От идеи к проекту: 3D-печать в экзоскелетах

В течение последних нескольких лет доктор Мэтью Дикинсон, старший преподаватель Университета Центрального Ланкашира (UCLan), участвовал в конкурсе "Медаль МакРоберта для начинающих инженеров". В рамках этой инициативы, Мэтью, в партнерстве с местным студентом, провел исследование с использованием 3D-принтеров Ultimaker, результаты которого были отмечены на конференции UN COP26.

Будучи убежденным сторонником поощрения молодых людей к нестандартному мышлению, Мэтью является активным сторонником премии, которая отмечает инновации молодых людей, связывая их с университетами для воплощения их идей в жизнь. Когда Кристина Маршалл, 15-летняя ученица из Общественного колледжа имени сэра Джона Терсби в Бернли, приняла участие в конкурсе с идеей помочь детям в передвижении, Мэтью понял, что эта идея особенная.

Кристина представила свою идею после того, как увидела трудности своего двоюродного брата, живущего со спинальной мышечной атрофией (СМА). Кристина хотела предложить идею, которая обеспечит поддержку и придаст дополнительную силу мышцам спины и позвоночнику ее двоюродного брата. Кристина предложила куртку для больных спинальной мышечной атрофией (СМА), основанную на идее экзоскелета, и ее изобретение стало одним из трех, получивших золото. Она стала одной из шести человек со всей Великобритании, которые благодаря этой премии были признаны ведущими творческими специалистами в области инженерных инноваций.

Кристина с моделью экзоскелета

Сложность

Установка оболочки SMA на человеческое тело создает множество проблем. Первоначальная идея заключалась в том, чтобы изготовить экзоскелет из алюминия. 

Однако, учитывая темпы роста детей и изменения, которые должны были произойти с экзоскелетом, затраты стали слишком высокими. В поисках альтернативных методов производства Мэтью обратился к 3D-печати. Благодаря производству недорогих 3D-печатных деталей, технология обеспечила высокий уровень персонализации и воспроизводимости, что позволило сделать экзоскелетную куртку решением для профилактики травм и реабилитации.

Экзоскелет — это вспомогательное механическое устройство, надеваемое снаружи для помощи при движении или предотвращения травм.

Используя 3D-принтер Ultimaker 2+, Мэтью разработал экзоскелет первого поколения и начал создавать прототипы из PLA. Его результаты были многообещающими и вдохновили его на дальнейшие разработки, но геометрия, которую он мог спроектировать и напечатать, была ограничена одной экструзионной печатающей головкой Ultimaker 2+.

Движение вперед: создание прототипа экзоскелета

Чтобы преодолеть ограничения c Ultimaker 2+, Мэтью обратился в образовательный проект CREATE.

CREATE Education - это британский реселлер, который работает исключительно с образовательными организациями для поддержки и обеспечения доступа к 3D-печати и технологиям. В рамках своего предложения они познакомили Мэтью со схемой кредитования 3D-принтеров, благодаря которой он смог перейти на другие, более усовершенствованные 3D-принтеры Ultimaker.

3D-принтеры Ultimaker, начиная с самого популярного – Ultimaker 3, обеспечивают двойную экструзию и открывают новые комбинации материалов и возможности, которые помогли продвинуть проект вперед.

Продвигаясь к прототипу второго поколения, он рассматривал 3D-печать с использованием мультиматериалов, таких как нейлон и TPU. С помощью двухэкструдерных 3D-принтеров Ultimaker, Мэтью начал экспериментировать с этими материалами, используя внутреннюю основу из PLA и тестируя материал внешней оболочки из нейлона и TPU, чтобы выяснить, какой из них работает лучше. Мэтью обнаружил, что они могут производить компоненты, которые будут прилегать к человеку и в то же время обеспечивать жесткость благодаря мягкой внешней поверхности и упрочненной внутренней.

В настоящее время Мэтью работает над прототипом третьего поколения и изготовил гораздо более изящный дизайн. Он также провел первое испытание на человеческом теле для поддержки нижних конечностей, и результаты оказались весьма многообещающими.

Используя преимущества экосистемы Ultimaker, Мэтью оптимизировал свою 3D-печать с помощью Ultimaker Digital Factory. Это дало ему возможность печатать удаленно, создавать электронную библиотеку и следить за ходом работы из любого места. Мэтью смог работать над проектом в удобном для него месте и в удобное для него время. Аналитика, доступная в Cura и Digital Factory, предоставляет Мэтью информацию о стоимости материалов и времени печати, что позволяет ему планировать производство экзоскелета и включать снижение затрат в новые итерации.

Результаты 

Благодаря использованию 3D-принтеров Ultimaker, идея Кристины улучшить жизнь ее двоюродного брата прошла путь от концепции и дизайна до создания прототипа и производства всего за шесть месяцев. Мэтью заявил, что без надежности и воспроизводимости Ultimaker в сочетании с программным обеспечением Ultimaker Digital Factory он не смог бы завершить проект за такой короткий период времени. 

После завершения проекта, Кристина, Мэтью и его команда из UCLan были названы инаугурационными лауреатами медали МакРоберта "Первичный инженер 2021 года" на COP26. 

Сейчас Мэтью работает со студентами-медиками UCLan над изучением того, как бактерии могут переноситься на экзоскелет из человеческого тела. Профессора кафедры биомеханики университета также работают над этим проектом, чтобы поддержать его с точки зрения эргономики человека. В настоящее время они работают над прототипом третьего поколения и изготовили гораздо более изящный дизайн. После завершения первого испытания на человеческом теле, поддерживающем нижние конечности, результат оказался очень многообещающим, и вскоре они представят эту конструкцию.

Прототип вспомогательного устройства, изготовленный с помощью напечатанных на 3D-принтере деталей

Помимо работы Мэтью в сфере образования, он также стал председателем подкомитета Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM). В настоящее время он консультирует по международным стандартам экзоскелетов, чтобы обеспечить их безопасное производство для использования человеком. Его участие в работе ASTM позволило ему взаимодействовать с международными организациями, такими как Ford, Boeing, NASA и Космическое агентство Великобритании. 

Благодаря совместным усилиям Мэтью и ASTM, технология, лежащая в основе экзоскелетов, внедряется и преподается студентам в Великобритании и США. Их цель - просветить и вдохновить студентов о преимуществах экзоскелетов для человека. Для этого они подготовили 5 коротких 10-минутных эпизодов с интервью с профессионалами отрасли, а также проект и задание на создание собственного экзоскелета. Задача была создана Мэтью, и теперь это делает внедрение 3D-печати в школах более доступным. 

Мэтью надеется, что в недалеком будущем доступность экзоскелетов резко возрастет. По его прогнозам, 3D-печать будет использоваться всеми желающими для замены деталей в домашних условиях, чтобы помочь им меньше зависеть от ожидания деталей от производителя.

 Если Вы заинтересованы в создании собственного скелета, вы можете скачать все детали здесь.

Будем держать Вас в курсе последних новостей!

Ваша команда iGo3D Russia

Наши группы в социальных сетях:

Telegram

VKontakte

YouTube