Faible frottement, faible poids et sur mesure : composants vite imprimés pour le secteur thérapeutique

• Ce qui était nécessaire : Articulations de doigts pour un exosquelette
• Procédé de fabrication : frittage sélectif au laser avec poudre SLS
• Exigences : faible coefficient de frottement, résistance à l'usure, faible poids, précision
• Matériau : iglidur i6
• Secteur : Secteur médical
• Succès grâce à la collaboration : livraison rapide, fabrication économique de pièces fonctionnelles personnalisées.

Selon la société allemande des accidents vasculaires cérébraux, une personne est victime d'un accident vasculaire cérébral toutes les deux minutes en Allemagne. Pour faciliter le réapprentissage de la préhension après un AVC, l'École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) a développé un exosquelette de main appelé RELab tenoexo, qui couvre jusqu'à 80 % des activités quotidiennes. La transmission optimale des forces est assurée par des phalanges imprimées en 3D en matière plastique haute performance iglidur i6.

La fabrication des articulations des doigts avec une imprimante 3D classique s'est avérée difficile, car la résolution de l'appareil n'est pas assez élevée pour réaliser la structure des phalanges. Ces composants ne maintiennent pas seulement la lame de ressort, mais disposent également d'un mécanisme de fermeture filigrane pour une lanière de cuir. La boucle dans laquelle la courroie est enfilée est à peine plus large qu'un millimètre. Le filament ABS utilisé comme matériau d'impression ne convenait pas, car le frottement entre les articulations et les ressorts à lames était trop élevé, ce qui entraînait une perte d'énergie importante.

Avec l'iglidur i6, l'EPFZ a trouvé une matière plastique optimisée sur le plan tribologique, qui s'est avérée idéale pour les composants nécessaires : la poudre SLS a été spécialement développée pour réduire le frottement dans les applications en mouvement. Le frittage laser permet une grande précision, ce qui permet de réaliser sans problème la structure filigrane de l'articulation. Grâce au service d'impression 3D rapide d'igus, les articulations des doigts ont pu être fabriquées rapidement et à moindre coût et étaient immédiatement prêtes à l'emploi.

Le design des doigts a été conçu par le professeur japonais Jumpei Arata de l'université de Kyushu : trois minces ressorts à lames en acier inoxydable se superposent et sont reliés par quatre maillons en plastique. Un câble Bowden est fixé au ressort central - lorsqu'il est déplacé vers l'avant, les doigts se ferment, lorsqu'il est retiré, la main s'ouvre. Des moteurs DC étirent et fléchissent les ressorts à lames et aident le patient dans ses mouvements de préhension. "Pour chaque doigt, l'exosquelette exerce une force de six newtons sur", explique Jan Dittli, chercheur au département des sciences et technologies de la santé de l'EPFZ. "Les trois poignées implémentées suffisent à soulever des objets jusqu'à environ 500 grammes - comme une bouteille d'eau de 0,5 litre."

L'exosquelette est habillé par un bracelet capteur et fixé aux doigts par des lanières de cuir. Lorsque le patient fait un mouvement de la main, le bracelet transmet des signaux électromyographiques (EMG) à un mini-ordinateur. Celui-ci, ainsi que les moteurs, les piles et l'électronique de commande, se trouvent dans un sac à dos relié au module de la main. Si le porteur a l'intention d'effectuer un mouvement de préhension, l'ordinateur le détecte, ce qui active à son tour les moteurs DC.

Lors du développement, les chercheurs se sont heurtés à un défi : la finesse des articulations des doigts. Ces éléments ne maintiennent pas seulement les ressorts à lames, mais disposent également d'un mécanisme de fermeture filigrane pour la courroie en cuir. La boucle dans laquelle est enfilée la courroie est à peine plus large qu'un millimètre. Pour la fabrication du dos de la main, une imprimante 3D a été utilisée avec un filament ABS - tant le procédé de fabrication que le matériau se sont révélés inadaptés à la fabrication des articulations des doigts. "Le frottement entre les articulations et les ressorts à lames aurait été trop élevé avec ce matériau", explique Dittli. "Nous aurions ainsi perdu trop d'énergie lors du mouvement des doigts." La résolution d'une imprimante 3D ordinaire ne s'est pas non plus révélée assez élevée pour réaliser la structure détaillée des phalanges.

La solution à ce problème a été trouvée dans la fabrication additive d'igus : le matériau SLS autolubrifiant iglidur i6, spécialement développé pour la fabrication de pièces soumises à des frottements, a pu être utilisé avec succès pour la fabrication des articulations des doigts. iglidur i6 a été développé à l'origine pour la fabrication de roues à vis sans fin pour les articulations de robots. Il convient particulièrement bien à la fabrication de pièces aux détails fins avec des surfaces précises et se caractérise par une ténacité et une résistance à l'abrasion élevées. L'iglidur i6 a prouvé son aptitude à être une pièce fonctionnelle durable dans le laboratoire d'essai d'igus : une roue dentée frittée en ce plastique iglidur résistant à l'abrasion a été testée pendant deux mois dans les mêmes conditions qu'une roue dentée usinée en POM. La roue dentée en POM présentait déjà une forte usure après 321 000 cycles et est tombée en panne après 621 000 cycles, undefined.

Contrairement au métal, le plastique iglidur i6 est particulièrement léger, ce qui le prédestine à être utilisé dans des applications où la légèreté est essentielle. Un avantage important pour les chercheurs de l'EPFZ, car seuls les exo-squelettes suffisamment légers et compacts peuvent faire leurs preuves au quotidien. Avec les articulations des doigts en iglidur i6, le module de la main ne pèse que 148 grammes. Les lubrifiants solides incorporés dans le plastique rendent inutile la lubrification des éléments et favorisent ainsi la simplicité d'utilisation de cette application thérapeutique avancée.

Le frittage laser en tant que méthode de fabrication est non seulement idéal pour reproduire des géométries complexes et des structures fines, mais il offre également la possibilité de fabriquer des petites séries et des pièces uniques à moindre coût. C'est le cas des exosquelettes RELab tenoexo, car ils peuvent être adaptés individuellement aux patients. "Nous avons développé un algorithme permettant d'adapter le modèle numérique de l'exosquelette à la taille de la main du patient en quelques clics."

Que ce soit dans le développement de produits ou dans la fabrication de pièces fonctionnelles : La vitesse apporte aux entreprises des avantages sur le marché et aux clients des solutions plus rapides à leurs problèmes. En téléchargeant le modèle 3D des articulations de doigts nécessaires dans notre service d'impression 3D en ligne, les scientifiques de l'EPFZ peuvent commander les pièces requises en quelques minutes. La fabrication proprement dite se fait généralement en une nuit et les articulations de doigts terminées peuvent ainsi être montées et utilisées à des fins thérapeutiques après quelques jours déjà. Aucun autre procédé de fabrication n'atteint la vitesse et la rentabilité de l'impression 3D lorsqu'il s'agit de produire des petites séries individuelles.

Mais les pièces imprimées en 3D sont-elles adaptées comme pièces fonctionnelles dans l'application finale ou doivent-elles continuer à se contenter du rôle modeste de prototypes rapidement disponibles ? Nous sommes convaincus de la performance de nos matériaux : les composants fabriqués par fabrication additive à partir de matières plastiques iglidur sont utilisés comme pièces fonctionnelles de série dans de nombreuses autres applications de nos clientes et clients.