Alles begann vor sieben Jahren, als der damalige CEO von Parker Hannifin, Don Washkewicz, sein Team mit der Frage herausforderte: "Was ist die Zukunft unseres Unternehmens?"

Dies löste eine Flut von Aktivitäten aus, um neue Gebiete und Möglichkeiten zu erkunden, die das Wachstum des Unternehmens auch in Zukunft sichern würden. Die Initiative führte schließlich dazu, dass das Unternehmen untersuchte, wie es seine Kernkompetenzen im Bereich der Bewegungs- und Steuerungstechnologien anpassen könnte, um tragbare Robotergeräte für den Bereich der Prothetik und Orthopädietechnik zu entwickeln.

Als Parker Hannifin diese Möglichkeit genauer untersuchte, kam es zu einer Zusammenarbeit mit Forschern der Vanderbilt University, die sich mit der Robotertechnik anpassen um Patienten mit Lähmungen der unteren Gliedmaßen zu helfen, ihre Mobilität zu erhöhen und die Fähigkeit zum Gehen wiederzuerlangen. Dies führte zur Entwicklung eines tragbaren Exoskeletts, das aus einer Schiene besteht, die an den Hüften und Beinen getragen wird und durch Motoren, Batterien und andere Elektronik angetrieben wird.

Im Jahr 2012 trafen Parker Hannifin und Vanderbilt eine Vereinbarung zur Lizenzierung der Technologie, und kurz darauf begann das Unternehmen mit der Vermarktung eines Roboter-Exoskeletts namens Indego. Dr. Ryan Farris war im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Vanderbilt als Miterfinder an der Entwicklung der Technologie beteiligt, und Parker Hannifin holte ihn als technischen Leiter für den Geschäftsbereich, der Indego auf den Markt bringen sollte.

Auf der Suche nach einer flexiblen Material- und Fertigungslösung

Zu Beginn des Projekts stellten Farris und sein Team bei Parker Hannifin schnell fest, dass die Zeit, die sie auf Produktionsangebote und endgültige Teile bei den traditionellen Fertigungslieferanten des Unternehmens warten mussten, zu lang war, um ihre ehrgeizigen Entwicklungsfristen einzuhalten.

Farris wusste, dass in einem hart umkämpften Markt, in dem jeder Tag in der Produktentwicklung über Erfolg oder Misserfolg entscheiden kann, die Zeit ein entscheidender Faktor ist. Dieses Streben - die Verkürzung der Designzyklen und die schnellere Herstellung von Teilen - führte ihn zu Protolabs für die Herstellung von Prototypen und Endverbrauchsteilen.

"Wir nutzen Protolabs in erster Linie, um neue Ideen zu testen", erklärt Farris. "Wenn wir zum Beispiel über eine mögliche Designverbesserung nachdenken, wollen wir die Möglichkeit haben, Teile zu erstellen und so schnell wie möglich zu sehen, wie sie funktionieren.

Auf einen Blick

HerausforderungDie Ingenieure von Parker Hannifin, die ein robotisches Exoskelett entwickelten, benötigten eine Lösung für die Schnellfertigung, um die Entwicklungsgeschwindigkeit zu erhöhen und das Konstruktionsrisiko zu verringern.Lösung Eine Kombination aus digitalen Fertigungstechnologien und dem automatisierten Angebotssystem von Protolabs ermöglichte einen hochgradig iterativen Designprozess, ohne die Markteinführungszeit zu beeinträchtigen.Ergebnis Schnelles Formen, Bearbeiten und 3D-Drucken zusammen mit interaktiven Angeboten sparten dem F&E-Team Monate an Entwicklungszeit.

Der Indego ist ein robotisches Exoskelett, das Patienten mit Lähmungen der unteren Gliedmaßen helfen soll, wieder zu gehen. Während der Entwicklung nutzte Parker Hannifin Protolabs, um Designverbesserungen schnell zu testen.

Eine besondere Designherausforderung, die schnell zu fertigende Teile erforderte, betraf eine Komponente, die als Lichtleiter für das Gerät dient. Dieses Teil überträgt Licht von einer kleinen LED auf einer integrierten Leiterplatte nach außen, damit der Benutzer den aktuellen Status des Geräts sehen kann.

"Dieser kleine Indikator ist besonders wichtig, weil der Benutzer - der Querschnittsgelähmte, der Schlaganfallpatient oder wer auch immer das System benutzt - auf diese Weise weiß, in welchem Zustand er sich befindet, in welchem Modus er sich befindet und was mit dem Gerät passieren wird", so Farris.

Der ursprüngliche Entwurf des Lichtleiters wurde aus einem geformten transparenten Thermoplast hergestellt. Nach mehreren Testzyklen stellte sich heraus, dass das Material zu spröde war, um den harten Anforderungen des täglichen Gebrauchs standzuhalten, da das System so konzipiert war, dass es sich den Bewegungen des Benutzers anpasst. Farris erklärte auch, dass der Lichtleiter Teil einer größeren Baugruppe war und die Relativbewegung der Baugruppe nicht gut mit der starren, kunststoffähnlichen Komponente zusammenarbeitete.

Das Streben nach kürzeren Konstruktionszyklen und einer schnelleren Herstellung von Teilen führte ihn zu Protolabs für die Herstellung von Prototypen und Endverbrauchsteilen.

Rapid Silicone Rubber Tooling überbrückt Produktionslücke

Farris und sein Team überprüften das für das Lichtrohr verwendete Material und entschieden sich für die Herstellung des Teils mit Flüssigsilikonkautschuk (LSR). Ein LSR-Formteil sollte sich den Bewegungen des Benutzers anpassen und eine unbegrenzte Lebensdauer haben. Doch die Herausforderung bestand nicht nur darin, das richtige Material zu finden. Das Unternehmen benötigte auch eine kosteneffiziente Formgebungsoption, die für dieses Stadium der Produktentwicklung optimiert war, da das Design noch nicht fertiggestellt war.

Das Roboter-Exoskelett befand sich noch in der Prototyping-Phase und die FDA-Zulassung stand noch aus, so dass eine kostspielige Investition in traditionelle Werkzeuge nicht ideal war. Farris wandte sich an das LSR-Verfahren von Protolabs, um schnell mehrere leichte Rohrkomponenten herzustellen, damit er das neue Design testen konnte und die Flexibilität hatte, es bei Bedarf zu überarbeiten.

Er merkt an, dass der Schlüssel zur Beschleunigung des Formprozesses die Automatisierung von Protolabs war, interaktives Quotierungssystem. Er und sein Team laden oft innerhalb weniger Stunden Teile für Angebote hoch und durchlaufen dann mehrere Iterationen, bis sie im Rahmen ihrer Zielkosten liegen. Dies ermöglichte einen hochgradig iterativen Entwurfsprozess bei gleichzeitiger Senkung der Entwicklungskosten, da alles digital über Software realisiert werden konnte und keine Fertigung der endgültigen Teile erforderlich war.

Das robotische Exoskelett besteht aus einem Korsett, das um die Hüfte und die Unterschenkel getragen wird, und wird von Motoren, Batterien, Elektronik und intelligenter Software angetrieben, die die Bewegungen des Benutzers unterstützt.

Automatisierte Angebotserstellung spart wochenlange Entwicklungszeit

Nachdem sie die LSR-Formteile erhalten hatten, testeten sie das neue Design und stellten fest, dass es flexibel und haltbar genug war, um dem täglichen Einsatz des Indego-Systems standzuhalten. "Wir sind sehr zufrieden mit der Umstellung auf ein Teil aus Flüssigsilikonkautschuk", so Farris. "Die Lichtdurchlässigkeit ist ausgezeichnet, die Sichtbarkeit der Anzeige für den Benutzer ist hervorragend, und wir haben seit der Umstellung keine Probleme mit der Haltbarkeit gehabt."

Farris schätzt, dass sein Team durch die Herstellung der LSR-Teile innerhalb weniger Tage ein bis zwei Monate Zeit sparen konnte. Mit den für die Kleinserienfertigung optimierten Werkzeugen konnte die Lücke zwischen den ersten Prototypen und der Endproduktion geschlossen werden.

"Hätten wir versucht, diese Teile intern selbst herzustellen, hätte das aufgrund der begrenzten Bandbreite wahrscheinlich einen Monat gedauert", so Farris.

Diese Neugestaltung war jedoch weit mehr als eine Produktverbesserung, die in einem F&E-Labor entwickelt wurde. Farris sagte, dass dies ein Beispiel für die größeren, strategischen Bemühungen des Unternehmens sei, sich auf den Kundenservice zu konzentrieren, indem man auf das Feedback der Benutzer hört und Produktverbesserungen schnell umsetzt.

"Unser Ziel ist es, so schnell wie möglich zu sein. Wenn wir neue Entwicklungen haben, ist Geschwindigkeit ein Teil unseres Wettbewerbsvorteils. Wenn wir Probleme in der Praxis haben, ist eines der Dinge, von denen wir glauben, dass sie für unsere Kunden von großer Bedeutung sind, unsere Reaktionsgeschwindigkeit", erklärte er.

Neben dem LSR-Formteil verließen sich die Indego-Ingenieure und -Designer auch stark auf Protolabs' CNC-Bearbeitung und 3D-Druck Fähigkeiten während der Entwicklung des Roboter-Exoskeletts. Farris merkt an, dass er beispielsweise Vorrichtungen maschinell herstellen ließ, um die Komponenten für das Ultraschallschweißen zu fixieren. Außerdem nutzte er den 3D-Druck, um Prototypen aus Nylon durch selektives Lasersintern herzustellen, bevor er zum Spritzguss überging.

Mit einer On-Demand-Fertigung Mit dieser Option konnte Parker Hannifin die Entwicklungszeit verkürzen, innovative Produkte schneller auf den Markt bringen und effektiv auf Kundenfeedback reagieren. Farris schätzt, dass der Geschäftsbereich Human Motion and Control von Parker Hannifin Tausende von Bauteilen mit Protolabs hergestellt hat und auch in Zukunft die digitalen Fertigungsdienstleistungen von Protolabs nutzen wird.