3D spausdinimas: ar galima atspausdinti „žalius“ gaminius?

Kaip ši technologija toliau tobulinama, ko galima tikėtis ateityje bei kodėl ieškoma būdų 3D spausdinimą padaryti "žalesnį", pasakoja Klaipėdos universiteto Jūros technologijų ir gamtos mokslų fakulteto Inžinerijos katedros studijų programų vadovė prof. dr. Jolanta Janutėnienė.

Pasak jos, pastaraisiais metais išgirstama apie vis naujesnius mokslo ir pramonės pasiekimus.

„Sukuriamos technologijos, leidžiančios atspausdinti maisto produktus ar net organus, kurie bus naudojami transplantacijai. Kartais tai atrodo lyg mokslinė fantastika. Nors pirmosios žinutės apie 3D spausdinimo idėjas buvo publikuotos laikraščio „Stulbinanti mokslinė fantastika“ 1950 m. lapkričio mėnesio numeryje, kuriame tuo metu ji buvo  pavadinta „molekuliniu purškimu“, - sako mokslininkė.

Spausdinimui naudojami 3D spausdintuvai, kurie išlydydami medžiagą (metalą, keramiką, plastikus, kompozitines medžiagas, biomedžiagas ar kt.) sluoksnis po sluoksnio „sulydo“ norimos formos gaminius.

Pirmosios 3D spausdinimo technologijos pramoniniu lygiu pradėjo vystytis apie 1980 metus, sukurti pirmieji spausdintuvai.

„Naudojant 3D spausdinimo technologijas (angl. additive manufacturing) galima pagaminti labai sudėtingos geometrinės formos su išskirtinėmis funkcinėmis, mechaninėmis ir elektrinėmis savybėmis, su tuščiavidurėmis dalimis ar su vidinėmis santvarų struktūromis, kai siekiama sumažinti gaminio svorį", - paaiškino J. Janutėnienė.

Pasak jos, šiuolaikinėje statyboje, naudojant labai didelių matmenų 3D spausdintuvus jau galima iš betono mišinių spausdinti statybines konstrukcijas ir net namus.

JAV, Kinijos ir Europos mokslininkai skelbia, jog jiems jau pavyksta iš gyvų ląstelių atspausdinti žmogaus ausies kremzlės bei nedidelius kepenų pavyzdžius, ir teigia, jog pilnai funkcionuojantys spausdinti organai gali būti gaminami po 10-20 metų.

2020 m. gruodį Vokietijoje, Bavarijoje, buvo sukurtas pirmasis trimačiu spausdintuvu pagamintas namas. 2021 m. vasario mėnesio duomenimis, šis daugiabutis buvo didžiausias 3D spausdinimo daugiabutis Europoje su viso ilgio rūsiu ir penkiais butais per tris aukštus, apimančius apie 380 kvadratinių metrų gyvenamojo ploto.

Tikimasi, kad 3D spausdinimas gali atverti kelią platesniam statybų automatizavimui pasaulyje ir galbūt sudaryti sąlygas greičiau ir pigiau įsigyti būstą.

Pastaraisiais metais pasaulyje buvo sukurta labai įdomių konstrukcijų. Pavyzdžiui, naudojant 6 ašių robotą spausdintuvą sukurtas sudėtingos geometrinės formos metalinis tiltas Amsterdame.

Medicinos reikmėms spausdinami kaulai ar sąnarių elementai bei organai. Organų transplantacijai spausdinimui kuriamos medžiagos iš kamieninių ląstelių.

Plačiausiai ir lengviausiai naudojami yra 3D spausdintuvai, kurie skirti spausdinimui naudojant įvairias polimerines medžiagas, nes jų neaukšta lydymosi temperatūra - 200-250 laipsnių Celsijaus skalėje.

Prieš spausdinant gaminį turi būti sukuriamas jo kompiuterinis erdvinis vaizdas ir, išsaugojus informaciją specialiu formatu, tai perkeliama į spausdintuvo informacinę sistemą.

Kokia šios technologijos ateitis

Prognozuojama, kad iki 2025 m. 3D spausdintuvu bus pagamintas pirmasis automobilis ir atlikta pirmoji 3D spausdintuvu sukurtų kepenų transplantacija.

Tačiau, pasak mokslininkės, spartėjant pažangai technologijų srityje pradedami vykdyti projektai, susitarimai, susiję su žiedinės ekonomikos skatinimu.

Mokslininkai vis dažniau gilinasi į natūralių ar atsinaujinančių medžiagų naudojimą.

Viena iš dažniausiai naudojamų biopolimerinių medžiagų, skirtų spausdinimui, yra polimerinė medžiaga PLA arba polilaktinė rūgštis, gaminama iš biologinės kilmės žaliavose esančios dekstrozės (cukraus). 

Šis biopolimeras gali būti gaminamas iš bulvių, kukurūzų, cukrinių runkelių ar kitokių augalinių atliekų.

"PLA laikomas vienu konkurencingiausių biologiškai atsinaujinančių šaltinių: dėl biologinio suderinamumo, biologinio skaidumo ir mechaninio atsparumo. Šios savybės gali kisti, kai PLA medžiaga yra maišoma su kitais biopolimerais.

Mokslinės literatūros šaltiniai pateikia įvairovę atliktų tyrimų, kai biologinės kilmės medžiagos naudojamos kompozitų, skirtų 3D spausdinimui, kūrimui", - pasakojo Inžinerijos katedros programų vadovė.

Praėjusiais metais užsienio mokslininkai atliko tyrimą, kai biopolimerinė medžiaga PLA buvo maišoma su džiovintais grūdais ir papildomai naudojami plastifikatoriai: epoksiduotas sojų aliejus (ESO), polietilenglikolis (PEG) ir glicerolis.

Tyrimai parodė, kad kompozitas iš PLA ir iki 20 proc. plastifikatorių ir džiovintų grūdų yra ekonomiškai naudingas.

Taip pat buvo atlikti tyrimai su PLA ir kanapių pluoštu. Prieš maišant PLA su natūraliais pluoštais, jas dažniausia reikia papildomai apdoroti, kad būtų geras tarpusavio sukibimas.

Tyrimų metu pagamintos kompozitinės granulės liejimo metodu naudojant FFF (angl. Fused Filament Fabrication) technologiją. Sukurtuose kompozituose kanapių pluošto ar mišinių kiekiai siekė 10 proc.

Jau yra ir pramoniniu būdu gaminamos ir parduodamos medžiagos su kanapių pluoštu.

2020-aisiais buvo paskelbti tyrimai, kurių metu tirti biokompozitai, sudaryti iš PLA plastiko ir sustiprinti keratinu ir chitozanu, gautu iš plaukų ir plunksnų. Kompozitas buvo išlydytas naudojant 3D spausdintuvą temperatūrų intervale nuo 175 iki 195 laipsnių pagal Celsijų.

Nemažai tyrimų, kuriuose yra atliekami PLA ir medžio dalelių biokompozitų tyrimai. Jų rezultatai rodo, kad PLA maišant su natūraliomis medžiagomis (lino pluoštu, kanapių pluoštu, smulkinta mediena, keratinu ir kt.) atspausdintų biokompozitinių medžiagų mechaninės savybės šiek tiek prastėja.

„3D spausdintuvų šiuo metu galima įsigyti už sąlyginai nedidelę kainą ir namuose atspausdinti įvairius plastikinius gaminius savo reikmėms, žaislus ar net papuošalus. Tačiau kiekvienas turėtume nepamiršti ir mažinti aplinkos taršą, rinktis medžiagas, kurios lengvai suyra, rinktis įrangą, kuri sunaudos kuo mažiau energijos“, - akcentavo J. Janutėnienė.