", Jan Dittli, nhà nghiên cứu tại Khoa Khoa học và Công nghệ Y tế ETHZ cho biết. "Ba tay cầm được triển khai đủ để nâng các vật có trọng lượng lên tới khoảng 500 gram - chẳng hạn như một chai nước 0,5 lít."

Bộ xương ngoài được đeo bằng vòng đeo tay cảm biến và gắn vào các ngón tay bằng dây da. Khi bệnh nhân thực hiện chuyển động bằng tay, vòng đeo tay sẽ truyền tín hiệu điện cơ (EMG) đến một máy tính mini. Máy tính này được đặt trong ba lô cùng với các động cơ, pin và thiết bị điện tử điều khiển, được kết nối với mô-đun tay. Nếu người đeo có ý định thực hiện chuyển động cầm nắm, máy tính sẽ nhận ra chuyển động này và kích hoạt động cơ DC.

Trong quá trình phát triển, các nhà nghiên cứu đã gặp phải một thách thức: các khớp ngón tay nhỏ. Các thành phần này không chỉ giữ các lò xo lá lại với nhau mà còn có cơ chế đóng bằng sợi cho dây đeo bằng da. Khóa mà dây đeo được luồn vào chỉ rộng hơn một milimét một chút. Một máy in 3D có sợi ABS đã được sử dụng để sản xuất mu bàn tay - cả quy trình sản xuất và vật liệu đều chứng minh là không phù hợp để sản xuất các khớp ngón tay. "Ma sát giữa các khớp và lò xo lá sẽ quá cao với vật liệu này", Dittli nói. "Kết quả là, chúng tôi sẽ mất quá nhiều năng lượng khi di chuyển các ngón tay". Độ phân giải của máy in 3D thông thường cũng không đủ cao để nhận ra cấu trúc chi tiết của các khớp ngón tay.

Giải pháp cho vấn đề này đã được tìm thấy trong sản xuất bồi đắp của igus: Vật liệu SLS tự bôi trơn iglidur i6, được phát triển đặc biệt để sản xuất các bộ phận chịu ứng suất ma sát, có thể được sử dụng thành công để sản xuất các khớp ngón tay. iglidur i6 ban đầu được phát triển để sản xuất bánh răng trục vít cho khớp robot. Nó đặc biệt phù hợp để sản xuất các thành phần có chi tiết tinh xảo và bề mặt chính xác và được đặc trưng bởi độ bền cao và khả năng chống mài mòn. iglidur i6 đã chứng minh được tính phù hợp của nó như một bộ phận chức năng bền bỉ trong phòng thí nghiệm thử nghiệm của igus: Một bánh răng thiêu kết làm bằng nhựa iglidur chống mài mòn này đã được thử nghiệm trong hai tháng trong cùng điều kiện như một bánh răng phay làm bằng POM. Bánh răng làm bằng POM đã cho thấy độ mòn lớn sau 321.000 chu kỳ và hỏng sau 621.000 chu kỳ, không xác định.

Ngược lại với kim loại, iglidur i6 bằng nhựa đặc biệt nhẹ, lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng mà trọng lượng nhẹ là quan trọng. Một lợi thế quan trọng đối với các nhà nghiên cứu ETHZ, vì chỉ có bộ xương ngoài đủ nhẹ và nhỏ gọn mới có thể chứng minh được khả năng của chúng trong cuộc sống hàng ngày. Với các khớp ngón tay làm bằng iglidur i6, mô-đun bàn tay chỉ nặng 148 gram. Các chất bôi trơn rắn được tích hợp trong nhựa khiến việc bôi trơn các thành phần trở nên không cần thiết và do đó hỗ trợ việc xử lý dễ dàng ứng dụng liệu pháp tiên tiến.

Phương pháp thiêu kết laser không chỉ lý tưởng cho việc tái tạo các hình dạng phức tạp và cấu trúc tinh tế mà còn cung cấp khả năng sản xuất các lô nhỏ và sản xuất một lần với chi phí hiệu quả. Đây là trường hợp của bộ xương ngoài RELab tenoexo, vì chúng có thể được tùy chỉnh cho từng bệnh nhân. "Chúng tôi đã phát triển một thuật toán để điều chỉnh mô hình kỹ thuật số của bộ xương ngoài theo kích thước bàn tay của bệnh nhân chỉ bằng một vài cú nhấp chuột."

Cho dù trong quá trình phát triển sản phẩm hay sản xuất các bộ phận chức năng: Tốc độ mang lại cho các công ty lợi thế thị trường và khách hàng các giải pháp nhanh hơn cho các vấn đề của họ. Bằng cách tải mô hình 3D của các khớp ngón tay cần thiết lên dịch vụ in 3D trực tuyến của chúng tôi, các nhà khoa học ETHZ có thể đặt hàng các bộ phận cần thiết trong vòng vài phút. Quá trình sản xuất thực tế thường diễn ra trong đêm và các khớp ngón tay hoàn thiện có thể được lắp đặt và sử dụng cho mục đích điều trị chỉ sau vài ngày. Không có quy trình sản xuất nào khác có tốc độ và hiệu quả về chi phí gần bằng in 3D khi nói đến việc sản xuất các loạt nhỏ tùy chỉnh.

Nhưng các bộ phận in 3D có phù hợp để làm các bộ phận chức năng trong ứng dụng cuối cùng hay chúng vẫn phải bằng lòng với vai trò khiêm tốn của các nguyên mẫu có sẵn nhanh chóng? Chúng tôi tin tưởng vào hiệu suất của vật liệu của mình: các thành phần được sản xuất theo phương pháp bồi đắp làm bằng nhựa iglidur ® được khách hàng của chúng tôi sử dụng làm các bộ phận chức năng trong nhiều ứng dụng khác.