低摩擦、輕且可量測 - 治療應用的快速列印元件

• **需要什麼？**外骨骼的手指關節
• **製造過程：**使用 SLS 粉末進行選擇性雷射燒結
• **要求：**摩擦係數低、耐磨、重量輕、精度高
• **材料：**iglidur® i6
• **產業：**醫療產業
• **透過合作取得成功：**快速交貨，以符合成本效益的方式生產客製化功能零件

根據德國中風協會的統計，德國每兩分鐘就有一人罹患中風。位於蘇黎世的瑞士聯邦理工學院 (ETHZ) 已開發出一種名為 RELab tenoexo 的手部外骨骼，可涵蓋高達 80% 的日常活動，讓中風患者更容易在中風後重新學習抓握。由高性能塑膠 iglidur® i6 製成的 3D 列印手指關節可確保最佳的動力傳輸。

事實證明，使用傳統 3D 印表機製造手指關節非常困難，因為設備的解析度不夠高，無法實現手指關節的結構。這些組件不僅能將片彈簧固定在一起，還設有皮帶的絲扣鎖定裝置。將皮帶穿進去的搭扣幾乎不比一毫米寬。事實證明 ABS 絲並不適合做為列印材料，因為接頭與片彈簧之間的摩擦力太大，導致能量大量流失。

ETHZ 使用 iglidur® i6 找到了一種摩擦優化塑料，證明非常適合所需部件：SLS 粉末是為了減少移動應用中的摩擦而特別開發的。雷射燒結可實現高精度，這意味著接頭的絲狀結構可以毫無問題地實現。透過 igus® 的快速3D 列印服務，手指接頭可以快速且符合成本效益地製作完成，並可立即使用。

這些手指是由日本九州大學的教授 Jumpei Arata 設計的：三根細長的不鏽鋼片彈簧彼此相疊，並由四根塑膠鏈條連接。一條 Bowden 電纜連接到中央彈簧 - 如果電纜向前移動，手指就會閉合；如果電纜向後拉，手就會打開。直流馬達可拉伸和彎曲片彈簧，並在抓取動作中支撐病人。"ETHZ 健康科學與技術部研究員 Jan Dittli 表示，外骨骼在"," 每根手指可施加六牛頓的力量。"三個已實現的抓手足以提起重達約 500 克的物件 - 例如一個 0.5 公升的水瓶。"

使用感應腕帶穿戴外骨骼，並以皮帶固定在手指上。當病人用手做動作時，腕帶就會將肌電（EMG）訊號傳送至微型電腦。這台迷你電腦與馬達、電池和控制電子裝置一起放在背包中，並連接到手部模組。如果穿戴者想要做抓握動作，電腦就會識別，進而啟動直流馬達。

在開發過程中，研究人員遇到了一個挑戰：手指關節太細。 這些元件不僅能將片彈簧固定在一起，還具備皮革錶帶的絲狀關閉裝置。將錶帶穿入的搭扣幾乎不寬於一毫米。使用 ABS 絲材的 3D 印表機製作手背 - 製作過程與材質都證實不適合製作手指關節。"Dittli 說：「使用這種材料，接頭與板簧之間的摩擦力會太大"," 。"因此，我們在移動手指時會損失太多能量。" 傳統 3D 印表機的解析度也不足以實現手指關節的詳細結構。

igus® 的快速成型製造技術中找到了這個問題的解決方案：自潤滑 SLS 材料 iglidur® i6 是專為生產摩擦應力零件而開發的，可成功用於生產手指接頭。 iglidur® i6 最初是為生產機器人接頭的蝸桿而開發的。iglidur® i6 在 igus® 測試實驗室證明了其作為耐用功能零件的適用性：由這種耐磨的 iglidur® 塑料製成的燒結齒輪與由 POM 製成的碾磨齒輪在相同條件下進行了兩個月的測試。POM 製成的齒輪在 321,000 次循環後已出現嚴重磨損，並在 621,000 次循環後失效。

相較於金屬，塑膠 iglidur® i6 特別輕，因此非常適合應用在對重量要求較低的領域。對 ETHZ 的研究人員來說，這是一項重要的優勢，因為只有足夠輕巧的外骨骼才能在日常生活中證明自己的存在價值。手指關節由 iglidur® i6 製成，手部模組僅重 148 克。塑膠中加入的固體潤滑劑使元件不需要潤滑，因此可支援先進治療應用的簡易操作。

雷射燒結這種製造方法不僅非常適合複製複雜的幾何形狀和精巧的結構，也提供了以低成本生產小批量和一次性產品的可能性。RELab tenoexo 外骨骼就是如此，因為它們可以為個別病患量身訂做。"我們開發了一套演算法，只需點擊幾下，就能讓外骨骼的數位模型適應病患手掌的大小。"

無論是在產品開發或功能性零件的生產上：速度為企業帶來了市場優勢，也為客戶帶來了更快的問題解決方案。只要將所需手指關節的 3D 模型上傳至我們的 線 上 3D 列印服務 ，ETHZ 科學家就能在幾分鐘內訂購所需的零件。實際的製作過程通常在一夜之間完成，而完成的手指關節只需幾天就能安裝並用於治療目的。在定制小批量生產方面，沒有其他製造過程能在速度和成本效益方面與 3D 列印相媲美。

但是 3D 打印零件是否適合作為最終應用中的功能性零件，還是仍然只能滿足於快速提供原型的溫和角色？我們對我們材料的性能深信不疑：由 iglidur® 塑料製成的快速成型部件已被 我們的客戶 用作許多其他 應用 中的功能性系列部件。