Baixo atrito, leves e feitos à medida - componentes impressos rapidamente para aplicações terapêuticas

• O que era necessário: Articulações dos dedos para um exoesqueleto
• Método de produção: 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 através da colaboração: entrega rápida, fabrico económico de componentes funcionais específicos e personalizados

De acordo com a Associação Alemã de AVC, na Alemanha alguém sofre um AVC a cada dois minutos. De forma a facilitar a reaprendizagem após um AVC, a Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (universidade ETHZ) desenvolveu um exoesqueleto de mão chamado RELab tenoexo. Este permite realizar até 80 por cento das atividades diárias. As falanges de dedos impressos em 3D feitas com o polímero de elevada performance iglidur i6 asseguram a transmissão de força otimizada.

 

Falanges de dedos impressos em 3D em polímero iglidur I6 de elevada performance, utilizadas num exoesqueleto para terapia de doentes com acidentes vasculares cerebrais. (Fonte: Stefan Schneller, ETH Zurich)

Problema

O fabrico de articulações dos dedos com uma impressora 3D clássica revelou-se difícil, dado que a resolução do dispositivo não era suficiente para criar a estrutura necessária das falanges dos dedos. Estes componentes não só mantêm unidas os componentes da articulação como também têm um mecanismo de fecho com um cinto de couro. A fivela em que o cinto é enfiado é pouco mais larga do que um milímetro. O filamento de ABS como material de impressão revelou-se inadequado porque o atrito entre as articulações era demasiado elevado, o que resultou na perda de muita energia. 

Solução

A ETH Zurique acabou por se deparar com o iglidur I6, um plástico tribologicamente otimizado que se revelou ser ideal para os componentes necessários. O pó SLS foi especialmente desenvolvido de forma a reduzir o atrito em  aplicações com movimento. A sinterização a laser permite uma elevada precisão e torna assim possível criar a estrutura da articulação. Graças ao rápido serviço de impressão 3D as articulações dos dedos foram fabricadas de forma rápida e económica e estavam prontas a ser utilizadas.

Estrutura do exoesqueleto da mão e como funciona

O desenho dos dedos vem do professor japonês Jumpei Arata da Universidade de Kyushu: três "spring leafs" finas em aço inoxidável são colocadas uma em cima da outra e são ligadas por meio de quatro elos de plástico. Um cabo Bowden é ligado à mola do meio - se for movido para a frente, os dedos fecham; se for puxado para trás, a mão abre-se.  Os motores CC esticam e contraem as molas e ajudam o paciente quando este faz os seus movimentos de agarrar.  "Por dedo, o exoesqueleto pode exercer a força de seis Newton", diz Jan Dittli, investigador do Departamento de Ciência e Tecnologia da Saúde da ETHZ. "Os três movimentos de agarrar implementados são suficientes para levantar objetos até cerca de 500 gramas - tais como uma garrafa de água de meio litro."   
 
O exoesqueleto é apertado através de uma pulseira com sensor e é fixado aos dedos por meio de cintos de couro. Quando o paciente começa a mover a mão, a pulseira transmite sinais electromiográficos (EMG) a um microcomputador. Esta última está numa mochila juntamente com motores, baterias e a electrónica de controlo, através da qual a mochila está ligada ao módulo manual. Se o utente pretender fazer um movimento de agarrar, este é detetado pelo computador, que então ativa os motores DC.
 
Durante o desenvolvimento, os investigadores foram confrontados com um desafio: as delicadas articulações dos dedos.  Estes elementos não só mantêm as "spring leafs" juntas, como também têm um mecanismo de fecho para o cinto de couro. A fivela em que o cinto é enfiado é pouco mais larga do que um milímetro. Para o fabrico das costas da mão, foi utilizada uma impressora 3D com um filamento ABS - o método de fabrico e o material revelou-se impróprio para o fabrico das articulações dos dedos.  " O atrito entre as articulações e as "spring leafs" teria sido demasiado elevado com este material", diz Dittli. "Como resultado, ter-se-ia perdido demasiada energia quando os dedos se mexiam. " A resolução de uma impressora 3D normal acabou por não ser suficientemente elevada para recriar a estrutura detalhada das falanges dos dedos. 
 

O módulo manual 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 fabrico aditivo da igus: o material SLS auto-lubrificante iglidur i6 foi especialmente desenvolvido para o fabrico de peças sujeitas ao atrito e foi utilizado com sucesso para o fabrico das articulações dos dedos. O iglidur i6 foi originalmente desenvolvido para o fabrico de parafusos sem-fim para articulações de robôs. É ideal para o fabrico de componentes que incluem detalhes delicados com superfícies exatas e caracteriza-se pela sua excecional resiliência e resistência ao desgaste. O iglidur i6 provou ser adequado como um componente funcional duradouro no laboratório de testes da igus: uma engrenagem sinterizada feita deste plástico iglidur resistente ao desgaste foi testada durante dois meses sob as mesmas condições que uma engrenagem maquinada feita de POM. A roda dentada em POM mostrou sinais de desgaste grave após 321,000 ciclos e falhou completamente após 621.000 ciclos, enquanto que a roda dentada em iglidur i6 continuou a funcionar após 1 milhão de ciclos com apenas pequenos sinais de desgaste. 

As finas falanges dos dedos são feitas em polímero de elevada performance iglidur I6. Mantêm as três "spring leafs" juntas (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurique)

O polímero autolubrificado é ideal para aplicações no setor da tecnologia médica.

Em contraste com o metal, o iglidur I6 é especialmente leve, pelo que é predestinado para utilização em aplicações onde o baixo peso é de elevada importância.  Uma vantagem importante para os investigadores da ETHZ, uma vez que apenas os exoesqueletos que são leves e compactos o suficiente são adequados para o uso diário. Com as articulações dos dedos em iglidur I6, o módulo da mão pesa apenas 148 gramas. Os lubrificantes sólidos incorporados no polímero tornam supérflua a lubrificação externa dos elementos e facilitam assim a utilização da aplicação terapêutica progressiva.  
 
A sinterização a laser como método de fabrico não só é ideal para a repetição de geometrias e estruturas complexas, como também permite fabricar pequenas sérias ou componentes isolados de forma económica. Isto também se aplica aos exoesqueletos RELab tenoexo, uma vez que podem ser individualmente adaptados aos pacientes. “Desenvolvemos um algoritmo que nos permite adaptar o modelo digital do exoesqueleto ao tamanho da mão do paciente com apenas alguns cliques. " 

As articulações impressas em 3D feitas com o polímero de elevada performance iglidur I6 são leves e podem ser fabricadas para responder rapidamente e sem complicações às necessidades individuais do cliente (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurique)

Para o desenvolvimento de produtos ou fabrico de peças funcionais, a rapidez proporciona às empresas vantagens de mercado e, aos clientes soluções mais rápidas para os seus problemas. Ao carregar o modelo 3D das articulações dos dedos necessárias na nossa ferramenta online do serviço de impressão 3D, os cientistas da ETHZ poderam encomendar as peças necessárias em apenas alguns minutos. O fabrico é geralmente efetuado de um dia para o outro, e as articulações dos dedos podem ser colocadas passados poucos dias, sendo depois utilizadas para fins terapêuticos. Nenhum outro método de fabrico se aproxima da velocidade e da relação custo-benefício da impressão 3D quando se trata de fabrico personalizado de pequenos volumes.

Mas será que as peças impressas em 3D são adequadas como peças funcionais na aplicação final, ou devem permanecer no modesto papel de protótipos? Estamos convencidos das excelentes qualidades dos nossos materiais: os componentes fabricados aditivamente em polímeros iglidur são utilizados em inúmeras aplicações de clientes como peças funcionais produzidas em série. 

Impressão 3D para peças funcionais: articulações dos dedos em iglidur I6 utilizadas num exoesqueleto terapêutico (fonte: Stefan Schneller, ETH Zurich)