Parker Hannifin bringt Robotik-Exoskelett mit digitaler Fertigung zum Leben

Alles begann vor sieben Jahren, als der damalige CEO von Parker Hannifin, Don Washkewicz, sein Team mit der Frage „Wie wird die Zukunft unseres Unternehmens aussehen?“ herausforderte.

Dies löste eine Flut von Aktivitäten aus, um neues Terrain und Chancen zu erschließen, die das Wachstum des Unternehmens für die Zukunft sichern sollten. Die Initiative führte schließlich dazu, dass das Unternehmen untersuchte, wie es seine Kernkompetenzen in der Bewegungs- und Steuerungstechnologie zur Entwicklung tragbarer Robotiksysteme im Bereich der Prothetik und Orthetik anpassen könnte.

Als Parker Hannifin die Gelegenheit näher untersuchte, arbeitete man mit Forschern der Vanderbilt University zusammen, um die Robotertechnologie so anzupassen, damit Patienten mit einer Lähmung der unteren Extremitäten ihre Mobilität verbessern und die Gehfähigkeit wiedererlangen können. Dies führte zur Entwicklung eines tragbaren Exoskeletts, das aus einer Klammer besteht, die an Hüfte und Beinen befestigt und von Motoren, Batterien und anderer Elektronik angetrieben wird.

Im Jahr 2012 verständigten sich Parker Hannifin und Vanderbilt auf die Lizenzierung der Technologie und bald begann das Unternehmen damit, ein Robotik-Exoskelett namens Indego auf den Markt zu bringen. Dr. Ryan Farris war im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Vanderbilt Co-Erfinder bei der Entwicklung der Technologie und Parker Hannifin engagierte ihn als technischen Leiter für die Geschäftseinheit, der damit beauftragt wurde, Indego auf den Markt zu bringen.

Schon früh während des Projekts erkannten Farris und sein Team von Parker Hannifin, dass die Zeit zu lang war, die sie damit verbrachten, auf Produktionsanfragen und Endteile über die traditionellen Fertigungszulieferer des Unternehmens zu warten, um die offensiven Entwicklungsfristen einzuhalten.

Farris wusste, dass in einem hart umkämpften Markt, in dem jeder Tag einer Produktentwicklung entscheidend für den Erfolg sein kann, die Zeit von höchster Bedeutung ist. Dieses Streben nach kürzeren Konstruktionszyklen und einer schnelleren Fertigung von Teilen führte ihn für Prototyping- und Endanwendungsteile zu Protolabs.

„Wir nutzen Protolabs hauptsächlich, um neue Ideen zu testen“, erklärte Farris. „Wenn wir zum Beispiel eine mögliche Konstruktionsverbesserung in Erwägung ziehen, möchten wir so schnell wie möglich die Möglichkeit haben, Teile zu fertigen und zu sehen, wie sie sich verhalten.“

Der Indego ist ein Robotik-Exoskelett, das Patienten mit einer Lähmung der unteren Extremitäten helfen kann, wieder zu gehen. Während der Entwicklung hat Parker Hannifin die Unterstützung Protolabs genutzt, um Verbesserungen der Konstruktion schnell testen zu können.

 

Eine besondere Herausforderung bei der Konstruktion, die Teile mit schneller Lieferfrist erforderte, bezog sich auf eine Komponente, die als Lichtleiter für das Gerät dient. Dieses Teil überträgt Licht von einer kleinen LED auf einer eingebetteten Leiterplatte nach außen, so dass der Benutzer den aktuellen Status des Geräts sehen kann.

„Dieser kleine Indikator ist besonders wichtig, damit der Benutzer – die querschnittgelähmte Person, der Schlaganfallpatient oder wer auch immer das System nutzt – weiß, in welchem Zustand es sich befindet, in welchem Modus es sich befindet und was mit dem Gerät passieren wird“, sagte Farris.

Das ursprüngliche Lichtrohrdesign wurde aus einem geformten transparenten Thermoplast hergestellt. Nach mehreren Testzyklen wurde deutlich, dass das Material zu spröde war, um den Belastungen des täglichen Gebrauchs standzuhalten, da das System so konstruiert war, dass es sich mit der Bewegung des Benutzers biegt. Farris erklärte auch, dass das Lichtrohr ein Teil einer größeren Baugruppe war und die relative Bewegung der Baugruppe nicht gut mit der steifen kunststoffähnlichen Komponente zusammenarbeitete.

Schnelle Silikongummi-Werkzeuge überbrücken Produktionslücke

Farris und sein Team beurteilten das für die Lichtrohr-Komponente verwendete Material neu und beschlossen, das Teil aus flüssigem Silikongummi(LSR) herzustellen. Ein gegossenes LSR-Teil könnte sich auf natürliche Art mit der Bewegung des Benutzers biegen und wäre unbegrenzt haltbar. Aber die Herausforderung war mehr, als nur das richtige Material zu ermitteln. Man benötigte auch eine kostengünstige Möglichkeit für Formteile, die in dieser Phase der Produktentwicklung optimiert wurde, da die Konstruktion noch nicht endgültig war.

Das Robotik-Exoskelett befand sich noch immer in der Prototyping-Phase und die FDA-Zulassungen standen noch aus, so dass eine kostspielige Investition in traditionelle Werkzeuge nicht ideal war. Farris wandte sich für das LSR-Spritzgießverfahren an Protolabs, um schnell mehrere Lichtrohr-Komponenten herzustellen, damit er die neue Konstruktion testen und bei Bedarf flexibel wiederholen konnte.

Er merkt an, dass der Schlüssel zur Beschleunigung des Formprozesses das automatisierte, interaktive Angebotssystem von Protolabs war. Er und sein Team müssen oft Teile für Angebote in wenigen Stunden hochladen und dann mehrere Wiederholungen durchlaufen, bis sie innerhalb ihrer Zielkosten sind. Dies ermöglichte einen hochgradig wiederholbaren Entwurfsprozess bei gleichzeitiger Verringerung der Entwicklungskosten, da alles digital durch Software erreicht werden konnte und keine fertigen Teile benötigt wurden.