Parker Hannifin ger liv åt ett robottekniskt exoskelett med hjälp av digital tillverkning

Allt började för sju år sedan då dåvarande VD:n för Parker Hannifin, Don Washkewicz, utmanade sitt team med frågan ”Hur ser framtiden ut för vårt företag?”

Det ledde till en mängd olika aktiviteter för att kartlägga nya territorier och möjligheter som skulle säkerställa företagets tillväxt långt in i framtiden. Initiativet ledde slutligen till att företaget undersökte hur det skulle kunna anpassa sitt kärnkunnande inom rörelse- och styrningsteknik till att utveckla bärbara robottekniska enheter inom proteser och ortoser.

I och med att företaget undersökte möjligheterna ytterligare fick Parker Hannifin kontakt med forskare på Vanderbilt University som arbetade med att anpassa robottekniken för att hjälpa patienter med förlamning i nedre extremiteterna att få ökad rörlighet och att återfå förmågan att gå. Detta ledde till utveckling av ett bärbart exoskelett som består av ett band som man bär kring höfterna och benen och som drivs av motorer, batterier och annan elektronik.

År 2012 nådde Parker Hannifin och Vanderbilt ett avtal om att licensiera tekniken och strax efter det började företaget att arbeta med att kommersialisera ett robottekniskt exoskelett vid namn Indego. Som en del av hans doktorsstudier vid Vanderbilt var Dr. Ryan Farris meduppfinnare medan tekniken befann sig i utvecklingsskedet och Parker Hannifin anlitade honom som tekniskt ansvarig för verksamhetsenheten som skulle föra ut Indego på marknaden.

Sökandet efter ett flexibelt material och en flexibel tillverkningslösning

Redan tidigt under projektet tyckte Farris och hans team hos Parker Hannifin att den tid det tog att vänta på produktionsoffertar och slutliga delar genom företagets traditionella tillverkningsleverantörer, var alltför lång för att möta deras aggressiva utvecklingsdeadlines.

Farris visste att tiden är av största vikt inom en mycket konkurrensbetonad marknadsplats där varje dag man använder på produktutveckling kan vara avgörande för framgång. Hans strävan att förkorta designcyklerna och att tillverka delarna snabbare, ledde honom till Protolabs för prototyptillverkning och delar för slutanvändning.

”Vi använder Protolabs främst för att testa nya idéer”, förklarade Farris. ”I och med att vi överväger möjliga förbättringar i vår design, vill vi så snabbt som möjligt ha förmåga att skapa delarna och se hur de presterar.”

Indego är ett robottekniskt exoskelett som är avsett att hjälpa patienter med förlamning i nedre extremiteterna att kunna gå igen. Under utvecklingsskedet använde Parker Hannifin Protolabs för att snabbt testa förbättringar i designen.

En alldeles särskild designutmaning som krävde snabb leverans av delar gällde en komponent som utgör ett belysningsrör för enheten. Delen överför ljus från en liten LED-lampa på ett inbäddat kretskort ut till höljet, så att användaren kan se enhetens aktuella status.

”Den lilla indikatorlampan är särskilt viktig eftersom det är så användaren – paraplegikern, strokepatienten eller vem det nu är som använder systemet – vet vad enheten har för status, vilket läge den har och vad som kommer att hända med den”, sade Farris.

Det första ljusröret var tillverkat i formsprutad, transparent termoplast. Efter flera testcykler stod det klart att materialet var för skört för att klara daglig användning eftersom systemet hade designats så att det skulle vara böjligt och följa användarens rörelser. Farris förklarade även att ljusröret var en del av ett större aggregat och att aggregatets relativa rörelse inte arbetade väl tillsammans med den styva plastliknande komponenten.

Snabb bearbetning med silikongummi överbryggar produktionsgapet

Farris och hans team övervägde materialet för ljusröret igen och beslutade sig för att tillverka delen med flytande silikongummi (liquid silicone rubber, LSR). En formsprutad del i LSR skulle kunna böjas naturligt med användarens rörelser och vara så pass hållbart att det skulle hålla i oändlighet. Utmaningen bestod dock i mer än att bara identifiera rätt material. De behövde även ett kostnadseffektivt alternativ för formsprutning som var optimerat för denna fas i produktutvecklingen, eftersom designen inte var färdig ännu.

Det robottekniska skelettet befann sig fortfarande i prototypskedet och FDA hade inte ännu gett sitt godkännande, så en dyr investering i traditionell bearbetning var allt annat än idealisk. Farris använde sig av Protolabs formsprutningsprocess för LSR för att snabbt tillverka flera ljusrörskomponenter så att han kunde testa den nya designen och ha flexibiliteten att vid behov iterera designen.

Han påpekar att det viktigaste steget i påskyndandet av formsprutningsprocessen var Protolabs automatiska, interaktiva offertsystem. Han och hans team laddar ofta upp delar för att få en offert på bara några timmar och går sedan igenom flera iterationer, tills de befinner sig inom sin målkostnad. Det ledde till en mycket iterativ designprocess och minskade samtidigt på utvecklingskostnaderna, eftersom allt kunde göras digitalt, med programvara, och inte krävde tillverkning av de slutliga delarna.