Ateities gamyklos

Ateities gamyklos

Dėl naujų laimėjimų 3D spausdintuvai pramonėje vertinami vis rimčiau

Iš skystos dervos pilno dubens lėtai, bet užtikrintai nyra bato padas, kaip iš užburto ežero kilo Ekskaliburas. Šis padas kaip ir Ekskaliburas nėra paprastas. Tai lengvas ir lankstus, sudėtingos vidinės struktūros gaminys, užtikrinantis geresnę atramą batelį avinčio žmogaus pėdai.

Tai – vokiečių sportinės aprangos gamintojos „Adidas“ sportiniams bateliams iš numatomos naujos kolekcijos skirtas padas.

Taip atspausdintus padus „Adidas“ ketina naudoti sportiniams bateliams dviejose naujose gausiai automatizuotose gamyklose Vokietijoje ir JAV, užuot apsistojusi pigios darbo jėgos šalyse Azijoje, kur pastaraisiais metais perkelta didžioji sportinių batelių gamybos dalis. Bendrovei tai leis produkciją greičiau pristatyti rinkai ir neatsilikti nuo mados tendencijų. Dar gali praeiti keli mėnesiai, kol naujo dizaino bateliai pasieks parduotuves. Naujosiose gamyklose (kiekvienoje per metus numatoma pagaminti iki 500 tūkst. sportinių batelių porų) terminas turėtų sutrumpėti iki savaitės ar mažiau.

Tai akivaizdus pavyzdys, kad 3D spausdinimas per trumpą laiką nuėjo ilgą kelią. Kai „The Economist“ 2011 m. vasarį parašė straipsnį „Atspausdink man Stradivariaus smuiką“, idėja spausdinti objektus dar atrodė neįtikima. Dabar tai tapo realybe. Adityvioji gamyba leidžia greičiau sukurti dizaino prototipą, bet taikoma ir realiai parduodamiems specialiai pritaikytiems ir sudėtingiems daiktams gaminti – nuo dantų protezų, papuošalų iki automobilių ir orlaivių dalių. 3D spausdinimas dar nepaplito masiškai. Kad būtų taikomas masinėje gamyboje, jam trūksta spartos, vienais atvejais jis per brangus, o kitais rezultatai neatitinka standartų. Bet, kaip rodo „Adidas“ padai, trūkumai šalinami.

Nėra kvaila manyti, kad 3D spausdinimas ateityje taps gamyklų varikliu. O ir taikant šią technologiją nebūtina apsiriboti gamyba vien iš ištikimųjų pramonės palydovų – metalų ir plastiko. Ji gali atverti kelią į biologijos karaliją.

 

 

Čia pridėti, ten atimti

Trimatį objektą įmanoma atspausdinti įvairiais būdais, bet visi turi bendrą bruožą – nereikia pjauti, gręžti, frezuoti kaip įprastai, kad būtų gauta reikiama forma. 3D spausdintuvas pradeda nuo tuščios vietos ir ją pamažu užpildo. Tai daroma pagal kompiuterinėje programoje įrašytas instrukcijas – plonyčių pjūvių seką, sudarančią virtualų gaminamo objekto atvaizdą. Pjūviai atkuriami sluoksnis po sluoksnio, kol iš medžiagos gaunama galutinė forma.

Sluoksniai paprastai lipdomi išspaudžiant lydyto polimero siūlus, purškiant medžiagą iš kasečių kaip rašaliniame spausdintuve arba lazeriu lydant miltelių lakštus. Tačiau „Adidas“ padai gaminami neįprastu būdu, kuris, kaip teigia Josephas DeSimone’as, atsirado chemikams, o ne inžinieriams pradėjus svarstyti apie galimus adityviosios gamybos būdus. Šiaurės Karolinos universitete Čapel Hilyje chemiją dėstančio J. DeSimone’o vadovaujama „Carbon“ sukūrė padus gaminantį spausdintuvą.

„Carbon“ įrenginyje naudojamas skaitmenine šviesos sinteze (digital light synthesis) pavadintas procesas. Pasak J. DeSimone’o, tai programinės įrangos valdoma cheminė reakcija dalims auginti. Iš pradžių į lėkštą indą su skaidriu pagrindu supilamas skystas polimeras. Ultravioletiniais spinduliais per pagrindą sukuriama pirmo būsimo gaminio sluoksnio projekcija. Tuomet sukietinamas atitinkamas polimero kiekis, tiksliai atkartojus vaizdą. Sustingęs sluoksnis prikimba prie įrankio, nuleisto į indą, apačios. Pro indo pagrindą prasiskverbia deguonis, kuris neleidžia polimerui sustingti ir sukietintam polimero sluoksniui prikibti prie pagrindo, kad įrankis galėtų tą sluoksnį kilstelėti. Kitas sluoksnis pridedamas prie pirmojo iš apačios ir t. t. Gautą norimą formą įrankis ištraukia iš indo. Ji kaitinama krosnyje, kad sutvirtėtų.

Pasak J. DeSimone’o, skaitmeninė šviesos sintezė išsprendžia dvi 3D spausdinimo technologijai būdingas problemas. Pirma, procesas vyksta iki 100 kartų greičiau, nei dirbant esamais polimerų spausdintuvais. Antra, kaitinami sluoksniai geriau susikabina, tad gaunamas tvirtesnis gaminys, jų paviršiai būna lygūs ir reikia mažiau papildomai apdoroti.

Jo manymu, visa tai leidžia skaitmeninei šviesos sintezei konkuruoti su injekciniu formavimu – beveik 150 metų naudojamu masinės gamybos procesu. Taikant injekcinį formavimą išlydytas plastikas supilamas į formą. Šiam sukietėjus, forma atsidaro ir gaminys iškrenta. Injekcinis formavimas – greitas ir nepaprastai tikslus, bet daug laiko bei pinigų reikia formoms paruošti ir gamybos linijai įrengti. Todėl injekcinis formavimas efektyvus tik gaminant tūkstančius identiškų daiktų.

3D spausdintuvams įprasta masto ekonomija beveik neaktuali. Vienetinius daiktus galima gaminti naudojant tą pačią įrangą ir medžiagas, kaip gaminant tūkstančius vienetų.

3D spausdintuvams įprasta masto ekonomija beveik neaktuali. Programinę įrangą lengva pakeisti, tad vienetinius daiktus įmanoma gaminti naudojant tą pačią įrangą ir medžiagas, kaip gaminant tūkstančius vienetų. Tai keičia šio pramonės sektoriaus esmę. Antai, užuot laikiusios milžiniškus sandėlius, prigrūstus atsarginių dalių, amerikiečių statybinės ir žemės ūkio technikos gamintojos „Caterpillar“ ir „John Deere“ bendradarbiauja su „Carbon“, siekdamos sandėlius iš esmės perkelti į debesiją, iš kur į bet kurią vietą galima atsisiųsti skaitmeninį brėžinį ir atspausdinti dalis pagal užsakymą.

Sektoriaus senbuvių gaminami spausdintuvai taip pat tobulėja. Jie dirba greičiau, kokybiškiau, spausdina daugiau spalvų iš įvairesnių polimerų, įskaitant elastingas medžiagas. Pernai prie dviejų didžiausių sektoriaus bendrovių, „3D Systems“ ir „Stratasys“, prisijungė trečia amerikiečių įmonė – į rinką įžengė iš tradicinių biurų spausdintuvų pažįstama HP ir pasiūlė kelis plastiko 3D spausdintuvus, kainuojančius nuo 130 tūkst. JAV dolerių. Remiantis naujausia konsultacijų bendrovės „Wohlers“ ataskaita, rimtą 3D spausdinimo įrangą (t. y. ne mėgėjams skirtą, bet nuo 5 tūkst. iki 1 mln. dolerių ir daugiau kainuojančias sistemas) gaminančių įmonių skaičius, 2015-aisiais siekęs 62, 2016 m. išaugo iki 97. O ir pirkti ne visada būtina. Nors daugelis gamintojų siūlomą įrangą iškart parduoda, „Carbon“ taiko programinės įrangos modelį ir ją klientams nuomoja. Tai kainuoja nuo 40 tūkst. JAV dolerių per metus. Įranga atnaujinama internetu, kaip daro programinės įrangos gamintojos.

Naujoji metalika

Spausdinti iš polimerų, kuriems būdinga žema lydymosi temperatūra ir parankios cheminės ypatybės, gana lengva. Spausdinti iš metalų – visai kitas reikalas. Metalo spausdintuvuose naudojami lazeriai arba elektronų spinduliai, kad būtų pasiekta temperatūra, reikalinga vieną po kito lydant miltelių sluoksnius vientisam objektui. Darbas vyksta keliais etapais: milteliai išberiami, paskleidžiami ir galiausiai sulydomi.

Tokiais spausdintuvais galima pagaminti labai sudėtingas formas, bet vienam daiktui sukurti kartais prireikia kelių dienų. Vis dėlto gali būti verta laukti, kai kalbama apie aukštos klasės komponentus, naudojamus ne masinės gamybos produktuose: superautomobiliuose, orlaiviuose, palydovuose, medicininėje įrangoje. Pasitelkiant 3D spausdinimą, kuris leidžia kiaurymes objektuose kurti lengviau nei subtraktyviojoje gamyboje, išauga galimų dizaino variantų skaičius. Ir įmanoma sutaupyti. Adityviojoje gamyboje susidaro mažiau atliekų nei subtraktyviojoje, nes metalas liejamas tik ten, kur reikia. Daugelis aukštųjų technologijų inžinerijoje naudojamų specialių lydinių – egzotiški ir brangūs.

Pranašumų pakako GE, vienai didžiausių pasaulio gamintojų, įtikinti į 3D spausdinimą investuoti 1,5 mlrd. JAV dolerių. Antai Oberne, Alabamoje, bendrovė už 50 mln. JAV dolerių įrengė gamyklą, kurioje bus spausdinami degalų purkštukai naujajam LEAP reaktyviniam varikliui, kuriamam kartu su prancūzų įmone „Safran“. Jau 2020 m. Oberno gamykla turėtų spausdinti po 35 tūkst. purkštukų per metus.

Kiekvienam LEAP reikia 19 purkštukų, turinčių naujų ypatybių, pavyzdžiui, sudėtingus aušinimo kanalus, kurių, pasak GE, niekaip kitaip nepadarysi. Purkštukai spausdinami vientisi, užuot virinus iš 20 ar daugiau komponentų kaip anksčiau. Naujieji purkštukai – 25 proc. lengvesni už senesnes versijas, tad sutaupoma degalų. Be to, jie penkiskart patvaresni, todėl mažiau kainuoja priežiūra.

Tokių naujovių bus daugiau. Britų bendrovė „GKN Aerospace“ neseniai pasirašė penkerių metų sutartį su Tenesio Ouk Ridžo nacionaline laboratorija, siekdama rasti naujų būdų spausdinti dideles konstrukcines orlaivių dalis iš titano. Užsibrėžta net 90 proc. sumažinti atliekų ir perpus sutrumpinti surinkimo laiką.

Esami metalo spausdintuvai gali būti automobilio dydžio ir kai kurie kainuoja 1 mln. JAV dolerių arba daugiau. Bet ką galėtų pasiekti įmonės, jei turėtų mažesnius, pigesnius metalo spausdintuvus? Ricas Fulopas mano galintis tokių pagaminti. Jis vadovauja įmonei „Desktop Metal“, kurią 2015 m. įkūrė su grupe Masačusetso technologijos instituto mokslininkų, iš investuotojų, įskaitant GE, „Stratasys“ ir BMW, gavęs beveik 100 mln. JAV dolerių. Rinkai jau pristatomi pirmieji bendrovės surinkti spausdintuvai.

Užuot veikus miltelių sluoksnius lazeriu arba elektronų spinduliu, „Desktop Metal“ įrenginiuose naudojamas surištojo metalo nusodinimo (bound-metal deposition) procesas. Ir šiuo atveju reikia pakepinti. Iš pradžių, išspaudęs metalo miltelių ir polimerų mišinį, įrenginys suformuoja gaminį, iš esmės taip pat kaip kai kurie plastiko spausdintuvai. Ruošinys keliauja į krosnį, kur polimerai nudega, o metalo dalelės supresuojamos sukepinant jas temperatūroje šiek tiek žemiau lydymosi taško. Gaunamas tankus metalinis objektas, labai panašus į senuoju būdu kaip vientisas metalo gabalas išlietą gaminį. Kepinamas objektas susitraukia. Bet tai galima kompensuoti atspausdinus šiek tiek didesnį, nei reikia, daiktą, nes nesunku numatyti, kiek jis susitrauks.

„Desktop Metal“ gamina dviejų tipų įrenginius. Apie 120 tūkst. JAV dolerių kainuojanti sistema „Studio“ skirta prototipams ir nedidelėms partijoms gaminti. Visavertė sistema kainuoja šiek tiek daugiau nei 400 tūkst. JAV dolerių. Kelis įprastam metalo spausdintuvui reikalingus gamybos etapus sukombinavus į vieną spausdintuvo galvutės „brūkštelėjimą“, „Desktop Metal“ įrenginiai dirba greitai. Pasak R. Fulopo, jie gali formuoti ir kepti objektus 8194 kub. centimetrų per valandą greičiu, palyginti su 16–33 kub. centimetrais įprasto lazerinio metalo spausdintuvo arba 82 kub. centimetrais įrenginio su elektronų spinduliu atveju.

Kadangi „Desktop Metal“ įrenginiams reikalingos medžiagos jau naudojamos kitur pramonėje, jos 80 proc. pigesnės už kai kuriuos specialius 3D spausdinimo miltelius, kaip nurodo R. Fulopas. Paviršius šlifuoti taip pat reikia mažiau. Tokie patobulinimai gali pakeisti gamybos ekonomiką.

Atspausdinti dalelę tavęs

Adityviąją gamybą vienas pirmųjų pritaikė medicinos sektorius. Yra rimtų priežasčių. Visi žmonės skirtingi, tad ir protezai, kurių jiems gali prireikti, turėtų būti nevienodi. Todėl dabar spausdinama daugybė individualiai pritaikytų dantų implantų ir klausos aparatų korpusų, taip pat vis daugiau kitų įtaisų, pavyzdžiui, ortopedinių implantų. Bet didysis prizas – spausdinti gyvus audinius transplantacijai. Nors kol kas tai iš esmės eksperimentinė idėja, kelios tyrėjų grupės biospausdintuvais jau gamina kremzles, odą ir kitus audinius.

Biospausdintuvai gali veikti keliais būdais. Paprasčiausiu atveju iš švirkštų išspaudžiamas ląstelių ir spausdinimo terpės mišinys, panašiai kaip staliniame plastiko spausdintuve. Kitais atvejais naudojama tam tikra rašalinio spausdinimo forma. Kai kurie medicinos srities tyrėjai išbando lazeriniu perkėlimu (laser-induced forward transfer) vadinamą 3D spausdinimo versiją. Plonos plėvelės apačia padengiama spausdinti skirta medžiaga. Viršutinį plėvelės paviršių veikiant lazerio impulsais, atsiskyrę medžiagos gabaliukai nukrinta ant žemiau esančio substrato. Bet kartais trečiajam matmeniui sukurti reikia pagalbos. Todėl kai kurie spausdintuvai norimą formą lipdo spausdindami ląsteles tiesiai ant paruošto karkaso, kuris suyra ląstelėms pasiekus pakankamą kiekį, kad jos pačios išlaikytų formą.

Anthony Atala su kolegomis iš Veik Foresto regeneracinės medicinos instituto Šiaurės Karolinoje taip spausdino ausis, kaulus bei raumenis ir juos sėkmingai implantavo gyvūnams. Svarbiausia proceso dalis – užtikrinti, kad atspausdintas audinys išgyventų, o transplantuotas prigytų. Kai kurių tipų audinius, pavyzdžiui, kremzles, lengva išauginti ne kūne. Pakanka terpę, kurioje jie laikomi, pripildyti maisto medžiagų. Ir perkelti į gyvą organizmą jie paprastai lengvai prigyja. Bet sudėtingesniems organams, tarkime, širdžiai, kepenims, kasai, reikia kraujotakos, kad iš nedidelio ląstelių gumulėlio kas nors išaugtų. Todėl A. Atala su kolegomis jų struktūroje atspausdina mažyčius kanalus, kad jais galėtų judėti maisto medžiagos ir deguonis. Tai skatina formuotis kraujagysles. Kitas žingsnis, turbūt laukiantis jau po keleto metų, bus išbandyti tokius atspausdintus audinius su žmonėmis.

Kai kurių tipų audinius, pavyzdžiui, kremzles, lengva išauginti ne kūne. Pakanka terpę, kurioje jie laikomi, pripildyti maisto medžiagų.

Viskas labai gudru. Bet, kaip sumojo biotechnologijų verslininkai Erikas Gatenholmas ir Hectoras Martinezas, biospausdinimo technologijai trūko vienokio ar kitokio standartinio „biorašalo“. Todėl 2016-ųjų sausį jie įkūrė įmonę „Cellink“, kurios tikslas – komercializuoti biospausdinimo medžiagas, kuriamas Chalmerso technologijos universitete Geteborge, Švedijoje.

„Cellink“ rašalas gaminamas iš biologiškai skaidaus nanoceliuliozės alginato, susidedančio iš medienos skaidulų ir jūriniuose dumbliuose randamo polisacharido. Iš pradžių tyrėjai į biorašalą įmaišo ląstelių, tada rezultatą išspaudžia kaip siūlą, iš kurio kuriama norima forma. Vėliau įmonė pristatė konkrečiam audiniui pritaikytų biorašalų, kuriuose yra augimo faktorių, reikalingų tam tikro tipo ląstelėms, įskaitant kamienines, stimuliuoti. Kamieninės ląstelės daugindamosi gali virsti bet kurio tipo ląstelėmis ir sudaryti tam tikrą audinį. Atitinkamų kamieninių ląstelių paėmus iš paciento, kuriam skirtas transplantas, sumažės atmetimo rizika.

„Cellink“ ne tik gamina biorašalą, bet ir pristatė savą spausdintuvų seriją. Jie su nuolaida parduodami universitetams mainais į informaciją iš mokslinių tyrimų. Tai leidžia gana tiksliai suprasti, kas vyksta. Gerokai pasistūmėta vaistų bandymams skirtų audinių spausdinimo srityje, kaip teigia E. Gatenholmas. Vienas variantas – naudojant paties paciento vėžio ląsteles atspausdinti kelias auglio versijas. Tada kiekvieną galima bandyti paveikti vis kitu vaistu arba medikamentų kompleksu, kad paaiškėtų, kuris gydymas bus veiksmingiausias. Kalbėdamas apie realią transplantaciją E. Gatenholmas tvirtina, jog pirmiausia šiam tikslui veikiausiai bus pradėta spausdinti kremzles, vėliau – odą. Tada ateis metas organams, kuriems reikia kraujagyslių.

Atrodo, kad biospausdinimas taps nauja gamybos šaka, nors veiksmas vyks medicinos centruose dirbant steriliomis sąlygomis, labiau primenančiomis laboratoriją nei cechą. Bet net ir žemiškesnių formų 3D spausdinimas, kai naudojami plastikai ir metalai, pakeis gamyklos esmę. Ateities 3D spausdinimo cechuose dar bus darbininkų. Bet daugiausia aparatinės ir programinės įrangos inžinierių. Ir jie dažniau vilkės baltais chalatais, o ne kombinezonais.

Jūsų komentaras

Daugiau leidinio naujienų