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

• O que era necessário: Juntas de dedos para um exoesqueleto
• Processo de fabrico: sinterização selectiva por laser com pó SLS
• Requisitos: baixo coeficiente de fricção, resistente ao desgaste, baixo peso, precisão
• Material: iglidur® i6
• Indústria: Indústria médica
• Sucesso através da colaboração: Entrega rápida, produção económica de peças funcionais personalizadas

De acordo com a Sociedade Alemã de AVC, uma pessoa na Alemanha sofre um AVC 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 actividades diárias, para facilitar a aprendizagem da preensão após um AVC. As articulações dos dedos impressas em 3D feitas de plástico de alto desempenho iglidur® i6 garantem uma transmissão de energia óptima.

O fabrico das articulações dos dedos com uma impressora 3D clássica revelou-se difícil, uma vez que a resolução do dispositivo não é suficientemente elevada para realizar a estrutura das articulações dos dedos. Estes componentes não só mantêm a mola de lâmina unida, como também têm um mecanismo de fecho em filigrana para uma correia de couro. A fivela na qual a correia é enfiada tem uma largura de pouco mais de um milímetro. O filamento ABS revelou-se inadequado como material de impressão, uma vez que a fricção entre as articulações e as molas de lâmina era demasiado elevada, resultando numa grande perda de energia.

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

Os dedos foram concebidos pelo professor japonês Jumpei Arata da Universidade de Kyushu: três finas molas de aço inoxidável estão sobrepostas umas às outras e ligadas por quatro elos de plástico. Um cabo Bowden está ligado à mola central - se for movido para a frente, os dedos fecham-se, se for puxado para trás, a mão abre-se. O motor de corrente contínua estica e flecte as molas e apoia o doente nos movimentos de preensão. "O exoesqueleto aplica uma força de seis newtons por dedo em"," diz Jan Dittli, investigador do Departamento de Ciências da Saúde e Tecnologia da ETHZ. "As três pegas implementadas são suficientes para levantar objectos com um peso até cerca de 500 gramas - como uma garrafa de água de 0,5 litros."

O exoesqueleto é colocado com uma pulseira com sensor e preso aos dedos com tiras de couro. Quando o doente faz um movimento com a mão, a pulseira transmite sinais electromiográficos (EMG) a um mini-computador. Este encontra-se numa mochila juntamente com os motores, as baterias e a eletrónica de controlo, que está ligada ao módulo da mão. Se o utilizador pretender fazer um movimento de preensão, este é reconhecido pelo computador, que, por sua vez, ativa o motor de corrente contínua.

Durante o desenvolvimento, os investigadores depararam-se com um desafio: as articulações finas dos dedos. Estes elementos não só mantêm as molas de lâminas unidas, como também possuem um mecanismo de fecho em filigrana para a correia de couro. A fivela na qual a bracelete é enfiada é pouco mais larga do que um milímetro. Foi utilizada uma impressora 3D com um filamento ABS para produzir as costas da mão - tanto o processo de fabrico como o material revelaram-se inadequados para produzir as articulações dos dedos. "O atrito entre as articulações e as molas de lâmina teria sido demasiado elevado com este material"," diz Dittli. "Como resultado, teríamos perdido demasiada energia ao mover os dedos." A resolução de uma impressora 3D convencional também não era suficientemente elevada para realizar a estrutura detalhada das articulações dos dedos.

A solução para este problema foi encontrada no fabrico aditivo da igus®: O material SLS auto-lubrificante iglidur® i6, especialmente desenvolvido para a produção de peças sujeitas a fricção, pôde ser utilizado com sucesso para a produção das articulações dos dedos. iglidur® i6 foi originalmente desenvolvido para a produção de engrenagens sem-fim para articulações de robôs. É particularmente adequado para a produção de componentes com detalhes finos e superfícies precisas e é caracterizado por uma elevada dureza e resistência à abrasão. iglidur® i6 provou a sua adequação como uma peça funcional durável no laboratório de testes da igus®: Uma engrenagem sinterizada feita com este plástico iglidur® resistente à abrasão foi testada durante dois meses sob as mesmas condições que uma engrenagem fresada feita de POM. A engrenagem feita de POM já mostrou um grande desgaste após 321.000 ciclos e falhou após 621.000 ciclos, indefinidos.

Em contraste com o metal, o plástico iglidur® i6 é particularmente leve, o que o torna ideal para utilização em aplicações onde o baixo peso é importante. Uma vantagem importante para os investigadores da ETHZ, porque apenas os exoesqueletos que são suficientemente leves e compactos podem também ser utilizados na vida quotidiana. Com as articulações dos dedos feitas de iglidur® i6, o módulo da mão pesa apenas 148 gramas. Os lubrificantes sólidos incorporados no plástico tornam desnecessária a lubrificação dos elementos e apoiam assim o fácil manuseamento da aplicação de terapia avançada.

A sinterização a laser como método de fabrico não só é ideal para a reprodução de geometrias complexas e estruturas delicadas, como também oferece a possibilidade de produzir pequenos lotes e peças únicas de forma económica. É o caso dos exoesqueletos RELab tenoexo, uma vez que 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 os seus problemas. Ao carregar o modelo 3D das articulações dos dedos necessárias para o nosso serviço de impressão 3D online, os cientistas da ETHZ podem encomendar as peças necessárias em poucos minutos. A produção efectiva ocorre normalmente durante a noite e as articulações dos dedos acabadas podem ser instaladas e utilizadas para fins terapêuticos após apenas alguns dias. Nenhum outro processo de fabrico se aproxima da velocidade e da eficiência de custos da impressão 3D no que diz respeito à produção de pequenas séries personalizadas.

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