Baja fricción, ligeros y hechos a medida: componentes impresos rápidamente para aplicaciones terapéuticas

• Qué se necesitaba: Articulaciones de dedos para un exoesqueleto
• Proceso de fabricación: sinterizado selectivo por láser con polvo SLS
• Requisitos: bajo coeficiente de fricción, resistente al desgaste, poco peso, precisión
• Material: iglidur® i6
• Industria: Industria médica
• Éxito gracias a la colaboración: Entrega rápida, producción rentable de piezas funcionales a medida

Según la Sociedad Alemana de Accidentes Cerebrovasculares, cada dos minutos una persona sufre un ictus en Alemania. La Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETHZ) ha desarrollado un exoesqueleto de mano llamado RELab tenoexo, que cubre hasta el 80% de las actividades cotidianas, para facilitar el aprendizaje del agarre tras un ictus. Las articulaciones de los dedos impresas en 3D y fabricadas con el plástico de alto rendimiento iglidur® i6 garantizan una transmisión óptima de la fuerza.

La fabricación de las articulaciones de los dedos con una impresora 3D clásica resultó difícil, ya que la resolución del dispositivo no es lo suficientemente alta como para realizar la estructura de las articulaciones de los dedos. Estos componentes no solo sujetan la ballesta, sino que también tienen un mecanismo de cierre de filigrana para una correa de cuero. La hebilla en la que se enrosca la correa es apenas más ancha que un milímetro. El filamento ABS resultó inadecuado como material de impresión, ya que la fricción entre las articulaciones y las ballestas era demasiado alta, lo que provocaba una gran pérdida de energía.

Con iglidur® i6, ETHZ encontró un plástico tribológicamente optimizado que resultó ser ideal para los componentes requeridos: El polvo SLS fue especialmente desarrollado para reducir la fricción en aplicaciones móviles. El sinterizado por láser permite un alto grado de precisión, lo que significa que la estructura de filigrana de la junta se puede realizar sin problemas. Con el rápido servicio de impresión 3D de igus®, las articulaciones de los dedos pudieron fabricarse de forma rápida y rentable y estuvieron listas para su uso inmediato.

Los dedos han sido diseñados por el profesor japonés Jumpei Arata, de la Universidad de Kyushu: tres finas ballestas de acero inoxidable están superpuestas y unidas por cuatro eslabones de plástico. Un cable Bowden está unido al resorte central: si se mueve hacia delante, los dedos se cierran, si se tira hacia atrás, la mano se abre. Un motor de corriente continua estira y flexiona los resortes de ballesta y apoya al paciente en los movimientos de agarre. "El exoesqueleto aplica una fuerza de seis newtons por dedo en"," afirma Jan Dittli, investigador del Departamento de Ciencias de la Salud y Tecnología del ETHZ. "Los tres agarres implementados bastan para levantar objetos de hasta 500 gramos aproximadamente, como una botella de agua de 0,5 litros."

El exoesqueleto se coloca mediante una muñequera con sensores y se sujeta a los dedos con correas de cuero. Cuando el paciente hace un movimiento con la mano, la muñequera transmite señales electromiográficas (EMG) a un miniordenador. Éste se encuentra en una mochila junto con los motores, las baterías y la electrónica de control, que está conectada al módulo de la mano. Si el usuario quiere hacer un movimiento de agarre, el ordenador lo reconoce y activa el motor de corriente continua.

Durante el desarrollo, los investigadores se encontraron con un reto: las finas articulaciones de los dedos. Estos elementos no sólo sujetan las ballestas, sino que también disponen de un mecanismo de cierre de filigrana para la correa de cuero. La hebilla en la que se enrosca la correa es apenas más ancha que un milímetro. Para fabricar el dorso de la mano se utilizó una impresora 3D con filamento ABS. Tanto el proceso de fabricación como el material resultaron inadecuados para fabricar las articulaciones de los dedos. "La fricción entre las articulaciones y las ballestas habría sido demasiado alta con este material"," dice Dittli. "Como resultado, habríamos perdido demasiada energía al mover los dedos"." La resolución de una impresora 3D convencional tampoco era lo suficientemente alta para realizar la estructura detallada de las articulaciones de los dedos.

La solución a este problema se encontró en la fabricación aditiva de igus®: El material SLS autolubricante iglidur® i6, especialmente desarrollado para la producción de piezas sometidas a fricción, pudo utilizarse con éxito para la producción de las articulaciones de los dedos. iglidur® i6 se desarrolló originalmente para la producción de engranajes helicoidales para articulaciones de robots. Es particularmente adecuado para la producción de componentes con detalles finos y superficies precisas y se caracteriza por una alta tenacidad y resistencia a la abrasión. iglidur® i6 demostró su idoneidad como pieza funcional duradera en el laboratorio de pruebas de igus®: Un engranaje sinterizado fabricado con este plástico iglidur® resistente a la abrasión fue probado durante dos meses en las mismas condiciones que un engranaje fresado fabricado con POM. El engranaje hecho de POM ya mostraba un fuerte desgaste después de 321.000 ciclos y falló después de 621.000 ciclos, sin definir.

En contraste con el metal, el plástico iglidur® i6 es particularmente ligero, lo que lo hace ideal para su uso en aplicaciones donde el bajo peso es importante. Una ventaja importante para los investigadores del ETHZ, ya que sólo los exoesqueletos que son lo suficientemente ligeros y compactos pueden demostrar su valía también en la vida cotidiana. Con las articulaciones de los dedos hechas de iglidur® i6, el módulo de mano pesa sólo 148 gramos. Los lubricantes sólidos incorporados en el plástico hacen innecesaria la lubricación de los elementos y favorecen así el fácil manejo de la aplicación terapéutica avanzada.

El sinterizado por láser como método de fabricación no sólo es idóneo para la reproducción de geometrías complejas y estructuras delicadas, sino que también ofrece la posibilidad de producir de forma rentable lotes pequeños y piezas únicas. Este es el caso de los exoesqueletos RELab tenoexo, que pueden personalizarse para cada paciente. "Hemos desarrollado un algoritmo para adaptar el modelo digital del exoesqueleto al tamaño de la mano del paciente con sólo unos clics."

Tanto en el desarrollo de productos como en la producción de piezas funcionales: La velocidad aporta a las empresas ventajas de mercado y a los clientes soluciones más rápidas a sus problemas. Al cargar el modelo 3D de las articulaciones dactilares necesarias en nuestro servicio de impresión 3D en línea, los científicos de ETHZ pueden encargar las piezas necesarias en cuestión de minutos. La producción propiamente dicha suele tener lugar de la noche a la mañana y las articulaciones de los dedos terminadas pueden instalarse y utilizarse con fines terapéuticos al cabo de pocos días. Ningún otro proceso de fabricación se acerca a la velocidad y rentabilidad de la impresión en 3D cuando se trata de la producción de pequeñas series personalizadas.

Pero, ¿son adecuadas las piezas impresas en 3D como piezas funcionales en la aplicación final o tienen que conformarse con el modesto papel de prototipos rápidamente disponibles? Estamos convencidos del rendimiento de nuestros materiales: los componentes fabricados de forma aditiva con plástico iglidur® se utilizan como piezas funcionales de serie en otras muchas aplicaciones de nuestros clientes.