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

• **何が必要だったのか：**外骨格用の指関節
• **製造工程：**SLS粉末による選択的レーザー焼結
• **要件：**低摩擦係数、耐摩耗性、軽量、精度
• **素材：**イグリデュール® i6
• 業界医療産業
• コラボレーションによる成功迅速な納品、カスタマイズされた機能部品のコスト効率に優れた生産

ドイツ脳卒中協会によると、ドイツでは2分に1人が脳卒中に苦しんでいる。スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETHZ）は、脳卒中後の再把持の習得を容易にするため、日常動作の80％をカバーする手の外骨格「RELab tenoexo」を開発した。高性能プラスチックiglidur® i6から作られた3Dプリント指関節は、最適な動力伝達を保証する。

3Dプリンターの解像度は、指の関節の構造を実現するのに十分なものではなかったからだ。これらの部品は板バネを支えるだけでなく、革ひもを通すためのフィリグリー（線細工）のロック機構も備えている。ストラップを通すバックルの幅は、かろうじて1ミリより小さい。ABSフィラメントは、関節と板バネの間の摩擦が大きすぎて、エネルギーが大きく失われるため、印刷材料としては適さないことが判明した。

イグリデュール® i6、ETHZはトライボロジー的に最適化されたプラスチックを発見し、必要な部品に理想的であることを証明した：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。レーザー焼結は高精度を可能にするため、接合部のフィリグリー構造も問題なく実現できる。イグスの高速3Dプリントサービス（® ）により、フィンガージョイントは迅速かつコスト効率よく製造され、すぐに使用できるようになりました。

指は九州大学の荒田順平教授がデザインしたもので、薄いステンレス製の板バネが3枚重なっており、4本のプラスチック製リンクでつながっている。中央のバネにはボーデンケーブルが取り付けられており、これを前方に動かすと指が閉じ、後方に引くと手が開く。DCモーターがリーフスプリングを伸ばしたり曲げたりして、患者をつかむ動きをサポートする。"この外骨格は指1本あたり6ニュートンの力を" 、" 、ETHZ健康科学技術学部の研究者ヤン・ディットリは言う。"この3つのグリップは、0.5リットルの水筒など、約500グラムまでの物体を持ち上げるのに十分である。"

外骨格は、センサーのリストバンドを使って装着し、革ひもを使って指に取り付ける。患者が手を動かすと、リストバンドから筋電図（EMG）信号がミニコンピューターに送信される。これはモーター、バッテリー、制御電子機器とともにリュックサックに収納され、ハンドモジュールに接続される。装着者が握る動作をしようとすると、コンピューターがそれを認識し、DCモーターを作動させる。

開発中、研究者たちは細かい指の関節という難題にぶつかった。 このエレメントはリーフスプリングを支えるだけでなく、レザーストラップを閉じるためのフィリグリー（線細工）機構も備えている。ストラップを通すバックルの幅は1ミリにも満たない。手の甲の製作には、ABSフィラメントを使用した3Dプリンターが使われたが、製造工程も素材も指の関節の製作には適さないことが判明した。"この素材では、関節と板バネの間の摩擦が高すぎたのです」" 、" とディトリは言う。"その結果、指を動かす際のエネルギーが失われすぎてしまうのです」。" 従来の3Dプリンターの解像度も、指の関節の詳細な構造を実現するには十分でないことが判明した。

この問題の解決策は、イグス® の積層造形にあった：® イグリデュール® i6 はもともと、ロボット関節用のウォームギアの製造用に開発されたものです。イグリデュール® i6は、イグス® テストラボにおいて、耐久性のある機能部品としての適性を証明した：この耐摩耗性イグリデュール® プラスチック製の焼結ギアを、POM製のフライスギヤと同じ条件で2ヶ月間試験しました。POM製のギアは、321,000サイクルですでに激しい摩耗を示し、621,000サイクルで破損した。

金属とは対照的に、プラスチック製のイグリデュール® i6は特に軽量であるため、低重量が重要視される用途に最適である。ETHZの研究者にとって重要な利点は、軽量でコンパクトなエキソ・スケルトンだけが、日常生活でもその能力を発揮できるということだ。イグリデュール® i6製の指関節で、ハンドモジュールの重量はわずか148グラムである。プラスチックに組み込まれた固体潤滑剤により、エレメントの潤滑が不要になり、高度な治療アプリケーションの容易な取り扱いをサポートします。

製造方法としてのレーザー焼結は、複雑な形状や繊細な構造の再現に理想的に適しているだけでなく、小ロットや一品生産のコスト効率にも優れている。RELabテノエキソ外骨格は、個々の患者に合わせてカスタマイズすることができるため、このようなケースに当てはまります。"私たちは、外骨格のデジタルモデルを数回のクリックで患者の手のサイズに適合させるアルゴリズムを開発しました。"

製品開発においても、機能部品の生産においても：スピードは企業に市場優位性をもたらし、顧客には問題に対する迅速な解決策をもたらします。必要な指関節の3Dモデルを当社のオンライン3Dプリントサービスにアップロードすれば、ETHZの科学者は数分以内に必要なパーツを注文することができます。実際の製造は通常一晩で行われ、完成した指関節はわずか数日後に取り付けて治療目的に使用することができる。カスタマイズされた小シリーズの製造に関して、3Dプリントのスピードとコスト効率に迫る製造プロセスは他にない。

しかし、3Dプリンターで作られた部品は、最終的な用途における機能部品として適しているのだろうか、それとも、すぐに利用できるプロトタイプという控えめな役割で満足しなければならないのだろうか。イグリデュール（® ）プラスチック製の積層造形部品は、機能的なシリーズ部品として、その他多くの用途に使用されています。