低摩擦、重量轻、按需定制——快速打印的部件，用于治疗应用

• 需求：用于外骨骼的手指关节
• 制造方法：使用激光烧结粉末选择性激光烧结
• 要求： 摩擦系数 低、耐磨、重量 轻、精度高
• 所用材料：iglidur i6
• 行业：医疗行业
• 通过合作取得的成功：快速交付，经济高效地生产定制功能部件

根据德国卒中协会的数据，德国每两分钟就有一人中风。为了帮助病人在中风后更轻松地重新学会抓握东西，苏黎世联邦理工学院开发了一套叫做RELab tenoexo的手部外骨骼，它可用于完成多达80%的日常活动。 其中，由iglidur I6高性能塑料制成的3D打印指骨可确保最佳的力传输。

 

由高性能工程塑料iglidur I6制成的3D打印手指骨用于治疗中风患者的外骨骼。 （来源：Stefan Schneller，苏黎世联邦理工学院）

问题

使用普通3D打印机生产手指关节很困难，因为设备的分辨率不够，无法创建所需的手指骨结构。 这些部件不仅能把板片弹簧固定在一起，还有一个用于皮带的细丝闭合装置。 皮带扣的宽度勉强超过一毫米。用ABS线材作为打印材料并不适合，因为关节和板片弹簧之间的摩擦太大，因此会有很多能量流失。 

解决方案

苏黎世联邦理工学院最初选择了摩擦优化塑料iglidur I6，它非常适合生产所需的部件。激光烧结粉末是为了减少 移动应用中的摩擦而专门研发的。激光烧结工艺 能确保高精度，因此可以创造出关节的细丝结构。 借助易格斯的快速3D打印服务，手指关节得以快速和经济高效地生产，并能立即投入使用。

手部外骨骼的结构和工作原理

手指的设计来自于日本九州大学的Jumpei Arata教授：三个轻薄的不锈钢板片弹簧依次堆叠放置，通过四个塑料装置连接。 一根鲍登电缆连接在 中间的弹簧上——电缆向前移动时，手指弯曲；拉回来时，手指伸直。  直流电机使板片弹簧伸展和收缩，在病人有抓握动作时提供支持。  ”外骨骼的每根手指可以施加六牛顿的力。“苏黎世联邦理工学院健康科学与技术系研究员Jan Dittli说， ”三种已执行的抓握运动足够抬起最大约500克的物体，比如装有半升水的瓶子。“   
 
外骨骼通过腕带传感器绷紧，借助皮带与手指连接。 病人的手开始运动时，腕带把肌电信号传输到微型电脑上。 微型电脑与电机、电池和控制电子设备一起装在背包里，而背包与 手部模块相连。 穿戴者想要进行抓握运动时会被电脑检测到，随即激活直流电机。
 
研发期间，研究人员遇到了一个挑战：精细的手指关节。  这些元件不仅能把板片弹簧固定在一起，还有一个用于皮带的细丝闭合装置。 皮带扣的宽度勉强超过一毫米。为了生产手背的部件，研究人员使用了带ABS线材的3D打印机。事实证明，制造方法和使用的材料均不适合生产手指关节。  ”使用这种材料时，关节和板片弹簧之间的摩擦太大了。“Dittli说， ”因此，手指移动时会有很多的能量流失。” 普通3D打印机的分辨率不够高，无法重新创建手指骨的细微结构。 
 

外骨骼的手部模块只有148克（来源Stefan Schneller，苏黎世联邦理工学院）

iglidur I6——用于低摩擦应用的最佳3D打印工程塑料

igus的增材制造系统为其提供了解决方案：自润滑的激光烧结材料iglidur I6专为生产用于摩擦环境的部件而研发，用于生产此处的手指关节再合适不过。iglidur I6最初是为了生产用于机器人关节的蜗轮而研发的。它的弹性和耐磨性俱佳，非常适用于生产有精密结构和精细表面的部件。在igus测试实验室里进行的测试证明，这种材料适用于生产耐用的功能部件：由这种耐磨iglidur工程塑料制成的激光烧结齿轮与由POM制成的机加工齿轮在同样的条件下接受了2个月的测试。由POM制成的齿轮在321000次循环后表现出严重磨损的迹象，在621000次循环后完全报废，而由iglidur i6制成的齿轮在100万次循环后依然能够正常运行，只出现了轻微的磨损。

精密的手指骨由高性能工程塑料iglidur I6制成。它们把三个板片弹簧固定在一起（来源：Stefan Schneller，苏黎世联邦理工学院）

自润滑工程塑料适用于医疗技术领域的应用。

与金属相比，iglidur I6重量很轻，因此适用于对重量有要求的应用。  对苏黎世联邦理工学院的研究人员来说这也是很重要的一个优势，因为只有重量轻且紧凑的外骨骼才适合日常使用。 采用由iglidur I6制成的手指关节的手部模块仅重148克。 工程塑料中集成的固体润滑剂使元件无需外部润滑，因此可用于涉及逐步治疗的应用。  
 
激光烧结工艺不仅适用于复制复杂的几何形状和细丝结构，也能经济高效地生产小批量和一次性的部件。 这也适用于RELab tenoexo外骨骼，因为它们 可以根据不同的病人进行调整。 “我们开发的算法能够根据病人的手部尺寸调整外骨骼的数字模型，只需点击几下鼠标即可实现。 " 

由高性能iglidur I6工程塑料制成的3D打印关节重量轻，可以快速生产，满足不同客户的需求（来源：Stefan Schneller，苏黎世联邦理工学院）

对于产品开发或功能部件制造来说，速度很重要，公司可以因此确立提供市场优势，客户也能快速获得问题的解决方案。而易格斯的在线3D打印服务工具可以实现这一点，苏黎世联邦理工学院的研究人员只需将手指关节的3D模型上传到工具中，即可在几分钟内订购所需部件。然后，生产过程通常会很快开始，成品手指关节几天后即可提供，用于治疗使用。若要小批量生产定制部件，那么使用3D打印最合适，因为其生产速度和成本效益都要优于其他制造方法。

那么，3D打印部件是否可用作最终应用的功能部件呢？还是它们终究只能用作快速可用的原型？我们对易格斯材料的性能深信不疑：由iglidur工程塑料制成的增材制造部件在其他很多客户应用中用作批量生产的功能部件。 

3D打印功能部件：由iglidur I6制成的手指关节，用于治疗用外骨骼（来源：Stefan Schneller，苏黎世联邦理工学院）