На что способны 3d принтеры

Возвести одноэтажный дом за сутки ценой 25000 рублей – это уже не фантазия футурологов, а реальность. Правда, китайская. И это не тот случай, когда они берут количеством рабочей силы. Для такого строительства требуется всего три человека – да и те на подхвате. Дом распечатывают на огромном 3D-принтере WinSun, имеющем длину и высоту 150 и 6 метров соответственно.

Хотите верьте, хотите нет, этот особняк был сделан с помощью 3D-принтера. Изображение предоставлено WinSun

В качестве чернил он использует смесь цемента и строительных отходов. Представляете, сколько нового и весьма качественного жилья можно построить в России, например, за месяц! Этим уже занимается стартап из Иркутска Apis Cor. Они уже строят дома по 13000 рублей за квадратный метр. Это в десять раз дешевле, чем в среднем сейчас обходится «квадрат» в Москве.

Сейчас ребята пробуют себя в конкурсе NASA на проектирование дома на Марсе из подручных материалов. Так что посмотрим, может быть, жилье на Марсе будет made in Russia.

Давайте разберемся, что мешает совершить ту самую революцию, о которой говорят уже несколько лет.

Безграничные возможности 3D-принтеров

В 2006 году журналисты с восторгом отзывались о технологии RepRap, предрекая новую промышленную революцию. Технология представляет собой самовоспроизводящийся принтер, то есть машину, которая может создать свою же улучшенную копию или распечатать что-нибудь новое. Главная особенность проекта – это открытое проектирование. Все разработки в публичном доступе, и воспользоваться или доделать их может каждый.

Сегодня полностью воссоздать своего клона машина еще не способна, пока может напечатать лишь половину своих деталей. Но за идеей проглядывает целая философия – дать в руки потребителям средство производства неопределенного круга вещей.

Представьте, как выглядела бы наша жизнь, если бы могли печатать себе любые лекарства и даже запчасти для собственного организма. Похоже на сцены из «Элизиума» или «Превосходства», правда? Но это уже реальность. Новости об этом мы слышим постоянно: «В «Принстоне» напечатали бионическое ухо…», «В «Кембридже» смогли распечатать искусственные клетки сетчатки глаза для протезирования…», «В Институте Wake Forest биопринтеры создают три десятки различных клеток и органов: хрящи, кости, нос, уши…»

Достижения в области технологий означают, что теперь стало возможным 3D-печать всего, от протезов до кожи, костей и органов. фото: армейская медицина / Flickr, CC BY

Как же это работает?

Из полимера 3D-принтер формирует мягкую и пористую матрицу в форме нужного нам органа, а потом покрывает ее гелем из клеток кожи и хрящевой ткани. Чтобы остаться живыми, они должны быть холодными – градусов восемнадцать ниже нуля. Отверждают конструкцию ультрафиолетом. Полимерный каркас потом рассасывается. Иногда для разрушения матрицы в ход пускают бактерии. И остается только ухо.

Несколько групп исследователей сейчас параллельно работают над созданием принтеров, печатающих прямо на пациенте. Вас отсканировали, обнаружили рану на коже или меланому, вырезали поврежденный фрагмент и нанесли в нужных местах новые живые клетки.

3d печать еды

Больше никакой проблемы с едой! Мы не только накормим голодающих, но и осуществим мечту тех, кто хочет есть много и вкусно. Ведь сейчас принтеры печатают любую еду – от тортов и шоколадок с индивидуальным дизайном до универсальных продуктов из белковых блоков.

Печать индивидуальной одежды

3D-печать позволяет создавать продукт с индивидуальными характеристиками. Сегодня никто не будет менять лекало на фабрике специально для вас. Но благодаря 3D-печати не надо больше ждать, пока швея или сапожник сошьют вам что-то уникальное. После сканирования можно просто распечатать идеальные кроссовки, ботинки, стельки. И купить такое можно уже сегодня.

3д принтеры и протезирование

Что еще важнее, вы можете получить уникальный протез, до микрон подходящий именно под вашу анатомию. Персонализированная медицина становится все доступнее. В РФ на лазерном 3D-принтере уже печатают эндопротезы из титана. Суставы, позвоночные кейджи, имплантанты для черепно-мозговой и челюстно-лицевой хирургии…

Сильная сторона 3D-принтера – сложная геометрия.

Без нее некоторые формы просто невозможно отливать или штамповать цельным куском. Только собрать. Еще печать позволяет создавать новые структуры – ячейки и поры. Благодаря этому можно облегчать конструкцию, экономить материалы и экспериментировать со свойствами.

Кроме того, некоторые вещи с помощью аддитивных технологий получается сделать гораздо точнее. Чтобы новый орган прижился, он должен быть пронизан кровеносными сосудами, а клетки должны располагаться точно в нужных местах. Вручную это сделать очень сложно, а полностью собрать такой орган почти невозможно. Легче напечатать.

Туманное будущее 3D-печати

На самом деле бизнес только нащупывает сферы применения 3D-печати. Что же мешает технологии стать действительно массовой? Все-таки, как правило, это долго, дорого и все еще некачественно.

Для начала стоит вспомнить, что 3D-печати приписали лишнее измерение. В абсолютном большинстве существующих технологий процесс происходит в 2D – как в случае с самой обычной печатью на струйном принтере. Просто он повторяется слой за слоем, поэтому процесс занимает много времени.  Есть грибы, которые растут быстрее, чем создается 3D-модель.  Структура получается слоистая, с большим количеством брака.

Да, есть усовершенствованные способы печати, например, ускоренный метод CLIP – непрерывное изготовление жидких интерфейсов. Но для крупного производства технология не всегда подходит. А для массовых потребителей высокоточные и технологичные принтеры все еще остаются недоступны.

Еще одна проблема.

Не все технологии можно повторить вне специализированных условий. Например, некоторые методы печати из металла требуют заполнить рабочее пространство аргоном, чтобы металл не окислялся во время лазерного спекания. Ученым приходится придумывать новые материалы, чтобы печатать из них более качественные вещи, потому что привычные имеют ряд ограничений.

Но главная проблема – это размерность. Ваш принтер должен обладать чрезвычайно высоким разрешением, если вы не хотите каждый раз получать кривую, тяжелую копию задуманного предмета. Уже сегодня ее решают ученые на стыке аддитивных и нанотехнологий. В 2013 году специалистам из «Гарварда» удалось с помощью принтера создать батарейку размером с песчинку.

Каким образом можно напечатать объекты в наноразмерах?

Например, химически, используя ДНК. В природе есть миллиарды наноразмерных 3D-принтеров. Они создают трехмерные структуры, а роль кодирующего файла выполняет ДНК. Графический файл рисует на компьютере, а программа сама подбирает последовательности ДНК, нужные для получения структуры.

Еще есть технология двухфотонной полимеризации. Это разновидность литографии, то есть работа ведется с жидкой смолой. Материал предмета, который мы печатаем, затвердевает в точке, на которой фокусируется лазерный луч.

Чего же можно добиться, решив проблему размерности в 3D-печати?

Наши гаджеты будут работать гораздо быстрее — и не исключено, что прямо у нас в голове. Принтеры, печатающие одновременно несколькими материалами, упростят производство электронных компонентов: печатных плат, антенн.

Возможно, скоро появятся устройства, печатающие весь гаджет целиком, сразу с начинкой и корпусом. Гибкие экраны и батареи не за горами. Нанотехнологии дадут возможность уменьшить их размер, а перспективы биопринтинга позволяют нам пофантазировать о биосовместимых гаджетах.

А еще предметы или органы с суперсвойствами, которые мы позаимствуем у природы. Живые организмы состоят из материалов сложной структуры. Они переплетаются и чередуются – от твердых к мягким, от нано- до макромасштаба. Из-за этого раньше мы не могли их воспроизводить. Но при соединении аддитивных технологий, которые позволяют настраивать иерархическую структуру вещества в процессе печати, с наноразрешением принтеров это станет возможным.

Не стоит думать, что будущее, в котором каждый сможет распечатать себе в 3D-принтере нужную вещь, будет таким уж светлым. Дело в том, что раньше государство могло просто запретить людям владеть и пользоваться каким-то товаром. А теперь?

Статья по теме

3d печать лекарств

А только представьте, какой шум поднимется, когда на принтере можно будет распечатать любой запрещенный препарат. Лерой Кронин, химик из Университета Глазго, и его коллеги недавно описали в журнале Science свою разработку многоступенчатого синтеза химических веществ с помощью 3D-печати. Любой человек сможет распечатать сложное химическое соединение из общедоступных реактивов. Ученые надеются использовать технологию для получения фармакологических препаратов. Например, мышечный релаксант «Баклофен» уже получилось сделать из средства для борьбы с язвой желудка и рефлюксом.

Этика

И это не единственные этические проблемы. Можем ли мы использовать 3D-печать для улучшения человека? Более прочные и гибкие кости, более эластичная мышечная ткань… Допустимо ли такое вмешательство? Нужно ли в дополнение к допинг-контролю на соревнованиях вводить биохакинг-контроль? Чем быстрее развивается технология 3D-печати, тем скорее нам придется всерьез задуматься над всеми этими вопросами.