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

• Solution requise : phalanges pour un exosquelette
• Mode de fabrication : frittage sélectif par laser avec poudre FSL
• Exigences : faible coefficient de frottement, résistance à l'usure, faible poids, précision
• Matériau : iglidur I6
• Secteur : secteur médical
• Bénéfice de la coopération : livraison rapide, fabrication économique de pièces fonctionnelles sur mesure

Selon l'association allemande pour les accidents vasculaires cérébraux, une personne est victime d'un accident vasculaire cérébral toutes les deux minutes en Allemagne. Afin de réapprendre plus facilement la préhension après un AVC, l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) a mis au point une main exosquelette baptisée RELab tenoexo qui couvre jusqu'à 80% des activités quotidiennes. Des phalanges imprimées en polymère hautes performances iglidur I6 assurent la transmission optimale de la force.

 

Des phalanges imprimées en polymère hautes performances iglidur I6 sur un exosquelette thérapeutique pour patients victimes d'un AVC. (Source : Stefan Schneller, EPF Zurich)

Problème

La fabrication des phalanges avec une imprimante 3D classique s'avérait difficile, la résolution de l'appareil n'étant pas encore suffisante pour réaliser la structure des phalanges. Ces composants retiennent les ressorts à lames et ils disposent aussi d'un mécanisme de fermeture très fin pour une sangle en cuir. La largeur de la boucle dans laquelle passe la sangle dépasse tout juste un millimètre. L'impression avec un filament ABS s'est avérée inadaptée, le frottement entre les articulations et les ressorts à lames étant trop élevé et provoquant de ce fait la perte de beaucoup d'énergie. 

Solution

L'EPFZ a alors découvert l'iglidur I6, un polymère optimisé en termes tribologiques qui s'est avéré idéal pour les pièces requises. La poudre FSL a été mise au point spécialement pour réduire le frottement dans les applications en mouvement. Le frittage laser permettant d'obtenir une grande précision, la structure filigrane de l'articulation a pu être réalisée sans problème. Avec le service impression 3D igus rapide, les phalanges ont pu être fabriquées rapidement, à moindres coûts, et être utilisées de suite.

Structure et mode de fonctionnement de la main exosquelette

La conception des doigts vient du professeur japonais Jumpei Arata de l'université de Kyushu : Trois ressorts à lames fins en acier inoxydable sont posés les uns sur les autres et sont reliés par quatre phalanges en polymère. Un câble Bowden est relié au ressort du milieu. Si le ressort se déplace vers l'avant, les doigts se ferment, s'il recule, la main s'ouvre. Des moteurs DC étirent et plient les ressorts à lames et assistent le patient pour les mouvements de préhension. « L'exosquelette dispose d'une force de six Newton par doigt », indique Jan Dittli, chercheur dans le département sciences de la santé et technologie de l'EPFZ. « Les trois préhensions mises en œuvre suffisent pour soulever des objets d'un poids allant jusqu'à 500 grammes environ, comme par exemple une bouteille d'eau de 0,5 litres. »  
 
L'exosquelette est mis en place avec un bracelet à capteurs et fixé aux doigts avec des sangles en cuir. Dès que le patient bouge la main pour faire un mouvement, le bracelet transmet les signaux électromyographiques (EMG) à un mini-ordinateur. Cet ordinateur ainsi que les moteurs, les batteries et l'électronique de commande sont placés dans un sac à dos qui est relié au module main. Dès que le porteur a l'intention de faire un mouvement de préhension, l'ordinateur le détecte et active les moteurs DC.
 
Lors de la mise au point, un elément a donné du fil à retordre aux chercheurs : les phalanges fines. Ces éléments retiennent les ressorts à lames et ils disposent aussi d'un mécanisme de fermeture très fin pour la sangle en cuir. La largeur de la boucle dans laquelle passe la sangle ne dépasse guère un millimètre. Pour la fabrication du dos de la main, il a été fait appel à une imprimante 3D et à un filament en ABS. Le procédé de fabrication et le matériau se sont tous deux avérés inadéquats pour la fabrication des phalanges. « Le frottement entre les articulations et les ressorts à lames était trop élevé sur ce matériau », déclare Jan Dittli. « Nous aurions perdu trop d'énergie lors du mouvement des doigts. » La résolution d'une imprimante 3D courante s'est elle aussi avérée insuffisante pour réaliser la structure détaillée des phalanges. 
 

Le module main de l'exosquelette ne pèse que 148 grammes (source : Stefan Schneller, EPF Zurich)

iglidur I6, le meilleur polymère pour imprimer des pièces à faible frottement

La solution à ce problème a été trouvée dans la fabrication additive igus. Le matériau FSL iglidur i6 autolubrifiant mis au point pour la fabrication de pièces sollicitées en termes de frottement s'est révélé adapté pour la fabrication des phalanges. A l'origine, l'iglidur i6 avait été mis au point pour la fabrication de roues hélicoïdales pour les articulations des robots. Il est très bien adapté à la fabrication de pièces avec des détails fins et des surfaces précises et se distingue par une grande résistance à l'usure. L'iglidur i6 a prouvé qu'il pouvait parfaitement être utilisé pour des pièces fonctionnelles à longue durée de vie dans le laboratoire de tests igus : une roue dentée réalisée par frittage avec ce polymère iglidur résistant à l'usure a été testée pendant deux mois dans les mêmes conditions qu'une roue dentée fraisée en POM. La roue dentée en POM présentait déjà une forte usure au bout de 321 000 cycles et cassa au bout de 621 000 cycles tandis que la roue dentée en iglidur i6 fonctionnait encore, avec de faibles traces d'usure, après 1 million de cycles. 

Les phalanges fines sont réalisées en polymère hautes performances iglidur I6. Elles maintiennent ensemble les trois ressorts à lames superposés (source : Stefan Schneller, EPF Zurich)

Le polymère autolubrifiant, matériau idéal pour les applications de technique médicale

Le polymère iglidur I6 est beaucoup plus léger que du métal, ce qui en fait le matériau idéal pour les applications où chaque gramme compte. Un avantage important pour les chercheurs de l'EPFZ, les exosquelettes devant absolument être légers et suffisamment compacts pour s'imposer au quotidien. Avec les phalanges en iglidur I6, le module main n'accuse que 148 grammes sur la balance. Les lubrifiants solides incorporés au polymère rendent tout graissage des éléments superflu et facilitent ainsi la manipulation simple de cette application thérapeutique de pointe. 
 
Le frittage laser est une méthode de fabrication idéale pour reproduire des formes compliquées et des structures fines et il permet en plus de fabriquer à moindres coûts de petites séries et des pièces uniques. C'est bien de cela qu'il s'agit dans les exosquelettes RELab tenoexo puisqu'elles peuvent être adaptées au patient. « Nous avons mis au point un algorithme pour adapter le modèle numérique de l'exosquelette à la taille de la main du patient en quelques clics. » 

Les articulations imprimées en polymère hautes performances iglidur I6 sont légères et peuvent être fabriquées sur mesure rapidement et de manière simple (source : Stefan Schneller, EPF Zurich)

La vitesse permet aux entreprises de mieux se positionner sur le marché et aux clients de résoudre leurs problèmes plus facilement, qu'il s'agisse de mise au point de produits ou de fabrication de pièces fonctionnelles. En chargeant le modèle 3D des phalanges requises dans notre service d'impression 3D en ligne, les chercheurs de l'EPFZ peuvent commander les pièces souhaitées en quelques minutes seulement. La fabrication des pièces se fait en règle générale du jour au lendemain et les phalanges peuvent ainsi être montées quelques jours plus tard pour que la thérapie commence. Aucun autre procédé de fabrication ne peut rivaliser avec la vitesse et la rentabilité de l'impression 3D pour la fabrication de petites séries sur mesure.Mais les pièces imprimées peuvent-elles faire des pièces fonctionnelles dans l'application finale ou doivent-elles continuer à se cantonner au modeste rôle de prototypes vite disponibles ? Nous sommes convaincus que nos matériaux sont suffisamment performants. Des pièces réalisées par fabrication additive à partir de polymères iglidur sont utilisées dans de nombreuses autres applications de nos clients comme pièces fonctionnelles de série. 

Impression 3D de pièces fonctionnelles : Phalanges en iglidur I6 pour un exosquelette thérapeutique (source : Stefan Schneller, EPF Zurich)