低摩擦、軽量、オーダーメイド - 治療用途に3Dプリント製パーツを素早く製造

• 要望：外骨格用の指関節
• 製造方法：レーザー焼結パウダーを用いたレーザー焼結法
• 要件：低摩擦係数、耐摩耗性、軽量、高精度
• 材質：イグリデュールI6
• 産業：医療分野
• メリット：短納期、お客様専用の機能部品を低コストで製造

ドイツ脳卒中協会によると、ドイツでは2分に1人の割合で人々が脳卒中を起こしています。チューリッヒ工科大学（ETHZ大学）では、脳卒中を起こした患者が物をつかむ動作を簡単に再習得できるように、RELab tenoexoという手の外骨格を開発しました。これを使用すれば日常生活の80%までの動作を行うことができます。この3Dプリント製の指骨は高機能樹脂のイグリデュールI6で製造されているため、力が最適に伝達します。

高性能ポリマーイグリデュールI6を用いた3Dプリント製の指骨は、脳卒中患者の治療用の外骨格に使用されています。 (出典: チューリッヒ工科大学 ステファン・シュネラー)

問題点

従来の3Dプリンターで指関節を製造すると、解像度が足りないため必要な指骨の構造を作り出すことができませんでした。 このパーツは、複数の板ばねをまとめる役割に加えて、革ストラップの複雑なロック機構にもなります。 ストラップを通すバックルは、幅が１mmほどしかありません。3Dプリンター用材料のABSフィラメントは、関節と板ばね間の摩擦が大きくエネルギーロスが多いため、適していないことが分かりました。 

解決方法

チューリッヒ工科大学は、イグリデュールI6を知ります。この樹脂材質はトライボロジーに基づいて最適化されており、必要なパーツに適していることが分かりました。SLSパウダーは可動用途での摩擦を低減するために特別に開発されたものです。レーザー焼結法により高精度のため、関節の複雑な構造も作ることができます。   イグスの3Dプリントサービスによって、指関節が迅速かつ低コストで製造でき、すぐに使用可能となりました。

手の外骨格の構造と仕組み

指部分の設計は九州大学の荒田純平教授によるものです。ステンレス製の薄い板ばねが３つ重なっており、４つの樹脂製リンクで接続しています。  真ん中のばねにはボーデンケーブルが付いており、前に動かせば指が閉じ、後ろに引けば手が開く構造になっています。  DCモーターが板ばねを伸縮させ、患者が握る動作をするときにサポートします。  ｢この外骨格は、1本の指につき6ニュートンの力が働きます｣とチューリッヒ大学健康科学・技術部のヤン・ディトリ研究員は言います。 ｢3本の指で握る動作をすれば、0.5リットルの水筒など最大約500gの物体を十分に持ち上げられます｣   
 
外骨格はセンサー付きリストバンドで手首に固定され、革ベルトでそれぞれの指に取り付けられます。 患者が手を動かすと、リストバンドが筋電図(EMG)の信号をマイクロコンピュータに送信します。 マイクロコンピュータはモーター、バッテリー、制御電子機器と一緒にリュックサックに入っており、リュックはハンドモジュールに接続しています。  装着者が握る動作をしようとすると、コンピュータが検知してDCモーターを作動させます。
 
研究者たちは開発過程で、繊細な指の関節に関して課題に直面しました。  指の関節部分は、板ばねをまとめるだけではなく、革ストラップの複雑なロック機構にもなります。 ストラップを通すバックルは、幅が１mmほどしかありません。手の甲の部分はABSフィラメントを使用し3Dプリンターで製造していましたが、指関節にはその製造方法や材質が適していないことが分かりました。  ｢その材質だと、関節と板ばね間の摩擦が大きすぎたのです｣とディトリ氏は話します。 ｢結果、指を動かす時にかなりのエネルギーロスがありました。｣  通常の3Dプリンターの解像度では、指骨の複雑な構造を再現することができないことが判明します。 
 

外骨格のハンドモジュールの重さはわずか148グラム (出典 チューリッヒ工科大学 ステファン・シュネラー)

イグリデュールI6 - 低摩擦用途に最適な3Dプリント用ポリマー

イグスの積層造形の技術がこの問題を解決します。無潤滑のSLS材質イグリデュールi6は、摩擦を伴う部品向けに特別に開発されたもので、それを使用することで指関節の製造に成功しました。イグリデュールi6は、元はロボット関節に取り付けるウォームホイール製造のために開発されました。繊細なディテールと精密な表面を持つ部品の製造に最適で、優れた弾力性と耐摩耗性を備えています。イグス試験施設でのイグリデュールi6を用いた試験により、耐久性機能部品としての適合性が証明されています。耐摩耗性ポリマーであるイグリデュール製の焼結ギアを、機械加工のPOM製ギアと同条件で2か月間試験しました。POM製ギアは321,000サイクルで激しい摩耗の兆候が見られ、621,000サイクルで完全に破損しました。一方、イグリデュールi6製ギアは100万サイクルを超えた後も機能し、わずかな摩耗の兆候が見られただけでした。

高性能ポリマーイグリデュールI6製の精巧な指骨。3つの板ばねを1つにまとめて支えます (出典: チューリッヒ工科大学 ステファン・シュネラー)

医療分野での用途に最適な無潤滑のポリマー

金属と比べてイグリデュールI6は非常に軽量なため、軽量化が重視される用途に適しています。  外骨格を日常的に使用するには、軽量、コンパクトであることが求められるため、ETHZの研究者にとっては重要な利点です。 イグリデュールI6製の指関節を取り付けたハンドモジュールの重さは、たった148グラムです。 ポリマーに配合された固体潤滑剤によって部品への外部潤滑が不要なため、先進治療に取り入れやすい材質です。  
 
レーザー焼結は、複雑な形状や繊細な構造の再現に適しているだけでなく、少量生産や一点物の部品を低コストで製造することができます。 各患者に合わせて調整可能なため、外骨格のRELab tenoexoにも適しています。  ｢マウスを数回クリックするだけで、外骨格のデジタルモデルを患者の手の大きさに合わせることができるアルゴリズムを開発しました。 ｣ 

高性能ポリマーイグリデュールI6を用いた3Dプリント製の関節は、軽量で、オーダーメイドで容易に素早く製造することができます (出典: チューリッヒ工科大学 ステファン・シュネラー)

製品開発や機能部品の製造において、スピードは企業に市場優位性をもたらし、顧客の問題をより迅速に解決します。ETHZの研究者たちは、必要な指関節の3Dデータを当社の3Dプリントサービス オンラインツールにアップロードすることで、必要なパーツを数分で発注することができます。実際の製造は通常ひと晩で行われます。数日後には完成した指関節が取り付けられ、その後治療用に使用することができます。カスタマイズされた少量製造の場合、3Dプリントが最も早く、低コストの製造方法です。

しかし3Dプリントの部品は、一般的な機能部品としても最適なのでしょうか、それとも素早く入手できる試作品としてしか採用されないのでしょうか。私たちは当社の材質性能に自信を持っています。イグリデュール材質製の積層造形部品には、量産の機能部品として採用された、その他多くのお客様の事例があります。

機能部品の3Dプリント: 治療用外骨格向けイグリデュールI6製の指関節 (出典: チューリッヒ工科大学 ステファン・シュネラー)