3D-gedruckte Fingergelenke vervollständigen das Exoskelett, um Schlaganfall-Patienten zu helfen

Die Deutsche Schlaganfall-Gesellschaft hat bekannt gegeben, dass alle 2 Minuten ein Mensch in Deutschland einen Schlaganfall erleidet. Bei einem Schlaganfall kommt es zu plötzlichen Ausfällen bestimmter Funktionen des Gehirns, die aufgrund einer Durchblutungsstörung des Gehirns oder einer Blutung einsetzen. Leider bleiben diese Ausfallerscheinungen, wie Lähmungen oder Störungen in der Bewegung und Sprache, oft auch noch nach dem Schlaganfall erhalten. Betroffene werden daher in der Rehabilitation von Physiotherapeuten unterstützt, um Bewegungen neu zu erlernen. Im Fall einer Bewegungsstörung der Hand wird beispielsweise das Greifen von Dingen trainiert. Zur Unterstützung des Trainings, entwickelten Forscher der ETH Zürich das Exoskelett. Um eine optimale Kraftübertragung zu ermöglichen, stellte igus, ein Kölner Unternehmen, das seit Jahrzehnten Bauteile aus Hochleistungskunststoff für die Industrie entwickelt, 3D-gedruckte Fingergelenke für das Exoskelett her.

Wie funktioniert das Exoskelett?

Das Exoskelett besteht aus einem Handmodul, einem Sensorarmband und einem Rucksack. Das Handmodul wird mit hilfe von Lederriemen an der Hand des Patienten befestigt, während er das Armband und den Rucksack wie gewohnt trägt. Wenn der Patient zu einer Bewegung ansetzt, leitet das Armband elektromyografische (EMG) Signale an einen Minicomputer, der sich mit Motoren, Batterien und der Steuerelektronik im Rucksack befindet, weiter. Dieser erkennt anhand der eingehenden Daten, dass der Patient eine Greifbewegung ausführen möchte und aktiviert die Motoren. Die Motoren strecken und beugen die Blattfedern, welche die Finger des Exoskeletts darstellen. „Pro Finger bringt das Exoskelett eine Kraft von sechs Newton auf“, sagt Jan Dittli, Forscher am ETHZ-Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie. Damit soll das Exoskelett 80% der täglichen Bewegungen abdecken. 

Mit dem Exoskelett soll der Patient bis zu 500 Gramm heben können. | Bildnachweis: Stefan Schneller (ETH Zürich)

FDM-Druck eignete sich nicht für alle Komponenten

Damit sich das Exoskelet für den täglichen Bedarf eignet, griffen die Forscher auf die additive Fertigung zurück, um das Gewicht zu reduzieren. Der FDM-Druck ist aufgrund seiner vergleichsweise geringen Kosten, seiner einfachen Handhabung und Schnelligkeit vor allem fürs Rapid Prototyping geeignet. So kam er auch bei der Prototypenentwicklung des Exoskeletts zum Einsatz. Aus ABS wurden sowohl der Handrücken, als auch die Fingergelenke gedruckt, allerdings mit unterschiedlichen Ergebnissen. Während sich die FDM-Technologie und das Material für den Handrücken als geeignet erwiesen, waren beide aufgrund der anspruchsvollen Funktionsweise für die Fingergelenke unzureichend. Zum einen halten die Fingergelenke die drei übereinander liegenden dünnen Blattfedern aus rostfreiem Stahl zusammen, zum anderen verfügen sie über einen Schließmechanismus für die Lederriemen. Aus ABS 3D-gedruckte Fingergelenke erzeugten zu viel Reibung wie Dittli erklärt: “Die Reibung zwischen den Gelenken und den Blattfedern wäre bei diesem Material zu hoch gewesen. Dadurch wäre uns bei der Bewegung der Finger zu viel Energie verloren gegangen.“ Außerdem konnte der FDM-Drucker die Fingergelenke nicht mit der erforderlichen Auflösung drucken. Aus diesem Grund wandten sich die Forscher an igus.

Links sind die einzelnen Komponenten eines Fingers zu sehen, links die Blattfedern und rechts die aus Iglidur I6 gedruckten Fingergelenke. Rechts sieht man den fertig montierten Finger. | Bildnachweis: Stefan Schneller (ETH Zürich)

3D-gedruckte Fingergelenke aus Hochleistungskunststoff

Durch igus 3D-Druckservice erhielten die Forscher Zugriff auf das Selektive Lasersintern (SLS) und den von igus entwickelten Hochleistungskunststoff iglidur I6. Mit dem SLS-Druck war es möglich die feine Struktur der Fingergelenke ohne Stützstrukturen herzustellen, so dass man diese ohne Nachbearbeitung direkt einsetzen kann. Außerdem lassen sich die Exo-Skelette damit kostengünstig individuell an den Patienten anpassen, wie Dittli hervorhebt: „Wir haben einen Algorithmus entwickelt, um das digitale Modell des Exoskeletts mit wenigen Klicks an die Handgröße des Patienten anzupassen.“ Dieses Modell kann dann bei igus hochgeladen werden, wird i.d.R. über Nacht gedruckt, so dass die 3D-gedruckten Fingergelenke bereits nach wenigen Tagen verbaut und eingesetzt werden können.

Dank iglidur I6 verfügen die 3D-gedruckten Fingergelenke außerdem über die erforderte Zähigkeit und Abriebfestigkeit, da es tribologisch optimiert ist und speziell für bewegte Anwendungen entwickelt wurde. Zudem integriert das SLS-Pulver Festschmierstoffe, was eine einfache Handhabung begünstigt, da keine Komponenten geschmiert werden müssen. Laut igus soll die Lebensdauer des Materials aufgrund seiner Eigenschaften daher von keinem anderen Kunststoff zu schlagen sein.

Auf diese Weise kann ein Exoskelett schnell, kostengünstig und leicht gedruckt werden. So soll das Handmodul gerade mal 148 Gramm wiegen und der Rucksack 720 Gramm, was ein entscheidender Vorteil gegenüber zu bisherigen Lösungen ist. Dittli erläutert: „Viele Exoskelette, die in der Rehabilitation zum Einsatz kommen, sind derzeit nicht tragbar. Unsere Lösung hingegen ist leicht und kompakt genug, um sich auch im Alltag zu bewähren und kann somit den Therapiebereich erweitern.“ Ein Ziel für die Zukunft ist es auf das Sensorarmband zu verzichten und stattdessen Hirnströme zu messen, um die Steuerung über die Gedanken laufen zu lassen. „Das ist allerdings noch Zukunftsmusik.“

Das Exoskelett und seine 3 Komponenten, dem Handmodul, dem Sensorarmband und dem Rucksack | | Bildnachweis: Stefan Schneller (ETH Zürich)

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