3D spausdintuvai: ką jau galime atsispausdinti?

Naujausiame Ridley Scotto filme „Marsietis“ įtemptai stebime, kaip netyčia raudonojoje planetoje paliktas astronautas mėgina išgyventi ir sulaukti pagalbos. Pagrindinė problema – maisto trūkumas, kadangi gelbėjimo operacijos teks laukti daugiau nei metus. Įdomu pasvarstyti, kaip būtų susiklostę įvykiai, jeigu Markas būtų turėjęs 3D spausdintuvą, galintį atspausdinti maisto? Neabejotina, kad planuojamoje tikroje ekspedicijoje į Marsą tokie spausdintuvai bus Itin svarbūs. Galimybė atsispausdinti įvairius daiktus, atsargines detales arba net pačios bazės elementus žymiai atpigintų ir supaprastintų kelionę.

„Norisi kuo greičiau pamatyti tą fantastiką, ateinančią į realybę. Ateis laikas, kai Mėnulyje arba Marse astronautai, naudodami spausdintuvus, vietoje pasistatys kosminę bazę. Jau yra spausdintuvų, kurie dykumoje sufokusuoja saulės spindulį į smėlį. Spindulys ištirpdo kvarcą ir iš jo suformuoja norimą gaminį ar objektą“, – pasakoja Robotikos mokyklos vadovas Paulius Briedis.

Asortimentas sparčiai auga

Naujausi pranešimai liudija, kaip sparčiai auga šio spausdinimo galimybės ir asortimentas.

Pavyzdžiui, Australijos mokslininkai atsispausdino smegenų modelį neuronų funkcijoms tirti. Vietoj rašalo jie panaudojo pelės embriono smegenų žievės neuronUs, pamerktus specialiame hidrogelyje, taip sukurdami sluoksniuotą, funkcionuojantį smegenų žievės fragmentą. Hidrogelis padeda ląstelėms išgyventi ir susijungti vienai su kita.

O Nyderlandų medikai išgelbėjo 22-ejų metų moters gyvybę, pakeitę dėl retos ligos neįprastai storą kaukolės viršutinę dalį implantu, atspausdintu 3D spausdintuvu.

Kai kurios technologijos, tokios kaip informacinės ir kompiuterinės, mobilieji įrenginiai taip stipriai keičia visuomenės gyvenimą, tad ne veltui vadinamos griaunančiomis (angliškai – disruptive). Atrodo, kad 3D spausdinimas irgi tampa viena iš jų.

„Šiuo metu naudojama apie 20 skirtingų 3D spausdinimo technologijų. Tikėtina, kad atsiras dar naujų. Dabar galime spausdinti vienu įrenginiu tik metalą, arba tik plastiką arba bet kokią kitą medžiagą. Kuriamos technologijos, kad galėtume spausdinti metalą, plastiką, gumą ir stiklą vienu metu“, – LRT TELEVIZIJOS laidoje „Mokslo ekspresas“ pasakoja UAB „3D pro“ direktorius Karolis Kvietkauskas.

Kaip veikia viena iš šiuo metu plačiai naudojamų technologijų? Naudojami nerūdijančio plieno milteliai, klijais sujungiami į pageidaujamos formos detalę.

Proceso trukmė priklauso nuo spausdinamo objekto dydžio. Per valandą užauginama vieno kubinio centimetro dydžio detalė.

„Pavyzdžiui, keramikinio spausdintuvo medžiaga yra milteliai, suklijuojami specialiais klijais sluoksnis po sluoksnio ir spausdinimo metu jie nudažomi. Galima iš karto atspausdinti spalvotą objektą. Kita technologija yra plastiko spausdinimo technologija, vadinama ekstruziniu spausdinimo metodu. Medžiaga yra siūlo ar vielos pavidalo. Ji išlydoma ir su specialia „galvute“ piešiamas objekto kontūras. Taip užauginama detalė“, – aiškina K. Kvietkauskas.

Šiuo metu pati brangiausia, tačiau daugiausia galimybių atverianti technologija vadinama SLS arba SLA. Tai selektyvus sukietinimas lazeriu – stereolitografija. Naudojant šias technologijas, galima sukurti tai, ko nebuvo įmanoma pagaminti tradiciniu būdu.

„Galiu pateikti populiarų „Boeing“ pavyzdį, kai gaminama vis daugiau sudėtingų detalių lėktuvams, ortakių, kurių neįmanoma pagaminti tradiciniais būdais. Konstrukcija išlieka maksimaliai stipri, tačiau yra kur kas lengvesnė“, – sako K. Kvietkauskas.

Kas motyvuoja?

Kas ta pagrindinė varomoji jėga arba ideologija, lėmusi tokią sparčią šios srities pažangą?

„3D spausdinimo technologijos tikslas – praleisti kuo mažiau laiko tarpiniuose etapuose. Tai reiškia, kad kuo labiau pinga spausdintų gaminių gamyba, tuo plačiau tai gali būti taikoma“, – teigia P. Briedis.

Kita vertus, 3D spausdinimui atsirasti ir augti iš esmės padėjo kompiuterių tobulėjimas.

„Būsimo gaminio planas spausdintuvui pateikiamas kaip teksto failas. Jame parašyta, kur reikia varikliui būti po kiekvieno judesio. Jis atrodo kaip Biblija. Milijonų eilučių ir šimtų megabaitų teksto failas. Anksčiau žmonės rašydavo ranka tuos tekstus. Galimybė automatizuoti procesą kompiuteriais leido paspartinti procesą“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja P. Briedis.

Prieš kelerius metus, net naudojant galingus šiuolaikinius kompiuterius bet kokio modelio pavertimas į spausdintuvui suprantamą kalbą užtrukdavo apie dvi valandas.

Dabar algoritmai taip patobulinti, kad procedūra tetrunka vos penkias minutes. Todėl spausdinimas pradėtas taikyti kaip prototipavimo priemonė. Tai bene greičiausias ir efektyviausias būdas inžinieriams kuo greičiau išbandyti naujas idėjas praktiškai. Susikurti naują detalę ar netgi mikroschemą.

„Spausdinimas leido neapsiriboti gamybos technologija ir padaryti bet kokią formą. Dabar ši sritis plačiai taikoma medicinoje. Ten reikia daug priemonių, kiborgo funkcijas atliekančių prietaisų ir protezų, kurie turi būti pritaikyti individualiam asmeniui“, – priduria P. Briedis.

Ispanijoje sėkmingai atliktas pirmas pasaulyje atspausdintos krūtinės ląstos su šonkauliais persodinimas 54-erių metų vyriškiui.

Vėžys suardė kaulinį audinį, todėl kito būdo padėti pacientui nebebuvo. Protezą pagamino „Anatomics“ kompanijos specialistai. Spausdintuvas lydė titano miltelius ir juos sluoksniavo į formą.

Kiekvienas žmogus unikalus, todėl ši technologija medicinoje ypač praverčia.

Pavyzdžiui, prieš kuriant sąnario ar klubo implantą, svarbu įvertinti žmogaus eiseną, kūno svorio centro pokyčius ir numatyti, kaip svetimkūnis pakeis jo eiseną. Kiekviena kūno dalis, o ypač kaulai, kompiuteriniais modeliais tikrinami ir tada spausdinami.

„Daug žmonių turi susidėvėjusius sąnarius, patiriamos įvairios traumos. Ir dantų visiems reikia. Tam praverstų 3D spausdinimo technologijos. Atsiranda būdai padėti net ir dideles traumas ar rimtas ligas patyrusiems žmonėms. Kuriems reikia, pavyzdžiui, amputuoti visą dubens kaulą ir pakeisti jį spausdintu“, – sako P. Briedis.

Šiuo metu spausdintuvų asortimentas sparčiai auga, jie tampa vis pigesni. Be to, naudojamos pačios įvairiausios medžiagos. Kaip minėjome, netgi gyvos ląstelės. Tereikia nusipirkti tinkamos žaliavos ir išsirinkti patį spausdintuvą. Galite jį susikonstruoti ir patys, atėję į Robotikos mokyklos mokymus.

„Jau dabar Lietuvoje yra daug fabrikų, kurie norėtų 3D spausdintuvų, gaminančių dideles detales. Ir jiems didelio tikslumo nereikia. Jie sutiktų mokėti šimtus tūkstančių eurų už tokį prietaisą“, – tikina P. Briedis.

Panašūs prietaisai gaminami naudojant projektorius – šviesos, kaip medžiagos sustingdymo šaltinį. Ketinama plačiau naudoti ir tokius šviesos šaltinius kaip šviestukai. Siekiama mažinti gamybos kainą, didinti spausdinimo greitį, tikslumą.

„Eksperimentavome keliose srityse. Paties spausdintuvo naudojimo srityje, taip pat apmokėme moksleivius, kad jie išmoktų naujų inžinerijos būdų. Išmoktų sukurti kompiuterinį modelį“, – teigia Robotikos mokyklos vadovas.

Lietuviai stebina pasaulį

Lietuviai jau dabar šioje srityje savo išradingumu stebina pasaulį. Dr. Mangirdas Malinauskas su kolegomis VU Lazerinių tyrimų centre Saulėtekyje naudoja 3D spausdintuvą, kurdami ir tirdami naujus mikrooptikos, nanofotonikos komponentus bei karkasus audinių inžinerijai.

Naudojant tiesioginio lazerinio rašymo technologiją, ultratrumpųjų impulsų femtosekundiniu lazeriu galima selektyviai paveikti bet kokią medžiagą: metalą, stiklą, įvairius polimerus ar net baltymus. Bendradarbiaudami su Lietuvos sveikatos mokslų universitetu, jie lazeriu paveikė hibridinį šviesai jautrų polimerą ir sukūrė trimatę šešiakampių gardelių mikrostruktūrą – karkasą, kuriame galėtų augti chondrocitai – kremzlinio audinio ląstelės. Paskui sėkmingai jį implantavo į triušius. Galbūt kada nors tai taps nauju gydymo metodu nuo kremzlių pažeidimų kenčiantiems žmonėms.

„Planuojama spausdinti kaulus, kurie būtų implantuojami žmogaus organizme. Mes ieškome būdų, kaip tai realizuoti. Kiekvienas spausdintuvas turi savo medžiagą. Reiktų sukurti naują spausdintuvą, naują technologiją“, – sako K. Kvietkauskas.

Tokių pavyzdžių yra ir daugiau. Kompanija „OrthoBaltic“ spausdintuvais gamina protezus, dirbtinius kaulus ir dantis iš metalų bei tvirtų nailono plastikų. Anglijoje gyvenanti daktarė Vaiva Kalnikaitė su kolegomis kompanijoje „Dovetailed“ sukūrė aviečių 3D spausdintuvą.

„Šiuo metu plačiai spausdinamas šokoladas. Yra specialus šokolado spausdintuvas, kuriuo galima atspausdinti įvairių formų suvenyrinius šokoladukus, meno dirbinius. Aš taip pat ketinu įsigyti tokį spausdintuvą. Pasaulyje planuojama spausdinti gatavus maisto produktus. Idėja tokia – į mašiną įdedama tam tikri maisto produktai – pienas, miltai kiaušiniai ir atspaudus vieną mygtuką, aparatas jums iškeps blynų.

Ateitis – jaunosios kartos rankose

Kas mūsų laukia toliau? Šios technologijos tobulinimo entuziastai iš kompanijos „Toize“ bendradarbiauja su įvairiomis įmonėmis, aukštosiomis mokyklomis, užsienio partneriais, ieškodami geresnių medžiagų derinių, tobulindami procesus. Taip pat ir ugdydami jaunąją kartą.

„Parengėme metodiką, kaip moksleiviams projektuoti profesionaliomis priemonėmis ir išbandyti suprojektuotus automobilius virtualiuose oro tuneliuose. Tuos gaminius atspausdinome spausdintuvais. Jie galėjo palyginti, ar jų modeliai sutampa su tikrove“, – tikina P. Briedis.

Jie sukūrė interneto platformą, leidžiančią spausdinti kompiuterinių žaidimų herojus. Na, o Lazerinių ir inžinerinių technologijų branduolyje (LITEK) įsikūrusi kompanija „3D pro” spausdina itin platų dirbinių asortimentą: pradedant įvairiais prototipais ir baigiant galutinio vartojimo medicinos produktais, tokiais kaip klausos aparatai.

„Šiuo metu projektuojame ir ruošiame spausdinti konferencinę vaizdo kamerą. Šiuo metu kuriame darbinius brėžinius, kurie bus spausdinami. Bus surenkamas pirminis prototipas ir vėliau prasidės masinė gamyba. Taip pat dirbame su daugeliu įmonių Lietuvoje ir užsienyje“, – aiškina K. Kvietkauskas.

Ko reikia, kad šis 3D spausdinimo fenomenas toliau sparčiai tobulėtų? Kokios srities mokslininkų indėlio labiausiai laukiama?

„Mano manymu, svarbiausia sritis yra medžiagotyra. Reikia, kad būtų atrandama vis naujesnių medžiagų. Šiandien, pavyzdžiui, spausdintuvai gali spausdinti plastiką, bet ne tą, kuris naudojamas pramonėje. Medžiagotyrininkai turi sukurti naujas medžiagas, kurios būtų dar tvirtesnės, labiau atsparios temperatūros pokyčiams nei dabar naudojamos“, – teigia K. Kvietkauskas.

Vienas svarbiausių šios srities projektų – Medžiagų genomo iniciatyva, koordinuojamas JAV vyriausybės. Nuo 2011 metų jam skirta 250 mln. dolerių. Naudodami superkompiuterius, mokslininkai modeliuoja naujas medžiagas, prognozuoja įvairias jų savybes. Taip buvo atrasta nauja termoelektrinių junginių grupė.

„Siekiame prisijungti prie revoliucijos, kada žmogui leidžiama pasirinkti, ko jam norisi tuo metu ir tik tuomet pradedama gaminti. Bandome pasinaudoti galimybe spausdinimą naudoti kaip individualios gamybos procesą ir supažindinti žmones su tuo procesu“, – aiškina P. Briedis.

Žurnale „Wired“ teigiama, kad 3D spausdinimą jau ima keisti nanospausdintuvai. Nanovamzdelių, kvantinių taškų ir kitokių nanodalelių naudojimas sukels revoliuciją elektronikoje, biofarmacijoje, energetikoje. JAV sukurta nanomatmenų ofsetinė spausdinimo sistema („NanoOPS“) atspausdina 25 nm dydžio (t.y. tūkstantį kartų plonesnes už žmogaus plauką) struktūras ir grandynus ant įvairių paviršių.

Taip gimsta nanojutikliai ankstyvajai vėžio diagnostikai, lanksti elektronika ir lanksčios baterijos. Atrodo, kad žmonija netrukus įsigis universalią burtų lazdelę, kuri pildys įvairiausius mūsų norus ir Žemėje, ir kosmose.