Można już wydrukować w 3D prawie wszystko:
Samochód, elegancką suknię lub protezę ręki.
No i co z tego?

 

Helena Dodziuk

 E-mail: dodziuk10@vp.pl, hdodziuk@ichf.edu.pl

© Helena Dodziuk

 

      

                                                                                                                                      

 

M200B2

Rys. 1. Drukarka M200 polskiej firmy ZORTRAX, która w swojej kategorii została uznana za najlepszą przez użytkowników portalu 3d hubs. © Zortrax.pl

 

Druk 3D to nic nowego, w internecie pojawiła się nawet opinia, że metodę tę opatentowano w 1970-tych latach. Terminu tego po raz pierwszy użył w 1995 r. Prof. Ely Sachs ze słynnego MIT (Massachusetts Institute of Technology). Do niedawna w przemyśle metodę tę wykorzystywano prawie wyłącznie do wytwarzania narzędzi lub prototypów. Jednak obecnie jesteśmy w kluczowym momencie rozwoju tego sposobu wytwarzania. Nie tylko, że zatacza on coraz szersze kręgi (obecnie głównie w USA, Wielkiej Brytanii i kilku innych krajach, ale to się bardzo szybko zmienia), lecz również dlatego, że drukowanie w 3D zaczyna być stosowane na dużą skalę przez wielkie korporacje. Dotychczas wprowadzanie rewolucyjnych wynalazków, takich jak wykorzystanie energii elektrycznej lub druku w życiu codziennym na ogół długo trwało, ale zmieniały one całe nasze życie. Jeśli chodzi o druk 3D, to teraz proces ten przyspieszył i spodziewamy się, że ta metoda wytwarzania może wkrótce zmienić (prawie?) wszystko. Obecnie szybko rozwijający się druk 3D nie tylko oferuje wiele zastosowań, ale obiecuje przynieść znacznie więcej w przyszłości i jego przyszły wpływ na społeczeństwo trudno przewidzieć. Dziś ta metoda, dotychczas wykorzystywana głównie do otrzymywania narzędzi i prototypów, jest wprowadzana do masowej produkcji przez wielkie  korporacje: General Electric (GE),  Ford, Mattel, i Airbus, by wymienić tylko niektóre. W 3D wydrukowano już przepiękne sukienki i buty oraz cały samochód Strati. To ostatnie zajęło cztery lata pracy koncepcyjnej i 44 godziny druku, i samochód jeździ.

 

                                                                                                       

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image004.jpg

 

Rys. 2. Wydrukowany w 3D przez firmę Local Motors samochód Strati. © Local Motors.

 

 

Druk w 3D wkracza do wielu dziedzin. Na przykład, warto tu wymienić protezy dostosowane do indywidualnego pacjenta lub druk zapasowych części do naszej pralki lub lodówki, które możemy wykonać sami. Pliki do drukowania niektórych części zamiennych można bezpłatnie ściągnąć z portalu Thingiverse. Intrygują wydrukowane w 3D piękne stroje (Rys. 9), buty (Rys. 3) czy biżuteria. Inne zastosowania druku w 3D omówimy bardziej szczegółowo później.

 

 

                                                                                                            

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image006.jpg

 

Rys. 3. But zaprojektowany przez Juliana Hakesa pokazany na 3D PrintShow 2015 w Berlinie. © H. Dodziuk

 

 

Drukowanie w 3D i jego zalety

 

Starsi ludzie pamiętają zapewne dawne drukarki atramentowe, popularne "plujki". Drukarki 3D działają w podobny sposób, lecz rolę „atramentu” pełni w nich zazwyczaj wytłaczane z dysz (ekstruderów) tworzywo sztuczne, metal lub materiał organiczny. Podstawę wytwarzania, projekt, uzyskuje się za pomocą metody komputerowego wspomagania projektowania (CAD) lub otrzymuje poprzez skanowanie 3D. Obecnie można już wykonać skanowanie korzystając z laptopa, smartfona, tabletu lub zwykłego PC wyposażonego w skanner i wysłać przetworzony specjalnymi programami projekt do drukarki 3D. Musi on być przekazany do drukarki w formie warstw, na które podzielony jest trójwymiarowy obiekt do wydrukowania. Sposób podziału na warstwy jest jedną z najbardziej znaczących decyzji produkcyjnych, które nie mogą być skomputeryzowane i zautomatyzowane, lecz muszą być wykonane przez inżynierów. Grubość warstw, typowo 0,1 mm dla polimerów i 30 mm w przypadku metali, jest określony przez rodzaj drukarki i zastosowanego materiału. Warstwy te są drukowane kolejno, a następnie zestalane i "sklejane". Po każdym etapie, powierzchnia robocza jest obniżana o grubość warstwy, aby umożliwić wydrukowanie następnej. W ten sposób, unika się odkształcenia materiału, które występuje np. przy spawaniu.

 

Należy podkreślić, że druk w 3D, znany również jako wytwarzanie addytywne, zasadniczo różni się od klasycznej metody wytwarzania substraktywnego, w którym wykorzystuje się takie narzędzia jak tokarki lub frezarki. W odróżnieniu od druku w 3D w tej ostatniej metodzie otrzymuje się pożądany element poprzez wyeliminowanie z bloku zbędnego materiału. Wikipedia podaje, że drukowanie w 3D to wytwarzanie przedmiotów trójwymiarowych o dowolnym kształcie na podstawie modelu cyfrowego.

 

A co może być "atramentem"? Polimery, proszki metali, guma, piasek, włókna węglowe, materiały organiczne (na przykład, komórki, drewno, lecz również czekolada), mieszaniny, słowem, prawie wszystko. na YouTube'ie możesz obejrzeć, jak się drukuje w 3D.

 


Drukowanie 3D ma szereg zalet w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji:

 

1.                Możliwość wytwarzania „za jednym zamachem” bardzo skomplikowanych kształtów, których nie można otrzymać za pomocą konwencjonalnych metod. Takich jak model astrolabium, który wydrukowany został w 3D „w jednym kawałku”. 

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image008.jpg

 

 

Rys. 4. Wydrukowany „w jednym rzucie” model starego przyrządu astronomicznego astrolabium, w którym pierścienie obracają się niezależnie od siebie. © H. Dodziuk

 

 

2.                Znaczne obniżenie kosztów związanych z projektowaniem i produkcją narzędzi produkcyjnych.

 

3.                Unikanie strat materiałów typowych dla konwencjonalnych metod produkcji takich jakie występują, na przykład, przy obróbce skrawaniem. Pojawiły się również propozycje wykorzystania odpadów jako "atramentu" do druku w 3D (Odpady1, Odpady2). Jednak drukowanie w 3D może również mieć niekorzystne dla środowiska skutki. 

 

4.                Niski koszt i szybkość testowania prototypu pozwalające na jego szybkie poprawki i usprawnienia.

 

5.                Z licznych propozycji zastosowań druku 3D w różnych dziedzinach, najbardziej ekscytujące wydają się być zastosowania medyczne pozwalające np. na wykonanie znacznie tańszych i dokładnie dopasowanych do rozmiarów pacjentów protez (np. proteza ręki sterowana falami mózgu, implanty dolnej szczęki lub czaszki), biodrukowanie z użyciem komórek, co przyspiesza regenerację ran lub drukowanie tkanek do oceny toksyczności leków. Drukowanie w 3D modeli mózgu pacjenta lub innych organów (uzyskanych na podstawie MRI lub tomografii komputerowej) pozwala chirurgom przetrenować przyszłą operację, zaś drukowanie narzędzi chirurgicznych pozwala dopasować ich rozmiary do pacjentów, np. do operacji niemowląt lub operacji na płodach w łonie matki.

 

 

protezy Afryka

 

ys. 5. Protezy wykonane przez firmę Not Impossible. © Not Impossible.

 

 

6.                Dotychczas drukowanie w 3D jest tańsze, szybsze i bardziej elastyczne niż tradycyjne metody produkcji tylko dla krótkich serii. Może to się szybko zmienić wraz z szybkim spadkiem kosztów drukarek 3D i przyspieszeniem procesu drukowania.


7.                Zaletą drukarek, która z punktu widzenia kosztów społecznych może okazać się wadą, jest to, że mogą pracować 24 godziny na dobę 7 dni w tygodniu, pozbawiając pracowników pracy.


8.                Kilka pięknych projektów designu, np. MATHART Dizingofa, oraz programy drukowania protez protez dla mieszkańców Azji i Afryki, którzy ucierpieli podczas bratobójczych wojen (programy Not Impossible i 3D Life Prints), pokazuje, że drukowanie 3D nie tylko pobudza wyobraźnię, lecz również zmienia otaczający świat.

 

 

3D DIZENGOFF

 

Rys. 6. Jeden z fascynujących projektów w serii MATHART Dizingofa. © Dizingof

 

 

         Bardzo istotne jest, że drukowanie w 3D wprowadza szereg „wartości dodanych”. Wspomniano już powyżej, że wydrukowane w 3D części samolotów są na ogół lżejsze niż części wyprodukowane metodami tradycyjnymi oraz że druk w 3D pozwala na wytwarzanie zindywidualizowanych protez. Takich dodatkowych zalet druku w 3D jest więcej. Niektóre z nich będą omówione poniżej. 



Przemysłowe zastosowania drukarek 3D


Przemysłowe zastosowania druku 3D są liczne i różnorodne. Obecnie jesteśmy na początku szybkiego rozwoju zastosowań przemysłowych tej metody produkcji. Przyniosą one istotne zmiany nie tylko w tej dziedzinie. O zastąpieniu robotników przez drukarki 3D wspomniano już wcześniej, ale oczekiwane przemiany społeczne będą większe i są obecnie trudne do oszacowania. Kilka lat temu szacowny dziennik The Economist opublikował
artykuł zatytułowany "Wydrukuj mi Stradivariusa" ze zdjęciem wydrukowanych w 3D skrzypiec na okładce.
          

         Posłuchaj gry na takim instrumencie. Na YouTube'ie jest co najmniej 10 takich prezentacji. W Internecie można obejrzeć również skrzypce o fascynującym kształcie. Inny tego rodzaju instrument pokazała ostatnio firma 3D Varius.

 

         W artykule tym, przyszły wpływ druku 3D na gospodarkę i życie codzienne był porównywany do wpływu, jaki wywarły wynalazki druku, maszyny parowej i tranzystora. Mimo że obecnie nie można ocenić wpływu druku 3D na gospodarkę i społeczeństwo, oczekuje się, że przyniesie on znaczne zmiany w wielu dziedzinach, zaś firmy, przedsiębiorcy i prawnicy będą się musiały dostosować do nich. Dziś jesteśmy w fascynującym momencie, gdy drukowanie w 3D, wcześniej stosowane do produkcji narzędzi i prototypów, wchodzi do zakładów przemysłowych w wielkich korporacjach takich jak GE, Ford, Siemens, Mattel, Airbus, etc. Proces ten będzie się nasilać.


         Obecnie prowadzone są intensywne prace w celu opracowania tańszych, szybszych i bardziej wyspecjalizowanych drukarek 3D i materiałów drukarskich. Całkowicie wydrukowany w 3D samochód Strati został już wymieniony wcześniej. Wysiłki firmy Airbus na rzecz rozwoju gigantycznych drukarek 3D do produkcji części lotniczych oraz prowadzone w badania drukowania w 3D dysz silników odrzutowych to jedne z niewielu opublikowanych informacji, jakie mogłam znaleźć. Istnieje oczywiście wiele innych prac z tej dziedziny stanowiących pilnie strzeżoną tajemnicę  firm prywatnych. Jednak ostatnio ukazała się informacja, że nowy Airbus A350 XWB zawiera ponad 1000 wydrukowanych w 3D części.

 

         Między innymi oczekuje się, że drukowanie w 3D zrewolucjonizuje  gospodarkę częściami zamiennymi

. Dzisiaj warsztaty samochodowe przechowują wszystkie potrzebne części zamienne. Sądzi się, że już w niedalekiej przyszłości będą one wyposażone w drukarki 3D i pliki do drukowania tych części, co pozwoli zaoszczędzić ogromne koszty ich przechowywania. Amerykańska armia używała drukarek 3D w Iraku i Afganistanie zamiast wysyłania tam pełnych zestawów części zamiennych do uzbrojenia.


Druk 3D to dziś gorący temat dla wielu inżynierów, majsterkowiczów, fanów metody DIY (Do It Yourself, czyli majsterkowiczów), naukowców, a nawet hakerów. Rozwijają oni nowe, tańsze drukarki do wielu zastosowań, nowe materiały do drukowania oraz nowe, ekscytujące zastosowania, m.in. w dziedzinie medycyny regeneracyjnej, w budownictwie, przemyśle lotniczym i badań kosmicznych, modzie, przemyśle spożywczym oraz wielu innych dziedzinach.

 

3D-printed-chocolate-globes-from-TNO                                                                 


Rys. 7. Czekoladowe globusy wydrukowane przez firmę TNO. © TNO.

 


Bezpłatne oprogramowanie (ang. Free Open-Source Software, FOSS), bezpłatne oprzyrządowanie (ang. Free Open-source Hardware, FOSH) oraz samoreplikujące się  drukarki 3D

 

Chyba każdy słyszał o bezpłatnym tzw. wolnym oprogramowaniu, takim jak Linux. Nowym elementem nie tylko w dziedzinie druku 3D jest zastosowanie wolnego, t.j. bezpłatnego oprzyrządowania. Znacznie rozszerza to  możliwości w porównaniu z użyciem tylko wolnego oprogramowania. Korzystając ze strony internetowej RepRap, można zbudować sobie drukarkę 3D, na przykład, pobierając dane ze stron internetowych i wykorzystując w budowie mikrokontrolery Arduino lub Raspberry Pi oraz bezpłatne oprogramowanie. Można również zaprojektować i wykonać drukowane w 3D przyrządy  laboratoryjne, co otwiera zupełnie nowe, trudne do oszacowania, perspektywy. Np. grupa Cronina buduje systemy do prowadzenia i monitorowania reakcji chemicznych uzyskując bardzo ciekawe, czasem zaskakujące wyniki2. Niektóre z nich zostaną przedstawione poniżej.

 


Mnóstwo zastosowań - a każdy dzień przynosi nowe


Na początku XXI wieku, inżynierowie i projektanci zaczęli intensywnie używać drukarek 3D, aby  szybko i tanio wytwarzać narzędzia i prototypy. Takie podejście jest obecnie szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Jak wspomniano uprzednio, wydrukowano już samochód
Strati podobnie jak dysze nowej generacji silników odrzutowych przygotowywane do produkcji przez General Electric, GE. Wiele zastosowań druku 3D jest teraz coraz częściej wprowadzane w wielu dziedzinach: m. in. w architekturze, medycynie i stomatologii, w branży jubilerskiej, w edukacji i wielu innych, nie tylko do wytwarzania prototypów, ale również do produkcji na średnią skalę. Co więcej, jak już wspomniałam na początku, wielkie korporacje zaczęły już programy wprowadzania drukarek 3D do produkcji na wielką skalę. W Internecie można znaleźć wiele ciekawych drukowanych w 3D prototypów, m. in. motocykl, biżuterię, bikini lub fragment butów Nike. Wydrukowany w 3D rower  widziałam w Muzeum Sztuki Współczesnej w Krakowie na polsko-brytyjskiej wystawie Sustainable Design, a wydrukowane w 3D przez Janka Simona na podstawie zachowanych rysunków Oskara Hansena i Lecha Kunki małe przedwojenne rzeźby pokazano na wystawie w Galerii Zachęta w Warszawie (Rys. 8).

 

                                                                                                                                          

Stazewski_Zacheta_06.JPG


Rys. 8. Kopie rzeźb z Muzeum Człowieka w Paryżu wydrukowane przez Janka Simona na podstawie zachowanych rysunków Oskara Hansena i Lecha Kunki. Z podziękowaniem dla Galerii Zachęta.

 

 

Trzeba tu również wspomnieć o fascynujących ubraniach i butach wydrukowanych w 3D. Przykładem wydrukowanego w 3D atrakcyjnego stroju jest gorset przedstawiony na następnym rysunku, który był pokazany na targach 3D Printshow w 2015 roku w Berlinie.

 

 

                                                                                                                                                    

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image018.jpg


   Rys. 9. Gorset zaprojektowany w 3D przez Michaellę Jansen van Vuuren. © H. Dodziuk

 

 

Zastosowania druku 3D w medycynie

 

Prawdopodobnie najbardziej interesujące są zastosowania druku 3D w medycynie regeneracyjnej, takie jak wytwarzanie protez zębów lub kości, które dokładnie pasują do rozmiarów ciała pacjenta. Na przykład, 83-letniej chorej na raka pacjentce z dużymi zmianami w dolnej szczęce wstawiono wydrukowany w 3D dokładnie pasujący implant szczęki. Podobnie, siedemnastoletni (w tym czasie) amerykański licealista Easton LaChappelle zbudował  dla ośmioletniej dziewczynki protezę ręki, której ruchy były kontrolowane przez fale mózgowe, bo wzruszył się tym, że jej rodzice nie mogli sobie pozwolić na nową, większą protezę dla swojego dziecka za 80 000 $; proteza Eastona, stworzona, aby pomóc biednej dziewczynce, kosztowała niecałe 500 dolarów. Niespodziewanie zwróciła ona uwagę menedżerów duńskiej firmy  Heineken, którzy chcieli jej użyć w zupełnie innym celu. Chcieli zamówić 500 takich „rąk” do podawania piwa w pubach. Obecnie Easton LaChappelle pracuje w NASA nad projektem Robonaut. Założył on również swoją firmę Unlimited Tomorrow, Inc. i poszukuje funduszy na platformie croudsourcingowej Kickstarter dla swojej nowej, bardziej funkcjonalnej protezy, a na stronie internetowej gofundme stara się o poparcie finansowe projektu egzoszkieletu, który ma pomóc paraplegikom w nauce chodzenia.

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image020.jpg

 

Rys. 10. Proteza ręki firmy Open Bionics założonej przez Joela Gibbarda. © H. Dodziuk

 

 

Liczne bardzo tanie drukowane w 3D protezy rąk i nóg całkowicie zmieniły sytuację na tym rynku: zamiast ok. 100 000 USD kosztują często mniej niż 1000 dolarów. Zmienił się też ich wygląd; dzieci i młodzież wcale nie chcą, żeby ich proteza naśladowała np. rękę, ma ona być fajnym gadżetem. 

 

Innym przykładem jest drukowana w 3D proteza ucha, stworzona wspólnie przez naukowców i lekarzy z Cornell University. W tym wypadku jako "atramentu" do druku użyto żelu, który składał się z żywych komórek, kolagenu wyizolowanego z ogona szczura i chrząstki ucha krów. Kolagen stosowano tu jako rusztowanie, na którym były osadzane chrząstka i komórki. Pełne  sprawdzenie bezpieczeństwa stosowanej procedury może potrwać trzy lata. Potem, po zaakceptowaniu przez odpowiednie agencje, można ją będzie stosować u ludzi, którzy utracili w całości lub częściowo ucho w wypadku, w wyniku raka lub cierpiących na wrodzone zniekształcenie ucha zwane microtia.
        

Jednym z największych osiągnięć w dziedzinie zastosowań druku 3D w medycynie są biodrukarki (zwane także drukarkami narządów lub wspomaganymi komputerowo urządzeniami inżynierii tkankowej)1, które pozwolą na ograniczenie a może nawet wyeliminowanie użycia narządów od ludzkich dawców w przyszłości. Dwa lata temu wyleczony z raka pacjent otrzymał nową twarz, której część została wydrukowana w 3D.

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image022.gif

 

Rys. 11. Wyleczony z raka pacjent pokazuje protezę twarzy, którą częściowo wydrukowano w 3D. © Geoff Pugh.

 

 

Wiadomo też o wydrukowaniu tkanek wątroby i sztucznej nerki. Jednak uzyskanie w ten sposób wydrukowanych naczyń krwionośnych jest znacznie trudniejsze. Nawet dzisiejsze skromne możliwości drukowania narządów pozwalają na modelowanie serca  pacjenta, aby korzystając z wydrukowanego w 3D modelu wykonać sprzęt medyczny o odpowiednim rozmiarze, który może być używany do operacji  np. niemowlaka a nawet płodu w łonie matki. Podobnie, jak wspomniano uprzednio, chirurdzy ćwiczą już skomplikowane operacje na drukowanych w 3D modelach np. nerki. Nowe fascynujące zastosowania druku 3D w medycynie pojawiają się niemal codziennie.

 

Drukowanie w 3D może być stosowane w syntezie i badaniu leków. Syntezą chemiczną nie tylko leków z wykorzystaniem druku w 3D zajmowała się grupa Lee Cronina2, której prace będą omówione później. Problematyką testowania leków zajmuje się Dr. Anthony Atala, wiodący specjalista w biodruku, czyli w druku w 3D warstw komórek na sztucznym  rusztowaniu1. Metoda ta pozwala na uzyskanie zminiaturyzowanych i uproszczonych wersji ludzkich  organów, które mogą być umieszczone na chipie i zasilane przez substytut krwi. Takie modele ludzkiego ciała mogą być wykorzystywane do badania reakcji organizmu na nowe leki, lecz również w przypadku groźnych chorób lub niebezpiecznych substancji chemicznych (takich jak gaz bojowy sarin), aby uniknąć w ten sposób badań na zwierzętach lub na komórkach ludzkich. Pierwsze takie urządzenie lab-on-chip, składające się z „wydruku w 3D” miniwątroby do testowania leków został niedawno zatwierdzony przez amerykańską FDA (Food and Drug Administration) po imponującym badaniu. Wykazało ono, że proponowane urządzenie ujawniło toksyczność nie tylko tych leków, których nie dopuszczono wcześniej do sprzedaży, lecz również takich, które uprzednio, po standardowych testach, uznano za bezpieczne, a następnie wycofano z rynku ze względu na niewykrytą wcześniej toksyczność.

 

Jednym z nowszych wynalazków jest stosowanie w druku w 3D "biopióra", tj. pióra umożliwiającego nanoszenie komórek bezpośrednio na rany, co prowadzi do znacznie szybszej regeneracji tkanki.

 

Zastosowanie druku w 3D w badaniach zostaną omówione jedynie skrótowo. Ostatnio Dr Gabriel Villar i jego koledzy z Uniwersytetu w Oksfordzie otrzymali  wydrukowane w 3D tkanki, co pozwoliło na stworzenie sztucznego modelu  komunikacji między komórkami. Stanowi to znaczną poprawę w stosunku do dotychczasowych modeli komórek, w których współpraca międzykomórkowa jest niemożliwa. Co ciekawe, okazało się, że niektóre z obiektów stworzonych przez Villara et al. zmieniały swój kształt po wydrukowaniu. Podobne zjawisko obserwowano i szeroko omawiano w literaturze później nazywając je drukiem w 4D, dodając czas jako czwarty wymiar. Grupa Villara opracowała również sposób, który umożliwi wprowadzenie nowych materiałów do wnętrza żywych komórek naturalnych lub syntetycznych biomateriałów. To z kolei pozwoliłoby na badanie zupełnie nowych zjawisk.

 

Prace Dr. Lee Cronina ze współpracownikami z Uniwersytetu w Glasgow w dziedzinie syntezy chemicznej z wykorzystaniem druku w 3D4  wzbudziły ogromne zainteresowanie. Opracowali oni i wykonali sprzęt do przeprowadzania reakcji chemicznych i analizy uzyskanych  produktów stosując tę metodę wytwarzania. Badacze ci otrzymali w swoich zestawach nowe organiczne i nieorganiczne związki chemiczne i udowodnili ich strukturę również przy pomocy tych zestawów. Według Dr. Cronina "Takie podejście jest niedrogą, zautomatyzowaną i modyfikowalną  platformą chemiczną, która pozwala na korzystanie z metod inżynierii chemicznej w typowych laboratoriach syntetycznych". Następnie eksperymentując z drukiem w 3D, grupa Cronina utworzyła w ciągu kilku godzin z niedrogich materiałów szereg niezawodnych i trwałych zminiaturyzowanych reaktorów cieczowych do syntezy chemicznej. Niestety, naukowcy ci badają również możliwość drukowania leków, obecnie ibuprofenu, które z oczywistych względów są interesujące nie tylko dla firm farmaceutycznych lub generałów NATO. Wydaje się, że Dr. Cronin zdecydowanie nie docenia prawnych, medycznych i praktycznych problemów związanych z tymi badaniami. Mówi, że nie może sobie wyobrazić gangsterów drukujących leki. Mając świadomość poważnych problemów z fałszowaniem leków oraz nadużywanie zwykłych leków stosowanych bez kontroli (problemy uzależnień), uważam poglądy Dr. Cronina w tej dziedzinie za naiwne, a jego aktywność w tej dziedzinie za nieodpowiedzialną. Muszę jednak przyznać, że amerykańska FDA zaaprobowała ostatnio pierwszy wydrukowany w 3D lek.

 

 

CoverPageProposal.jpg




Rys. 12. Wydrukowane w 3D modele cząsteczek i kryształów3.

 


Co nowego w druku 3D?


Prawie każdego dnia pojawiają się nowe i ekscytujące informacje o druku 3D. Jak już wspomniano, zastosowania druku 3D szybko się rozwijają; dotychczas metoda ta była one używana do wyrobu narzędzi i prototypów, zaś obecnie jest wprowadzana  do produkcji wielkoprzemysłowej. Można to zauważyć w działalności wielkich korporacji, takich jak
GE, Ford, Mattel, Airbus i Lockheed Martin lub wielu nowopowstających firm takich jak korecologic. Srinivasan i Bassan już w 2012 roku, stwierdzili, że "Są duże szanse, że już leciałeś samolotem, nie wiedząc, że został on zbudowany przy użyciu niektórych drukowanych w 3D części, dzięki czemu był on lżejszy, zużywał mniej paliwa i emitował mniej spalin."

 

Od kilku lat trwają prace nad wykorzystaniem druku 3D w budownictwie. Zajmuje się tym intensywnie Behrokh Khoshnevis z University of Southern California. Jego  firma Contour Crafting opracowała drukarki, przy pomocy których można zbudować dom o powierzchni 200 m2 w ciągu 24 godzin z wbudowanymi wszystkimi rurami i  kablami w trakcie drukowania. Należy wspomnieć również o holenderskim projekcie Domu nad Kanałem (ang. Canal House). Ostatnio ogłoszono, że niedawno Chińczycy eksperymentalnie wybudowali 10 domów wykorzystując jako materiał surowce wtórne. Mimo, że większość projektów jest w fazie rozwoju, już można kupić drukarkę 3D do drukowania domów za 12 000 dolarów amerykańskich.

 

Zostaną opracowane coraz bardziej złożone i tańsze implanty i protezy i są szanse, że drukowanie 3D może kiedyś ograniczyć lub nawet wyeliminować niedobór dawców narządów precyzyjnie ukierunkowanych na potrzeby pacjentów. Ważnym czynnikiem jest tutaj również gwałtowny spadek cen protez. Należy tu również wymienić specjalne programy (Not Impossible, Enabling the Future, 3D Life Prints) przeznaczone m. in. do produkcji protez dla ofiar wojen w Afryce (Rys. 5) i Azji.


Oczywiście, korzystaniu z drukarek 3D towarzyszyć będzie zróżnicowanie produktów dostosowanych do konkretnego klienta. Tendencję tą dobrze ilustruje mały gadżet, spersonalizowana pokrywa Iphone'a, pokazując precyzyjnie, jak wytwarzanie produktu zgodnie z wymaganiami klienta zapewnia przewagę konkurencyjną innowacyjnym przedsiębiorstwom. Wśród wielu innych, najważniejsze przejawy dostosowań do klienta (pacjenta), należy przypomnieć  omówione wcześniej zindywidualizowane zastosowania medyczne, takie jak proteza ramienia sterowana falami mózgowymi czy też proteza twarzy częściowo drukowana  w 3D (Rys. 11). Można zakwestionować niektóre z prognoz Alvina Tofflera, wyrażonych w jego wizjonerskim "Szoku przyszłości", ale jego zapowiedź ery zindywidualizowanych produktów dobrze wpisuje się w tendencje, które obserwujemy w druku w 3D4.


Przy użyciu specjalistycznej drukarki 3D, firma Stratasys wyprodukowała wielowarstwową tkaninę składającą się z plastikowych standardowych włókien  przedzielonych warstwami "inteligentnych" (ang. smart) materiałów. Tkanina ta jest w stanie wchłonąć wodę, która rozprzestrzenia się po całej konstrukcji. Ta struktura może z kolei być wygięta lub skręcona przez inną inteligentną warstwę. Taka nowatorska koncepcja pozwala na eksperymentowanie z materiałami i źródłami  energii oraz szczegółami konstrukcyjnymi urządzeń, co umożliwia nowe zastosowania.

 

Dzięki gwałtownemu spadkowi cen i znacznie lepszemu oprogramowaniu jak również rozwojowi wyspecjalizowanych drukarek i materiałów używanych do druku, druk w 3D szybko się rozwija. Zarówno profesjonalni projektanci jak i amatorzy  mają coraz większy dostęp do drukarek, co znacznie rozszerza ich możliwości. Mogą oni wydrukować obiekt trójwymiarowy już w fazie projektowania, modyfikować go i ponownie drukować, co znacznie przyspiesza tempo innowacji.

 

Rok temu oczekiwano, że warsztaty drukowania w 3D wkrótce będą wszędzie. Obecnie drukarki 3D są stopniowo wprowadzane do szkół, gdzie wyzwalają kreatywność i wyobraźnię młodych użytkowników, przynosząc im wiele satysfakcji. Pojawiło się mnóstwo sklepów i warsztatów. Elegancki dom handlowy Selfridges otworzył w październiku 2013 roku stoisko-warsztat, w którym można sobie coś wydrukować w 3D, a supermarket Albert Hejin w Eindhoven uruchomił eksperymentalne stoisko drukowania słodyczy, które cieszyło się tak wielkim powodzeniem, że wprowadzono je na stałe. 

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image026.jpg

Rys. 14. Wydrukowane w 3D ciasteczka firmy Zmorph. © Zmorph

 

 

Oczekuje się, że połączenie nowych materiałów i drukowanej elektroniki w skali nano pozwoli na wytwarzanie nowych produktów o niewyobrażalnych wcześniej właściwościach wyzwalając kreatywność inżynierów i projektantów. Z drugiej strony, łatwość kopiowania takich obiektów już rozpala gorącą debatę na temat praw własności intelektualnej. Ostre dyskusje będą podobne do wojen rozpoczętych 10 lat temu przez strony internetowe dzielące się plikami muzycznymi (takie jak FilesTube i Shared), które  pozwalają na kopiowanie i udostępnianie utworów muzycznych.



Więcej niż 3D: czas jako czwarta współrzędna


Pan Jourdain ze sztuki
Moliera "Mieszczanin szlachcicem" nie wiedział, że mówi prozą. Podobnie Dr. Gabriel Villar i jego koledzy, których prace zostały omówione wcześniej, nie wiedzieli, że ich drukowane w 3D obiekty, które następnie zmieniały się w czasie, są przykładem druku w czterech wymiarach. Podobnie jak w teorii względności, czas jest tu czwartym wymiarem oprócz trzech wymiarów  przestrzennych. Skylar Tibbits z Laboratorium Samoorganizacji (ang. Self-Assembly Lab) w słynnym MIT (Massachusetts Institute of Technology) wykorzystał potęgę autoreklamy i przedstawił druk w 4D na  konferencji TED 2013 w Los Angeles w Stanach Zjednoczonych, choć samo zjawisko zaobserwowali wcześniej i zaproponowali jego zastosowanie Villar i współpracownicy. Jak wcześniej wspomniano, wydrukowane w 3D przedmioty mogą się zmieniać. Zastosowanie druku w 4D wymaga czasu, ale stworzy on nowe możliwości, np. w przypadku obiektów znajdujących się w trudno dostępnych miejscach, takich jak podziemne rury wodociągowe może być możliwe znaczne rozszerzenie lub zmniejszenie przepływu wody, co pozwoliłoby na uniknięcie wykopu w przypadku konieczności wymiany rur. Inne proponowane zastosowania druku 4D to samoskładające się meble, samochody, a nawet budynki. Przewiduje się, że obiekty drukowane w 4D będą wykorzystane do naprawy uszkodzeń w trudno dostępnych lub niebezpiecznych dla ludzi miejscach takich jak nieszczelne rury w elektrowniach jądrowych, przewody leżące na dnie morza lub na stacji kosmicznej. Z drugiej strony, nie rozumiem, dlaczego druk 4D ma być wykorzystywany do produkcji mebli.



Co dalej?


Oczywiście, cena drukarki zależy od konkretnego modelu, używanych materiałów i jakości wydruku. Jednak gwałtowny spadek cen (z 3000 do 1000 dolarów amerykańskich na początku 2013 roku, a teraz nawet 100 dolarów za zestaw drukarki do samodzielnego złożenia DIY (ang. do it yourself )) z jednej strony, oraz dostępność drukarek RepRap z drugiej, powodują, że druk w 3D staje się dostępny dla prawie każdego. Drukarki 3D stają się prawie wszechobecne: wkraczają do szkół (doniesiono, że w Chinach każda szkoła podstawowa ma być wyposażona w drukarkę), centrów handlowych, lub będą obecne na ulicach (patrz, na przykład, projekt
Kiosk).

 

Jak wspomniano powyżej, obecnie zastosowania druku w 3D są przenoszone z wytwarzania prototypów i druku drobnych części do dużych aplikacji komercyjnych.  Ostatnio dowiedzieliśmy się, że nowy model samolotu Airbus A350 XWB zawiera ponad 1000 wydrukowanych w 3D części. Szereg firm (GE, Airbus, Lockheed-Martin, etc.) bada obecnie możliwość budowy znacznie większych elementów samolotów za pomocą gigantycznych drukarek 3D. Oprócz redukcji lub eliminacji odpadów, zmniejszenie zużycia paliwa w samochodach i samolotach zawierających  drukowane w 3D części będzie również oddziaływać na środowisko, w wyniku m.in. mniejszego wydzielania spalin. Z drugiej strony, istnieje obawa, że łatwe drukowanie może powodować impulsywne drukowanie i ostentacyjną konsumpcję.

 

Wkrótce pojawi się zasilana enerigą słoneczną łatwo dostępna drukarka 3D open-source. Drukarkę z takim zasilaniem wykorzystał Markus Kayser do produkcji szklanych (może ze względu na wygląd należałoby nazwać je ceramicznymi) naczyń na pustyni.

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image028.jpg           http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image030.jpg 


Rys. 15. Projekt Solar Sinter Markusa Kaysera: drukarka 3D z panelami słonecznymi (z lewa) i wydrukowane z piasku naczynia (z prawa).

 

 

Drukowanie jedzenia: amerykańska Agencja Badań Kosmicznych NASA zainwestowała 125 000 dolarów w projekt rozwijający drukarki 3D, które mają  drukować pizzę, wprowadzono już na rynek kilka drukarek spożywczych (Foodini

, ChefJet i inne) m. in do produkcji czekolady i słodyczy. Jednakże, wydrukowane w 3D jedzenie może być trudne do przełknięcia, choć istnieją także jego wielcy zwolennicy.

 


Pot-pourri pomysłów


Kreatywność nie zna granic. Jeśli chcesz mieć trójwymiarowy model nienarodzonego dziecka, japońska firma
Fasotec wydrukuje go dla ciebie. Zaproponowano budynek  naśladujący wstęgę Möbiusa. W Stanach Zjednoczonych założono start-up, czyli nową nowatorską firmę Modern Meadow (ang. Nowoczesna Łąka), która ma na celu produkcję surowego mięsa z bioatramentu zawierającego  różne rodzaje komórek organicznych. Jeden z najbardziej znanych inwestorów z Doliny Krzemowej Peter Thiel, współzałożyciel PayPala i inwestor w Facebooka we wczesnej fazie czynnie popiera tę inicjatywę. Ostatnio ogłoszono o robocie humanoidzie oraz dronie, które możesz sobie wydrukować w 3D. Nie widać końca nowym  pomysłom.



A co sądzą Państwo o drukowaniu dla siebie leków lub broni?


Nie wszystkie perspektywy druku 3D są do przyjęcia. Kontrowersyjny pomysł Dr. Cronina drukowania leków w domu został omówiony powyżej. Możliwość korzystania z druku 3D do produkcji broni i rakiet przeraża ("
Lobby broni, które wspiera jej posiadanie, kocha druk 3D”). Plany druku karabinu maszynowego zostały usunięte z Internetu na wniosek władz amerykańskich. Z drugiej strony, jak pokazał na Woźniak ze współpracownikami z Uniwersytetu Jagiellońskiego, można wykorzystać druk 3D w celu identyfikacji broni używanej do zbrodni5.



Przemiany społeczne


Mary Gehl w artykule "Skutki druku w 3D," mówi, że "nadzwyczajne możliwości zastosowań tej technologii mają ogromny potencjał, aby zmienić sposób, w którym towary będą produkowane, projektowane i unowocześniane." Powiązane z tym zmiany będą miały wpływ nie tylko na gospodarkę. Podstawy prawne i skutki socjologiczne mogą być podobne - ale znacznie głębsze - do zmian wprowadzonych przez formaty cyfrowe w przemyśle muzycznym, gdyż możliwość łatwego kopiowania obiektów może naruszać wszystkie kluczowe obszary prawa własności intelektualnej, takie jak ochrona praw autorskich, wzorów przemysłowych, patentów i znaków towarowych.


Należy również oczekiwać głębokich przemian społecznych. W pierwszej połowie XX wieku w rozwiniętych gospodarkach, które charakteryzują się dużą skalą produkcji, konsumpcji i standaryzacją produktów, zostało stworzone społeczeństwo konsumpcyjne. Produkowane wyroby mogły być nabywane przez pracowników, którzy sami stawali się konsumentami. Czarny samochód Henry'ego Forda był również jednym z takich produktów. Dzisiejsze społeczeństwo się zmieniło. "Typowe dla niego jest nastawiona na kupującego produkcja na małą skalę charakteryzująca się wyspecjalizowanymi produktami, nowymi technologiami informacyjnymi i  rozwojem usług, ze szczególnym uwzględnieniem rodzaju konsumentów a nie klasy społecznej." Jest to zgodne z trendami typowymi dla druku 3D i uczyni naszą gospodarkę bardziej elastyczną oraz wpłynie na stosunki społeczne i gospodarcze w skali globalnej. Społeczeństwo zmienia się ze świata biernych kupujących konsumentów w takie, w którym produkcja i konsumpcja są ciągłe i symbiotyczne. Konsumpcjonizm zmieni się w prosumeryzm, w których produkcja i wykorzystanie jej produktów nie będą oddzielone, na przykład, gdy ludzie będą produkować części do naprawy pralki czy lodówki, lub wydrukują sobie naszyjnik albo buty. Z taką sytuacją mamy już do czynienia, gdy właściciele domów z panelami słonecznymi sprzedają  nadwyżki wytworzonej przez siebie energii elektrycznej. Ogólnie, nie sposób przecenić różnorakich efektów druku w 3D i oczekiwanych związanych z nim przemian społecznych.

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image032.jpg

 

Rys. 16. Aye Aye Labs: Paul McCartney i różne inne wydrukowane w 3D przedmioty. © J. Tomala.

 

 


Perspektywy


Wpływ technologii druku 3D na życie codzienne będzie ogromny. W artykule opublikowanym w czasopiśmie "The Economist", o którym była mowa na początku, jej przyszłe konsekwencje były w porównaniu do rewolucji przemysłowej związanej z wynalezieniem maszyny parowej, prasy drukarskiej i tranzystora. Według Mary Gehl, druk 3D rozwija się bardzo szybko i osiągnie obroty w wysokości 3,1 miliardów dolarów w 2016 roku i 5,2 miliardów dolarów w 2020 roku, zaś spadkowi  cen drukarek 3D towarzyszyć będzie nie tylko rozwój przemysłu, ale także "eksplozja druku 3D w domu ". Jeden z guru druku 3D Terry WOHLERS z WOHLERS Associates, Fort Collins, Colorado, USA, twierdzi, że technologia ta dostępna najpierw dla tak różnych grup użytkowników jak studenci, naukowcy, majsterkowicze, hobbyści, wynalazcy i przedsiębiorcy, stanie się ważnym czynnikiem szybkiego rozwoju tej dziedziny.

 

 

http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/druk%203D_pliki/image034.jpg

 

Rys. 17. Wielka drukarka BigRap na 3D PrintShow 2015 w Berlinie. © H. Dodziuk

 

 
  

A co się dzieje w Polsce w tej dziedzinie?
 

Robimy sporo. Wiele firm produkujących drukarki 3D i/lub oferujących usługi drukowania pokazuje swoje produkty w kilku miastach na specjalistycznych konferencjach, i/lub spotkaniach targowych (Dni Druku, 3D Show) Są już nawet specjalistyczne konferencje np. na temat zastosowania druku 3D w medycynie (Druk 3D w medycynie II, Nowe Wyzwania dla Medycyny i Informatyki). Największą sławą, także za granicą, cieszy się firma Zortrax która sprzedała korporacji Dell 5000 drukarek opracowanych w Polsce, ale wyprodukowanych w Chinach i Hong Kongu. Firma ta zdobyła pieniądze na rozwój na platformie crowdsourcingowej Kickstarter, która również skontaktowała korporację Dell z Zortraxem. Ich drukarka, Zortrax M200 pokazana na Rys. 1, zdobyła pierwsze miejsce wśród 400 drukarek w swojej kategorii na portalu 3DHubs. Niedawno firma ta otworzyła swój specjalistyczny sklep w Krakowie. Natomiast firma Zmorph z Wrocławia otworzyła swój showroom w Haarlemie w Holandii.

 

Elegancki zegarek z wydrukowaną w 3D obudową i bransoletką sprzedawany jest na stronie internetowej firmy Jelwek za 80 USD. Firma ta reklamowała w dodatku bożonarodzeniowym w 2014 roku do tygodnika Polityka swoja drukarkę jako prezent świąteczny.

 

 

zegarki Jelwek.jpg

 

Rys. 18. Zegarki firmy Jelwek. © Jelwek.

 

 

Również w Polsce najciekawsze zastosowania druku 3D należą medycyny regeneracyjnej. Co najmniej trzy operacje, w których wszczepiano protezy części czaszki wykonano w pierwszym Laboratorium Indywidualnych Implantów Medycznych w Łodzi. Lekarze z Kliniki Chirurgii Szczękowo-Twarzowej i Plastycznej Szpitala Uniwersyteckiego w Białymstoku uzupełnili brakujące części żuchwy 78-letniego pacjenta po operacji raka, a lekarze w Szpitalu Marynarki Wojennej w Gdańsku przeprowadzili operację laryngologiczną po uprzednim przećwiczeniu jej na drukowanym modelu. 

 

 

Reasumując

 

Prawie codziennie „bombardują” nas nowe wiadomości o nowych drukarkach, materiałach do drukowania oraz fascynujących zastosowaniach druku w 3D. Nie sposób przewidzieć wszystkich zmian z tym związanych, ale już teraz wiadomo, że wpłyną one nie tylko na tę dziedzinę, lecz również na całe nasze życie. A w Polsce jest to burzliwie rozwijająca się bardzo innowacyjna dziedzina. Cytując Jerzego Owsiaka „Będzie się działo”.  

 

 

Cytowana literatura

 

                   (1)    Murphy, S.; Atala, A. Nature Biotech. 2014, 32, 773.

                    (2)    Symes, M. D.; Kitson, P. J.; Yan, Y.; Craig J.; Richmond, C. J.; Geoffrey J. T.; Cooper, G. J. T.; Bowman, R. W.; Vilbrandt, T.; Cronin, L. Nature Chem. 2012, 4, 349.

                   (3)    Chen, T.-H.; Lee, S.; Flood, A. H.; Miljanic, O. S. CrystEngComm 2014, 16, 5488.

                    (4)    Toffler, A. Future shock; Random House, 1970.

                    (5)    Wozniak, K.; Rzepecka-Wozniak, E.; Moskala, A.; Pohl, J.; Latacz, K.; Dybala, B. Forensic Science International 2012, 222, E29.