Valentine Ananikov, kemiker ved Zelinsky Institute of Organic Chemistry i Moskva, udfører kemiske reaktioner, der er så følsomme, at blot et spor af metalnanopartikler, der er mindre end en bakterie, kan ændre hans resultater. Så når hans laboratorium er færdigt med et eksperiment, er det nødvendigt med en grundig rengøring. Eller det plejede det i hvert fald at være. I 2016 begyndte Ananikov i stedet at skabe engangsreaktionsbeholdere til engangsbrug. Til det formål er han afhængig af en teknologi, der har fanget fantasien hos både gør-det-selv-hackere, ingeniører og forskere: 3D-printing.
I 3D-printing, også kendt som additiv fremstilling, omdannes en 3D-computermodel til et fysisk objekt lag for lag, ligesom man glaserer en kage. Ananikovs team bruger teknologien til at skabe skræddersyede kemiske reaktorer på få dage i stedet for at vente uger eller mere på, at de bliver fremstillet og afsendt af en ekstern leverandør. Endnu vigtigere er det, at omkostningerne ved 3D-printning af plastik er så lave, at gruppen har råd til at behandle udstyret som forbrugsvarer, der skal bruges én gang og derefter smides væk, uden at der er behov for oprydning. “For forskningslaboratorier, der beskæftiger sig med tværfaglige projekter”, siger Ananikov, “er 3D-printning en slags standardværktøj i dag.”
3D-printere er blevet bredt anvendt af medlemmer af “maker-kulturen” til undervisning og til at skabe innovative genstande. Men de er også i stigende grad ved at blive standardudstyr i videnskabelige laboratorier. Forskere kan bruge dem til at erstatte ødelagte instrumentdele, bygge specialfremstillede prøveholdere og modellere alt fra biologiske molekyler til olieholdige klipper. Og klinikere kan bruge dem til at skabe implantater og undervisningsmodeller.
Objekter kan 3D-printes ved hjælp af flere teknologier, men en af de mest udbredte er fused-filament fabrication (FFF), også kaldet fused-deposition-modellering. I FFF-printere opvarmes og ekstruderes et smalt, farvet filament – typisk plasttråd – og danner en form et lag ad gangen. I modsætning hertil bruger ældre stereolitografi-printere en tank med flydende lysaktiveret harpiks, som hærdes til præcise former med en laser. FFF-printere har en tendens til at producere mindre detaljerede objekter end stereolitografi-printere, men de er nemmere og billigere at bruge.
Commercielle FFF-printere kan erhverves for alt fra hundredvis til tusindvis af dollars. Eller forskere kan bygge hardwaren selv med kits eller designs fra open source-projektet RepRap-projektet for blot et par hundrede dollars.
3D-printning er ikke nyt: stereolitografi-printere har eksisteret siden 1980’erne. Men faldende priser har gjort teknologien bredt tilgængelig. Nedenfor er fire måder, hvorpå forskere har draget fordel af 3D-printing.
Udstyr på farten
Julian Stirling, fysiker ved University of Bath i Storbritannien, er en del af et hold, der har designet lysmikroskoper, der kan fremstilles med 3D-printede plastkomponenter. Ideen er at bygge dem i marken i Tanzania og bruge dem til at diagnosticere malaria ved at søge efter parasitter i blodet. Tanzania har mangel på dygtige mekanikere og lokale komponenter til reparation af videnskabeligt udstyr, siger han, og det kan være dyrt og tidskrævende at importere komponenter. Ved at 3D-printe dele kan lokale læger og forskere reparere deres mikroskoper hurtigere og billigere. Et lokalt firma i Tanzania har endda skabt FFF-printere af elektronisk affald og andre lokale materialer, tilføjer han.
Flere websteder, herunder Thingiverse og MyMiniFactory, tilbyder fora for forskere, hvor de kan dele computermodeller af printbare komponenter. Men Stirling har erfaret, at modellerne på disse websteder ofte er ufuldstændige, idet de mangler enten dokumentation for et bestemt projekt eller nøglefiler til ændring af designene. Derfor skaber hans team sine builds fra bunden ved hjælp af et programmeringssprog med åben kildekode kaldet OpenSCAD. Deres mikroskoper kan være helt 3D-printet bortset fra kameraet, motorerne og objektiverne.
Når det drejer sig om 3D-printning, er det let at begå fejl, siger Stirling. Men fordi teknologien er hurtig og billig, er det nemt at gentage design. “Denne erfaring kan kun opbygges ved at prøve sig frem og begå fejl”, bemærker han.
Praksis har lært Stirling, at der er en stor forskel på at bruge en 3D-printer i laboratoriet og at gøre det i marken. 3D-printning af plastfilament i Tanzanias fugtige klima er typisk vanskeligere end i et klimakontrolleret laboratorium, fordi luftfugtigheden påvirker plastfilamentet, hvilket fører til flere mislykkede prints. Desuden er det ikke ualmindeligt med strømafbrydelser, og kun nogle printere kan genoptage udskrivningen af et halvfærdigt objekt, efter at strømmen er blevet genoprettet. Der er ikke meget, som Stirling og hans team kan gøre ved klimaet, men de bruger uafbrydelige strømforsyninger for at sikre, at deres printjobs kører til ende, siger han.
Livslignende organer
Ahmed Ghazi, der er urologisk kirurg ved University of Rochester Medical Center i New York, bruger 3D-print til at skabe ikke-funktionelle menneskelige organer, som kirurger kan bruge til at øve sig i robotassisteret kirurgi. Ved relativt enkle indgreb, som f.eks. fjernelse af en milt, er der ikke meget behov for en sådan øvelse. Men mere komplekse procedurer, som f.eks. fjernelse af en tumor, kan variere meget fra patient til patient. Som Ghazi bemærker: “Tumorer findes ikke i lærebøger.”
Ghazi starter med 3D-computerassisterede tomografiscanninger af patientens væv og indfører derefter dataene i den kommercielle medicinske modelleringssoftware Mimics fra Materialise i Leuven, Belgien, og Meshmixer, et gratis værktøj fra Autodesk i San Rafael, Californien, for at skabe 3D-modeller. Derefter udskriver han disse modeller som hule plastforme ved hjælp af en FFF-printer, indsætter kopier af blodkar, der skal forbindes med en falsk blodpumpe, og sprøjter formen med en hydrogel, der størkner til et objekt med organlignende stivhed. De resulterende strukturer er realistiske nok til, at kirurger kan øve sig i deres procedurer med virkelige konsekvenser, herunder blødning.
Ghazi siger, at han og hans team bruger disse modeller til op til fire operationer om ugen. I hvert tilfælde opretter de to kopier af modellerne og vælger den mest nøjagtige repræsentation. Og de uddanner andre læger til at anvende teknologien inden for områder som hjerte- og leverkirurgi. “Det er helt klart noget, der er ved at vinde indpas i langt højere grad”, siger Ghazi.
Men der er stadig ufuldkommenheder. De forme, der produceres af FFF-printere, har ofte bittesmå riller og gruber, siger Ghazi. Sådanne defekter er ofte for små til at se med det blotte øje, men de er tydeligt synlige for robotkameraet, hvilket kan påvirke kirurgens oplevelse. Ghazi’s løsning er at smøre et lag rumtemperaturvoks ud over indersiden af formen, hvilket udfylder højderne og hullerne og dermed udglatter det endelige produkt. “Disse små ting gør en forskel,” siger han.
Replikaer af sten
For Mehdi Ostadhassan, der er olieingeniør ved University of North Dakota i Grand Forks, er 3D-printning et værktøj til optimering af udvinding af olie og gas fra sten.
Ostadhassan udskriver “klipper” ved hjælp af programmer som OpenSCAD og det kommercielle 3D-computerstøttede designprogram AutoCAD (fra Autodesk) i kombination med forskellige 3D-printere og materialer. Disse stenmodeller har realistiske fysiske egenskaber, herunder små, detaljerede porer, og Ostadhassan udsætter dem for fysisk stress for bedre at forstå, hvordan væske strømmer gennem deres virkelige modstykker.
For at skabe de mest realistiske klipper bruger Ostadhassan en række forskellige udskrivningsmetoder, herunder binder-jet-teknologi, hvor et flydende bindemiddel påføres lag for lag på gipspulver eller kiselsand. Processen producerer objekter med mekaniske egenskaber, der nøje efterligner de virkelige stenes egenskaber. Men ubundet pulver kan også sætte sig fast i porerne, siger Ostadhassan, hvilket forringer kvaliteten af det endelige produkt. Og i forbindelse med nogle eksperimenter er han nødt til at anvende en vandafvisende behandling for at få den rette “vådhed”. Stereolitografi-printere er bedre til at printe sten med detaljerede porer for at gøre det muligt at undersøge væskestrømningsegenskaber, men de modeller, de producerer, er ikke så stærke som sten, der er printet med bindemiddelstråler.
Som sådan samarbejder Ostadhassan med andre forskere om at udvikle en specialprinter, der kan efterligne disse porer og revner, men stadig producere modeller med samme mekaniske styrke som rigtige sten.
Sværmetal
De 3D-printere, der findes i dag, kan producere en række materialer – men ikke alle. “Materialet til 3D-printning er meget, meget begrænset”, siger Yang Yang, administrerende direktør for UniMaker i Shenzhen i Kina, som fremstiller 3D-printere til videnskabelig brug. Men forskningen på området er intens, og der er forandringer på vej. Et varmt vækstområde er bioprinting til brug for at skabe strukturerede biologiske materialer. Jin-Ye Wang, der er biomedicinsk forsker ved Shanghai Jiao Tong University i Kina, siger, at hendes institution har anskaffet en sådan enhed til brug i klasseværelset. Disse bioprintere blander celler og hydrogeler for at skabe strukturer som f.eks. knogler og tumormodeller.
Et andet vækstområde, siger Yang, er metaller. Printere med metalkapacitet bruger en stråle af elektroner eller en laser til at smelte metalpulver i definerede mønstre. Jeremy Bourhill, der er fysiker ved University of Western Australia i Perth og forsker i mørkt stof, er ved at undersøge brugen af laserbaserede 3D-metalprintere til at bygge et net af superledende niobium. Dette kunne bruges til at blokere stærke magnetfelter, som ville forstyrre detektion af mørk materie, siger Bourhill.
Hvis konventionel bearbejdning til at skabe nettet ville kræve giftige smøremidler og spilde en betydelig mængde niobium, som er dyrt. Så Bourhills hold bruger højtydende lasere til at smelte og smelte tværsnit af metalpulver sammen. Men da niobiums smeltepunkt ligger på ca. 2.500 °C, kræver processen betydelige mængder strøm. “Niobium er et virkelig hårdt materiale”, siger Bourhill.
Der var engang, hvor forskere som Bourhill ville have været begrænset i deres muligheder. Men med den øgede tilgængelighed af 3D-printere er der sket et grundlæggende skift, siger Yusheng Shi, der er materialeingeniør ved Huazhong University of Science and Technology i Wuhan i Kina: 3D-printning muliggør personlig fremstilling og erstatter centraliseret fremstilling. Som disse eksempler viser, har forskerne kun skrabet på overfladen af, hvad de kan gøre med denne kraft.