Paralympics kan gi gjennombrudd for 3D-printede sprøytestøpeformer

Peter Rosenmeier er regjerende europeisk mester, verdensmester og to ganger paralympisk mester i bordtennis. Så det er gode sjanser for å gjenta suksessen når han snart går inn på den paralympiske scenen i Tokyo for å forsvare sin PL-tittel.

Rosenmeier mangler halvparten av høyre arm, har tre fingre på venstre arm, mangler halvparten av høyre ben og 4 cm av venstre lårben. Derfor bruker han daglig flere typer proteser som er håndlaget av en bandasjist.

Derfor har sjansen for gull vært knyttet opp til én enkelt protese som sikrer ham et godt grep om bordtennisracketen. Uten det kan han ikke spille, og inntil nylig har han ikke hatt en reserve.

Digitalisert og gjenskapt

– Tidligere har det vært en uro langt bak i hodet mitt når jeg har spilt de store turneringene, for hvis protesen gikk i stykker kunne jeg bare gå over til den andre siden av bordet og si takk for kampen, fordi jeg hadde ikke noe alternativ, sier Rosenmeier.

Men han tar ikke den frykten med seg til Tokyo, som er vert for de paralympiske lekene, som begynner 24. august i kjølvannet av De olympiske leker. Sammen har Danmarks tekniske universitet (DTU), teknologiutviklingsselskapet IPU og 3D-printselskapet Addifab klart å digitalisere Rosenmeiers protese og produsere en tro kopi. Hvis den også går i stykker, kan man lage en ny igjen. Faktisk har Rosenmeier i dag fire eksemplarer liggende i vesken når han spiller turneringer.

Først er protesen gjenskapt digitalt ved hjelp av røntgenbilder fra en CT-skanner ved DTU. Denne skanningen er deretter konvertert til en vektorbasert CAD-modell, som har dannet grunnlaget for en 3D-printet støpeform, som deretter danner rammen for den ferdige kopien av protesen. Den nye fysiske kopien og originalen skiller seg bare ut med noen få hundredeler av en millimeter på de kritiske flatene.

Fra punkt til flate

Daniel Minzari, som har vært prosjektleder for oppgaven, jobber til daglig med materialteknologi ved IPU og har satt sammen teknologiene som er i spill for å løse oppgaven. Han peker på to sentrale utfordringer i å skulle kopiere et fysisk, håndlaget objekt uten dokumentasjon av geometrien.

– Den første var å lage en digital sikkerhetskopi av Peters protese, så han har en digital tvilling av protesen sin i tilfelle tyveri. Fra DTU får vi veldig detaljerte data fra CT-skanningen basert på flere tusen projeksjoner av røntgenbilder som er sammensatt som en slags lagkake, og hvor data er representert i en gråtoneskala. Ved å velge alle punktene med en nyanse som kommer fra protesen, har man i prinsippet definert dens geometri som mange punkter i et virtuelt rom.

Den vanlige arbeidsflyten er å lage et nett av overflaten, som kan skrives ut direkte av mange 3D-skrivere. Men for å kunne redigere i geometrien, for eksempel for å korrigere skannefeil, må den gå videre til et vektorformat som kan brukes i en CAD-modell.

– Den konverteringen høres umiddelbart enkel ut, men er forbundet med en del matematiske og geometriske utfordringer når mange punkter skal bli til en overflate, og det er spesielt her ting kan gå veldig galt, forklarer Minzari.

I samme prosess skulle det tas høyde for at det var skade på den eksisterende protesen, som Peter Rosenmeier gjerne skulle fjernet i en ny digital kopi av protesen.

Nøyaktighet avgjørende

Hvis du ikke lever med en protese selv, kan det være vanskelig å forstå hvor viktig det er å få en nøyaktig kopi av protesen. Å skifte protese kan ofte være forbundet med store smerter fordi kroppen skal venne seg til å være forbundet med et fremmedlegeme med en annen geometri.

Når Rosenmeier trenger å få byttet benprotesen med et par års mellomrom, så peier det å involvere smerte og ubehag, men det er ikke noe som påvirker bordtennisspillet hans. Det gjør håndprotesen. For hvis tyngdepunktet mellom bordtennisracketen og protesen endres, bare litt, så er mange timers trening bortkastet.

– Vi har løpende CT-skannet de nye protesene for å følge med på hvor mye prototypen skiller seg fra CAD-filen og den opprinnelige protesen, sier Minzari.

Den ferdige CAD-modellen har deretter fått lagt en digital sprøytestøpeform på toppen. Dette har skjedd hos Addifab, som produserer 3D-skrivere og spesialiserer seg på å fremstille 3D-printede støpeformer. Mens en 3D-print gir økt frihetsgrad og raske prototyper, har sprøytestøping bedre mekaniske egenskaper som gjør det mulig å forme plast med færre feil.

Løsningen er åpenbart å kombinere de to fremstilligsprosessene i såkalt 3D-printet sprøytestøping, også kjent som Freeform Injection Molding. Her 3D-printes støpeformen, som deretter plasseres i en konvensjonell sprøytestøpemaskin. Formens materiale kan deretter oppløses når det sprøytestøpte emnet skal avformes.

Åpner for hurtig spesialdesign

Det faktum at Addifab har lyktes med å 3D-printe sprøytestøpeformer skyldes i stor grad at selskapet har klart å finne fram til riktig materiale. Det skal nemlig ha tilstrekkelig sterke mekaniske egenskaper slik at den kan brukes som støpeform, men samtidig må den vaskes etter utskrift. Her har man valgt en karbonfiberforsterket superplast kalt Kyronmax.

Selv om prosessen fra CT-skanning til en ferdig kopiprotese kan høres omstendelig og langsom ut, skjer den faktisk betydelig raskere enn tradisjonell sprøytestøping, som typisk koster flere hundre tusen kroner og måneders arbeid. 3D-utskriften reduserer både pris og tid betydelig.

– Vi snakker ikke om vanlig teknologi ennå, spesielt fordi Rosenmeier har så strenge krav til toleranseavvik. Men vi ser at for eksempel nye mobiltelefoner kan gjøre enkle 3D-målinger, så utviklingen går raskt, og nye muligheter oppstår for å ta et fysisk objekt, digitalisere det, redigere det og deretter gjenskape en fysisk kopi, sier Minzari.

Prosessen som er brukt i forbindelse med Rosenmeiers protese har brede perspektiver. Både industrielt spesielt innen medisin, og selvfølgelig for brukere av proteser, men for eksempel også med eliteutøvere som ønsker å justere på utstyr selv, slik at det passer nettopp deres måte å prestere på.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.