Herausforderungen

Bei der Arbeit für Prensilia benötigte Elastico Disegno für das Design und die Ästhetik seiner Roboterarme eine hochentwickelte 3D-CAD-Software, mit der sich die Produktentwicklung durch die Konstruktion mechanischer und anatomischer Teile in einer einzigen Umgebung beschleunigen ließ.

Lösungen

  • Computer-Aided Design (CAD)
  • Creo

Dank der Designfreiheit und der hochwertigen Materialien der HP Jet Fusion 3D-Drucklösungen konnten Prensilia und Elastico Disegno eine Roboterhand namens „Mia“ entwickeln.

 


 

Einleitung

Prensilia ist ein 2009 gegründeter Ableger der Scuola Sant'Anna di Pisa, der künstliche Hände herstellt und diese an Unternehmen vertreibt, die sich auf Prothesen und Forschung spezialisiert haben.

Durch ihren wissenschaftlichen Forschungshintergrund profitieren die Mitglieder des Prensilia-Teams von der Kombination aus Wissenschaft und Wirtschaft. Dies mach Prensilia zu einem der wenigen profitablen Unternehmen im Bereich der Prothetik in kleinen Stückzahlen, das jährlich Dutzende von Einheiten mit außergewöhnlichen Funktionalitäten und ästhetischen Ansprüchen produziert. Elastico Disegno ist ein Design- und Innovationsberatungsunternehmen, das 1998 in Turin (Italien) gegründet wurde.

Elastico Disegno wurde von Prensilia beauftragt, das Design und die Ästhetik ihrer Roboterarme zu verbessern, und unterstützte Prensilia dabei, den 3D-Druck zur Beschleunigung der Produktentwicklung umfassend einzusetzen.

Herausforderung

Im Jahr 2012 setzte sich Prensilia das Ziel, eine Roboterhand zu entwickeln, die leicht, extrem praktisch, ästhetisch ansprechend und, zum Schutz der internen mechanischen und elektronischen Komponenten des Geräts, strukturell robust sein sollte. Das Produkt sollte zu minimalen Kosten für die Kleinserienproduktion entstehen. Für eine solche Herausforderung musste Elastico Disegno im Auftrag von Prensilia die Einschränkungen traditioneller Produktionsmethoden und anderer filamentbasierter 3D-Drucktechnologien lösen. Dies umfasst beispielsweise die Schwierigkeit, die äußeren Abdeckungen perfekt an die Form der inneren Mechanik anzupassen und gleichzeitig eine außergewöhnliche Oberflächenqualität zu gewährleisten.

Die Gestaltung der Handform und des Innendesigns, das sich an die internen Komponenten anpassen muss, erforderte eine sehr anspruchsvolle 3D-CAD-Software, wie PTC Creo. Elastico Disegno entschied sich für den Einsatz von PTC Creo,

da mit der Lösung mechanische und anatomische Teile in einer einzigen Umgebung konstruiert werden können. So kann die Entwicklung beschleunigt und die Anzahl der notwendigen Komponenten minimiert werden. Das Produkt kann flexibel dimensioniert werden, um sich an eventuelle Änderungen der Komponenten anzupassen. Es ist eine direkt Kommunikation mit den technischen Entwicklungsabteilungen und ein einfacher Datenaustausch mit dem Kunden möglich. So können die Designiterationen beschleunigt werden.

Das Ergebnis des Projekts sind anatomische Teile, die stabil genug sind, um die mechanischen Teile zu schützen und strukturell zu stützen. Komplexe Geometrien lassen sich an die mechanischen Komponenten von Mia anpassen, ohne das Erscheinungsbild zu beeinträchtigen. Schnelle Iterationen und eine schnelle sowie kostengünstige Produktion für limitierte Serien sind möglich.

Lösung

Mia verfügt über Titansensoren, die auf ein transradiales Implantat zwischen dem Ellbogen und dem Handgelenk aufgesetzt sind. Die Kabel und Elektroden, die die Muskeln und Nerven verbinden, verlaufen durch die beiden Unterarmknochen (Elle und Speiche) bis zur Roboterhand. Diese gibt die von den Fingern erfassten Informationen zurück, was die Bewegung verbessert.

Die mit PTC Creo verfügbaren „Freestyle“-Modellierungsfunktionen ermöglichten ein einfaches Design des anatomischen Teils, das die menschliche Form und Proportionen sowie die Konsistenz vom Konzept über das Design bis zum Endprodukt sicherstellt.

Aufgrund der Komplexität der meisten Teile von Mia sahen Prensilia und Elastico Disegno in der additiven Fertigung die einzige praktikable Produktionstechnologie für dieses Projekt. Der Übergang von der Designumgebung zum Prototyp oder zum fertigen Produkt war fließend. Mit PTC Creo konnten die Komponenten für die Druckaufträge in derselben Designsitzung optimiert und die Geometrie durch 3MF-Dateien standardisiert werden.

Die äußeren Abdeckungen der Hand und der Finger wurden mithilfe der HP Multi Jet Fusion-Technologie mit dem Material HP 3D HR PA 12 hergestellt, das sowohl Festigkeit und strukturelle Unterstützung als auch eine Oberflächengüte bietet, das die von Prensilia gewünschte Ästhetik gewährleistet. Zu diesen Komponenten gehören auch Teile, die dem Verschleiß unterliegen, wie beispielsweise Tasten und Druckknöpfe. Diese Teile haben alle Funktionstests bestanden.

Die weichen Teile von Mias Fingerspitzen werden aus Silikonformen hergestellt, die ebenfalls mit HP Multi Jet Fusion und HP 3D HR PA 12 produziert werden. Laut Prensilia konnten durch das Ersetzen der Metallformen durch Kunststoffformen die erforderliche Investition und die Produktionszeit reduziert werden, ohne die Leistung und die Oberflächengüte zu beeinträchtigen.

2019 erhielt Mia den Red Dot Award, eine internationale Designauszeichnung für Produktdesign, Kommunikationsdesign und Designkonzepte. Der „Red Dot Award: Product Design“ wird jährlich für die besten Produkte des Jahres mit herausragender Designqualität vergeben.

Ergebnis

Laut Guido Cherici, Partner, Elastico Disegno, „konnten wir dank PTC Creo den Stellenwert italienischer Designkunst herausstellen, das Produkt in einer umwerfenden Form gestalten und in derselben Sprache wie die technischen Entwickler kommunizieren.“

„Als wir Mia zum ersten Mal an einem Patienten ausprobierten, war die Reaktion: 'Wie leicht!'“, so Marco Controzzi, Gründer von Prensilia. „Dank der Verbesserung der inneren Mechanik und des 3D-Drucks des Außenmantels mit HP Multi Jet Fusion-Technologie, die eine Kombination aus Steifigkeit und Oberflächengüte gewährleistet, haben wir das gewünschte Maß an Stabilität erreicht.“

Controzzi sieht außerdem in der Möglichkeit zur schnellen Iteration einen großen Vorteil der HP Multi Jet Fusion-Technologie.

„Ein weiterer wichtiger Vorteil, den der 3D-Druck bei technologischen Pionierprodukten wie dem unseren bietet, ist die Möglichkeit, den Kunden aktualisierte Produkte anzubieten“, so Controzzi.

Mia wird derzeit in Schweden im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts DeTOP (Dexterous Transradial Osseointegrated Prosthesis with neural control and sensory feedback) getestet.