Valentine Ananikov, chemik ze Zelinského institutu organické chemie v Moskvě, provádí chemické reakce tak jemné, že pouhá stopa kovových nanočástic, menší než bakterie, může změnit jeho výsledky. Když tedy jeho laboratoř dokončí experiment, je nutné provést důkladné čištění. Nebo alespoň bývalo. V roce 2016 začal Ananikov místo toho vytvářet reakční nádoby na jedno použití. K tomu se spoléhá na technologii, která zaujala kutily, hackery, inženýry i vědce: 3D tisk.
Při 3D tisku, známém také jako aditivní výroba, se 3D počítačový model vrstvu po vrstvě přeměňuje na fyzický objekt, podobně jako se polevou zdobí dort. Ananikovův tým používá tuto technologii k vytvoření chemických reaktorů na míru během několika dní, místo aby čekal týdny nebo déle, než je vyrobí a dodá externí dodavatel. A co je ještě důležitější, náklady na 3D tisk plastů jsou tak nízké, že si skupina může dovolit přistupovat k zařízení jako ke spotřebnímu materiálu, který se jednou použije a pak vyhodí, bez nutnosti čištění. „Pro výzkumné laboratoře zabývající se mezioborovými projekty,“ říká Ananikov, „je dnes 3D tisk jakýmsi standardním nástrojem.“
3D tiskárny si široce oblíbili příslušníci „maker culture“ pro vzdělávání a vytváření inovativních objektů. Stále častěji se však stávají standardním vybavením i ve vědeckých laboratořích. Výzkumníci jimi mohou nahrazovat rozbité části přístrojů, vytvářet vlastní držáky vzorků a modelovat vše od biologických molekul po horniny s obsahem ropy. A lékaři je mohou používat k vytváření implantátů a výukových modelů.
Objekty lze tisknout 3D tiskem pomocí několika technologií, ale jednou z nejrozšířenějších je fused-filament fabrication (FFF), nazývaná také fused-deposition modelling. V tiskárnách FFF se zahřívá a vytlačuje úzké barevné vlákno – obvykle plastový drát – a vytváří se tvar po vrstvách. Oproti tomu starší stereolitografické tiskárny používají nádržku s tekutou pryskyřicí aktivovanou světlem, která se vytvrzuje do přesných tvarů pomocí laseru. Tiskárny FFF obvykle vytvářejí méně detailní objekty než stereolitografické tiskárny, ale jsou jednodušší a levnější.
Komerční FFF tiskárny lze pořídit za stovky až tisíce dolarů. Nebo si výzkumníci mohou hardware sestavit sami pomocí stavebnic nebo návrhů z open-source projektu RepRap za pouhých několik set dolarů.
3D tisk není novinkou: stereolitografické tiskárny existují již od 80. let 20. století. Díky klesajícím cenám se však tato technologie stala široce dostupnou. Níže uvádíme čtyři způsoby, jak výzkumníci využili 3D tisk.
Vybavení na cestách
Julian Stirling, fyzik z University of Bath ve Velké Británii, je členem týmu, který navrhl světelné mikroskopy, jež lze vyrobit pomocí plastových komponentů vytištěných 3D tiskem. Záměrem je postavit je v terénu v Tanzanii a používat je k diagnostice malárie vyhledáváním parazitů v krvi. Říká, že v Tanzanii je nedostatek zkušených mechaniků a místních součástek pro opravy vědeckých zařízení a dovoz součástek může být drahý a časově náročný. Díky 3D tisku dílů mohou místní lékaři a vědci opravovat mikroskopy rychleji a levněji. Místní firma v Tanzanii dokonce vytvořila FFF tiskárny z elektronického odpadu a dalších místních materiálů, dodává.
Několik webových stránek, včetně Thingiverse a MyMiniFactory, poskytuje vědcům fóra pro sdílení počítačových modelů tisknutelných součástí. Podle Stirlingových zkušeností jsou však modely na těchto stránkách často neúplné, chybí jim buď dokumentace ke konkrétnímu projektu, nebo klíčové soubory pro úpravu návrhů. Jeho tým proto vytváří své modely od nuly pomocí programovacího jazyka s otevřeným zdrojovým kódem nazvaného OpenSCAD. Jejich mikroskopy lze kompletně vytisknout na 3D tiskárně s výjimkou kamery, motorů a objektivů.
Když jde o 3D tisk, je snadné udělat chybu, říká Stirling. Protože je však tato technologie rychlá a levná, je snadné návrhy opakovat. „Tyto zkušenosti lze získat pouze metodou pokusů a omylů,“ poznamenává.
Praxe naučila Stirlinga, že je velký rozdíl mezi používáním 3D tiskárny v laboratoři a v terénu. 3D tisk z plastových vláken ve vlhkém podnebí Tanzanie je obvykle obtížnější než v klimatizované laboratoři, protože vlhkost ovlivňuje plastová vlákna, což vede k většímu počtu nepovedených výtisků. Výpadky proudu navíc nejsou neobvyklé a jen některé tiskárny mohou po obnovení dodávky proudu pokračovat v tisku napůl hotového objektu. Stirling a jeho tým nemohou s klimatem mnoho dělat, ale používají nepřerušitelné zdroje napájení, aby zajistili, že jejich tiskové úlohy proběhnou až do konce, říká.
Orgány podobné životu
Ahmed Ghazi, urologický chirurg z lékařského centra Rochesterské univerzity v New Yorku, používá 3D tisk k vytváření nefunkčních lidských orgánů, které mohou chirurgové používat k nácviku roboticky asistovaných operací. U relativně jednoduchých zákroků, jako je například odstranění sleziny, není takový nácvik příliš potřeba. Složitější zákroky, jako je vyříznutí nádoru, se však mohou u jednotlivých pacientů velmi lišit. Jak Ghazi poznamenává: „Nádory nejsou v učebnicích.“
Ghazi začíná s 3D snímky tkáně pacienta pomocí počítačové tomografie, poté data vloží do komerčního softwaru pro lékařské modelování Mimics od společnosti Materialise z belgické Lovaně a Meshmixeru, bezplatného nástroje od společnosti Autodesk ze San Rafaelu v Kalifornii, a vytvoří 3D modely. Poté vytiskne tyto modely jako duté plastové formy pomocí FFF tiskárny, vloží repliky krevních cév, které se připojí k falešné krevní pumpě, a vstříkne do formy hydrogel, který ztuhne do objektu s tuhostí podobnou orgánu. Výsledné struktury jsou dostatečně realistické, aby chirurgové mohli nacvičovat své zákroky s reálnými následky, včetně krvácení.
Ghazi říká, že on a jeho tým používají tyto modely až pro čtyři chirurgické případy týdně. V každém případě vytvoří dvě kopie modelů a vyberou nejpřesnější reprezentaci. A školí další lékaře, aby mohli tuto technologii používat v oborech, jako jsou operace srdce a jater. „Je to rozhodně něco, co se chytá mnohem více,“ říká Ghazi.
Nedokonalosti však zůstávají. Na formách vyrobených pomocí FFF tiskáren se často objevují drobné vrypy a důlky, říká Ghazi. Takové vady jsou často příliš malé na to, aby byly vidět pouhým okem, ale jsou jasně viditelné pro robotickou kameru, což by mohlo ovlivnit zkušenosti chirurga. Ghaziho řešení spočívá v nanesení vrstvy vosku o pokojové teplotě na vnitřní stranu formy, který vyplní rýhy a důlky, a tím vyhladí konečný výrobek. „Tyhle drobnosti dělají rozdíl,“ říká.“
Replika horniny
Pro Mehdiho Ostadhassana, ropného inženýra z Univerzity Severní Dakoty v Grand Forks, představuje 3D tisk nástroj pro optimalizaci těžby ropy a plynu z hornin.
Ostadhassan tiskne „horniny“ pomocí programů, jako je OpenSCAD a komerční 3D software pro počítačové navrhování AutoCAD (od společnosti Autodesk) v kombinaci s různými 3D tiskárnami a materiály. Tyto modely hornin mají realistické fyzikální vlastnosti, včetně drobných a detailních pórů, a Ostadhassan je vystavuje fyzikálnímu namáhání, aby lépe pochopil, jak kapalina protéká jejich skutečnými ekvivalenty.
Pro vytvoření co nejrealističtějších hornin používá Ostadhassan řadu přístupů k tisku, včetně technologie pojivového tisku, při níž se kapalné pojivo nanáší vrstvu po vrstvě na sádrový prášek nebo křemičitý písek. Tento proces vytváří objekty s mechanickými vlastnostmi, které věrně napodobují vlastnosti skutečných hornin. Podle Ostadhassana však může nevázaný prášek uvíznout v pórech, což snižuje kvalitu výsledného produktu. A při některých experimentech musí použít úpravu odpuzující vodu, aby dosáhl správné „smáčivosti“. Stereolitografické tiskárny lépe tisknou horniny s detailními póry, aby bylo možné studovat vlastnosti proudění kapalin, ale modely, které vytvářejí, nejsou tak pevné jako horniny vytištěné pomocí pojiva.
Ostadhassan proto spolupracuje s dalšími výzkumníky na vývoji vlastní tiskárny, která dokáže tyto póry a trhliny napodobit, ale přesto vytváří modely se stejnou mechanickou pevností jako skutečné horniny.
Těžký kov
Dnešní 3D tiskárny dokáží vytisknout celou řadu materiálů – ale ne všechny. „Materiálů pro 3D tisk je velmi, velmi málo,“ říká Yang Yang, šéf společnosti UniMaker v čínském Šen-čenu, která vyrábí 3D tiskárny pro vědecké účely. Výzkum v této oblasti je však intenzivní a blíží se změna. Jednou z horkých oblastí růstu je bioprinting pro použití při vytváření strukturovaných biologických materiálů. Jin-Ye Wang, biomedicínská vědkyně na Šanghajské univerzitě Jiao Tong v Číně, říká, že její instituce získala jedno takové zařízení pro použití ve třídě. Tyto bioprintery mísí buňky a hydrogely a vytvářejí struktury, jako jsou kosti a modely nádorů.
Další oblastí růstu jsou podle Yangové kovy. Tiskárny schopné tisknout kovy používají paprsek elektronů nebo laser k roztavení kovových prášků do definovaných vzorů. Jeremy Bourhill, fyzik ze Západoaustralské univerzity v Perthu, který se zabývá výzkumem temné hmoty, studuje využití laserových 3D tiskáren kovů k vytvoření sítě ze supravodivého niobu. Ta by mohla být použita k blokování silných magnetických polí, která by rušila detekci temné hmoty, říká Bourhill.
Použití konvenčního obrábění k vytvoření síťky by vyžadovalo toxická maziva a plýtvání značným množstvím niobu, který je drahý. Bourhillův tým proto používá vysoce výkonné lasery k roztavení a spojení průřezů kovového prášku. Protože však teplota tání niobu je přibližně 2 500 °C, vyžaduje tento proces značné množství energie. „Niob je opravdu tvrdý materiál,“ říká Bourhill.
Kdysi dávno by výzkumníci jako Bourhill měli omezené možnosti. S větší dostupností 3D tiskáren však došlo k zásadní změně, říká Yusheng Shi, materiálový inženýr z Huazhong University of Science and Technology v čínském Wuhanu: 3D tisk umožňuje personalizovanou výrobu, která vytlačuje centralizovanou výrobu. Jak ukazují tyto příklady, výzkumníci se zatím jen poškrábali na povrchu toho, co všechno mohou s tímto výkonem dělat.