Dzisiaj jest 18 października 2017 r. Strefa XIV LO im. St. Staszica

Wybrane artykuły z wydań Staszic Kuriera

Kategoria Nauka.
Nauka: Drukowanie, ale inaczej
Mateusz Dziurzyński, dodano: 28 września 2012 r. w kategorii: Nauka

Już w latach 70. ludzie zaczęli się zastanawiać nad możliwością zastosowania druku do produkcji przedmiotów trójwymiarowych. Jako pierwszym udało się to oczywiście Amerykanom. Na początku lat 80. naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali drukowanie za pomocą funkcjonującej do dziś metody addytywnej. Polega ona na drukowaniu wielu warstw o grubości od 0,01 do 0,2mm, a następnie łączenie ich spoiwem. Na początku przy pomocy komputerów budowano trójwymiarowy obraz (tzw. Rapid Prototyping), który następnie przesyłano do drukarki. Ta z kolei, w zależności od złożoności i rozmiarów modelu, dzieliła model na wiele przekrojów poprzecznych.

Historia druku sięga roku 1937, gdy student prawa Chester Carlson wynalazł proces zwany kserografią. Polegał on na wykorzystywaniu ładunków elektrostatycznych do nanoszenia druku na kartkę papieru. Odkrycie to jednak nie wzbudziło powszechnej sensacji ze względu na czas wykonywania jednej kopii (kilka minut). Dopiero w 1950 roku firma Xerox, po usprawnieniu tej technologii, zajęła się wytwarzaniem takich maszyn i oddawaniem ich do użytku publicznego - oczywiście odpłatnie. Tak narodziło się ksero, które, jak nietrudno się domyślić, właśnie od tej firmy przyjęło swoją nazwę.

Pierwsza drukarka laserowa narodziła się w 1971r., gdy Gary Starkweather dodał laser naświetlający wałek drukujący do mechanizmu kserograficznego Carlsona. Po paru latach i przeróbkach drukarki były w stanie wytworzyć do 120 kopii na minutę, co było, jak na tamte czasy, niesamowitym osiągnięciem. Problemem była jedynie cena. Gdy pierwsze komercyjne drukarki trafiły w 1976 r. na rynek, koszt jednej wynosił ok. 350000$. Cena ta oraz fakt, że drukarki zajmowały wtedy mały pokój, raczej wykluczały jej powszechne użycie.

Nie była to jednak pierwsza drukarka - już w 1964r., w Tokio zaprezentowana została drukarka igłowa. Gdy po czterech latach została wprowadzona do masowej produkcji, zyskała od razu wielką popularność - była mniejsza, lżejsza oraz dużo tańsza. Natomiast zainteresowanie ludzi kupnem drukarek laserowych zaczęło się dopiero na początku lat 80., gdy ich cena spadła do około 1000$, a wielkość… do około piekarnika.

Kto zaczął w 3D?

Już w latach 70. ludzie zaczęli się zastanawiać nad możliwością zastosowania druku do produkcji przedmiotów trójwymiarowych. Jako pierwszym udało się to oczywiście Amerykanom. Na początku lat 80. naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali drukowanie za pomocą funkcjonującej do dziś metody addytywnej. Polega ona na drukowaniu wielu warstw o grubości od 0,01 do 0,2mm, a następnie łączenie ich spoiwem. Na początku przy pomocy komputerów budowano trójwymiarowy obraz (tzw. Rapid Prototyping), który następnie przesyłano do drukarki. Ta z kolei, w zależności od złożoności i rozmiarów modelu, dzieliła model na wiele przekrojów poprzecznych. Maszyna jednak nie wykorzystywała do drukowania papieru - nanosiła na platformę maszyny proszek. Następnie łączyła go spoiwem, po czym przechodziła do następnego poziomu. Musiała powtarzać te czynności od dziesięciu tysięcy nawet do paru milionów razy! Pod koniec, jeśli było to konieczne, dokonywano obróbek laserowych.

Problemem było znalezienie odpowiednich materiałów, z których będzie zbudowany model. Teoretycznie za proszek można było użyć każdej substancji - oczywiście pod warunkiem, że dało się ją sproszkować. Trudność stanowiło jedynie spoiwo. Najpopularniejszy w tym zakresie jest gips, ze względu na dostępność tego materiału, jego niski koszt pozyskiwania oraz łatwość spojenia. Niekiedy z gipsu buduje się traktując materiał ten zarówno jako spoiwo, jak i podstawę modelu. Ceramika, metale ciężkie, drewno, szkło to inne często występujące materiały. Jednak ze względu na ich ciężar potrzebują one bardzo silnych spoiw - takich jak koloidy. Innym podejściem jest zastosowanie materiałów takich jak wosk i celuloza, które łatwo spoić, jednak pozostają nietrwałe.

A na co to komu?

Wiemy już, jak wielkie korzyści płyną z drukowania standardowego. Jednak do czego mogłoby się przydać drukowanie metodą addytywną? Każdy przedmiot, którego wykonanie tradycyjnym sposobem byłoby ze względu na finezję i dokładność długie, pracochłonne oraz drogie, można szybciej i taniej wykonać za pomocą drukowania trójwymiarowego. Artyści będą mogli na przykład budować przestrzenne modele swoich dzieł na komputerze, a następnie po prostu je drukować z wybranego materiału. Dla maszyny nieistotne jest bowiem czy wytwarza artystyczną wazę lub rzeźbę, proste krzesło czy też… dom.

Tak, nie pomyliłem się, chodzi tu o dom. Taki z oknami, dachem i w ogóle. Naukowcy z Uniwersytetu Południowej Kalifornii są bliscy zbudowania prototypu maszyny, która byłby w stanie czegoś takiego dokonać. Wszystko wygląda następująco - projektujemy trójwymiarowy model domu, a następnie ustawiamy robota w miejscu, w którym dom ma stać, włączamy i… po 20 godzinach przychodzimy na gotowe. Niemożliwe, prawda?

Materiałem podstawowym podczas budowy takiego domu byłby specjalny, szybkoschnący rodzaj betonu. Zwykły zastyga w parę godzin, po czym utwardza się przez następny miesiąc. Ta „odmiana" zastyga w godzinę. Po tym czasie można po domie zbudowanym z takiego betonu bez problemu chodzić. Jedyna przestroga, którą mają naukowcy - należy uważać z przenoszeniem ciężkich ładunków. To niewiarygodne stwierdzenie zostało potwierdzone, wytworzono z tego betonu belkę, na której następnie trójka naukowców stanęła i zaczęła skakać. Gdy zeszli, na belce nie było najmniejszego śladu użytkowania.

Jakie mogą być jeszcze zalety takiego domu? Przede wszystkim niskie koszty produkcji. W przypadku budowy domu standardową metodą trzeba zapłacić wykwalifikowanej ekipie robotników, którzy według projektu (który swoją drogą darmowy nie jest) wybudują dom. Niezbędne do tego byłoby również ściągnięcie na plac budowy maszyn budowlanych. Ponadto podczas budowy marnujemy sporo materiałów - od 10% do aż 40%! Takie rzeczy nie będą już miały miejsca.

Do obsługi i nadzoru nad drukarką będą potrzebne trzy albo cztery osoby, niekoniecznie wykwalifikowane, których jedynym zadaniem będzie poprawne ustawienie robota. Do tego nie ma mowy o choćby najmniejszym marnotrawstwie materiałów. Wszystko wykonane będzie z niezwykłą precyzją, drobne zmiany i innowacje nie będą wykonywane przez oddzielny zespół osób. Te zmiany mogą obniżyć koszty budowy takiego domu do około 30% - ograniczą się właściwie jedynie do zakupu niezbędnych materiałów. A to wszystko w 20 godzin!

Gdzie są rewolucyjne zmiany, pojawiają się również wady. Taki robot z pewnością nie będzie tani. Jednak pocieszające jest, że daleko mu od bycia jednorazowym - po wykonaniu jednego domu mógłby od razu zająć się budowaniem drugiego.

Teraz naukowcy zajmują się przede wszystkim usprawnieniem robota tak, żeby oprócz wykonania fundamentów, szkieletu budynku, położenia dachu był w stanie również zamontować instalacje elektryczności oraz kanalizację. Twierdzą, że gdy ukończą swoją maszynę, zrewolucjonizują świat - że to może być sposób na zażegnanie problemu wysokich kosztów zamieszkania i może przyczynić się do zlikwidowania slumsów. Co z tego wyniknie? Zobaczymy, gdy ukończą swój projekt.

To wydrukuj mi teraz serce!

Na tym jednak nie kończą się możliwości drukowania trójwymiarowego. Wspomniałem wcześniej, że grubość jednej warstwy wynosi od 0,01 do 0,2mm. W przypadku budowy domów warstwy mogą być istotnie grubsze - nawet do 5cm. Jednak precyzja takiej maszyny może być również dużo większa.

Sześć lat temu zespół badawczy z Carnegie Mellon University po raz pierwszy wydrukował żywą tkankę. Zamiast zwykłego tuszu posłużyli się specjalnie opracowanym przez siebie „bio-tuszem", który zawierał czynnik wzrostu BMP-2. Papier zastąpiła natomiast matryca z białka fibrylnego. Następnie ze zmodyfikowanej drukarki wydrukowane zostały 4 kwadraty o powierzchni 750μm. Na każdą z nich naniesiono nieregularnie różną ilość warstw „bio-tuszu". Kwadraty zostały następnie wysuszone i pokryte równomiernie dorosłymi komórkami macierzystymi z nogi myszy, a następnie całość umieszczono na podpuszczce. W miejscach, gdzie występował wcześniej „bio-tusz", za pomocą komórek macierzystych została uformowana tkanka kostna, a w miejscach gdzie go nie było - tkanka mięśniowa. Nie wszyscy docenili jednak wielkość tego odkrycia. Wcześniej bowiem byliśmy w stanie wyprodukować wiele tkanek z różnych komórek macierzystych, jednak do tej pory nie wyprodukowano różnych tkanek jednocześnie z jednego rodzaju komórek macierzystych. W pracy naukowców bardzo pomaga Rapid Prototyping -pozwalający na przeprowadzanie symulacji zachowań produktów reakcji. Dzięki niemu naukowcy przewidzieli rezultat jeszcze przed eksperymentem.

Obecnie największe koncerny medyczne posługują się specjalnymi mieszankami polimerowymi w charakterze tuszu. Jednak mimo niezwykłej precyzji drukowania na poziomie molekularnym, to wciąż zbyt mało, by osiągnięcie to wykorzystać efektywnie w transplantologii.

Inną drogę obrali twórcy firmy Organovo. Opracowali oni metodę pozwalającą na drukowanie przestrzenne gotowych już tkanek. Do tej pory udało się tą metodą wyprodukować sprawnie działające mięśnie sercowe, płuca, naczynia krwionośne, a ostatnio nawet wątrobę. Ta metoda pozyskiwania organów okazała się rewolucyjna. Jednak koszt wyprodukowania organów jest ogromny. W związku z tym, aby móc kontynuować badania, firma postanowiła sprzedawać próbki tkanek koncernom farmaceutycznym - mogą w ten sposób testować na nich działanie preparatów. Teraz trwają prace nad wyprodukowaniem pozostałych organów. Metoda ta jest bardzo bezpieczna - wyprodukowane organy zachowują się niemal identycznie jak organy ludzkie. Ryzyko odrzucenia takiego przeszczepu jest również bliskie zeru - produkcja tkanek odbywać się ma z komórek macierzystych przyszłego posiadacza narządu.


Powrót...

Wszystkie artykuły z kategorii Nauka.