Wartość Dodana:

Druk 3D To Znacznie Więcej Niż Tańsza Metoda Wytwarzania

 

Helena Dodziuk © Helena Dodziuk

 

Codziennie jesteśmy bombardowani informacjami na temat druku 3D. Zalewają nas informacje o nowych drukarkach i materiałach poligraficznych oraz nowatorskich zastosowaniach. Jednak w tej powodzi informacji gubi się ważny aspekt wytwarzania addytywnego, który czyni go tak potężnym: wartość dodana tej techniki. Ze względu na nią, drukowanie 3D stwarza nowe możliwości wykraczające daleko poza zmniejszeniem kosztów produkcji, a także przyczyni się do ogromnych zmian społecznych.

Spójrzmy na kilka przykładów takich możliwości w

A. wytwarzaniu ‘za jednym zamachem’ przedmiotów, których nie można zrobić w taki sposób przy zastosowaniu żadnej innej metody:

1.  Np. drukowanie obiektów o bardzo skomplikowanych kształtach. Chyba najlepiej ilustrują to dysze do paliwa w silnikach lotniczych wydrukowane w 3D przez GE we współpracy z firmą Snecma (SAFRAN). Pozwoliło to zmniejszyć liczbę części składowych tych dysz o bardzo złożonym kształcie z 18 do jednej. W ten sposób oszczędzono m. in. na kosztach montażu, co pozwoliło na ich zmniejszenie o 75%. Nawiasem mówiąc, w maju 2015 samoloty odrzutowe Airbus A350 zawierały już ponad tysiąc drukowanych w 3D części.

2.  Drukowanie części ruchomych. Drukowanie w 3D pozwala na jednoczesną i całościową produkcję przedmiotów z częściami ruchomymi. Prawdopodobnie najczęściej pokazywanym przykładem tego rodzaju jest model starego instrumentu astrolabium (rys. 1) używanego przez astronomów i nawigatorów od starożytności aż do renesansu. Innym przykładem są trzy przeplecione pierścienie (w matematyce noszące nazwę linku, a w chemii katenanu), których druk można zobaczyć na YouTube lub przekładni biegów, które mogą mieć zastosowania praktyczne.  

 

Rys. 1. Model astrolabium wydrukowany w 3D ‘za jednym zamachem’. © H. Dodziuk

 

3.     Drukowanie części pustych w środku. Takie drukowanie to oszczędność pieniędzy, ponieważ nie ma sensu wypełnianie wnętrza modelu drogim materiałem. W ten sposób uzyskujemy lżejsze samoloty, helikoptery oraz pojazdy kosmiczne, które, oprócz zużywania mniejszej ilości materiałów, potrzebują mniej paliwa i wydalają mniej gazów spalinowych. Czasami, część pusta przestrzeni jest wypełniona siatką, która przyczynia się do zwiększenia stabilności i trwałości lżejszego obiektu.

B. Medycyna jest to obszar, w którym drukowanie 3D przyniosło głębokie zmiany dzięki wartości dodanej:

1.  Jedną z najbardziej atrakcyjnych, dodatkowych cech zastosowania druku 3D w medycynie  jest personalizacja, która pozwala na drukowanie w 3D narzędzi chirurgicznych, np. specjalistycznych do operacji na niemowlętach i płodach w łonie matki lub do produkcji niedrogich narzędzi chirurgicznych zastępujących tradycyjne narzędzia ze stali nierdzewnej narzędziami z tworzyw sztucznych. Innym przykładem są różnego rodzaju spersonalizowane implanty wydrukowane w 3D z tytanu lub z tworzywa sztucznego (PEEK, Peck lub materiału CT bone® zawierającego główny składnik naturalnych kości fosforan wapnia) a także przeszczepy naczyniowe. Możliwość przetrenowania zabiegu przed jego wykonaniem pomaga chirurgom w przygotowaniu się do operacji.

2.  Jednak wydaje się, że największy wpływ druk 3D w medycynie wywiera  na protetykę. Należy tu wymienić dwa aspekty: estetykę i cenę. Pierwszy, mniej ważny, dotyczy wyglądu protezy.

 

 

 

Rys. 2. Młody człowiek bez ręki z protezą wydrukowaną przez firmę Open Bionic. © H. Dodziuk


      Joel Gibbard, założyciel spółki Open Bionic powiedział na 3D Print Show w Berlinie, że przed zajęciem się protezami narządów ruchu przepytał osoby bez kończyn, aby dowiedzieć się, jakiego rodzaju protezy chcieliby mieć. Oprócz oczywistych odpowiedzi, że powinny być one lekkie i wygodne w obsłudze, dostał jedną, pozornie zadziwiającą odpowiedź. Dla młodych osób po amputacji proteza nie powinna naśladować ludzkiej ręki, ma być ona raczej gadżetem z Wojen Gwiezdnych z pulsującym światełkiem. Według Samiya Parvez z firmy Andiamo 'można albo go (gorset, HD) ukryć pod suknią lub dumnie nosić na wierzchu ozdobiony kryształkami Swarovskiego'. Jest to całkowita zmiana nastawienia, najprawdopodobniej związana nie tylko ze zmianą gustów, ale również z gwałtownym spadkiem cen protez wydrukowanych w 3D. Omówimy to krótko poniżej.
      Jedną z najbardziej znanych opowieści o wydrukowaniu w 3D taniej protezy jest historia 17-letniego wtedy chłopca, Eastona LaChappelle. (Można obejrzeć jego prezentację na konferencji TEDxMilesHigh). Dowiedział się on, że rodzice 7-letniej dziewczynki nie mogą sobie pozwolić na nową, kosztującą 80 tysięcy dolarów protezę, aby zastąpić starą, z której dziewczynka wyrosła. Poruszony tą opowieścią Easton zaprojektował i wykonał, głównie za pomocą drukarki 3D, w pełni funkcjonalną protezę sterowaną przez fale mózgowe dziewczynki, odbierane przez wykonaną przez Eastona opaskę na czoło. Proteza ta kosztowała mniej niż 500 dolarów, zaś 50 dolarów to najniższa cena wydrukowanej w 3D protezy, o której słyszałam. Takie niedrogie urządzenia poprawiły już życie wielu ofiar wojen oraz innych osób po amputacji albo ludzi, którzy urodzili się z wadami kończyn. Istnieją nawet darmowe projekty DIY (takie jak projekt Eastona LaChappelle oraz projekty opracowane przez innych ludzi, np. diy-bionic-hand, Voice-Controlled-Prosthetic-Hand-Forearm, low-cost-flexy-hand-3d-printed-prosthetic a także specjalne fundusze, które zbierają pieniądze i produkują protezy dla ofiar min lądowych w Azji i Afryce (rys. 3), i rózne inne programy pomocowe z tego zakresu helping hands, Not Impossible, Enabling The Future.

Obecnie coraz więcej mówi się o rozproszonej technologii medycznej, w której drukowanie w 3D odgrywa zasadniczą rolę.

 

 

Rys. 3. Drukowane w 3D protezy dla ofiar wojen w krajach Trzeciego Świata. Dzięki uprzejmości firmy Not Impossible.  

 

4. Drukowanie w 3D komórek. Drukowanie z wykorzystaniem komórek jako 'atramentu' jest obecnie w powijakach, ale oczekuje się, że  w przyszłości przyniesie ono ogromne korzyści. Drukowane w 3D fragmenty skóry będą stosowane w miejscach poparzeń. Naukowcy z Wake Forest School of Medicine skonstruowali specjalną drukarkę ze skanerem, który określa wielkość i głębokość rany i przekazuje te dane do drukarki. W odpowiedni sposób zaprogramowana drukarka 3D  używa następnie odpowiednich typów komórek do pokrycia różnych miejsc rany. Inny program badawczy rozpoczęty niedawno przez L'Oreal we współpracy z Organovo ma na celu wytwarzanie sztucznej skóry do testowania kosmetyków. Ta ostatnia firma projektuje i tworzy strukturalnie i funkcjonalnie dokładne, wydrukowane w 3D modele ludzkich tkanek do badania działania np. leków, środków bojowych czy też materiałów żrących. Opracowane przez Organovo urządzenie Lab-on-chip exVive3DTM Human Liver Tissue, w którym istotną rolę gra wydrukowana w 3D tkanka wątroby, zostało zatwierdzone przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (Food and Drug Administration, FDA) do testowania leków. Oczywiście, w perspektywie oczekuje się ogromnego wkładu druku 3D komórek do medycyny regeneracyjnej oraz ograniczenia lub nawet wyeliminowania potrzeby narządów ludzkich do transplantacji.
      Nieco inny w sposobie działania, ale oparty na podobnych pomysłach jest BioPen pozwalający chirurgom przyspieszyć regenerację kości lub chrząstki poprzez nanoszenie żywych komórek i czynników wzrostu bezpośrednio w miejscu urazu. Zasadniczą częścią 'atramentu' jest w tym przypadku materiał komórkowy wewnątrz ekstraktu wodorostów (alginian) zabezpieczony przez drugą, zewnętrzną warstwę materiału żelowego. Działanie takiej mieszaniny może być spotęgowane przez dodanie czynników wzrostu lub innych leków, wspomagających wzrost i regenerację kości.

 

C. Druk 3D i ekologia
Druk 3D jest z definicji ekologicznym sposobem produkcji, ponieważ (teoretycznie) nie stwarza w ogóle odpadów, w przeciwieństwie do tradycyjnych, subtraktywnych metod produkcji (takich jak skrawanie), w których nadmiar materiału usuwa się sukcesywnie, dopóki nie uzyska się  pożądanego kształtu. Ta metoda wytwarzania jest również ekologiczna dzięki recyklingowi użytego materiału. Warto tu również wymienić specjalne programy stosujące drukowanie w 3D, aby przezwyciężyć zgubne skutki katastrof przyrodniczych, takie jak ożywienie raf koralowych. Wpływ na środowisko druku 3D dyskutowano między innymi w artykule 'Czy drukarki 3D są przyjazne dla środowiska?'

 

D. Drukowanie w 3D i kreatywność
Można wymienić wiele przykładów innych zastosowań druku 3D z wartością dodaną. Kreatywność w rozwoju tego sposobu produkcji i znalezienie nowych, wręcz nieprawdopodobnych jego zastosowań są prawdopodobnie najważniejszą z nich. Stosowanie druku 3D, aby wytworzyć niezbędne części zamienne (zamiast trzymania w hurtowni ich kompletu) zlikwidują konieczność ich magazynowania. Na razie nie wiem, jak filamenty (czyli atramenty do drukarek 3D) pachnące jak jabłka, jagody, winogrona lub truskawki mogą być stosowane, ale z pewnością znajdą one swoje nieszablonowe aplikacje. Nie jestem zwolennikiem hydroponicznego rolnictwa, ale wydrukowane w 3D systemy hydroponiczne dla rolnictwa miejskiego są imponujące. A jeśli lubisz słodycze, istnieje już szereg drukarek 3D, dzięki którym otrzymać można pyszne i piękne wyroby z cukru, czekolady lub nutelli (rys. 4). Alternatywnie, druk 3D może pomóc w konwersji nietypowych składników, takich jak białka z alg, liście buraków lub owady, w smaczne produkty przeciwdziałające niedoborowi żywności w przyszłości. Nie ma końca powodzi ciekawych, twórczych pomysłów.

 

 

Rys. 4. Czekoladowe globusiki wydrukowane w 3D przez firmę TNO. Dzięki uprzejmości firmy TNO).

 

Najbardziej oczywista jest kreatywność druku 3D w sztuce. Kopiowanie eksponatów muzealnych i innych obiektów to banał. Ale nowe fascynujące obiekty stworzone przez Dizingofa (rys. 5) lub Widriga banalne nie są.

 

  

Rys. 5. MathArt Dizingofa. Dzięki uprzejmości firmy Dizingof.

 

E. Drukowanie w 3D i spowodowane przezeń zmiany w życiu społecznym.
Dziś przemysłowe drukowanie w 3D to nie tylko wykonywanie prototypów i oprzyrządowania do produkcji w takich wielkich korporacjach jak GE, Airbus, w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, dóbr konsumenckich i innych gałęziach. Jednak drukarki 3D, które mogą pracować 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu zastępujące ludzką siłę roboczą z pewnością mogą być źródłem napięć społecznych. Z drugiej strony wprowadzenie masowego drukowania przez konsumentów opóźnia się. Oczekuje się, że zajmie to więcej niż 5 lat. Ale przyjdzie i a coraz więcej drukarek 3D w szkołach i domach prywatnych zmieni projektowanie, wytwarzanie, biznesu i całe nasze życie. Nawet dziś, stosując druk 3D można naprawić zepsutą pralkę lub samochód drukując uszkodzone części w domu (pliki do drukowania można pobrać ze strony internetowej Thingiverse). Można wydrukować turbinę wiatrową do produkcji swojej własnej energii elektrycznej i stać się prosumentem nie tylko produkując energię, lecz również sprzedając jej nadmiar. Można 3D wydrukować własną biżuterię lub robota albo jadalne ślady dinozaura wypełnione piure ziemniaczanym (lub nawet znienawidzonym szpinakiem), i zjeść je z dziećmi zamiast niezdrowych frytek. Druk 3D zmieni całe nasze życie.