Υλικά 3D εκτύπωσης για προσθετικές συσκευές – βοηθήματα

Γράφει ο Θανάσης Μιτζιφίρης

Η εξέλιξη της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης – 3D Printing τα τελευταία χρόνια έχει επιτρέψει την δυναμική της είσοδο σε διαφορετικές εφαρμογές, προσφέροντας λύσεις και διεξόδους σε τομείς που τα εμπόδια φάνταζαν ανυπέρβλητα.

Ένας τομέας με ευρύ εφαρμογή της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης – 3D Printing από την αρχή της πορείας της, ήταν η κατασκευή προσθετικών συσκευών για άτομα με αναπηρίες. Οι εκτυπωμένες προσθετικές κατασκευές αφενός μεν μπορούν να κατασκευαστούν με αρκετά λιγότερα χρήματα, αφετέρου δε επιτρέπουν την εξατομικευμένη σχεδίαση του πρόσθετου μέλους στις διαστάσεις του ατόμου.

               Ειδικά για τα παιδιά, όπου η σωματική τους ανάπτυξη είναι ραγδαία, η αγορά μιας παραδοσιακής προσθετικής συσκευής, που μπορεί να κοστίσει αρκετές χιλιάδες ευρώ και να χρειαστεί να την αλλάξει σε 2-4 χρόνια, είναι μια σημαντική οικονομική επιβάρυνση από την στιγμή μάλιστα που τα ασφαλιστικά ταμεία στις περισσότερες χώρες δικαιολογούν ένα μικρό μόνο μέρος αυτού του κόστους. Για αυτήν την περίπτωση η 3D εκτύπωση προσθετικών συσκευών  μπορεί να δώσει λύσει αφού μια τέτοια συσκευή μπορεί να έχει ένα κόστος από μόλις 50 ευρώ όταν σχεδιάζεται από εθελοντές, μέχρι μεγαλύτερα ποσά για κατασκευή από επαγγελματίες!

Φυσικά τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην 3D εκτύπωση δεν μπορούν ακόμα να ανταγωνιστούν τις παραδοσιακές προσθετικές συσκευές όσον αφορά στην αντοχή στον χρόνο. Αυτό όμως είναι κάτι που θα αλλάξει αφού συνεχώς βελτιώνονται τα υπάρχοντα υλικά 3D εκτύπωσης ενώ αναπτύσσονται νέα με καλύτερες ιδιότητες.

Στο παρόν άρθρο θα εξετάσουμε ποια είναι τα υλικά (σύνθεση, ιδιότητες και χαρακτηριστικά) που χρησιμοποιούνται για την τρισδιάστατη εκτύπωση προσθετικών συσκευών σήμερα με την χρήση της μεθόδου Fused Deposition Modeling (FDM) ή αλλιώς Fused Filament Fabrication (FFF). Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην τήξη και την επιλεκτική εναπόθεση μιας λεπτής ίνας θερμοπλαστικού για τον σχηματισμό αλλεπάλληλων στρώσεων οι οποίες και θα δημιουργήσουν το τελικό αντικείμενο. Χαρακτηρίζεται από υψηλή σχέση απόδοσης/τιμής συγκριτικά με άλλες μεθόδους ταχείας προτυποποίησης ή συμβατικής παραγωγής. Τα παραγόμενα αντικείμενα είναι ανθεκτικά και συνήθως έτοιμα προς χρήση χωρίς να απαιτείται κάποια πρόσθετη επεξεργασία.

PLA πολυγαλακτικό οξύ. Παράγεται από ανανεώσιμες πηγές όπως ζαχαρότευτλα, καλαμπόκι και σόγια και είναι βιοδιασπώμενο και οικολογικό. Το PLA αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα υλικά εκτύπωσης. Είναι φθηνό, εύκολο στην χρήση, κολλάει εύκολα στην επιφάνεια εκτύπωσης και η φυτική του προέλευση ελαχιστοποιεί ερεθισμούς και αλλεργίες για προσθετικές συσκευές. Επίσης λόγω της ευρείας χρήσης του στις προσθετικές συσκευές και ορθοπεδικά βοηθήματα, πολλές εταιρείες παράγουν προιόντα PLA σε διάφορες αποχρώσεις δέρματος. Μειονεκτήματά του είναι η μειωμένη μηχανική αντοχή και το χαμηλό σημείο τήξεως που το καθιστά εύπλαστο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος.

ABS, Acrylonitrile Butadiene Styrene - Στυρόλιο Βουταδιενίου Ακρυλονιτριλίου. Το ABS είναι παράγωγο του πετρελαίου και πρόκειται για υλικό ελαφρώς πιο στιβαρό από το PLA. Είναι το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται τα διάσημα παιχνίδα LEGO και πολλά άλλα. Συνίσταται για εκτυπώσεις όπου επιθυμούμε μεγαλύτερη στιβαρότητα, ανθεκτικότητα  και διάρκεια ζωής. Τμήματα προσθετικών συσκευών που δέχονται μεγαλύτερες καταπονήσεις, και απαιτούν μεγαλύτερη αντοχή στον χρόνο συνίσταται να εκτυπώνονται με υλικό ABS. Επίσης η ανθεκτικότητα του σε υψηλές θερμοκρασίες το καθιστούν κατάλληλο για εκτυπώσεις που εκτίθενται σε υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντα. 

PETG, PET, Polyethylene terephthalate - τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο. Το PET είναι το πιο κοινώς χρησιμοποιούμενο πλαστικό στον κόσμο. Τα πλαστικά μπουκάλια εμφιαλωμένου νερού κατασκευάζονται από PET. Αν και το PET δεν χρησιμοποιείται ευρώς στην 3D εκτύπωση, το παράγωγό του όμως, PETG αποτελεί ένα από τα πιο διάσημα υλικά 3D εκτύπωσης. Το γράμμα G» στο PETG σημαίνει "τροποποιημένο με γλυκόλη" και το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που είναι πιο καθαρό, λιγότερο εύθραυστο και το πιο σημαντικό είναι ευκολότερο στη χρήση του από το PET. Για το λόγο αυτό, το PETG θεωρείται συχνά μια καλή ενδιάμεση λύση μεταξύ του ABS και του PLA, των δύο πιο συνηθισμένων τύπων νήματος 3D εκτυπωτών, καθώς είναι πιο ελαστικό και ανθεκτικό από το PLA και ευκολότερο να τυπώνεται από το ABS.

Flexible υλικά γενικά, thermoplastic elastomers (TPE, TPU, TPC) ένα καταπληκτικό υλικό του οποίου το κύριο χαρακτηριστικό είναι η μεγάλη ελαστικότητα και αντοχή υπό κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή θηκών (socket) ή συνδέσμων στις προσθετικές συσκευές, εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητά του να απορροφά δυνάμεις χωρίς να τραυματίζει και να λειτουργεί ως ελατήριο επαναφοράς. Οι συνθήκες εκτύπωσης ωστόσο είναι δύσκολες και απαιτούν εμπειρία και πειραματισμό ενώ και το κόστος του είναι υψηλότερο σε σχέση με τα υπόλοιπα υλικά εκτύπωσης.

Carbon, PLA εμπλουτισμένο με ανθρακονήματα. Το PLA Fibre Carbon είναι δημοφιλές λόγω της υψηλής του στιβαρότητας και ανθεκτικότητας. Το νήμα από ανθρακονήματα αποτελείται από μια βάση PLA με 15~25% ίνες άνθρακα σε όγκο. To Carbon είναι δύο φορές πιο άκαμπτο από το ΡΕΤG, με μεγάλη αντοχή στην κρούση και στην θερμότητα έως 80 ° C. Οι πρόσθετες ίνες άνθρακα στο νήμα προϋποθέτουν, για το βέλτιστο αποτέλεσμα, μεγαλύτερα μεγέθη ακροφυσίων, ξεκινώντας από το ενδεικτικό των 0,4 mm. Το carbon απαιτεί εξαιρετική επιλογή για προσθετικές συσκευές ή εξαρτήματα αυτών που καταπονούνται από μεγάλες δυνάμεις και συγχρόνως δεν θέλουμε να προσθέσουμε επιπλέον βάρος στην κατασκευή. Πρόκειται φυσικά για ένα υλικό με υψηλότερο κόστος που απαιτεί την χρήση ακροφυσίων υψηλής αντοχής προς αποφυγή καταστροφής τους.

Antibacterial copper filament, υλικό εκτύπωσης εμπλουτισμένο με αντιμικροβιακό χαλκό. Μια από τις τελευταίες εξελίξεις στα υλικά εκτύπωσης είναι η δημιουργία ενός υλικού εκτύπωσης που έχει ως βάση το PLA και περιέχει ως πρόσθετο 2-3% σωματίδια αντιμικροβιακού χαλκού. Ο αντιμικροβιακός χαλκός (Cu+) μπορεί μέσα σε δυο ώρες να εξοντώσει το 99,9 % των μικροβίων, βακτηρίων και ιών που έρχονται σε επαφή. Είναι εύκολα κατανοητό ότι η χρήση αυτού του υλικού είναι καίριας σημασίας για όλες τις προσθετικές συσκευές και βοηθάει στην αντιμετώπιση μολύνσεων που εμφανίζονται συνήθως στα σημεία επαφής της προσθετικής συσκευής με τα άκρα του παραλήπτη. 

Τα παραπάνω υλικά αποτελούν τα πλέον συνηθισμένα σε 3D εκτυπώσεις  που αφορούν προσθετικές συσκευές και βοηθήματα για άτομα με οποιαδήποτε μορφής αναπηρία ή κάποιον προσωρινό τραυματισμό. Φυσικά ο κλάδος της 3D εκτύπωσης είναι ταχέως αναπτυσσόμενος και αναμένουμε νέα υλικά να δώσουν  λύσεις και να βελτιώσουν περαιτέρω την ζωή μας και ειδικά των ευάλωτων κοινωνικών ομάδων, όπως των ατόμων με αναπηρίες.

Αν θέλετε να γίνεται μέλος της ομάδας μας και να βοηθήσετε στον σχεδιασμό και στην βελτίωση των συσκευών μας ή  επιθυμείτε ένα χεράκι, για εσάς ή τους αγαπημένους σας ή απλώς θέλετε να μάθετε περισσότερα για το ελληνικό κεφάλαιο αυτής της παγκόσμιας κοινότητας απευθυνθείτε στους εξής συνδέσμους και τρόπους επικοινωνίας:

Ιστοσελίδα ➧www.enabling.gr

 Email         ➧info@enabling.gr

 Τηλέφωνο  ➧6909022192

 Facebook   ➧@GreeceEnable

 Instagram   ➧@enablegreece