Reibungsarm, leicht und nach Maß - schnell gedruckte Komponenten für den Therapiebereich

• Was wurde benötigt: Fingergelenke für ein Exoskelett
• Herstellungsverfahren: selektives Lasersintern mit SLS Pulver
• Anforderungen: niedrige Reibwerte, verschleißfest, geringes Gewicht, Präzision
• Material: iglidur i6
• Branche: Medizinbranche
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: Schnelle Lieferung, kostengünstige Herstellung von kundenindividuellen Funktionsteilen

Laut der deutschen Schlaganfall-Gesellschaft erleidet alle zwei Minuten ein Mensch in Deutschland einen Schlaganfall. Um das Greifen nach einem Schlaganfall leichter wieder zu erlernen, entwickelte die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) ein Hand-Exoskelett namens RELab tenoexo, welches bis zu 80 Prozent der täglichen Aktivitäten abdeckt. Für die optimale Kraftübertragung sorgen 3D-Druck-Fingerglieder aus dem Hochleistungskunststoff iglidur i6.

 

3D-gedruckte Fingerglieder aus dem Hochleistungskunststoff iglidur i6 im Einsatz in einem Exo-Skelett für die Therapie von Schlaganfall-Patienten. (Quelle: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Problem

Die Herstellung der Fingergelenke mit einem klassischen 3D-Drucker stellte sich als schwierig heraus, da die Auflösung des Geräts nicht hoch genug ist, um die Struktur der Fingerglieder zu realisieren. Diese Komponenten halten nicht nur die Blattfeder zusammen, sondern verfügen auch über einen filigranen Schließmechanismus für einen Lederriemen. Dabei ist die Schnalle, in die der Riemen eingefädelt wird, kaum breiter als ein Millimeter. ABS-Filament als Druckmaterial erwies sich als ungeeignet, da die Reibung zwischen den Gelenken und den Blattfedern zu hoch war, wodurch viel Energie verloren ging. 

Lösung

Mit iglidur i6 fand die ETHZ einen tribologisch optimierten Kunststoff, welcher sich für die benötigten Bauteile als ideal geeignet erwies: Das SLS Pulver wurde speziell entwickelt, um Reibung in bewegten Anwendungen zu reduzieren. Lasersintern ermöglicht eine hohe Genauigkeit, wodurch die filigrane Struktur des Gelenks problemlos realisiert werden kann. Mit dem schnellen 3D-Druck-Service von igus konnten die Fingergelenke schnell und kostengünstig hergestellt werden und waren sofort einsatzbereit.

Aufbau und Funktionsweise des Hand-Exoskeletts

Das Design der Finger stammt von dem japanischen Professor Jumpei Arata von der Kyushu University: Drei dünne Blattfedern aus rostfreiem Stahl liegen übereinander und sind über vier Kunststoffglieder verbunden. An der mittleren Feder ist ein Bowdenzug befestigt - wird sie nach vorne bewegt, schließen sich die Finger, wird sie zurückgezogen, öffnet sich die Hand. DC-Motoren strecken und beugen die Blattfedern und unterstützen den Patienten bei Greifbewegungen. „Pro Finger bringt das Exoskelett eine Kraft von sechs Newton auf", sagt Jan Dittli, Forscher am ETHZ-Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie. „Die drei implementierten Griffe reichen aus, um Objekte bis ca. 500 Gramm zu heben – wie zum Beispiel eine 0,5-Liter-Wasserflasche."  

Das Exoskelett wird über ein Sensorarmband angezogen und über Lederriemen an den Fingern befestigt. Setzt der Patient die Hand zu einer Bewegung an, leitet das Armband elektromyografische (EMG) Signale an einen Minicomputer weiter. Dieser befindet sich samt Motoren, Batterien und der Steuerelektronik in einem Rucksack, welcher mit dem Handmodul verbunden ist. Beabsichtigt der Träger eine Greifbewegung, wird dies von dem Computer erkannt, was wiederum die DC-Motoren aktiviert.

Bei der Entwicklung stießen die Forscher auf eine Herausforderung: die feinen Fingergelenke. Diese Elemente halten nicht nur die Blattfedern zusammen, sondern verfügen auch über einen filigranen Schließmechanismus für den Lederriemen. Die Schnalle, in die der Riemen eingefädelt ist, ist kaum breiter als ein Millimeter. Für die Herstellung des Handrückens kam ein 3D-Drucker mit einem ABS-Filament zum Einsatz - sowohl das Herstellungsverfahren als auch der Werkstoff erwiesen sich für die Fertigung der Fingergelenke als ungeeignet. „Die Reibung zwischen den Gelenken und den Blattfedern wäre bei diesem Material zu hoch gewesen", sagt Dittli. „Dadurch wäre uns bei der Bewegung der Finger zu viel Energie verloren gegangen." Auch die Auflösung eines gewöhnlichen 3D-Druckers entpuppte sich als nicht hoch genug, um die detaillierte Struktur der Fingerglieder zu realisieren. 
 

Das Handmodul des Exo-Skeletts wiegt nur 148 Gramm (Quelle Stefan Schneller, ETH Zürich)

iglidur i6 - der beste 3D-Druck-Kunststoff für geringe Reibung

Die Lösung für dieses Problem fand sich in der additiven Fertigung von igus: Der speziell für die Fertigung von reibungsbeanspruchten Teilen entwickelte selbtschmierende SLS Werkstoff iglidur i6 konnte erfolgreich für die Fertigung der Fingergelenke eingesetzt werden. iglidur i6 wurde ursprünglich für die Fertigung von Schneckenrädern für Robotergelenke entwickelt. Es eignet sich besonders gut für die Fertigung von Bauteilen mit feinen Details mit exakten Oberflächen und zeichnet sich durch hohe Zähigkeit und Abriebfestigkeit aus. Seine Eignung als langlebiges Funktionsteil stellte iglidur i6 im igus Testlabor unter Beweis: Ein gesintertes Zahnrad aus diesem abriebfesten iglidur Kunststoff wurde zwei Monate lang unter den gleichen Bedingungen wie ein gefrästes Zahnrad aus POM getestet. Das Zahnrad aus POM wies bereits nach 321.000 Zyklen starken Verschleiß aus und fiel nach 621.000 Zyklen aus, wohingegen das Zahnrad aus iglidur i6 auch nach 1 Million Zyklen mit geringen Verschleißerscheinungen weiter lief. 

Die feinen Fingerglieder bestehen aus dem Hochleistungskunststoff iglidur i6. Siie halten die drei übereinander gelegten Blattfedern zusammen (Quelle: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Selbstschmierender Kunststoff eignet sich ideal für Anwendungen in der Medizintechnik

Der Kunststoff iglidur i6 ist im Gegensatz zu Metall besonders leicht, wodurch es für den Einsatz in Anwendungen, bei denen es auf geringes Gewicht ankommt, prädestiniert ist. Ein wichtiger Vorteil für die ETHZ Forscher, denn nur Exo-Skelette die leicht und kompakt genug sind, können sich auch im Alltag bewähren. Mit den Fingergelenken aus iglidur i6 bringt das Handmodul nur 148 Gramm auf die Waage. Die im Kunststoff inkorporierten Festschmierstoffe machen eine Schmierung der Elemente unnötig und unterstützen damit die einfache Handhabung der fortschrittlichen Therapieanwendung. 

Lasersintern als Fertigungsmethode ist nicht nur ideal dafür geeignet, um komplexe Geometrien und feingliedrige Strukturen abzubilden, sondern bietet auch die Möglichkeit, Kleinserien und Unikate kostengünstig herzustellen. Um solche handelt es sich bei den RELab tenoexo Exoskeletten, denn sie lassen sich individuell an Patienten anpassen. „Wir haben einen Algorithmus entwickelt, um das digitale Modell des Exoskeletts mit wenigen Klicks an die Handgröße des Patienten anzupassen." 

Die 3D-gedruckten Gelenke aus dem Hochleistungskunstoff iglidur i6 sind leicht und können schnell und unkompliziert kundenindividuell hergestellt werden (Quelle: Stefan Schneller, ETH Zürich)

Ob bei der Produktentwicklung oder bei der Fertigung von Funktionsteilen: Geschwindigkeit bringt Unternehmen Marktvorteile und Kundinnen und Kunden schnellere Lösungen für ihre Probleme. Mit einem Upload des 3D-Modells der benötigten Fingergelenke in unseren online 3D-Druck-Service können die ETHZ-Wissenschaftler die benötigten Teile innerhalb von wenigen Minuten bestellen. Die eigentliche Fertigung geschieht in der Regel über Nacht und die fertigen Fingergelenke können so schon nach wenigen Tagen verbaut und für Therapiezwecke eingesetzt werden. Kein anderes Herstellungsverfahren kommt an die Geschwindigkeit und Kosteneffizienz des 3D-Drucks heran, wenn es um die Fertigung von individuellen Kleinserien geht.

Doch eignen sich 3D-gedruckte Teile als Funktionsteile in der Endanwendung oder müssen sie sich weiterhin mit der bescheidenen Rolle von schnell verfügbaren Prototypen begnügen? Wir sind von der Leistungsfähigkeit unserer Materialien überzeugt: Additiv hergestellte Bauteile aus iglidur Kunststoffen werden in zahlreichen weiteren Anwendungen unserer Kundinnen und Kunden als funktionale Serienteile eingesetzt. 

3D-Druck für Funktionsteile: Fingergelenke aus iglidur i6 im Einsatz als Therapie-Exo-Skelett (Quelle: Stefan Schneller, ETH Zürich)