Εισαγωγή Οποιοσδήποτε δεν έχει δει την τρισδιάστατη εκτύπωση να επιδεικνύεται, μπορεί να την φαντάζεται φουτουριστική. Παρ όλα αυτά, η τεχνολογία είνα

Transcript

1 3D Εκτύπωση: Λειτουργία, Εφαρμογές και Ανησυχίες Αλέξανδρος Γεώργιος Μουντογιαννάκης Αχιλλέας Μόσχος 14 Ιανουαρίου

2 Εισαγωγή Οποιοσδήποτε δεν έχει δει την τρισδιάστατη εκτύπωση να επιδεικνύεται, μπορεί να την φαντάζεται φουτουριστική. Παρ όλα αυτά, η τεχνολογία είναι αρκετά απλή: είναι ένα μικρό βήμα ε- ξέλιξης από τον ψεκασμό γραφίτη στο χαρτί στην τοποθέτηση στρωμάτων α- πό πιο στερεό υλικό, όπως πλαστική ρητίνη, μέχρι τα προστιθέμενα στρώματα να δημιουργήσουν ένα αντικείμενο. Από τη στιγμή που μία μηχανή έχει τη δυνατότητα να παράγει αντικείμενα κάθε σχήματος σε ελάχιστο χρονικό διάστημα, η 3D εκτύπωση εγκαινιάζει μία νέα εποχή. Οι πρώτοι 3D εκτυπωτές εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 80. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, περισσότερα μοντέλα εμφανίστηκαν στην αγορά. Στις μέρες μας, ένας εξελιγμένος εκτυπωτής κοστίζει γύρω στα δολλάρια, αλλά υπάρχουν και καινούρια μοντέλα, που κοστίζουν μόλις μερικές εκατοντάδες δολλάρια. Η νέα γενιά των 3D εκτυπωτών είναι ιδιαίτερα ελκυστική στη βιομηχανία, λόγω του κόστους της. Τι είναι η 3D εκτύπωση; Η 3D εκτύπωση, υποκατηγορία της προσθετικής κατασκευής (additive manufacturing), είναι η διαδικασία δημιουργίας τρισδιάστατων στερεών αντικειμένων από ένα ψηφιακό αρχείο. Η δημιουργία ενός 3D εκτυπωμένου αντικειμένου επιτυγχάνεται υλοποιώντας προσθετικές διεργασίες. Σε μία προσθετική διεργασία, ένα αντικείμενο δημιουργείται συσσωρεύοντας διαδοχικά στρώματα υλικού, μέχρι να δημιουργηθεί ολόκληρο το αντικείμενο. Κάθε έ- να από αυτά τα στρώματα μπορεί να θεωρηθεί ως μία λεπτά κομμένη οριζόντια τομή του ενδεχόμενου αντικειμένου. Πως λειτουργεί η 3D εκτύπωση; Σε περίπτωση δημιουργίας ενός ολοκληρωτικά νέου αντικειμένου, η διαδικασία ξεκινάει φτιάχνοντας ένα ψηφιακό σχέδιο του αντικειμένου που ο κατασκευαστής θέλει να δημιουργήσει. Το ψηφιακό αυτό σχέδιο συνθέτεται σε ένα αρχείο CAD (Computer-Aided Design) χρησιμοποιώντας ένα 3D modeling πρόγραμμα. Σε περίπτωση αντιγραφής ενός ήδη υπάρχοντος αντικειμένου, γίνεται χρήση 3D scanner. Το scanner αυτό φτιάχνει ένα τρισδιάστατο αντίγραφο του αντικειμένου και το τοποθετεί σε ένα 3D modeling πρόγραμμα. Για τη προετοιμασία του ψηφιακού αρχείου, το λογισμικό κόβει το τελικό μοντέλο σε εκατοντάδες χιλιάδες οριζόντια στρώματα. Οταν το προετοιμασμένο αρχείο μεταφορτωθεί στον 3D εκτυπωτή, ο εκτυπωτής δημιουργεί το αντικείμενο. Ο 3D εκτυπωτής διαβάζει κάθε στρώση (ή 2D εικόνα) και προβαίνει στη δημιουργία του αντικειμένου συγχωνεύοντας κάθε στρώση, χωρίς να είναι ορατά ίχνη της διαστρωμάτωσης. Με αυτόν τον τρόπο, προκύπτει το αντικείμενο. 2

3 Τεχνολογίες της 3D εκτύπωσης Δεν χρησιμοποιούν όλοι οι εκτυπωτές την ίδια τεχνολογία για τη πραγματοποίηση των αντικειμένων τους. Υ- πάρχουν αρκετοί τρόποι υλοποίησης και όλοι όσοι ήταν διαθέσιμοι μέχρι το 2012 ήταν προσθετικοί, διαφέροντας κυρίως στον τρόπο που χτίζονται οι στρώσεις για να δημιουργηθεί το τελικό αντικείμενο. Ορισμένες μέθοδοι χρησιμοποιούν μαλακτικά υλικά για την παραγωγή των στρωμάτων. Οι selective laser sintering (SLS) και fused deposition modeling (FDM) είναι οι πιο κοινές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν τον παραπάνω τρόπο εκτύπωσης. Άλλη μία μέθοδος εκτύπωσης είναι το άπλωμα υγρών υλικών, που στερεοποιούνται με διαφορετικές τεχνολογίες. Η πιο κοινή τεχνολογία που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο είναι η στερεολιθογραφία (SLA). SLS: Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί ένα laser υψηλής ισχύος για τη συχγώνευση μικρών σωματιδίων σκόνης πλαστικού, μετάλλου, κεραμικού ή γυαλιού, σε μία μάζα που έχει το επιθυμητό τρισδιάστατο σχήμα. Μετά το σάρωμα κάθε τομής, το στρώμα σκόνης μειώνεται κατά μία στρώση πάχους. Στη συνέχεια μία νέα στρώση υλικού εφαρμόζεται στη κορυφή και η διαδικασία επαναλαμβάνεται, μέχρι να ολοκληρωθεί το αντικείμενο. FDM: Η τεχνολογία αυτή λειτουργεί χρησιμοποιώντας ένα πλαστικό νήμα ή ένα μεταλλικό σύρμα, το οποίο ξετυλίγεται από ένα πηνίο και εφοδιάζει τα υλικά σε ένα στόμιο ε- ξώθησης, το οποίο μπορεί είτε να επιτρέψει, είτε να εμποδίσει τη ροή. Το στόμιο θερμαίνεται, ώστε να λιώσει το υλικό, μπορεί να κινηθεί οριζόντια η κάθετα και είναι άμεσα ελεγχόμενο από ένα computer-aided manufacturing (CAM) πακέτο λογισμικού. Το αντικείμενο παράγεται εκβάλλοντας το λιωμένο υλικό, ώστε να σχηματιστούν στρώσεις, καθώς το υλικό σκληραίνει κατευθείαν μετά την εξώθηση από το στόμιο. SLA: Η κύρια τεχνολογία, στην οποία χρησιμοποιείται ο φωτοπολυμερισμός για τη παραγωγή ε- νός στερεού εξαρτήματος από έ- να υγρό είναι η στερεολιθογραφία. Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί μία δεξαμενή από υγρή, υπεριώδη, σκληρυνόμενη, φωτοπολυμερική ρητίνη και ένα υπεριώδες laser για να χτίσει τις στρώσεις του αντικειμένου, μία τη φορά. Για κάθε στρώμα, η ακτίνα laser σχεδιάζει μία τομή του σχεδίου του εξαρτήματος στην επιφάνεια της υγρής ρητίνης. Εκθεση στο υπεριώδες φως του laser σκληραίνει και στερεοποιεί το σχέδιο που δημιουργήθηκε στη ρητίνη και το ενώνει με την από κάτω στρώση. 3

4 Εφαρμογές της 3D εκτύπωσης Αυτοκινητοβιομηχανία: Τον Σεπτέμβριο του 2014 η Local Motors, μία κατασκευάστρια αυτοκινήτων μικρού όγκου από την Αριζόνα, ΗΠΑ, υποβοηθούμενη από το κοινό, καινοτόμησε με το Strati, το πρώτο 3D ε- κτυπωμένο αυτοκίνητο πλήρους μεγέθους. Η εκτύπωση διήρκεσε 44 ώρες και έλαβε χώρα στο Σικάγο, μπροστά σε κοινό. Γενικότερα, πολλά εξαρτήματα αυτοκινήτου, όπως εξωτερικοί καθρέπτες και μοχλοί κλειδαριών είναι πλέον εκτυπωμένα. Μερικά από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα στη 3D αυτοκινητοβιομηχανική εκτύπωση είναι οι οικονομίες από την προμήθεια υ- λικών και η εξάλειψη ορισμένων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, που θα προέκυπταν από τη μεταφορά προϊόντων στις εγκαταστάσεις παραγωγής. Αρχιτεκτονική: Αν και αυτή τη στιγμή δεν υπάρχει ένας 3D εκτυπωτής σε κάθε αρχιτεκτονικό γραφείο, αυτό πιθανότατα θα αλλάξει σύντομα, καθώς η διαδικασία σχεδιασμού, στην οποία εμπλέκονται οι αρχιτέκτονες, α- παιτεί πολύ χρόνο και συνήθως είναι αρκετά αγχωτική. Εκτός από την εξοικονόμηση χρόνου που προσφέρουν τα 3D εκτυπωμένα μοντέλα, ένα ακόμα πλεονέκτημά τους είναι ότι επιτρέπει στους αρχιτέκτονες να πειραματιστούν με σύνθετα σχήματα και πολύπλοκες μορφές. Κατασκευές / Παραγωγή: Οι κατασκευαστικές εταρείες είναι σε θέση να δημιουργήσουν σχήματα, τα οποία δεν μπορούν να παραχθούν με άλλον τρόπο πέραν της προσθετικής κατασκευής. Τα εξειδικευμένα εξαρτήματα πλέον κοστίζουν ελάχιστα σε σχέση με ότι κόστιζαν παλαιότερα. Ακόμα, οι εταιρείες μπορούν, πέρα από εξαρτήματα, να εκτυπώσουν και τα δικά τους εργαλεία. Τέλος, δεν χρειάζεται η μετακίνηση εφοδίων, καθώς μπορούν πλέον να δημιουργηθούν εξαρτήματα επί ζήτησης. Υγεία: Η 3D εκτύπωση έχει ήδη φέρει επανάσταση στις αντικαταστάσεις αρθρώσεων. Οι ασθενείς με κατάλληλα προσαρμοσμένα γόνατα δεν χρειάζεται να χάσουν επιπλέον μήκος από το κόκκαλο. Αντί αυτού, ο χειρουργός μπορεί να κάνει τομή στο ιδανικό σημείο, κάτι που ο- δηγεί σε γρηγορότερη ανάρρωση και καλύτερη λειτουργικότη- 4

5 τα. Δυνατές, ευλύγιστες νέες αρθρώσεις που μιμούνται ο- στά και χόνδρους μπορούν να εκτυπωθούν με νάιλον. Αυτές οι χειρουργικές επεμβάσεις είναι διαθέσιμες σε κορυφαίες ιατρικές εγκαταστάσεις, όπως η Mayo Clinic. Τα περισσότερα ακουστικά βαρηκοΐας είναι ήδη 3D εκτυπωμένα, καθώς αυτά πάντα ήταν προσαρμοσμένα στον χρήστη και το σκανάρισμα, η μοντελοποίηση και η εκτύπωση εξοικονομούν χρόνο σε σχέση με το να δημιουργηθεί χειροποίητο καλούπι του έσω αυτιού. Παρομοίως, η δημιουργία οδοντικών εμφυτευμάτων, κάποτε μία διαδικασία δύο εβδομάδων, μπορεί να συμβεί όσο ο ασθενής διαβάζει ένα περιοδικό στην αίθουσα αναμονής. Άλλες αξιοσημείωτες σύγχρονες εφαρμογές της 3D εκτύπωσης περιλαμβάνουν την τέχνη, τον ρουχισμό, την κατασκευή οικιακών ειδών, τον αθλητισμό (π.χ. αναπηρικές καρέκλες παραολυμπιακών αγώνων) και την ψυχαγωγία (π.χ. εκτύπωση gagdets και παιχνιδιών). Μελλοντικές Εφαρμογές της 3D εκτύπωσης Σύμφωνα με τους ειδικούς, η 3D εκτύπωση θα κάνει τη ζωή, όπως τη ξέρουμε σήμερα, αγνώριστη σε χρόνια. Το προσδόκιμο ζωής θα αυξηθεί κατακόρυφα, το κόστος μαζικής παραγωγής θα μειωθεί σημαντικά και οι παραδοσιακές μέθοδοι κατασκευής και παραγωγής τροφίμων θα είναι πλέον παρωχημένες. Ορισμένοι από τους τομείς που θα ενισχύσει μελλοντικά η 3D εκτύπωση είναι οι παρακάτω: Αεροδιαστημική: Ενώ μικρότερα εξαρτήματα αεροσκαφών ήδη αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας τεχνικές 3D εκτύπωσης, οι εταιρίες οραματίζονται την κατασκευή μεγαλύτερων εξαρτημάτων στο μέλλον, όπως ένα ολόκληρο φτερό. Άλλες ε- φαρμογές στην αεροδιαστημική περιλαμβάνουν κατασκευή πολύπλοκων εξαρτημάτων μηχανής, εκτύπωση εξαρτημάτων στο διάστημα (μείωση κόστους αποστολής από τη γη) και εναέρια μη ε- πανδρωμένα συστήματα. Υγεία: Αν και προς το παρόν αποτελεί φουτουριστικό όνειρο, πανεπιστημιακά εργαστήρια και ιδιωτικές επιχειρήσεις έχουν ή- δη λάβει τα πρώτα βήματα στην δημιουργία 3D εκτυπωμένων οργάνων από τα κύτταρα των ασθενών. Αυτό μπορεί μελλοντικά να σημαίνει ότι οι ασθενείς δεν θα χρειάζεται να περιμένουν στην ουρά για δότες. Η δυνατότητα βιοεκτύπωσης πλήρως λειτουργικών οργάνων εξαρτάται από την εύρεση τρόπου ένωσης των οργάνων με τα μικρά και τα μεγάλα αιμοφόρα αγγεία, τα οποία θα εφοδιάζουν το όργανο με αίμα, 5

6 πλούσιο σε συστατικά, ώστε να μείνει ο ιστός ζωντανός. Διατροφή: Τα μοντέλα 3D ε- κυπωτών φαγητού που υπάρχουν στις μέρες μας, όπως το Foodini ή το ChefJet, δεν διαφέρουν ιδιαίτερα από τους κοινούς 3D εκτυπωτές. Η μόνη διαφορά είναι ότι αντί για εκτύπωση με πλαστικό, χρησιμοποιούν βρώσιμα συστατικά, που αποβάλλονται από κάψουλες από ανοξείωδτο ατσάλι. Επί του παρόντος, η συσκευές εκτυπώνουν μόνο το φαγητό, το οποίο στη συνέχεια πρέπει να μαγειρευτεί, ως συνήθως. Μελλοντικά μοντέλα θα το μαγειρέυουν και θα το παράγουν έτοιμο για κατανάλωση. κόστος των μελλοντικών εξελιγμένων 3D εκτυπωτών και των βασικών υλικών. Εκπαίδευση: Η 3D εκτύπωση παρέχει αρκετές λειτουργίες που μπορούν να φέρουν την επανάσταση στην εκπαίδευση. Μία από αυτές είναι η ενίσχυση της πρακτικής διδασκαλίας, καθώς χρησιμοποιώντας αυτή τη τεχνολογία, οι μαθητές ή οι φοιτητές θα μπορούν να παράγουν τρισδιάστατα μοντέλα (π.χ. μοντέλο της ανθρώπινης καρδιάς στο μάθημα της βιολογίας), ω- φελώντας σημαντικά κλάδους ό- πως η αρχιτεκτονική και η μηχανική. Επίσης, ενισχύεται η διαδραστικότητα των διδασκόμενων με το αντικείμενο, αυξάνοντας έ- τσι την προσοχή τους και το ενδιαφέρον τους. Ανησυχίες Αυτό θα βοηθήσει ιδιαίτερα τους αστροναύτες, οι οποίοι δεν έ- χουν την δυνατότητα να παίρνουν πολλά τρόφιμα μαζί τους στις αποστολές. Οσο για το αν οι 3D εκτυπωτές θα μπορέσουν να εξαλείψουν το πρόβλημα της πείνας σε παγκόσμια κλίμακα, η απάντηση βρίσκεται στο Οπως με κάθε νέα τεχνολογία, είναι εύκολο κάποιος να παρασυρθεί από τα προνόμια της 3D εκτύπωσης. Παρ όλα αυτά, οι 3D εκτυπωτές είναι δυνητικά επικίνδυνες, σπάταλες μηχανές και οι κοινωνικές, πολιτικές, οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους δεν έχουν ακόμα μελετηθεί εκτενώς. Οι 3D εκτυπωτές, όπως είναι φυσιολογικό, έχουν τραβήξει την προσοχή του οργανωμένου εγκλήματος. Τέτοιες συσκευές επιτρέπουν σε εγκληματικές συμμορίες την εκτύπωση όπλων ή οποιουδήποτε αντικειμένου, 6

7 που σχετίζεται με εγκληματικές ενέργειες. Η κοινή γνώμη δεν θεωρούσε α- πειλή την 3D εκτύπωση, ώσπου ο υπέρ των όπλων ακτιβιστής Cody Wilson κατάφερε να κατασκευάσει ένα πλαστικό όπλο από έναν 3D εκτυπωτή και να ρίξει τουλάχιστον μία σφαίρα με αυτό. Ενα τέτοιο όπλο μπορεί να αποφύγει τον εντοπισμό από ανιχνευτές μετάλλων και τα πλαστικά όπλα μπορούν να σχεδιαστούν έτσι, ώστε να σπάει το πλήρες όπλο σε μικρότερα εξαρτήματα, με συνέπεια να μην είναι εύκολη η αναγνώρισή του σε x-ray. Ακόμα, οι αρχές σε διάφορες χώρες έ- χουν πρόσφατα ανακαλύψει την παράνομη λειτουργία ενός εξελιγμένου Ευρωπαϊκού δακτυλίου εγκληματιών, οι οποίοι χρησιμοποιούν 3D εκτυπωτές για την κατασκευή ψεύτικων πλαστικών προσόψεων υποδοχών πιστωτικών καρτών. Οι εγκληματίες χρησιμοποίησαν τεχνολογία 3D εκτυπωτών για να κατασκευάσουν τις προσόψεις των υ- ποδοχών, τις οποίες ενσωμάτωσαν σε ATMs, με σκοπό την εξαγωγή στοιχείων πιστωτικών καρτών απευθείας μέσω συστήματος POS. Πέρα από την ασφάλεια, οι συνέπειες αφορούν άμεσα και το περιβάλλον. Οταν λιώνουν πλαστικό με θερμότητα ή lasers, οι 3D εκτυπωτές καταναλώνουν 50 με 100 φορές περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από τη χύτευση με έγχυση για τη κατασκευή ενός αντικειμένου ίδιου βάρους, κάτι που σημαίνει ότι οι 3D εκτυπωτές βιομηχανικού μεγέθους δεν θα είναι η α- πάντηση στην ελάττωση ενέργειας από άνθρακα σύντομα. Επίσης, παρ ότι η χρήση ακατέργαστων υλικών γενικώς μειώνει την ποσότητα των αποβλήτων, οι μηχανές αφήνουν αχρησιμοποίητο ή περίσσιο πλαστικό μέσα στον εκτυπωτή. Ενώ το νήμα από πολυγαλακτικό οξύ (PLA) είναι βιοδιασπώμενο, το ABS νήμα είναι και πάλι ο συνηθέστερα χρησιμοποιούμενος τύπος πλαστικού. Το πλαστικό υποπροϊόν καταλήγει στις χωματερές. Εαν η 3D εκτύπωση πρόκειται να βιομηχανοποιηθεί, αυτό το υποπροϊόν ή οποιοδήποτε άλλο ανακυκλωμένο πλαστικό πρέπει να ξαναχρησιμοποιηθεί. Οσον αφορά την υγεία, η εκτύπωση κουζινικών σκευών είναι αρκετά διάσημη, αλλά εάν γίνει με ABS πλαστικό, τότε τα σκεύη θα περιέχουν τη τοξική ουσία Bisphenol A (BPA). Επιπλέον, οι 3D εκτυπωτές θέτουν σε κίνδυνο την υγεία, όταν χρησιμοποιούνται στο σπίτι, σύμφωνα με έρευνες. Οι εκπομπές από επιτραπέζιους 3D εκτυπωτές είναι παρόμοιες με τη καύση ε- νός τσιγάρου ή το μαγείρεμα σε κουζίνα αερίου ή ηλεκτρική κουζίνα. Τέλος, αξιοπαρατήρητες είναι οι σκέψεις των επιστημόνων πάνω στις 3D εκτυπωμένενες τροφές, καθώς ακόμα και οι ίδιοι δεν γνωρίζουν εάν, σε μοριακό ε- πίπεδο, το ανθρώπινο σώμα θα δεχτεί κάτι που έχει κατασκευαστεί τεχνητά 7

8 και γενετικά, παρ ότι στο μικροσκόπιο είναι ίδιο με μία κανονική τροφή. Αξιοσημείωτες πιθανές συνέπειες είναι ακόμα η αύξηση του παραεμπορίου, η πιθανότητα 3D εκτυπωμένων ναρκωτικών και η διαμάχη σχετικά με την ηθική και τους κανονισμούς της βιοεκτύπωσης. Βιβλιογραφία