Sei componenti stampati in 3D permettono al BioTree di seguire i movimenti della schiena del cavallo
La società britannica Ergon Equine Limited sta utilizzando componenti prodotti mediante stampa 3D per sviluppare BioTree, un nuovo sistema destinato alla struttura portante delle selle da equitazione. Il progetto utilizza sei meccanismi articolati nei quali gli alloggiamenti dei giunti sferici vengono stampati in 3D con un materiale tecnico di igus, mentre i perni sferici sono realizzati in acciaio inossidabile. L’obiettivo è consentire alla struttura della sella di muoversi in modo controllato su più assi seguendo una parte dei movimenti della schiena del cavallo, invece di comportarsi come un elemento completamente rigido.
BioTree è ancora indicato da Ergon Equine come prodotto nelle fasi avanzate di sviluppo e rappresenta un’evoluzione del lavoro che l’azienda svolge da anni sulla progettazione dei cosiddetti saddle tree, le strutture interne sulle quali vengono costruite le selle. Ergon Equine non parte quindi dalla stampa 3D per cercare successivamente un’applicazione, ma utilizza la produzione additiva per risolvere uno specifico problema meccanico all’interno di un progetto nato dallo studio dell’interazione fra cavallo, sella e cavaliere.
La soluzione sviluppata insieme a igus UK utilizza sei alloggiamenti stampati mediante Selective Laser Sintering, SLS, realizzati con il polimero tecnico iglidur i230. I componenti vengono abbinati a perni sferici in acciaio inossidabile, creando articolazioni capaci di consentire movimento multidirezionale senza richiedere la lubrificazione periodica normalmente associata a molti sistemi meccanici tradizionali.
Il saddle tree tradizionale costituisce la struttura portante della sella
Per comprendere il progetto è necessario considerare il ruolo del saddle tree. Nella maggior parte delle selle tradizionali la struttura interna deve trasferire il peso del cavaliere sulla schiena del cavallo distribuendolo attraverso una superficie sufficientemente ampia. Storicamente questi elementi vengono realizzati anche mediante legno laminato rinforzato con componenti metallici.
La rigidità non rappresenta necessariamente un difetto: una struttura stabile deve mantenere forma, geometria e caratteristiche meccaniche sotto carico. Il problema nasce quando la geometria del saddle tree e quella della schiena del cavallo non coincidono correttamente oppure quando il movimento del cavallo modifica le condizioni di contatto durante l’andatura.
La letteratura scientifica sulla biomeccanica equina conferma l’importanza del corretto adattamento della sella. Uno studio pubblicato su Animals e condotto anche con il coinvolgimento del Royal Veterinary College ha confrontato selle correttamente adattate con configurazioni più larghe e più strette su quattordici cavalli sportivi. Modificare la larghezza del saddle tree ha prodotto variazioni misurabili sia delle pressioni esercitate sulla schiena sia della cinematica toracolombare. In alcune condizioni la pressione di picco aumentava dell’8,5% nella parte anteriore con la sella più larga e del 14% nella regione posteriore con quella più stretta. Lo studio concludeva che un adattamento corretto è importante per consentire una locomozione non ostacolata.
Altri lavori scientifici hanno mostrato che anche la distribuzione delle pressioni e la geometria dei pannelli della sella possono influenzare il movimento della schiena. Il problema che Ergon Equine cerca di affrontare con BioTree si inserisce quindi in un campo nel quale la relazione fra struttura della sella, distribuzione del carico e biomeccanica del cavallo è oggetto di ricerca da diversi anni.
Ergon Equine studia una struttura che non rimanga completamente statica
La storia del progetto precede di molto la collaborazione con igus. Ergon Equine è stata costituita nel 2008 con l’obiettivo di sviluppare soluzioni capaci di migliorare la distribuzione del carico attraverso la superficie della sella. Nel corso dello sviluppo l’azienda ha collaborato con veterinari, progettisti, saddle fitter, università e specialisti di biomeccanica.
Secondo la documentazione pubblicata da Ergon Equine, uno dei primi prototipi di saddle tree dinamico venne analizzato utilizzando tappeti sensorizzati per misurare la pressione sotto la sella. Nei test condotti dall’azienda con il supporto del veterinario Dr Martin Weaver, il prototipo dinamico avrebbe registrato una riduzione del 27% della pressione media e del 17% della pressione di picco rispetto alle selle utilizzate come riferimento. Questi valori sono risultati comunicati da Ergon Equine nell’ambito del proprio programma di sviluppo e non devono essere interpretati automaticamente come prestazioni definitive del BioTree commerciale.
L’azienda ha lavorato inoltre con ricercatori della Rutgers University per studiare come varia la geometria della schiena del cavallo durante differenti andature. L’obiettivo era comprendere meglio flessione ed estensione dorsale, inclinazione laterale e rotazione assiale, utilizzando questi dati per progettare una struttura capace di assecondare una parte del movimento invece di contrastarlo.
Ergon Equine sostiene che la tecnologia brevettata alla base di BioTree permetta una maggiore libertà nei movimenti di estensione e flessione dorsale, flessione laterale e rotazione assiale rispetto a una struttura convenzionale rigida. Il principio progettuale consiste quindi nel creare una mobilità controllata: il saddle tree deve continuare a sostenere e distribuire il carico del cavaliere, ma alcune sue sezioni possono modificare reciprocamente il proprio orientamento mentre il cavallo si muove.
BioTree viene montato sotto il NewTree già sviluppato da Ergon Equine
BioTree non sostituisce completamente il lavoro precedente dell’azienda. Il sistema biomimetico viene installato sulla parte inferiore del NewTree, l’altra piattaforma sviluppata da Ergon Equine e già proposta commercialmente ai produttori e agli specialisti di selle.
NewTree utilizza una struttura realizzata mediante stampaggio a iniezione con materiali sintetici selezionati per riprodurre caratteristiche di resistenza e rigidità tipiche di una struttura tradizionale in legno. Ergon Equine produce versioni destinate sia al dressage sia al salto e offre differenti lunghezze della seduta e possibilità di regolazione.
La barra dell’arcione può essere sostituita mediante una chiave esagonale ed è disponibile in misure che vanno da Narrow fino a 3 Extra Wide. Ergon Equine utilizza acciaio strutturale per questi elementi, mentre le staffe vengono prodotte in bronzo di alluminio. Anche la parte posteriore può essere regolata per modificare la curvatura e adattarla al profilo della schiena del cavallo.
BioTree aggiunge quindi un secondo livello funzionale a questa struttura. Il NewTree fornisce l’architettura principale della sella, mentre il sistema biomimetico sottostante introduce la capacità di movimento attraverso le articolazioni.
Ergon Equine si è rivolta a igus dopo aver provato componenti standard
Durante la prototipazione, il responsabile del design di Ergon Equine, Bjorn Hulman, ha inizialmente sperimentato componenti standard prodotti da igus. L’applicazione presentava però requisiti difficili da soddisfare utilizzando semplicemente parti a catalogo.
La struttura doveva essere leggera e compatta perché ogni aumento di altezza fra cavallo e cavaliere avrebbe modificato la geometria complessiva della sella. Doveva inoltre sostenere carichi variabili e ripetuti, permettere movimento multidirezionale, lavorare in condizioni ambientali differenti e non richiedere manutenzione continua.
Da questa collaborazione è nata una geometria specifica composta da sei giunti sferici personalizzati. La possibilità di produrre l’alloggiamento mediante stampa 3D ha consentito a igus ed Ergon Equine di sviluppare il componente intorno allo spazio disponibile e alla cinematica richiesta invece di modificare il progetto del saddle tree per adattarlo alle dimensioni di un giunto commerciale.
È proprio questo uno degli aspetti nei quali la produzione additiva offre un vantaggio concreto: per realizzare sei componenti dalle geometrie specifiche non è necessario costruire preventivamente uno stampo a iniezione dedicato. Il file digitale può essere modificato durante lo sviluppo e una nuova generazione del componente può essere prodotta direttamente tramite SLS.
Perché igus ha scelto iglidur i230 invece di un normale PA12
Il materiale utilizzato per gli alloggiamenti è iglidur i230, una polvere sviluppata da igus specificamente per il Selective Laser Sintering. Non si tratta quindi di un comune PA12 impiegato per prototipi visivi, ma di un materiale formulato pensando a componenti sottoposti a movimento e usura.
Secondo i test realizzati da igus, iglidur i230 presenta una resistenza all’usura superiore di circa l’80% rispetto al PA12 utilizzato come termine di confronto. L’azienda dichiara inoltre una temperatura continuativa di esercizio fino a 110 °C e una resistenza a flessione di circa 95 MPa a 20 °C, la più elevata fra i suoi materiali SLS.
Il materiale è inoltre dissipativo dal punto di vista elettrostatico e non contiene PFAS. Queste ultime proprietà non rappresentano necessariamente il motivo principale della scelta per la sella di Ergon Equine, ma mostrano come iglidur i230 sia stato sviluppato come materiale funzionale per impieghi meccanici e non soltanto per la realizzazione di prototipi.
L’aspetto più importante per BioTree riguarda però il comportamento tribologico. igus sviluppa i propri materiali iglidur integrando lubrificanti solidi direttamente nella matrice polimerica. Gli elementi possono quindi lavorare a secco senza richiedere l’applicazione periodica di grasso o olio.
In una sella questa caratteristica presenta vantaggi evidenti. Un sistema di articolazioni collocato vicino al cavallo, ai tessuti, alla pelle e alle imbottiture sarebbe poco pratico se richiedesse frequenti operazioni di lubrificazione oppure se potesse rilasciare olio durante l’utilizzo.
La stampa SLS permette di produrre direttamente componenti meccanici complessi
La scelta del processo SLS è legata anche alla geometria richiesta. Nella sinterizzazione laser selettiva un sottile strato di polvere polimerica viene distribuito all’interno della macchina e il laser fonde soltanto le aree corrispondenti alla sezione del componente. Il processo viene ripetuto strato dopo strato fino al completamento del lotto.
La polvere non sinterizzata che circonda le parti durante la costruzione svolge anche una funzione di sostegno. Per questo motivo la tecnologia SLS permette di realizzare forme tridimensionali complesse senza aggiungere i supporti che sarebbero normalmente necessari con altre tecnologie additive.
Nel caso di un alloggiamento per giunto sferico, la possibilità di progettare direttamente intorno al movimento della sfera e ai vincoli di montaggio permette di ridurre il numero di parti e utilizzare geometrie difficili da ottenere attraverso lavorazioni convenzionali.
Un altro vantaggio riguarda le piccole serie. Finché BioTree rimane un prodotto in sviluppo e i volumi non giustificano necessariamente la realizzazione di uno stampo a iniezione dedicato, la produzione SLS consente di modificare la geometria senza dover sostituire costosi utensili.
L’usura è più importante dell’aspetto estetico
Il caso Ergon Equine mostra una differenza importante fra la stampa 3D utilizzata per prototipazione e quella destinata a componenti funzionali. L’alloggiamento del giunto non deve principalmente avere una superficie esteticamente perfetta: deve mantenere nel tempo le proprie caratteristiche dimensionali e meccaniche nonostante migliaia di piccoli movimenti sotto carico.
La sfera metallica esercita infatti pressione sulla superficie polimerica dell’alloggiamento e, durante l’utilizzo, le due parti scorrono continuamente una rispetto all’altra. Se il materiale si consumasse rapidamente, aumenterebbe il gioco del giunto e cambierebbe il comportamento cinematico del saddle tree.
Per questa ragione la dichiarazione di igus relativa all’80% di resistenza all’usura in più rispetto al PA12 è più significativa, in questa applicazione, rispetto alla possibilità di ottenere semplicemente una geometria complessa. La libertà progettuale sarebbe infatti poco utile se il componente non mantenesse le proprie proprietà durante l’impiego.
Le pressioni sotto la sella sono un problema biomeccanico reale
La ricerca scientifica indipendente aiuta a comprendere perché Ergon Equine abbia concentrato parte del proprio sviluppo sulla distribuzione del carico. Uno studio condotto su cavalli sportivi ha mostrato che anche variazioni relativamente limitate della larghezza del saddle tree possono modificare sia le pressioni di picco sia alcuni movimenti della regione toracolombare.
Un altro lavoro pubblicato sul Journal of Equine Veterinary Science ha analizzato un prototipo dotato di pannelli differenti rispetto a una sella convenzionale. Le modifiche nella distribuzione delle pressioni sono state accompagnate da variazioni misurabili nel range di movimento di alcune regioni della schiena. Gli autori hanno concluso che la forma dei pannelli può influenzare sia la distribuzione della pressione sia la cinematica toracica e lombare.
Anche studi sulle selle da corsa hanno registrato pressioni elevate nelle zone corrispondenti alle prominenze ossee della schiena. Non significa che una struttura flessibile rappresenti automaticamente la soluzione migliore in ogni situazione: gli studi mostrano anche che la relazione fra cavallo, cavaliere e sella è complessa e che diversi tipi di saddle tree non producono necessariamente gli effetti intuitivamente attesi in tutte le andature.
È quindi importante distinguere il principio progettuale del BioTree da una conclusione clinica già dimostrata. Ergon Equine ha raccolto dati promettenti durante il proprio programma di sviluppo, ma il prodotto è ancora indicato dall’azienda come in fase avanzata di sviluppo e le prestazioni finali dovranno essere valutate sul sistema completo.
Un progetto sviluppato insieme a specialisti di biomeccanica equina
Ergon Equine ha costruito intorno a BioTree un gruppo di competenze che comprende progettazione meccanica e ricerca veterinaria. Oltre a Bjorn Hulman come Head of Design, l’azienda indica Dr David Marlin per le attività di ricerca e testing e Professor Lars Roepstorff per biomeccanica e anatomia.
L’approccio seguito dall’azienda combina simulazione al computer, prototipazione e prove sul campo. Ergon Equine dichiara di avere studiato anche il movimento estremo della schiena del cavallo e di avere utilizzato software di imaging 4D per individuare le aree sottoposte a maggiore deformazione.
Questa attività è significativa perché BioTree introduce volontariamente dei gradi di libertà all’interno di un elemento strutturale. In un normale progetto meccanico la rigidità rende relativamente prevedibile il percorso dei carichi. Quando vengono introdotte articolazioni, diventa invece necessario stabilire quanto ogni zona possa muoversi, in quale direzione e sotto quale resistenza.
Troppa rigidità eliminerebbe il vantaggio del sistema dinamico; troppa libertà potrebbe invece compromettere la stabilità del cavaliere o concentrare il carico in modo indesiderato. Il progetto deve quindi trovare un equilibrio fra supporto e adattabilità.
Il BioTree rimane un prodotto in sviluppo
Un elemento importante è che Ergon Equine continua a presentare BioTree come tecnologia in fase avanzata di sviluppo. Il NewTree rappresenta già l’offerta commerciale dell’azienda, mentre BioTree è la piattaforma attraverso la quale Ergon Equine sta cercando di introdurre il concetto dinamico.
Questo rende particolarmente appropriata la produzione additiva. Durante la fase di sviluppo una geometria può essere modificata molte volte in funzione dei risultati delle prove. Con uno stampo tradizionale, ogni variazione significativa potrebbe richiedere una modifica dell’attrezzatura. Nel processo SLS il cambiamento viene invece introdotto nel file digitale e trasferito direttamente alla produzione.
Se i volumi aumentassero in futuro, Ergon Equine e igus potrebbero valutare se mantenere la produzione additiva oppure trasferire determinate parti verso altre tecnologie. Ma la stampa 3D offre già un vantaggio nella fase nella quale geometria, rigidezza, intervallo di movimento e dimensioni delle articolazioni devono ancora essere ottimizzati.
Un’applicazione della stampa 3D molto diversa dai prototipi dimostrativi
Il progetto BioTree è interessante per la manifattura additiva perché utilizza la stampa 3D in una posizione poco visibile ma meccanicamente critica. Gli alloggiamenti non costituiscono un elemento estetico della sella e probabilmente l’utilizzatore finale non li vedrà durante il normale impiego. Il loro valore deriva esclusivamente dalla funzione svolta.
È una situazione tipica della progressiva maturazione della produzione additiva. In molti settori industriali le applicazioni più interessanti non sono necessariamente grandi componenti dalla forma spettacolare, ma piccoli elementi che risolvono un problema difficile da affrontare con componenti standard.
Nel BioTree la stampa SLS permette di ottenere sei alloggiamenti personalizzati, leggeri, resistenti all’usura e autolubrificanti, costruiti intorno alle esigenze cinematiche della struttura. La combinazione con i perni sferici in acciaio inossidabile crea il sistema articolato che consente alle sezioni del saddle tree di modificare reciprocamente la propria posizione.
Il progetto evidenzia inoltre come la scelta del materiale sia almeno altrettanto importante della tecnologia di stampa. Un normale materiale polimerico avrebbe potuto consentire di produrre la stessa geometria, ma non necessariamente avrebbe offerto una durata adeguata nel contatto ripetuto con una sfera metallica. igus porta quindi nel progetto l’esperienza sviluppata nei tecnopolimeri tribologici, mentre Ergon Equine definisce la cinematica necessaria sulla base dei propri studi sulla biomeccanica equina.
Se le prove finali confermeranno i risultati ottenuti durante lo sviluppo, BioTree potrebbe rappresentare un esempio interessante di come la produzione additiva possa modificare prodotti apparentemente lontani dal mondo industriale tradizionalmente associato alla stampa 3D. In questo caso non si tratta di stampare una sella completa, ma di utilizzare pochi componenti additivi progettati specificamente per introdurre una nuova funzione meccanica in un prodotto che conserva molte delle caratteristiche costruttive del settore della selleria.
