Области применения 3D-принтеров

ВВЕДЕНИЕ

Что есть 3D-принтер и чем он не является

Прежде чем начать наш экскурс по одному из самых интересных течений в области технологий, давайте разберем, что же такое 3D принтер? Большинство людей путают 3D печать с печатью объемных изображений, заверяю вас речь в данном материале пойдем совершенно о другом.

3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели.

Проще говоря, это «прибор» позволяющий создавать объемные объекты без вашего непосредственного участия и занимающий при этом очень малую площадь (некоторые из 3D принтеров свободно разместятся на вашем письменном столе). Итак, обо всем поподробнее…

Немного из истории создания 3D-принтера

3D печать ведёт свою историю с 1948 года, когда американец Чарльз Халл разработал технологию послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (ФПК). Технология получила название «стереолитографии» (STL).Патент на своё изобретение автор получил только в 1986 году, тогда же он основал компанию 3D System и приступил к разработке первого промышленного устройства для трёхмерной печати, которое было представлено общественности год спустя, в 1987 году. Так как термин «3D принтер» ещё не был введён в оборот, аппарат Чарльза Хала получил название «установка для стереолитографии». Устройство выращивало смоделированный на компьютере трёхмерный объект из жидкой фотополимеризующейся композиции, нанося её слой за слоем на подвижную платформу, погружаемую в ванну с ФПК. Толщина каждого слоя составляла примерно 0,1-0,2 мм.

Пробные экземпляры STL-принтеров сразу же после изготовления были переданы для тестирования нескольким избранным заказчикам. Отзывы и рекомендации заказчиков были учтены при производстве следующей модели стереолитографического устройства – SLA-250 (рис. 3). В 1988 году было запущено серийное производство данной модели.

Принцип 3D печати

Лазерная печать

Лазерная стериолитография — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.

Лазерное «сплавливание» — при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали.

Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.

Струйная 3D-печать

1)Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта.

2)Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета.

3)Склеивание или спекание порошкообразного материала — похоже на лазерное спекание, только порошковая основа (подчас на основе измельченной бумаги или целлюлозы) склеивается жидким (иногда клеющим) веществом, поступающим из струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя вещества различных цветов. Существуют образцы 3D-принтеров, использующих головки струйных принтеров.

4)Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей^[1].

5)Биопринтеры -- печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится стволовыми клетками. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта.

D-сканеры

Разобравшись с принципами 3D печати, на мой взгляд, надо непременно упомянуть о том, как создаются чертежи копируемого или создаваемого объекта для 3D принтера. Конечно, можно сделать это «по старинке» потратить огромное количество сил и времени и сделать это вручную или же с помощью некоторых программ облегчающих этот процесс.

Я предлагаю вашему вниманию 3D сканер

Данная технология много дороже 3D принтера и ясно почему. Теперь нет проблем скопировать чужое вооружение и технику, при наличии 3D принтера и сканера заполучив лишь 1 образец , вы будете в состоянии произвести любое количество данных предметов. На мой взгляд, эта технология нуждается в строжайшем контроле.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Области применения 3D-принтеров

D-принтеры в медицине

Стоматология

В стоматологии 3D-принтеры применяются, как правило, для создания протезов (протезирования).

Изготовление зубных протезов – это достаточно тонкая, почти ювелирная, работа, которая предполагает изготовление слепка челюсти, отливку гипсовой модели челюсти, производство протезов из различных материалов, примерку и подгонку протезов на искусственно-смоделированной челюсти, примерку и подгонку протезов на челюсти пациента.

Этот процесс не только имеет высокую трудоёмкость и занимает много времени, но и не гарантирует точных результатов, так как зубы имеют уникальную и сложную форму, которую трудно уловить и уж тем более воспроизвести с помощью фрезерного станка.

Чтобы удовлетворить требования пациентов и увеличить скорость потокового обслуживания, клиники эстетической стоматологии активно внедряют в процесс изготовления зубных протезов 3D принтеры. Такие принтеры эффективнее и производительнее традиционных стоматологических фрезерных станков, они быстро и точно изготавливают формы для отливки зубов, а также сами зубы и коронки с учётом всех анатомических особенностей ротовой полости пациента.

Формы для отливки зубов, напечатанные 3D принтером

Протезирование

В данном направлении 3D-принтер используется для создания протезов рук, ног, людей потерявших их в военных действиях «в основном», и в различных авариях, да и просто по неосторожности. В Америке, перед отправкой войск в Ирак каждый солдат прошел сканирование, в случаи ампутации руки или ноги, у него всегда был идеальный протез, не отличающийся от оригинала для восстановления утраченных функций.

Но, как, оказалось, используется он не только в этих целях.

Речь идет об утке без лапы (вернее, утке с деформированной с рождения лапой). Утку зовут Buttercup, и ей очень повезло в том, что птица вылупилась из яйца.

Владелец птицы сразу стал искать способ восстановить утке конечность, и нашел. Было решено создать протез лапы на 3D принтере, что и сделали, после ряда проб и ошибок. С заданием справилась компания NovaCopy. Понадобилось немного усилий для «доводки» протеза, и теперь бывший птенец-инвалид, который уже стал взрослым, наконец-то смог нормально ходить.

Выращивание органов

Теория данного метода сводится к следующему, отпадет необходимость в донорских органах, органы будут доступны всем и каждому, опасность отторжения снизится к 0, как следствие срок жизни человека увеличится как минимум вдвое. Теперь немного подробностей.

Существует несколько вариантов «копирования».

1. Вы берёте каркас из неорганики, засеиваете его клетками – и получаете готовый орган.

Метод грубый, но работающий. Именно про него речь в большинстве тех случаев, когда говорят «мы напечатали орган». Проблема в том, что где-то нужно взять «стройматериал» — сами клетки. А если они есть, то глупо использовать какой-то внешний каркас, когда есть возможность просто собрать орган из них. Но самая болезненная проблема – неполная эндотелизация. Например, для бронхов, сделанных так, уровень — около 70%. Это значит, что поверхностные сосуды тромбогенны – вылечивая пациента, вы сразу же привносите ему новую болезнь. Дальше он должен жить на гепарине или других препаратах, либо ждать, когда образуется тромб и эмболия. А здесь уже с нетерпением ждут юристы США, которые готовы отыграть по старому сценарию. И проблема эндотелизации пока не решена. Возможный вариант – выделение клеток-предшественников костного мозга с помощью мобилизации специальными препаратами и хомингом на органе, но это пока очень далёкая от практики фантазия.

2. Второй метод крайне оригинален и очень радует своей циничностью.

Берём клетку (фибробласт) пациента, добавляем 4 гена. Кладём полученную клетку в бластоцисту (зародыша животного) и начинаем выращивать зверушку. Получается, например, свинья с человеческой поджелудочной железой – так называемая химера. Орган полностью «родной», только вся инфраструктура вокруг – кровеносные сосуды, ткани и так далее – от свиньи. А они будут отторгаться. Но ничего. Мы берём свинью, вырезаем нужный орган (свинья при этом полностью расходуется), а затем убираем с помощью специальной обработки все свиные ткани – получается как бы органический каркас органа, который можно использовать для выращивания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующее: давайте заменим свинью на суррогатную мать. Тут как: кроме 4 генов в клетку добавляется ещё один, отвечающий за ацефалию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает нашего общего друга-эмбриона. Он развивается без головы, у ацефалов это хорошо получается. Затем – УЗИ, выяснение, что ребёнок получается неполноценный, и юридически-разрешённый аборт. Нет головы – нет человека, значит, никого мы не убивали. И тут – раз! — у нас тут появился теоретически легальный биоматериал с неразвитым органами пациента. Быстро имплантируем их! Из очевидных минусов – ну, кроме моральной стороны – организационная сложность и возможные юридические осложнения в будущем.

3. И, наконец, есть третий метод, про который и идёт речь

Он же самый современный — трёхмерная печать органов. И именно им занимаются в новой лаборатории. Смысл такой: не нужны неорганические каркасы (клетки сами себя прекрасно держат), не нужно у кого-то брать органы. Пациент отдаёт немного своей жировой ткани, из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки. На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией. В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.