外骨骼中的 3D 列印手指

低摩擦、重量輕、量身訂做——快速列印的部件，用於醫學治療應用

需求：用於外骨骼的手指關節
製造方法：使用雷射燒結粉末選擇性雷射燒結
要求：摩擦係數低、耐磨、重量輕、精度高
所用材料： iglidur i6
行業：醫療
為客戶帶來的益處：快速出貨，經濟高效地生產客製零件。

根據 German Stroke Association 的數據，德國每兩分鐘就有一人中風。為了幫助病人在中風後更輕鬆地重新學會抓握東西，蘇黎世聯邦理工學院開發了一套叫做 RELab tenoexo 的手部外骨骼，它可用於完成多達 80% 的日常活動。其中，由iglidur I6 高性能工程塑膠製成的 3D 列印關節可確保最佳的力量傳輸。

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由高性能工程塑膠 iglidur I6 製成的 3D 列印手指指骨用於治療中風患者的外骨骼。（來源：Stefan Schneller，蘇黎世聯邦理工學院）

問題

使用普通 3D 列印機生產手指關節很困難，因為設備的分辨率不夠，無法創建所需的手指骨結構。這些部件不僅能把板片彈簧固定在一起，還有一個用於皮帶的細絲閉合裝置。皮帶扣的寬度勉強超過一毫米。用 ABS 線材作為列印材料並不適合，因為關節和板片彈簧之間的摩擦太大，因此會有很多能量流失。

解決方案

蘇黎世聯邦理工學院最初選擇了摩擦優化工程塑膠 iglidur I6，它非常適合生產所需的部件。雷射燒結粉末是為了減少動態應用中的摩擦而專門研發的。雷射燒結工藝能確保高精度，因此可以創造出關節的絲狀結構。借助易格斯的快速3D 列印服務，手指關節得以快速和經濟高效地生產，並能立即投入使用。

手部外骨骼的結構和工作原理

手指的設計來自於日本九州大學的 Jumpei Arata 教授：三個輕薄的不銹鋼板片彈簧依次堆疊放置，通過四個塑膠裝置連接。一根 Bowden cable 鮑登電纜連接在中間的彈簧上——電纜向前移動時，手指彎曲；拉回來時，手指伸直。直流馬達使板片彈簧伸展和收縮，在病人有抓握動作時提供支持。 ”外骨骼的每根手指可以施加六牛頓的力。“蘇黎世聯邦理工學院健康科學與技術系研究員 Jan Dittli 說， ”三種已執行的抓握運動足夠抬起最大約 500 克的物體，比如裝有半升水的瓶子。“外骨骼透過腕帶感測器繃緊，借助皮帶與手指連接。“

病人的手開始運動時，腕帶把肌電信號傳輸到微型電腦上。微型電腦與馬達、電池和控制電子設備一起裝在背包裡，而背包與手部模塊相連。穿戴者想要進行抓握運動時會被電腦檢測到，隨即啟用直流馬達。

研發期間，研究人員遇到了一個挑戰：精細的手指關節。這些部件不僅能把板片彈簧固定在一起，還有一個用於皮帶的細絲閉合裝置。皮帶扣的寬度勉強超過一毫米。為了生產手背的部件，研究人員使用了帶 ABS 線材的 3D 列印機。事實證明，製造方法和使用的材料均不適合生產手指關節。 “使用這種材料時，關節和板片彈簧之間的摩擦太大了。“Dittli說，”因此，手指移動時會有很多的能量流失。”。普通 3D 列印機的分辨率不夠高，無法重新創建手指骨的細微結構。

外骨骼的手部模塊只有 148 克（來源：Stefan Schneller，蘇黎世聯邦理工學院）

iglidur I6——用於低摩擦應用的最佳 3D 列印工程塑膠

igus的增材製造系統為其提供了解決方案：自潤滑的雷射燒結材料iglidur i6專為生產用於摩擦環境的零件而研發，用於生產此處的手指關節再合適不過。 iglidur i6最初是為了生產用於機器人關節的蝸輪而研發的。它的彈性和耐磨性俱佳，非常適用於生產有精密結構和精細表面的零件。在igus測試實驗室裡進行的測試證明，這種材料適用於生產耐用的功能零件：由這種耐磨iglidur工程塑膠製成的雷射燒結齒輪與由POM製成的機械加工齒輪在同樣的條件下接受了2個月的測試。由POM製成的齒輪在321000次循環後表現出嚴重磨損的跡象，在621000次循環後完全報廢，而由iglidur i6製成的齒輪在100萬次循環後依然能夠正常運行，只出現了輕微的磨損。

精密的手指骨由高性能工程塑膠 iglidur I6 製成。它們把三個板片彈簧固定在一起（來源：Stefan Schneller，蘇黎世聯邦理工學院）

自潤滑工程塑膠適用於醫療技術領域的應用。

與金屬相比，iglidur I6 重量很輕，因此適用於對重量有要求的應用。對蘇黎世聯邦理工學院的研究人員來說這也是很重要的一個優勢，因為只有重量輕且緊湊的外骨骼才適合日常使用。採用由 iglidur I6 製成的手指關節的手部模塊僅重 148克。工程塑膠中整合的固體潤滑劑使零件無需外部潤滑，因此可用於涉及逐步治療的應用。

雷射燒結工藝不僅適用於複製複雜的幾何形狀和細絲結構，也能經濟高效地生產小批量和一次性的部件。這也適用於 RELab tenoexo 外骨骼，因為它們可以根據不同的病人進行調整。“我們開發的演算法能夠根據病人的手部尺寸調整外骨骼的數字模型，只需點擊幾下滑鼠即可實現。" "

由高性能 iglidur I6 工程塑膠製成的 3D 列印關節重量輕，可以快速生產，滿足不同客戶的需求（來源：Stefan Schneller，蘇黎世聯邦理工學院）

快速生產原型或獲得功能部件？

對於產品開發或功能零件製造來說，速度很重要，公司可以因此確立提供市場優勢，客戶也能快速獲得問題的解決方案。而易格斯的線上3D列印服務工具可以實現這一點，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員只需將手指關節的3D模型檔案上傳到線上工具中，即可在幾分鐘內訂購所需零件。然後，生產過程通常會很快開始，手指關節的成品在幾天後即可提供，用於治療使用。若要小批量生產客製零件，那麼使用3D列印最合適，因為其生產速度和成本效益都要優於其他製造方法。

那麼，3D列印零件是否可用作最終應用的功能零件呢？還是它們終究只能用作快速可用的打樣？我們對易格斯材料的性能深信不疑：由iglidur工程塑料製程的粉末燒結製造零件在其他很多客戶應用中用作批量生產的功能零件。

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3D 列印功能零件，由 iglidur I6 製成的手指關節，用於治療用外骨骼（來源：Stefan Schneller，蘇黎世聯邦理工學院）

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