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: Khớp ngón tay để làm xương ngoài
• Phương pháp sản xuất:In thiêu kết laser chọn lọc với bột in thiêu kết laser
• Các yêu cầu:Hệ số ma sát thấp , chống mài mòn, trọng lượng thấp , độ chính xác
• Vật liệu:iglidur I6
• Ngành:Y tế
• Thành công nhờ sự hợp tác: Giao hàng nhanh chóng, sản xuất tiết kiệm chi phí các thành phần chức năng dành riêng cho khách hàng

Theo Hiệp hội Đột quỵ Đức, cứ hai phút lại có một người ở Đức bị đột quỵ. Để giúp học lại cách cầm nắm đồ vật sau đột quỵ dễ dàng hơn, Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (đại học ETHZ) đã phát triển một bộ xương ngoài tay có tên là RELab tenoexo. Điều này có thể thực hiện tới 80% các hoạt động hàng ngày. Đốt ngón tay in 3D được làm bằng nhựa hiệu năng cao iglidur I6 đảm bảo truyền lực tối ưu.

 

Các đốt ngón tay in 3D làm bằng nhựa iglidur I6 hiệu năng cao đảm bảo truyền dẫn tối ưu sử dụng trong bộ xương ngoài để điều trị bệnh nhân đột quỵ. (Nguồn: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Vấn đề

Việc sản xuất các khớp ngón tay bằng máy in 3D cổ điển hóa ra rất khó vì độ phân giải của thiết bị này không đủ để tạo ra cấu trúc cần thiết của các xương đốt ngón tay. Các thành phần này không chỉ giữ các lá lò xo lại với nhau mà còn có một cơ chế khóa chạm khắc cho dây đeo bằng da. Khóa mà dây đeo được luồn vào chỉ rộng hơn một milimet. Sợi in ABS làm vật liệu in hóa ra không phù hợp vì ma sát giữa các khớp và lá lò xo quá cao, do đó năng lượng bị mất đi rất nhiều. 

Giải pháp

ETH Zurich cuối cùng đã đưa ra iglidur I6, một loại nhựa được tối ưu hóa về mặt ma sát hóa ra lại lý tưởng cho các thành phần cần thiết. Bột SLS được phát triển đặc biệt để giảm các ứng dụng chuyển động ma sát in thiêu kết bằng laser tạo ra độ chính xác cao và do đó có thể tạo ra cấu trúc chạm khắc của khớp nối. Nhờ dịch vụ in 3D nhanh của igus, các khớp ngón tay đã được sản xuất nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và có thể sử dụng ngay lập tức.

Cấu tạo của bộ xương ngoài bàn tay và cách thức hoạt động

Thiết kế của các ngón tay đến từ giáo sư người Nhật Jumpei Arata của Đại học Kyushu: ba lò xo lá mỏng làm bằng thép không gỉ được đặt chồng lên nhau và được kết nối bằng bốn liên kết nhựa. Một dây cáp Bowden được gắn vào lò xo giữa - Nếu nó được di chuyển về phía trước, các ngón tay sẽ khép lại; nếu nó được kéo lại, bàn tay sẽ mở ra.  Các động cơ DC duỗi và uốn các lò xo lá và nâng đỡ bệnh nhân khi họ thực hiện các động tác cầm nắm.  Jan Dittli, nhà nghiên cứu tại Sở Khoa học và Công nghệ Sức khỏe ETHZ, cho biết" trên mỗi ngón tay, bộ xương ngoài có thể tác dụng lực bằng sáu Newton". "Ba chuyển động cầm nắm được thực hiện là đủ để nâng các vật có trọng lượng khoảng 500 gram - chẳng hạn như một chai nước nửa lít."   
 
Bộ xương ngoài được thắt chặt bằng dây đeo cảm biến và được gắn vào các ngón tay bằng dây da. Khi bệnh nhân bắt đầu cử động bàn tay, dây đeo cổ tay sẽ truyền tín hiệu điện cơ (EMG) đến một máy vi tính. Cái sau nằm trong ba lô cùng với động cơ, pin và thiết bị điện tử điều khiển, theo đó ba lô được kết nối với mô đun của tay. Nếu người đeo có ý định thực hiện chuyển động cầm nắm, điều này sẽ được máy tính phát hiện, sau đó kích hoạt động cơ DC.
 
Trong quá trình phát triển, các nhà nghiên cứu đã phải đối mặt với một thách thức: các khớp ngón tay mỏng manh.  Những yếu tố này không chỉ giữ các lá lò xo lại với nhau mà còn có cơ chế khóa chạm khắc cho dây da. Khóa mà dây đeo được luồn vào chỉ rộng hơn một milimet. Để sản xuất mu bàn tay, một máy in 3D với sợi in ABS đã được sử dụng - phương pháp sản xuất và vật liệu hóa ra không phù hợp để sản xuất khớp ngón tay.  Dittli cho biết: “Độ ma sát giữa các khớp và các lá lò xo sẽ quá cao với vật liệu này". "Kết quả là quá nhiều năng lượng sẽ bị mất khi các ngón tay di chuyển. "  Độ phân giải của một máy in 3D thông thường hóa ra không đủ cao để tái tạo cấu trúc chi tiết của các xương đốt ngón tay. 
 

Mô đun tay của bộ xương ngoài chỉ nặng 148 gram (nguồn Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - nhựa in 3D tốt nhất cho các ứng dụng ma sát thấp

Giải pháp cho vấn đề này được tìm ra là hệ thống sản xuất phụ gia của igus: vật liệu SLS tự bôi trơn iglidur i6 đã được phát triển đặc biệt để sản xuất các bộ phận chịu ma sát và đã được sử dụng thành công để sản xuất các khớp ngón tay. iglidur i6 ban đầu được phát triển để sản xuất các bánh vít cho các khớp robot. Phù hợp để sản xuất các thành phần bao gồm các chi tiết tinh tế với bề mặt chính xác, và được đặc trưng bởi khả năng phục hồi và chống mài mòn vượt trội. iglidur i6 đã được chứng minh phù hợp với vai trò là một thành phần chức năng lâu bền trong phòng thí nghiệm thử nghiệm 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 gia công làm bằng POM. Bánh răng làm bằng POM có dấu hiệu mài mòn nghiêm trọng sau 321.000 chu kỳ và hỏng hoàn toàn sau 621.000 chu kỳ, trong khi bánh răng làm bằng iglidur i6 có thể hoạt động sau 1 triệu chu kỳ cũng chỉ có những dấu hiệu mài mòn nhỏ. 

Các đốt xương ngón tay tốt được làm bằng nhựa iglidur I6 hiệu năng cao. Họ giữ ba lò xo lá lại với nhau (nguồn: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Nhựa tự bôi trơn lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ y tế.

Trái ngược với kim loại, iglidur I6 đặc biệt nhẹ, do đó nó được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng mà trọng lượng thấp là quan trọng hàng đầu.  Một lợi thế quan trọng đối với các nhà nghiên cứu ETHZ, vì chỉ những bộ xương ngoài đủ nhẹ và nhỏ gọn mới phù hợp để sử dụng hàng ngày. Với các khớp ngón tay được làm bằng iglidur I6, mô đun bàn tay chỉ nặng 148 gram. Các chất bôi trơn rắn kết hợp trong nhựa làm cho việc bôi trơn bên ngoài của các thành phần trở nên thừa và do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng ứng dụng điều trị tiến bộ.  
 
Quá trình in thiêu kết laser như một phương pháp sản xuất không chỉ lý tưởng cho việc tái tạo các cấu trúc hình dạng và chạm khắc mà còn có thể sản xuất khối lượng nhỏ và các bộ phận dùng một lần với chi phí hiệu quả. Điều này cũng áp dụng cho bộ xương ngoài RELab tenoexo vì chúng có thể được điều chỉnh riêng cho từng bệnh nhân. "Chúng tôi đã phát triển một thuật toán cho phép chúng tôi điều chỉnh mô hình kỹ thuật số của bộ xương ngoài với kích thước bàn tay của bệnh nhân chỉ bằng một vài cú nhấp chuột. " 

Các khớp in 3D được làm bằng nhựa iglidur I6 hiệu năng cao nhẹ và có thể được sản xuất để đáp ứng các yêu cầu riêng của khách hàng một cách nhanh chóng và không phức tạp (nguồn: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Để phát triển sản phẩm hoặc sản xuất bộ phận chức năng, tốc độ cung cấp cho các công ty lợi thế thị trường và khách hàng với các giải pháp nhanh hơn cho các vấn đề của họ. Bằng cách tải lên mô hình 3D của các khớp ngón tay cần thiết trong công cụ dịch vụ in 3D trực tuyếncủa chúng tôi, các nhà khoa học của ETHZ có thể đặt hàng các bộ phận cần thiết chỉ trong vài phút. Quá trình sản xuất thực tế thường diễn ra trong một đêm, và các khớp ngón tay hoàn thiện có thể được lắp vào chỉ sau vài ngày, sau đó được sử dụng cho mục đích điều trị. Không có phương pháp sản xuất nào khác đạt được tốc độ và hiệu quả chi phí của in 3D trong đó liên quan đến việc sản xuất số lượng lớn tùy chỉnh.

Nhưng các bộ phận được in 3D có phù hợp làm bộ phận chức năng trong ứng dụng cuối cùng hay không, hay chúng phải ở vai trò khiêm tốn của các nguyên mẫu có sẵn nhanh chóng? Chúng tôi bị thuyết phục về những phẩm chất vượt trội của vật liệu: các thành phần được sản xuất bổ sung làm bằng nhựa iglidur được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác của khách hàng như các bộ phận chức năng được sản xuất hàng loạt. 

In 3D cho các thành phần chức năng: các khớp nối ngón tay làm bằng iglidur I6 sử dụng cho bộ xương trị liệu (nguồn: Stefan Schneller, ETH Zurich)