저마찰, 경량 및 맞춤 제작 - 치료용으로 빠르게 인쇄된 제품

• What was needed: Finger joints for an exoskeleton
• Manufacturing method: Selective laser sintering with laser sintering powder
• Requirements: Low coefficients of friction, wear resistance, low weight, precision
• Material: iglidur I6
• Industry: Medical sector
• Success through collaboration: Fast delivery, cost-effective manufacture of customer-specific functional components

According to the German Stroke Association, someone in Germany suffers a stroke every two minutes. In order to make it easier to re-learn how to grasp things after a stroke, Eidgenössische Technische Hochschule Zurich (ETHZ university) developed a hand exoskeleton called RELab tenoexo. This can perform up to 80 per cent of everyday activities. 3D printed finger phalanges made of the iglidur I6 high-performance plastic ensure optimum force transmission.

 

뇌졸중 환자 치료를 위해 외골격 보조장치에 사용되는 고성능 iglidur I6 폴리머로 제작된 3D 프린팅 손가락 지골. (출처: Stefan Schneller, ETH Zurich)

문제

고전적인 3D 프린터로 손가락 관절을 제조하는 것은 장치의 해상도가 손가락 지골의 필요한 구조를 만들기에 충분하지 않았기 때문에 어려웠습니다. 이러한 구성 요소는 판 스프링을 함께 고정해줄 뿐만 아니라 가죽 스트랩을 위한 줄세공 마감 메커니즘을 가지고 있습니다. 스트랩이 끼워지는 버클은 1밀리미터 보다 약간 더 넓습니다. 인쇄 재료로써 ABS 필라멘트는 조인트와 판 스프링 사이의 마찰이 너무 높아 많은 에너지가 손실되어 부적합했습니다. 

솔루션 제시

ETH Zurich는 결국 마찰에 최적화된 플라스틱인 iglidur I6을 이상적인 재료로 선택했습니다. SLS 파우더는 이동 어플리케이션에서 마찰을 줄이기 위해 개발되었습니다. 레이저 소결은 고정밀도가 가능하여 조인트의 구조를 제작할 수 있습니다. 이구스의3D 프린팅 서비스를 통해 손가락 관절을 빠르고 비용 효율적으로 제조되었으며, 즉시 사용할 수 있습니다.

손 외골격 보조장치의 구조와 작동 원리

손가락 디자인은 큐슈 대학의 일본인 교수 Jumpei Arata가 개발하였습니다. 스테인리스 스틸로 만든 세 개의 얇은 판 스프링이 겹쳐져 있고 4 개의 플라스틱 링크로 연결되어 있습니다. Bowden 케이블이 중간 스프링에 연결되어 있습니다 - 앞으로 움직이면 손가락이 닫히고, 뒤로 당기면 열립니다.  DC 모터는 판 스프링을 늘리고 구부리며, 환자가 쥐는 동작을 할 때 환자를 지지해줍니다.  "외골격 보조장치에서 손가락 하나 당 6 뉴턴의 힘을 발휘할 수 있습니다. "라고 ETHZ 건강과학 및 기술 부서 연구원 Jan Dittli는 말합니다. "구현된 세 가지 잡는 동작은 최대 약 500g의 물체를 들어 올리기에 충분합니다. "   
 
외골격 보조장치는 센서 손목 밴드로 조이고 가죽 벨트로 손가락에 부착됩니다. 환자가 손을 움직이기 시작하면 손목 밴드가 근전도(EMG) 신호를 마이크로 컴퓨터로 전송합니다. 후자는 모터, 배터리 및 제어 전자 장치와 함께 룩섹에 들어 있으며 룩섹이 핸드 모듈에 연결됩니다. 착용자가 움켜 쥐는 동작을 하려는 경우 컴퓨터에서 이를 감지하여 DC 모터를 활성화합니다.
 
개발 과정에서 연구원들은 섬세한 손가락 관절 구현이라는 어려움을 직면했습니다.  이러한 요소는 판 스프링을 함께 유지하는 것뿐만 아니라 가죽 스트랩을 위한 잠금 장치를 가지고 있습니다. 스트랩이 끼워지는 버클은 1 밀리미터보다 약간 넓습니다. 손등 제조에는 ABS 필라멘트가 있는 3D 프린터가 사용되었지만, 제조 방법과 재료가 손가락 관절 제조에 적합하지 않았습니다.  "조인트와 판 스프링 사이의 마찰은 이 재료로는 너무 높았을 것입니다. "라고 Dittli는 말합니다. "결과적으로 손가락을 움직일 때 너무 많은 에너지가 손실되었습니다. " 일반 3D 프린터의 해상도는 손가락 지골의 세부 구조를 재현 할만큼 높지 않은 것으로 나타났습니다. 
 

외골격 보조장치의 손 모듈의 무게는 148g에 불과합니다 (출처 : Stefan Schneller, ETH Zurich)

iglidur I6 - 저마찰 어플리케이션을 위한 최상의 3D 프린팅 폴리머

이러한 문제에 대한 해결책은 이구스의 적층 제조 시스템이었습니다. 마찰이 발생하는 부품의 제조를 위해 특별히 개발된 자가 윤활 SLS 소재 iglidur I6이 손가락 관절 제조에 성공적으로 사용되었습니다. iglidur I6 원래 로봇 관절용 웜 흴 제조용으로 개발되었습니다. 미세한 디테일과 정밀한 표면을 가진 부품의 제조에 특히 적합하며 뛰어난 탄력성과 내마모성이 특징입니다. 우수한 내구성을 가진 기능 구성품으로써의 적합성은 이구스 테스트 연구소에서 iglidur 6에 의해 입증되었습니다 : 내마모성 iglidur 폴리머 재질의 기어는 POM 재질의 기계 가공된 기어와 동일한 조건에서 2 개월 동안 테스트되었습니다. POM으로 제작된 기어는 321,000 주기 후 심각한 마모가 나타났고, 621,000 주기 후에 완전히 고장난 반면, iglidur I6로 제작된 기어는 작은 마모 흔적만으로도 100 만 주기 후에도 계속 작동했습니다.  

미세한 손가락 지골은 고성능 폴리머 iglidur I6로 제작되었습니다. 세 개의 판 스프링을 함께 고정합니다 (출처: Stefan Schneller, ETH Zurich)

자기 윤활 폴리머는 의료 기술 분야의 어플리케이션에 이상적입니다.

금속과 달리 iglidur I6은 특히 가볍기 때문에 경량이 필요한 어플리케이션에 사용하도록 설계되었습니다.  가볍고 컴팩트 한 외골격 보조장치가 일상적인 사용에 적합하기 때문에 ETHZ 연구자들에게 중요한 이점입니다. iglidur I6로 제작된 손가락 관절을 사용하는 핸드 모듈의 무게는 148g에 불과합니다. 폴리머에 통합된 고체 윤활제는 구성품의 외부 윤활이 필요하지 않아 점진적 치료 어플리케이션에서 사용을 용이하게 합니다.  
 
제조 방법으로서 레이저 소결은 복잡한 형상 및 구조의 복제에 이상적일 뿐만 아니라 소량 및 일회용 부품을 비용 효율적으로 제조 할 수 있습니다. 이는 RELab tenoexo 외골격 보조장치에도 적용되며 환자에게 개별적으로 사용이 가능합니다. "우리는 단 몇 번의 마우스 클릭만으로 외골격 보조장치의 디지털 모델을 환자의 손 크기에 맞게 조정할 수있는 알고리즘을 개발했습니다. " 

고성능 iglidur I6 폴리머로 제작된 3D 프린팅 관절은 가볍고, 간편하고 신속하게 개별 고객 요구 사항을 충족시키며 제조할 수 있습니다 (출처 : Stefan Schneller, ETH Zurich)

For product development or functional part manufacture, speed provides companies with market advantages and customers with faster solutions to their problems. By uploading the 3D model of the finger joints needed in our online 3D printing service tool, the ETHZ scientists can order the required parts in just a few minutes. Actual manufacturing is usually overnight, and the finished finger joints can be fitted after just a few days, then used for therapeutic purposes. No other manufacturing method approaches the speed and cost-effectiveness of 3D printing where customised small volume manufacture is concerned.

But are 3D printed parts suitable as functional parts in the final application, or must they remain in the modest role of quickly available prototypes? We are convinced of the our materials' performance: additively manufactured components made of iglidur plastics are used in numerous other customer applications as functional series-produced parts. 

기능 부품 3D 프린팅 : 치료용 외골격 보조장치에 사용되는 Iglidur i6로 만든 손가락 관절 (출처 : Stefan Schneller, Zurich)