Valentine Ananikov, a moszkvai Zelinszkij Szerves Kémiai Intézet kémikusa olyan kényes kémiai reakciókat hajt végre, hogy egy baktériumnál kisebb fém nanorészecske nyomai is megváltoztathatják az eredményeit. Ezért amikor laboratóriuma befejez egy kísérletet, szigorú tisztításra van szükség. Vagy legalábbis régebben így volt. 2016-ban Ananikov ehelyett eldobható reakcióedényeket kezdett el készíteni. Ehhez egy olyan technológiára támaszkodik, amely a barkácsoló hackerek, mérnökök és tudósok fantáziáját egyaránt megragadta: a 3D nyomtatás.
A 3D nyomtatás, más néven additív gyártás során egy 3D számítógépes modellt rétegről rétegre alakítanak át fizikai tárggyá, mint a torta cukormázát. Ananikov csapata ezt a technológiát használja arra, hogy napok alatt testre szabott kémiai reaktorokat készítsen, ahelyett, hogy heteket vagy többet kellene várni arra, hogy egy külső szállító elkészítse és kiszállítsa azokat. Ami még ennél is fontosabb, a 3D-s műanyagnyomtatás költségei olyan alacsonyak, hogy a csoport megengedheti magának, hogy a berendezéseket fogyóeszközként kezelje, amelyet egyszer kell használni, majd kidobni, és nem kell takarítani. “Az interdiszciplináris projektekkel foglalkozó kutatólaborok számára” – mondja Ananikov – “a 3D nyomtatás manapság egyfajta standard eszköz.”
A 3D nyomtatókat a “maker-kultúra” tagjai széles körben alkalmazzák az oktatásban és az innovatív tárgyak létrehozásában. De egyre inkább a tudományos laboratóriumokban is alapfelszereléssé válnak. A kutatók használhatják őket a törött műszeralkatrészek pótlására, egyedi mintatartók készítésére és a biológiai molekuláktól az olajtartalmú kőzetekig mindent modellezhetnek velük. A klinikusok pedig implantátumok és oktatási modellek készítésére használhatják őket.
A tárgyakat többféle technológiával lehet 3D nyomtatni, de az egyik legelterjedtebb a fused-filament fabrication (FFF), más néven fused-deposition modeling. Az FFF-nyomtatókban egy keskeny, színes filamentumot – jellemzően műanyaghuzalt – melegítenek és extrudálnak, amely rétegenként alakot formál. Ezzel szemben a régebbi sztereolitográfiás nyomtatók folyékony, fény által aktivált gyantából álló tartályt használnak, amelyet lézerrel keményítenek pontos alakzattá. Az FFF-nyomtatók általában kevésbé részletes tárgyakat állítanak elő, mint a sztereolitográfiás nyomtatók, de használatuk egyszerűbb és olcsóbb.
A kereskedelmi FFF-nyomtatókat több száz és több ezer dollár közötti összegért lehet beszerezni. Vagy a kutatók néhány száz dollárért maguk is megépíthetik a hardvert a nyílt forráskódú RepRap projektből származó készletekkel vagy tervekkel.
A 3D nyomtatás nem újdonság: sztereolitográfiás nyomtatók már az 1980-as évek óta léteznek. De a csökkenő árak széles körben elérhetővé tették a technológiát. Az alábbiakban négy módot mutatunk be, ahogyan a kutatók kihasználják a 3D nyomtatás előnyeit.
Készülékek útközben
Julian Stirling, az angliai Bath Egyetem fizikusa egy olyan csapat tagja, amely olyan fénymikroszkópokat tervezett, amelyek 3D-nyomtatott műanyag alkatrészekből készíthetők. Az ötlet az, hogy ezeket a tanzániai terepen építsék meg, és a malária diagnosztizálására használják a vérben lévő paraziták keresésével. Tanzániában hiány van hozzáértő szerelőkből és helyi alkatrészekből a tudományos berendezések javításához, mondja, és az alkatrészek behozatala drága és időigényes lehet. Az alkatrészek 3D nyomtatásával a helyi orvosok és tudósok gyorsabban és olcsóbban javíthatják mikroszkópjaikat. Egy helyi cég Tanzániában még FFF-nyomtatókat is készített elektronikai hulladékból és más helyi anyagokból – teszi hozzá.
Egyes weboldalak, köztük a Thingiverse és a MyMiniFactory fórumokat biztosítanak a tudósok számára a nyomtatható alkatrészek számítógépes modelljeinek megosztására. Stirling tapasztalatai szerint azonban az ezeken az oldalakon található modellek gyakran hiányosak, hiányzik belőlük akár az adott projekt dokumentációja, akár a tervek módosításához szükséges kulcsfájlok. Ennek eredményeképpen csapata a semmiből készíti el építményeit, az OpenSCAD nevű nyílt forráskódú programozási nyelv segítségével. Mikroszkópjaik a kamera, a motorok és a lencsék kivételével teljes egészében 3D nyomtatással készülhetnek.
A 3D nyomtatás során könnyű hibázni, mondja Stirling. De mivel a technológia gyors és olcsó, egyszerű a tervek iterálása. “Ezt a tapasztalatot csak próba és hiba útján lehet felépíteni” – jegyzi meg.
A gyakorlat megtanította Stirlinget arra, hogy nagy különbség van a 3D nyomtató laboratóriumi és a terepen történő használata között. A műanyagszál 3D nyomtatása Tanzánia párás éghajlatán jellemzően nehezebb, mint egy klimatizált laboratóriumban, mivel a páratartalom hatással van a műanyagszálra, ami több sikertelen nyomathoz vezet. Ráadásul az áramkimaradások sem ritkák, és csak néhány nyomtató képes folytatni a félig kész tárgy nyomtatását, miután az áramellátás helyreállt. Stirling és csapata nem sokat tehet az éghajlat ellen, de szünetmentes áramforrásokat használnak, hogy biztosítsák, hogy a nyomtatási munkák befejeződjenek, mondja.
Életszerű szervek
Ahmed Ghazi, a New York-i University of Rochester Medical Center urológus sebésze 3D nyomtatással készít nem működő emberi szerveket, amelyekkel a sebészek robotasszisztált műtéteket gyakorolhatnak. Viszonylag egyszerű beavatkozásoknál, mint például a lép eltávolítása, nincs nagy szükség ilyen gyakorlatra. Az összetettebb eljárások, például egy daganat kimetszése azonban páciensenként nagyon eltérő lehet. Ahogy Ghazi megjegyzi: “A daganatok nem szerepelnek a tankönyvekben.”
Ghazi a beteg szövetének 3D-s számítógépes tomográfiás felvételével kezdi, majd az adatokat a belgiumi Leuvenben működő Materialise cég Mimics nevű kereskedelmi orvosi modellező szoftverébe és a kaliforniai San Rafaelben működő Autodesk cég Meshmixer nevű ingyenes eszközébe táplálja a 3D-s modellek létrehozásához. Ezután ezeket a modelleket egy FFF-nyomtatóval üreges műanyag öntőformákként kinyomtatja, belehelyezi a vérerek másolatait, amelyek egy művérpumpához csatlakoznak, majd a formába hidrogélt fecskendez, amely megszilárdul és egy szervszerű merevségű tárgyat alkot. Az így létrejövő struktúrák elég valósághűek ahhoz, hogy a sebészek valós következményekkel, többek között vérzéssel járó beavatkozásokat gyakorolhassanak.
Ghazi elmondása szerint ő és csapata hetente akár négy műtéti esethez is használja ezeket a modelleket. Minden egyes esetben két példányt készítenek a modellekből, és kiválasztják a legpontosabb ábrázolást. És más orvosokat is képeznek, hogy alkalmazzák a technológiát olyan területeken, mint a szív- és májsebészet. “Ez határozottan olyasvalami, ami egyre inkább elterjedőben van” – mondja Ghazi.
A tökéletlenségek azonban továbbra is fennállnak. Ghazi szerint az FFF-nyomtatók által előállított formák gyakran apró barázdákat és gödröket tartalmaznak. Az ilyen hibák gyakran túl kicsik ahhoz, hogy szabad szemmel észrevegyük őket, de a robotkamera számára jól láthatóak, ami befolyásolhatja a sebész tapasztalatait. Ghazi megoldása az, hogy egy szobahőmérsékletű viaszréteget terít a forma belsejére, amely kitölti a barázdákat és gödröket, és így kisimítja a végterméket. “Ezek az apró dolgok sokat számítanak” – mondja.
Kőzetmásolat
Mehdi Ostadhassan, a Grand Forks-i Észak-Dakotai Egyetem kőolajmérnöke számára a 3D nyomtatás eszközt nyújt az olaj és a gáz kőzetből történő kitermelésének optimalizálásához.
Ostadhassan olyan programokkal nyomtat “kőzeteket”, mint az OpenSCAD és a kereskedelmi 3D-s számítógépes tervezőprogram, az AutoCAD (az Autodesk-től), különböző 3D-s nyomtatókkal és anyagokkal kombinálva. Ezek a kőzetmodellek valósághű fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, beleértve az apró, részletes pórusokat, és Ostadhassan fizikai terhelésnek teszi ki őket, hogy jobban megértse, hogyan áramlik a folyadék a valóságos megfelelőjükön keresztül.
A legrealisztikusabb kőzetek létrehozásához Ostadhassan különböző nyomtatási módszereket használ, többek között a kötőanyag-sugaras technológiát, amelyben egy folyékony kötőanyagot rétegenként visznek fel gipszporra vagy kovahomokra. Az eljárás olyan mechanikai tulajdonságokkal rendelkező tárgyakat eredményez, amelyek nagymértékben utánozzák a valódi sziklák tulajdonságait. Ostadhassan szerint azonban a nem kötött por megtapadhat a pórusokban, ami rontja a végtermék minőségét. Egyes kísérletekhez pedig vízlepergető kezelést kell alkalmaznia, hogy a “nedvesíthetőség” megfelelő legyen. A sztereolitográfiás nyomtatókkal jobban lehet részletes pórusokkal ellátott kőzeteket nyomtatni a folyadékáramlási tulajdonságok tanulmányozásához, de az általuk előállított modellek nem olyan erősek, mint a kötőanyaggal nyomtatott kőzetek.
Az Ostadhassan ezért más kutatókkal együttműködve olyan egyedi nyomtató kifejlesztésén dolgozik, amely képes utánozni ezeket a pórusokat és repedéseket, de mégis a valódi kőzetekhez hasonló mechanikai szilárdságú modelleket állít elő.
Nehézfém
A mai 3D nyomtatók számos anyagot képesek kiadni – de nem mindet. “A 3D nyomtatáshoz használható anyagok nagyon-nagyon korlátozottak” – mondja Yang Yang, a kínai Sencsenben található UniMaker cég vezérigazgatója, amely tudományos felhasználásra szánt 3D nyomtatókat gyárt. A kutatás azonban intenzív a területen, és a változás közeleg. Az egyik forró növekedési terület a bioprinting, amelyet strukturált biológiai anyagok előállítására használnak. Jin-Ye Wang, a kínai Sanghaji Jiao Tong Egyetem orvosbiológusa elmondta, hogy intézménye beszerezte az egyik ilyen eszközt, amelyet a tanteremben használnak. Ezek a bioprinterek sejteket és hidrogéleket vegyítenek, hogy olyan struktúrákat hozzanak létre, mint a csontok és tumormodellek.
A másik növekedési terület Yang szerint a fémek. A fémképes nyomtatók elektronnyalábot vagy lézert használnak a fémporok meghatározott mintákban történő megolvasztásához. Jeremy Bourhill, a perthi Nyugat-Ausztráliai Egyetem fizikusa, aki a sötét anyagot kutatja, a lézer alapú 3D fémnyomtatók használatát tanulmányozza a szupravezető niobium hálójának megépítéséhez. Ezt arra lehetne használni, hogy blokkolja az erős mágneses mezőket, amelyek zavarnák a sötét anyag észlelését, mondja Bourhill.
A háló létrehozásához a hagyományos megmunkálással mérgező kenőanyagokra lenne szükség, és jelentős mennyiségű niobiumot pazarolnának el, ami drága. Ezért Bourhill csapata nagy teljesítményű lézerrel olvasztja és olvasztja össze a fémpor keresztmetszeteit. Mivel azonban a nióbium olvadáspontja körülbelül 2500 °C, a folyamat jelentős mennyiségű energiát igényel. “A nióbium nagyon kemény anyag” – mondja Bourhill.
Egykor a Bourhillhez hasonló kutatóknak korlátozottak lettek volna a lehetőségeik. De a 3D nyomtatók növekvő elérhetőségével alapvető váltás történt, mondja Yusheng Shi, a kínai Wuhanban található Huazhong University of Science and Technology anyagmérnöke: a 3D nyomtatás lehetővé teszi a személyre szabott gyártást, kiszorítva a központosított gyártást. Ahogy ezek a példák mutatják, a kutatók még csak a felszínét karcolják annak, hogy mit tudnak kezdeni ezzel az erővel.