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Come PSYONIC ha sviluppato una mano bionica

By Febbraio 2, 2023Ottobre 5th, 2023Case study, Formlabs, stampa 3D
psyonic

PSYONIC sta cercando di rivoluzionare il mercato delle protesi con Ability Hand.

Prodotta in-house con metodi di manifattura ibrida, tra cui stampa 3D, a iniezione e in silicone e lavorazione meccanica CNC, la Ability Hand assicura di ripristinare la normale mobilità dell’arto.

Cosa è riuscita a fare PSYONIC con le stampanti 3D SLS di Formlabs?

a. Creare da zero una protesi per arti superiori unica nel settore

b. Eseguire in-house la prototipazione rapida per migliorare il design e la funzionalità della Ability Hand sulla base del feedback degli utenti

c. Sviluppare un metodo di fabbricazione ibrida efficace per vendere la Ability Hand a un costo accessibile e conveniente

d. Aiutare i pazienti a ritornare alla loro vita di sempre

e. Utilizzare nuovi materiali di stampa 3D robusti e resistenti agli urti per creare parti end-use durevoli

Protesi migliori

Il mercato degli arti artificiali è, ancora oggi, abbastanza arretrato.

Quando nel 2005, a causa di un incidente avvenuto mentre era di stanza in Iraq, il sergente Garrett Anderson ha subito l’amputazione del braccio destro, l’arto di cui si è dotato rendeva difficili le normali attività.

Come Anderson, Aadeel Akhtar non era affatto soddisfatto delle protesi in vendita.

“Ho sempre avuto questo sogno, fin da quando avevo sette anni.
I miei genitori sono originari del Pakistan. Durante una delle mie visite a casa, ho visto per la prima volta una persona senza un arto. Aveva la mia età e aveva perso la gamba destra. Come stampella usava il ramo di un albero.
Questo mi ha spinto a esplorare il campo delle protesi e a costruire dispositivi bionici avanzati, con l'intenzione di renderli accessibili per tutti.”

Aadeel AkhtarAmministratore delegato di Ability Hand
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Realizzare una nuova protesi unica nel settore e lanciarla sul mercato non è stato semplice.

“Negli ultimi sette anni abbiamo sviluppato nove prototipi diversi della Ability Hand, che oggi è disponibile in tutti gli Stati Uniti, è approvata dalla FDA e coperta da Medicare.”

Aadeel AkhtarAmministratore delegato di Ability Hand

Cosa si intende per produzione ibrida

In ambiti in cui i costi di ricerca e sviluppo sono elevati, come nella creazione di devices medici, la stampa 3D si è rivelata uno strumento essenziale.

Perché sia davvero avanzata, una protesi non soltanto deve essere in grado di rispondere velocemente agli stimoli e fornire un feedback sensoriale reale, ma deve anche essere resistente e leggera.

Si tratta di una combinazione di caratteristiche molto difficile da ottenere!

Cosa ha consentito a una piccola azienda come PSYONIC di rivoluzionare il mercato delle protesi?

La stampa 3D viene usata nella modellazione e nello sviluppo dei prodotti da decenni. Due dei suoi sviluppi recenti, ovvero la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e la stereolitografia (SLA), si stanno diffondendo molto velocemente all’interno delle industrie.

Grazie al perfezionamento della tecnologia, che consente di ottenere un elevato rendimento e parti end-use di alta qualità, nonché a una varietà di materiali migliorati, la stampa 3D è adatta alla creazione di nuovi dispositivi medici.

Oltre alla fabbricazione diretta di parti end-use, la stampa 3D offre straordinari vantaggi nella manifattura ibrida.

“Per le startup in generale, ma in particolare per PSYONIC, è estremamente importante combinare metodi di produzione diversi.
Viste le nostre dimensioni, non avremmo potuto competere con altre aziende produttrici di protesi affidandoci esclusivamente alla produzione tradizionale.
Tecniche come la lavorazione meccanica CNC e lo stampaggio a iniezione, soprattutto per eseguire la prototipazione di oggetti con più iterazioni, avrebbero avuto costi iniziali astronomici per noi.
Ma grazie all'avvento della stampa 3D, con le sue numerose soluzioni, siamo riusciti a realizzare la prototipazione rapida, a cambiare le iterazioni e a produrre su scala ridotta e a basso costo.
La stampa 3D, e specialmente le stampanti 3D di Formlabs, si sono rivelate fondamentali per il processo di sviluppo di una piccola startup come la nostra.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Diamo uno sguardo ad alcune soluzioni di stampa 3D in-house che PSYONIC ha utilizzato per creare la Ability Hand.

Stampi in-house per fibra di carbonio

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Le aziende non devono più scegliere tra l’additive manufacturing  e la lavorazione meccanica CNC tradizionale, perché possono sfruttare entrambe le soluzioni.

“La stampa 3D SLA era molto importante durante la prime iterazioni dello stampo per la fibra di carbonio.
Non avevamo le risorse per produrre stampi per la fibra di carbonio, ad esempio, mediante lavorazione meccanica.
Quindi abbiamo deciso di produrli con la High Temp Resin, un materiale fragile, ma resistente al calore, che ci ha permesso di pressare i fogli di fibra di carbonio fino a ottenere la forma desiderata, inserirli in un forno per la polimerizzazione ad alte temperature e infine farli aderire alla nostra mano.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Gli stampi realizzati in 3D per la produzione di parti in fibra di carbonio consentono di ridurre i costi e i tempi di lavorazione.

I team ingegneristici possono creare in 3D lo stampo in poche ore, in modo diretto e a basso costo, senza doverlo intagliare e senza ricorrere alla lavorazione meccanica CNC.

Con la High Temp Resin e la Rigid 10K Resin, aziende emergenti del settore medicale come PSYONIC possono inoltre realizzare stampi estremamente dettagliati.

“Se non eravamo soddisfatti della forma ci bastava modificarla nel nostro strumento CAD, inviarla nuovamente alla stampante 3D ed eseguire iterazioni con un nuovo blocco di High Temp Resin.
Alla fine siamo tornati alla lavorazione meccanica degli stampi per motivi di sostenibilità a lungo termine, ma per la prototipazione iniziale e i test a breve termine la High Temp Resin e la stampante Form 3 sono state davvero utili.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Ingegneria inversa

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Il reverse engineering è molto utile per fare prototipazione.

Nel settore medico, anche la sostituzione di piccoli componenti rischia di avere costi proibitivi.

Perciò PSYONIC ha cercato una soluzione, affidandosi alle stampanti 3D in-house per velocizzare lo sviluppo delle parti e ridurre i costi.

“A volte dobbiamo trovare parti compatibili con prodotti di altre aziende.
Come molti altri articoli del settore medico, queste sono reperibili sul mercato ma a un costo esorbitante.
Se le parti sono piccole, abbiamo la possibilità di eseguire l'ingegneria inversa sulla forma e in seguito produrle autonomamente in-house.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Creazione veloce di attrezzature per la stampa a iniezione e in silicone

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Per ridurre i costi, il team di PSYONIC ha iniziato stampando in 3D tutte le parti della Ability Hand, incluse le dita.

Presto si sono resi conto che le dita dovevano essere più robuste e hanno quindi iniziato a realizzare in 3D gli stampi, anziché direttamente le dita.

“Alcune delle sfide più complesse riguardavano trovare soluzioni a basso costo per produrre mani protesiche più resistenti delle altre presenti sul mercato. Nelle fasi iniziali, stampavamo in 3D l'intera protesi in modo che fosse davvero conveniente.
Ma poi, parlando con centinaia di pazienti e medici, abbiamo riscontrato che quella mano bionica da 50 000 $ tendeva a rompersi facilmente.
Poiché erano realizzate con componenti rigidi, capitava che le dita si spezzassero in corrispondenza delle giunture quando la mano urtava anche solo il bordo di un tavolo. Le dita umane, invece, sono flessibili: se colpiscono qualcosa, si flettono per poi recuperare la loro posizione originale.
Questa era esattamente la funzionalità che volevamo avesse la nostra protesi affinché fosse davvero durevole.”

Aadeel AkhtarAmministratore delegato di Ability Hand
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“Avevamo già usato a lungo il processo di stampaggio delle dita con stampi realizzati tramite FDM.
Questi, tuttavia, presentavamo alcuni problemi di iniezione, soprattutto in termini di omogeneità della finitura superficiale. Infatti erano visibili le tipiche striature degli oggetti stampati tramite FDM, che vengono realizzati strato per strato. Di conseguenza, anche gli articoli realizzati tramite stampaggio presentavano queste finiture striate poco gradevoli. Una volta passati alla Clear Resin, siamo stati in grado di ottenere una finitura superficiale più liscia grazie alla maggiore risoluzione.
Abbiamo quindi prodotto questi stampi prendendo l'impronta negativa delle dita, aggiungendo una cavità di questa forma all'interno di un blocco solido e aggiungendo canali e fori per iniettare un silicone a due componenti.
Una volta progettato e realizzato lo stampo su una stampante 3D, posizionavamo un osso stampato in 3D al suo interno per formare la parete scheletrica del dito.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Per creare stampi e parti per utilizzo finale di alta qualità, Austin ha usato la Form 3 alla massima risoluzione possibile (25 micron).

“Stampiamo con la massima risoluzione possibile per tutti i nostri materiali.
In questo modo, le parti in Tough 1500 Resin aderiscono perfettamente tra loro: sia all'interno della mano sia intorno ai componenti interni. Eventuali variazioni o tolleranze potrebbero provocare un'eccessiva frizione durante il movimento, oppure i pezzi corrispondenti potrebbero disallinearsi. Per questo motivo devono essere il più precisi possibile per raggiungere un'aderenza e una funzionalità ottimali.
Per quanto riguarda gli stampi, il motivo per cui applichiamo la massima risoluzione è dato dalla nostra esigenza di ottenere una finitura superficiale il più possibile liscia. In seguito li laviamo accuratamente con la Form Wash per ottenere una superficie estremamente levigata, che si rifletterà nel silicone con cui stampiamo le parti successivamente.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Ascolto del feedback dei clienti durante la prototipazione

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La prototipazione rapida ha un ruolo fondamentale nello sviluppo di qualsiasi nuovo device.

Nel caso dei dispositivi medici, il feedback di pazienti e utenti finali è molto importante.

Le aziende produttrici passano in rassegna centinaia di prototipi di una singola parte prima di iniziare i test effettivi.

Ciò avviene solo una volta raggiunto uno standard di rigore sufficiente per ottenere la conformità con regolamenti e normative cliniche.

Austin ha affrontato tutti questi passaggi durante i test della Ability Hand.

“È capitato varie volte che la protesi si rompesse in un modo che non avevo previsto, ma mi sono reso conto che risolvere il problema era facile.
Ho cambiato il pezzo, l'ho implementato, ho realizzato un prototipo, l'ho testato e infine integrato in una nuova Ability Hand, il tutto nel giro di una o due settimane.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Stampa 3D di parti end-use

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Grazie all’evoluzione dei materiali di stampa 3D, le parti che escono dalla stampante sono già destinate all’uso finale della clientela, il che riduce la necessità di costose attrezzature tradizionali, nonché i tempi di realizzazione.

Stampando con la Tough 1500 Resin, Austin si è reso conto che si trattava di un materiale eccellente per creare molte parti end-use per la Ability Hand.

“Anche se ricorriamo alla stampa 3D SLA principalmente per i prototipi, la utilizziamo in larga parte anche per parti per utilizzo finale.
In particolare, la Tough 1500 Resin offre prestazioni superiori a qualsiasi altro materiale usato per la stampa 3D alla stessa risoluzione ed è molto più economica rispetto allo stampaggio a iniezione.
Per i nostri progetti, la nostra scala di produzione e le esigenze fisiche delle parti in termini di resistenza, risoluzione, proprietà fisiche, resistenza termica e resistenza agli urti, non avremmo potuto trovare un materiale migliore della Tough 1500 Resin, per questo continuiamo a usarla in tutti i nostri dispositivi commerciali.”

James AustinCapo ingegnere meccanico di Ability Hand

Resistenza estrema

La volontà di far crescere PSYONIC ha spinto Akhtar e il suo team a ricercare tecniche ibride e soluzioni ingegneristiche innovative.

Successivamente, PSYONIC si è dedicata ad ampliare la sua produzione per raggiungere utenti di tutto il mondo.

Per ora questa espansione si concentra sul mercato nordamericano, con la produzione della Ability Hand che è andata incontro a una forte crescita alla fine del 2022.

“I nostri pazienti desiderano semplicemente svolgere senza difficoltà le loro attività quotidiane. Con i dispositivi in circolazione, spesso non riuscivano a eseguire le azioni più semplici.
Noi siamo riusciti ad andare oltre. E questo è stato grazie a tutte le innovazioni che abbiamo integrato nel design della nostra Ability Hand.”

Aadeel AkhtarAmministratore delegato di Ability Hand

Trovi l’articolo originale sul blog di Formlabs.

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