Valentine Ananikov, chimist la Institutul Zelinsky de Chimie Organică din Moscova, efectuează reacții chimice atât de delicate încât doar o urmă de nanoparticule metalice, mai mici decât o bacterie, ar putea schimba rezultatele sale. Așa că, atunci când laboratorul său termină un experiment, este necesară o curățare riguroasă. Sau, cel puțin, așa era înainte. În 2016, Ananikov a început să creeze în schimb vase de reacție de unică folosință. Pentru a face acest lucru, el se bazează pe o tehnologie care a captat imaginația hackerilor de bricolaj, a inginerilor și a oamenilor de știință deopotrivă: imprimarea 3D.
În tipărirea 3D, cunoscută și sub numele de fabricație aditivă, un model computerizat 3D este transformat într-un obiect fizic strat cu strat, ca și cum ar fi glazura unui tort. Echipa lui Ananikov folosește această tehnologie pentru a crea reactoare chimice personalizate în câteva zile, în loc să aștepte săptămâni sau mai multe pentru ca acestea să fie fabricate și livrate de un furnizor extern. Mai important, costul imprimării 3D a plasticului este atât de scăzut încât grupul își poate permite să trateze echipamentul ca pe un consumabil care se folosește o singură dată și apoi se aruncă, fără a fi nevoie de curățare. „Pentru laboratoarele de cercetare care se ocupă de proiecte interdisciplinare”, spune Ananikov, „imprimarea 3D este un fel de instrument standard în zilele noastre.”
Imprimantele 3D au fost adoptate pe scară largă de membrii „culturii maker” pentru educație și crearea de obiecte inovatoare. Dar ele devin din ce în ce mai mult echipamente standard și în laboratoarele științifice. Cercetătorii le pot folosi pentru a înlocui piesele de instrumente stricate, pentru a construi suporturi de probe personalizate și pentru a modela orice, de la molecule biologice la roci petrolifere. Iar clinicienii le pot folosi pentru a crea implanturi și modele didactice.
Obiectele pot fi imprimate 3D folosind mai multe tehnologii, dar una dintre cele mai răspândite este fabricarea cu filament topit (FFF), numită și modelare prin depunere topită. În imprimantele FFF, un filament îngust și colorat – de obicei sârmă de plastic – este încălzit și extrudat, formând o formă strat cu strat. În schimb, imprimantele stereolitografice mai vechi folosesc un rezervor de rășină lichidă activată de lumină, care este întărită în forme precise cu ajutorul unui laser. Imprimantele FFF tind să producă obiecte mai puțin detaliate decât imprimantele stereolitografice, dar sunt mai ușor și mai ieftin de utilizat.
Imprimantele FFF comerciale pot fi achiziționate pentru sume cuprinse între sute și mii de dolari. Sau cercetătorii pot construi ei înșiși hardware-ul cu kituri sau modele din proiectul open-source RepRap pentru doar câteva sute de dolari.
Imprimarea 3D nu este ceva nou: imprimantele stereolitografice există încă din anii 1980. Dar scăderea prețurilor a făcut ca tehnologia să fie disponibilă pe scară largă. Mai jos sunt prezentate patru moduri în care cercetătorii au profitat de imprimarea 3D.
Echipamente în mișcare
Julian Stirling, fizician la Universitatea din Bath, Marea Britanie, face parte dintr-o echipă care a proiectat microscoape de lumină care pot fi realizate cu componente din plastic tipărite 3D. Ideea este de a le construi pe teren, în Tanzania, și de a le folosi pentru a diagnostica malaria prin căutarea paraziților în sânge. Potrivit acestuia, Tanzania duce lipsă de mecanici pricepuți și de componente locale pentru repararea echipamentelor științifice, iar importul de componente poate fi costisitor și necesită mult timp. Prin imprimarea 3D a pieselor, medicii și oamenii de știință locali își pot repara microscoapele mai rapid și mai ieftin. O firmă locală din Tanzania a creat chiar imprimante FFF din deșeuri electronice și alte materiale locale, adaugă el.
Câteva site-uri web, inclusiv Thingiverse și MyMiniFactory, oferă forumuri pentru ca oamenii de știință să împărtășească modele computerizate de componente imprimabile. Dar, din experiența lui Stirling, modelele de pe aceste site-uri sunt adesea incomplete, lipsind fie documentația pentru un anumit proiect, fie fișierele cheie pentru modificarea modelelor. Prin urmare, echipa sa își creează modelele de la zero, folosind un limbaj de programare open-source numit OpenSCAD. Microscoapele lor pot fi tipărite 3D în întregime, cu excepția camerei, a motoarelor și a lentilelor.
Când vine vorba de imprimarea 3D, este ușor să faci greșeli, spune Stirling. Dar pentru că tehnologia este rapidă și ieftină, este simplu să iterăm asupra proiectelor. „Această experiență poate fi acumulată doar prin încercări și erori”, notează el.
Practica l-a învățat pe Stirling că există o mare diferență între a folosi o imprimantă 3D în laborator și a face acest lucru pe teren. Imprimarea 3D cu filament de plastic în climatul umed din Tanzania este de obicei mai dificilă decât într-un laborator cu climă controlată, deoarece umiditatea afectează filamentul de plastic, ceea ce duce la mai multe imprimări eșuate. În plus, întreruperile de curent nu sunt neobișnuite și doar unele imprimante pot relua imprimarea unui obiect pe jumătate finalizat după ce curentul este restabilit. Stirling și echipa sa nu pot face prea multe în privința climei, dar folosesc surse de alimentare neîntreruptibile pentru a se asigura că lucrările de imprimare se desfășoară până la finalizare, spune el.
Organe asemănătoare vieții
Ahmed Ghazi, chirurg urolog la University of Rochester Medical Center din New York, folosește imprimarea 3D pentru a crea organe umane nefuncționale, pe care chirurgii le pot folosi pentru a practica chirurgia asistată de roboți. Pentru proceduri relativ simple, cum ar fi îndepărtarea unei spline, nu este nevoie de o astfel de practică. Dar procedurile mai complexe, cum ar fi extirparea unei tumori, pot varia foarte mult de la un pacient la altul. După cum notează Ghazi, „Tumorile nu sunt în manuale.”
Ghazi începe cu scanări tomografice 3D asistate de calculator ale țesutului pacientului, apoi introduce datele în software-ul comercial de modelare medicală Mimics, de la Materialise din Leuven, Belgia, și Meshmixer, un instrument gratuit de la Autodesk din San Rafael, California, pentru a crea modele 3D. Apoi imprimă aceste modele sub formă de matrițe goale din plastic cu ajutorul unei imprimante FFF, inserează replici ale vaselor de sânge care se vor conecta la o pompă de sânge falsă și injectează în matriță un hidrogel care se va solidifica într-un obiect cu o rigiditate asemănătoare cu cea a unui organ. Structurile rezultate sunt suficient de realiste pentru ca chirurgii să își exerseze procedurile cu consecințe din lumea reală, inclusiv sângerări.
Ghazi spune că el și echipa sa folosesc aceste modele pentru până la patru cazuri de chirurgie pe săptămână. În fiecare caz, ei creează două copii ale modelelor și aleg cea mai precisă reprezentare. Și ei instruiesc alți medici pentru a aplica tehnologia în domenii precum chirurgia inimii și a ficatului. „Acesta este cu siguranță un lucru care prinde din ce în ce mai mult contur”, spune Ghazi.
Dar rămân imperfecțiuni. Matrițele produse de imprimantele FFF prezintă adesea creste și gropițe minuscule, spune Ghazi. Astfel de defecte sunt adesea prea mici pentru a fi observate cu ochiul liber, dar sunt vizibile în mod evident pentru camera robotizată, ceea ce ar putea afecta experiența chirurgului. Soluția lui Ghazi este de a întinde un strat de ceară la temperatura camerei pe interiorul matriței, care umple crestăturile și gropile, netezind astfel produsul final. „Aceste lucruri mărunte fac diferența”, spune el.
Replică roci
Pentru Mehdi Ostadhassan, inginer petrolier la Universitatea Dakota de Nord din Grand Forks, imprimarea 3D oferă un instrument pentru optimizarea extracției de petrol și gaze din roci.
Ostadhassan imprimă „roci” folosind programe precum OpenSCAD și software-ul comercial de proiectare 3D asistată de calculator AutoCAD (de la Autodesk) în combinație cu diverse imprimante 3D și materiale. Aceste modele de roci au proprietăți fizice realiste, inclusiv pori minusculi și detaliați, iar Ostadhassan le supune la stres fizic pentru a înțelege mai bine cum curge lichidul prin echivalentele lor din viața reală.
Pentru a crea cele mai realiste roci, Ostadhassan folosește o serie de abordări de imprimare, inclusiv tehnologia cu jet de liant, în care un liant lichid este aplicat strat cu strat pe pulberea de gips sau pe nisipul de siliciu. Procesul produce obiecte cu proprietăți mecanice care le imită îndeaproape pe cele ale rocilor reale. Însă, spune Ostadhassan, pulberea nelegată poate rămâne blocată în pori, ceea ce diminuează calitatea produsului final. Iar pentru unele experimente, el trebuie să aplice un tratament de respingere a apei pentru a obține o „umectabilitate” corectă. Imprimantele stereolitografice sunt mai bune la imprimarea rocilor cu pori detaliați pentru a permite studierea proprietăților de curgere a lichidelor, dar modelele pe care le produc nu sunt la fel de rezistente ca rocile imprimate cu jet de liant.
Ca atare, Ostadhassan colaborează cu alți cercetători pentru a dezvolta o imprimantă personalizată care să poată imita acei pori și fisuri, dar care să producă modele cu aceeași rezistență mecanică ca și rocile reale.
Metal greu
Primitoarele 3D de astăzi pot produce o gamă largă de materiale – dar nu toate. „Materialele pentru imprimarea 3D sunt foarte, foarte limitate”, spune Yang Yang, directorul executiv al UniMaker din Shenzhen, China, care produce imprimante 3D pentru uz științific. Dar cercetarea în acest spațiu este intensă, iar schimbările sunt pe cale să apară. Un domeniu în plină expansiune este cel al bioimprimării, pentru utilizarea în crearea de materiale biologice structurate. Jin-Ye Wang, cercetător în domeniul biomedical la Universitatea Jiao Tong din Shanghai, China, spune că instituția sa a achiziționat un astfel de dispozitiv pentru a fi utilizat în clasă. Aceste bioimprimante amestecă celule și hidrogeluri pentru a crea structuri precum oase și modele tumorale.
Un alt domeniu de creștere, spune Yang, este cel al metalelor. Imprimantele cu capacități metalice folosesc un fascicul de electroni sau un laser pentru a topi pulberi metalice în modele definite. Jeremy Bourhill, un fizician de la Universitatea din Australia de Vest din Perth care cercetează materia întunecată, studiază utilizarea imprimantelor 3D pentru metale bazate pe laser pentru a construi o plasă de niobiu supraconductor. Aceasta ar putea fi folosită pentru a bloca câmpurile magnetice puternice care ar interfera cu detectarea materiei negre, spune Bourhill.
Utilizarea prelucrării convenționale pentru a crea plasa ar necesita lubrifianți toxici și ar irosi o cantitate substanțială de niobiu, care este scump. Așa că echipa lui Bourhill folosește lasere de mare putere pentru a topi și a fuziona secțiuni transversale de pulbere metalică împreună. Dar, deoarece punctul de topire al niobiului este de aproximativ 2.500 °C, procesul necesită cantități considerabile de energie. „Niobiul este un material foarte dur”, spune Bourhill.
Cândva, cercetători precum Bourhill ar fi fost limitați în opțiunile lor. Dar, odată cu creșterea disponibilității imprimantelor 3D, a avut loc o schimbare fundamentală, spune Yusheng Shi, inginer de materiale la Universitatea Huazhong de Știință și Tehnologie din Wuhan, China: imprimarea 3D permite o producție personalizată, suplinind producția centralizată. După cum arată aceste exemple, cercetătorii abia au zgâriat suprafața a ceea ce pot face cu această putere.
.