Parker Hannifin realizza l’esoscheletro robotico grazie alla fabbricazione digitale
L’analisi di fattibilità e i processi di stampaggio rapido hanno aiutato il leader mondiale nelle tecnologie di movimentazione e controllo ad accelerare la fase di sviluppo
Tutto ebbe inizio sette anni fa, quando Don Washkewicz, amministratore delegato di Parker Hannifin, interrogò il suo team con la seguente domanda provocatoria: “Che cosa ci riserverà il futuro?”.
Bastò questo a scatenare un fermento di attività tese a identificare nuovi ambiti e opportunità di sviluppo per assicurare la crescita futura dell’azienda. L’iniziativa portò la società ad approfondire possibili modalità di applicare le proprie competenze sul fronte delle tecnologie di movimentazione e controllo allo sviluppo di dispositivi robotici indossabili nei campi protesico e delle ortesi podaliche.
Continuando a esplorare tali opportunità, Parker Hannifin decise di avviare una collaborazione con i ricercatori dell’Università Vanderbilt, Tennessee, nel tentativo di adattare le tecnologie robotiche per aiutare i pazienti affetti da paralisi degli arti inferiori a migliorare la mobilità e riacquistare la capacità di camminare. La ricerca diede luogo allo sviluppo di un esoscheletro indossabile costituito da un tutore per anche e gambe, alimentato da appositi motori, batterie e altri componenti elettronici.
Nel 2012, Parker Hannifin e Vanderbilt decisero di rendere disponibile la tecnologia dietro licenza e, poco dopo, iniziarono a preparare la commercializzazione di un esoscheletro robotico denominato “Indego”. Il Dr. Ryan Farris partecipò come co-inventore al processo di sviluppo della tecnologia nell’ambito dei suoi studi di dottorato presso Vanderbilt, salvo poi ricoprire il ruolo di responsabile tecnico in Parker Hannifin per la business unit incaricata del lancio commerciale di Indego.
Alla ricerca di un materiale e di una soluzione di fabbricazione flessibili
Per Ryan Farris era chiaro che il tempo rappresentava un fattore determinante, specie in un mercato altamente competitivo in cui il successo è decretato anche dalla rapidità della fase di produzione. Ecco quindi che la volontà di accorciare i cicli di progettazione e fabbricazione dei pezzi indussero Farris a ricercare l’assistenza di Protolabs per curare la realizzazione di prototipi e componenti finali.
“Ci rivolgiamo a Protolabs soprattutto per testare nuove idee”, spiega Ryan Farris. “Ad esempio, quando si tratta di considerare un potenziale miglioramento di design, vogliamo avere la possibilità di produrre determinati pezzi per valutarne le performance il più rapidamente possibile.”
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Gli ingegneri di Parker Hannifin desideravano creare un esoscheletro robotico che necessitava di una soluzione di fabbricazione rapida per ridurre i tempi di sviluppo e il rischio di progettazione.  La soluzioneUna combinazione di tecnologie di fabbricazione digitale e preventivazione automatizzata ha reso possibile un processo di design altamente iterativo senza sacrificare il time-to-market.
Il ricorso a stampaggio rapido, lavorazione e stampa 3D, unitamente al sistema di preventivazione interattivo, hanno permesso al team di R&D di risparmiare mesi sui tempi di sviluppo. |
Una delle difficoltà affrontate durante la progettazione riguardava la fabbricazione rapida di pezzi relativi a un componente simile a una tubazione luminosa per il dispositivo. Il componente emette una luce a partire da un LED di piccole dimensioni montato su una scheda elettronica integrata, permettendo all’utente di verificare lo stato del dispositivo.
“Questo piccolo integratore è molto importante poiché consente all’utente (che potrebbe essere un paziente reduce da ictus, un soggetto paraplegico o altri possibili utilizzatori del sistema) di conoscere lo stato o la modalità corrente e cosa attendersi dal dispositivo,” prosegue Ryan Farris.
Inizialmente, il design del tubo luminoso prevedeva l’impiego di uno stampo in termoplastica trasparente. Dopo numerosi cicli di collaudo, però, apparve evidente che tale materiale non fosse in grado di sopravvivere a un costante utilizzo giornaliero, poiché il sistema doveva piegarsi con i movimenti dell’utente. Ryan Farris aggiunge anche che il tubo luminoso faceva parte di un gruppo di componenti più grande, e che il movimento relativo del gruppo non rispondeva bene alla rigidezza che caratterizza i pezzi in simil-plastica.
La produzione rapida di pezzi in gomma siliconica ottimizza il processo di fabbricazione
Ryan Farris e il suo team rivalutarono il materiale adoperato per il tubo luminoso e decisero di fabbricare il componente in gomma siliconica liquida (LSR). Infatti, i pezzi stampati in silicone liquido sarebbero stati in grado di piegasi naturalmente accompagnando i movimenti dell’utente, oltre a garantire massima durevolezza. Ma la sfida non riguardava soltanto la scelta del materiale adatto. Il team necessitava anche di un’opzione di stampaggio ottimizzata per questa fase del ciclo di sviluppo, in quanto il design non era ancora finalizzato.
L’esoscheletro robotico si trovava ancora nella fase di prototipazione ed era in attesa di approvazione da parte della FDA; pertanto, puntare su ingenti investimenti per la fabbricazione di stampi tradizionali non era certo la soluzione ideale. Ryan Farris scelse il processo Protolabs di stampaggio della gomma siliconica liquida per fabbricare rapidamente numerosi tubi luminosi, al fine di collaudare il nuovo design e disporre della flessibilità di produrre iterazioni a seconda delle esigenze.
Secondo lui, il sistema automatizzato di preventivazione offerto da Protolabs fu la chiave per accelerare il processo di stampaggio. Tale strumento offrì a Farris e al suo team la libertà di richiedere numerosi preventivi per uno stesso componente nel giro di qualche ora, per poi esaminare le varie iterazioni e selezionare l’opzione che rientrava nel budget a disposizione. Tutto queste rese possibile un processo di progettazione altamente iterativo pur contenendo i costi, poiché i risultati venivano ottenuti digitalmente con l’ausilio di software senza ricorrere alla produzione vera e propria dei pezzi.
I preventivi automatizzati riducono di settimane i tempi di sviluppo
Una volta ricevuti i pezzi in gomma siliconica liquida, il nuovo design fu sottoposto a un ciclo di collaudi per confermare che le caratteristiche di flessibilità e durevolezza del materiale fossero in grado di sostenere l’utilizzo costante del sistema Indego. “Siamo stati estremamente soddisfatti del passaggio a un pezzo in gomma siliconica liquida,” commenta Farris. “La trasmissione della luce è eccellente quanto la visibilità dell’indicatore all’utente, e non abbiamo ancora riscontrato alcun problema legato alla durevolezza.”
Ryan Farris stima che il ricorso al servizio di stampaggio di Protolabs abbia permesso al team di risparmiare tra uno e due mesi sulle tempistiche di produzione, vista la capacità di realizzare pezzi in LSR entro pochi giorni. Ottimizzando il processo di stampaggio per la fase di produzione in volumi ridotti, il team riuscì a colmare il divario tra prototipazione iniziale e realizzazione dei pezzi finiti.
“Se avessimo provveduto internamente alla produzione di questi componenti, probabilmente ci sarebbe voluto un mese viste le limitazioni delle nostre capacità produttive,” spiega Ryan Farris.
Ma il nuovo design è più di un semplice miglioramento al prodotto sviluppato in un laboratorio di R&D. Secondo Ryan Farris, è l’esempio di un più ampio intento strategico nei confronti del customer service che investe l’intera azienda. Segnala la volontà di prendere in considerazione il feedback degli utenti e implementare miglioramenti con rapidità.
“Il nostro obiettivo è ridurre il più possibile i tempi di realizzazione. Per i nuovi processi di sviluppo, la velocità fa sicuramente parte del nostro vantaggio competitivo. Quando si verificano problemi sul campo, riteniamo che la rapidità di risposta sia il fattore che più di altri evidenzia l’interesse nutrito nei confronti della clientela,” spiega.
Oltre ai componenti in gomma siliconica liquida, gli ingegneri e i progettisti di Indego fecero ampio affidamento sui servizi di lavorazione CNC e stampa 3D di Protolabs lungo l’intero sviluppo dell’esoscheletro robotico. Ad esempio, la fabbricazione CNC era servita per la realizzazione di dispositivi di fissaggio finalizzati a mantenere in posizione i componenti durante la saldatura a ultrasuoni. La stampa 3D era stata invece utile per la creazione di prototipi in nylon mediante sinterizzazione laser selettiva, prima della transizione allo stampaggio a iniezione.
L’accesso a servizi di fabbricazione on-demand permise a Parker Hannifin di ridurre le tempistiche di sviluppo, introdurre sul mercato prodotti innovativi più rapidamente e implementare con successo il feedback dei clienti. Considerando anche i pezzi da produzione stampati, Farris stima che la business unit di Parker Hannifin incentrata sullo sviluppo di soluzioni di movimentazione e controllo per essere umani abbia già fabbricato migliaia di componenti con l’aiuto di Protolabs. E continuerà senza dubbio ad avvalersi dei suoi servizi di fabbricazione digitale per le successive generazioni di Indego.