3D-принтеры широко используются представителями «культуры создателей» для образования и создания инновационных объектов. Но они все чаще становятся обычным оборудованием и в научных лабораториях.
Исследователи могут использовать их для замены сломанных частей инструмента, создания нестандартных держателей образцов и моделирования всего, от биологических молекул до нефтеносных пород. И врачи могут использовать их для создания имплантатов и моделей обучения.
Объекты могут быть напечатаны в 3D с использованием нескольких технологий, но одной из самых распространенных является изготовление из плавленого филамента (FFF), также называемое моделированием расплавленного осаждения. В принтерах FFF узкая цветная нить — как правило, пластиковая проволока — нагревается и экструдируется, образуя форму слоя за раз. А все материалы для печати в 3D принтерах вы сможете купить здесь https://sklep.plexiwire.pl
Коммерческие принтеры FFF можно приобрести от сотен до тысяч долларов. Исследователи могут сами собрать оборудование с помощью наборов с открытым исходным кодом всего за несколько сотен долларов.
3D-печать не нова: стереолитографические принтеры существуют с 1980-х годов. Но падение цен сделало технологию широко доступной.
Четыре способа использования 3D-печати исследователями.
Джулиан Стерлинг, физик из Университета Бата, Великобритания, является частью команды, которая разработала световые микроскопы, которые можно изготовить из пластиковых компонентов с 3D-печатью. Идея состоит в том, чтобы построить их на местах в Танзании и использовать их для диагностики малярии путем поиска паразитов в крови. По его словам, в Танзании не хватает квалифицированных механиков и местных комплектующих для ремонта научного оборудования, а импорт комплектующих может быть дорогостоящим и занимать много времени. Благодаря 3D-печати, местные врачи и ученые могут ремонтировать свои микроскопы быстрее и дешевле. Местная фирма в Танзании даже создала принтеры FFF из электронных отходов и других местных материалов, добавляет он.
Несколько веб-сайтов, включая Thingiverse и MyMiniFactory, предоставляют ученым форумы для обмена компьютерными моделями печатаемых компонентов. Но, по опыту Стерлинга, модели на этих сайтах часто бывают неполными, в них отсутствуют документация для конкретного проекта или ключевые файлы для изменения дизайна. В результате его команда создает свои сборки с нуля, используя язык программирования с открытым исходным кодом под названием OpenSCAD. Их микроскопы могут быть полностью напечатаны в 3D, за исключением камеры, двигателей и объективов.
По словам Стерлинга, когда дело доходит до 3D-печати, возникает риск ошибки. Но поскольку технология быстрая и недорогая, ее можно легко менять в проектах. «Этот опыт может быть создан только методом проб и ошибок», — отмечает он.
Практика научила Стерлинга, что существует большая разница между использованием 3D-принтера в лаборатории и в полевых условиях. 3D-печать пластиковой нити во влажном климате Танзании, как правило, сложнее, чем в лаборатории с климат-контролем, поскольку влажность влияет на пластиковую нить, что приводит к большему количеству неудачных отпечатков. Кроме того, внезапное отключение электричества не являются там редкостью, и только некоторые принтеры могут возобновить печать полуфабриката после восстановления питания. Стерлинг и его команда мало что могут сделать с климатом, но они используют источники бесперебойного питания, чтобы обеспечить выполнение заданий на печать до завершения, говорит он.
Ахмед Гази, урологический хирург из Медицинского центра Университета Рочестера в Нью-Йорке, использует 3D-печать для создания нефункциональных органов человека, которые хирурги могут использовать для проведения хирургической операции с помощью робота. Для относительно простых процедур, таких как удаление селезенки, такая практика практически не требуется. Но более сложные процедуры, такие как удаление опухоли, могут сильно отличаться от пациента к пациенту. Гази начинает с компьютерной томографии тканей пациента с помощью 3D, затем передает данные в коммерческое программное обеспечение медицинского моделирования Mimics от Materialise в Левене, Бельгия, и Meshmixer, бесплатный инструмент от Autodesk в Сан-Рафаэле, Калифорния, для создания 3D моделей. Затем он печатает эти модели в виде полых пластиковых форм, используя принтер FFF, вставляет реплики кровеносных сосудов, которые будут подключаться к насосу имитации крови, и вводит в форму гидрогель, который затвердевает в объект с жесткостью, подобной органу.
Получающиеся структуры достаточно реалистичны для хирургов, чтобы практиковать их процедуры с реальными последствиями, включая кровотечение.Гази говорит, что он и его команда используют эти модели для четырех операций в неделю. В каждом случае они создают две копии моделей и выбирают наиболее точный вариант. Они обучают других врачей применять эту технологию в таких областях, как хирургия сердца и печени. «Это определенно то, что гораздо важнее», — говорит Гази.Но недостатки остаются. По словам Гази, пресс-формы, изготовленные на принтерах FFF, часто имеют крошечные выступы и углубления. Такие дефекты часто слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, но они четко видны роботизированной камере, что может повлиять на опыт хирурга. Решение Гази состоит в том, чтобы нанести слой воска комнатной температуры на внутреннюю поверхность формы, которая заполняет ребра и ямы, таким образом сглаживая конечный продукт. «Эти мелочи имеют значение, — говорит он.
Для Мехди Остадхассан, инженера-нефтяника в Университете Северной Дакоты в Гранд-Форкс, 3D-печать предоставляет инструмент для оптимизации добычи нефти и газа из горных пород.Остадхассан печатает «камни», используя такие программы, как OpenSCAD и коммерческое программное обеспечение 3D-автоматизации AutoCAD (от Autodesk) в сочетании с различными 3D-принтерами и материалами. Эти модели горных пород имеют реалистичные физические свойства, включая крошечные, детализированные поры, и Остадхассан подвергает их физическим нагрузкам, чтобы лучше понять, как жидкость протекает через их реальные образцы.
Чтобы создать наиболее реалистичные камни, используется ряд подходов к печати, включая технологию струйной печати, в которой жидкий связующий слой наносится слой за слоем на гипсовый порошок или кварцевый песок. Процесс производит объекты с механическими свойствами, которые близко имитируют свойства реальных горных пород. Но несвязанный порошок также может застрять в порах, говорит Остадхассан, что снижает качество конечного продукта. А для некоторых экспериментов ему необходимо применить водоотталкивающую обработку, чтобы получить правильную «смачиваемость». Стереолитографические принтеры лучше печатают камни с детализированными порами, что позволяет изучать свойства протекания жидкости, но модели, которые они производят, не такие прочные, как печатные материалы.
Таким образом, Остадхассан сотрудничает с другими исследователями в разработке специального принтера, который может имитировать эти поры и трещины, но при этом производить модели с той же механической прочностью, что и настоящие камни.
Сегодняшние 3D-принтеры могут выводить самые разные материалы, но не все. «Материал для 3D-печати очень и очень ограничен», — говорит Янг Янг, исполнительный директор UniMaker в Шэньчжэне, Китай, который производит 3D-принтеры для научных целей. Но исследования в космосе интенсивны, и грядут перемены. Одной из областей быстрого развития является биопринтинг для использования в создании структурированных биологических материалов. Джин-Йе Ван, биомедицинская ученая из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае, говорит, что ее учебное заведение приобрело одно такое устройство для использования в классе. Эти биопринтеры смешивают клетки и гидрогели для создания таких структур, как кости и модели опухолей.
3D-печать позволяет персонализировать производство, вытесняя централизованное производство. Как показывают эти примеры, исследователи расширили границы для будущих исследований.
