Белорусские ученые Со временем мы сможем применять 3D-печать для планирования хирургической операции

Наша промышленность пока не спешит пользоваться возможностями 3D-печати. Но кое-где их уже успешно используют на конвейере. Давайте заглянем на производство и посмотрим, насколько они эффективны.

…Лидеры 3D-технологий — Китай, Германия и США. Одна американская компания — 3D-Systems — имеет даже свой университет по подготовке кадров для работы с материалами и аддитивными технологиями. Американская же компания Boeing ежегодно изготавливает более 20 тысяч деталей сотен наименований для десяти военных и коммерческих самолетов на основе аддитивного знания. Не отстает и Китай: здесь десятки НИИ и университетов нацелены на ЗD-разработки. А что у нас? Пока внедрение чудо-технологий идет со скрипом. И в первую очередь проблема упирается в финансы. Хотя возможностями 3D-печати уже сейчас пользуются ОАО «Пеленг», ЗАО «Атлант», Национальная академия наук, ОАО «Завод Промбурвод», «Минский тракторный завод». Согласитесь, уже неплохо. Отправляемся в ЗАО «Атлант». Именно этот завод первым в стране стал практиковать послойную печать — еще с 1993 года.

Инженер-технолог Сергей Верхунов проводит рукой по глянцевой поверхности стиральной машины: «Выглядит как настоящая, но, по сути, это лишь оболочка стиралки, напечатанная на принтере. По этому муляжу мы оцениваем внешний вид изделия. Попробуйте ее поднять».

Пробую — легкая, почти как картонный ящик. Рядом стоит еще одна модель, тоже выращенная с помощью 3D-принтера. Это уже опытный образец. От реальной стиральной машины не отличишь — все детали и конструкции на месте. Именно она пройдет целую череду испытаний. Ее будут намеренно ронять с высоты, у нее по несколько тысяч раз будут открывать-закрывать дверцу, в ней будут стирать, стирать, стирать... 

До того как стиральная машина или холодильник оказываются в торговом зале магазина, они проходят длинный путь создания. Порой этот процесс занимает два-три года. 3D-печать позволяет «сжать» это время и выдать качественный продукт. Компания «Атлант» все комплектующие для прототипов печатает на 3D-принтере. Что это значит? Прежде чем запустить какую-то модель, например, холодильника в производство, ее по деталям выращивают в принтере и собирают.

— Как видите, создав цифровую 3D-модель, мы можем изготавливать прототипы будущих изделий значительно быстрее, чем раньше, и существенно дешевле, — замечает начальник управления маркетинга Кирилл Лимаренко. — Раньше все элементы приходилось вытачивать на токарных станках.

Долго, муторно, затратно. А как теперь?

Павел Кручок, оператор 3D-принтера, захлопывает дверь установки, нажимает несколько кнопок. Процесс пошел. Проходит пару часов — и Павел Иванович, словно пекарь, достает еще горячую деталь. Впечатляет. Главный плюс — можно достаточно быстро оценить внешний вид продукта, его функции. И оперативно устранить недочеты.

— Установка обошлась заводу в 250 тысяч долларов, а окупилась за 3,5 года, — еще больше удивляет Сергей Верхунов. 

Что тут скажешь, 3D-принтеры по сравнению с привычными станками, конечно, вне конкуренции. Так почему же лишь единичные компании отваживаются перейти на новый уровень производства?

— Заминка в том, что высокотехнологичное оборудование, способное обеспечить высокое качество изделий, стоит дорого и требует для работы и обслуживания квалифицированный, специально обученный персонал, — рассуждает Сергей Верхунов. — Чтобы использовать весь спектр возможностей, надо освоить 3D-проектирование и моделирование, CAE- и САМ-технологии, технологии оцифровки и реинжиниринга...

Стоит ли удивляться, что не все хотят идти по этой еще не проторенной дороге. Легче работать по старинке. Но, может, стоит поменять подходы: будущее — это уже не завтра, это сегодня.

Почка из печки

Длинный коридор и много дверей. За каждой сейчас происходит небольшое чудо. Корреспондент «Р» заглянула в лабораторию синтеза и анализа микро- и наноразмерных материалов Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова. Именно здесь разрабатывают новые модели 3D-принтеров, установки для 4D-печати и даже искусственную почку. Фантастика? Нет, реальность. 

На ладони у заведующего лабораторией Сергея Филатова — модель человеческой почки. Только что ее напечатали на 3D-принтере. Это еще не полноценная копия оригинала. Но если бы искусственный орган пересадили пациенту, организм не стал бы его отторгать. Почему? Все просто: почка сделана из биологически совместимого материала. Из подобной «материи» делают нитки для операций. Пока это только первые шаги по созданию искусственных органов. Но если дело получит финансовую поддержку, через три года можно будет проводить первые лабораторные испытания.

«Никто в мире еще не напечатал полноценный орган, который можно имплантировать, — Сергей Александрович показывает на экране трехмерную модель почки. — Это сложный процесс исследований, который займет время».

Но каким же образом все это может работать? Попытаюсь объяснить схематично. У пациента берут небольшое количество жировой ткани — из нее мы получим нужные нам клетки. Потом в компьютере создается трехмерная модель органа. Теперь дело за 3D-принтером: на каркас из биологического материала, который напоминает пластик, наносятся «живые» клетки. Они приобретают форму, соединяются между собой. В итоге из собственных клеток пациента получается протез органа. Теперь его нужно специальным образом активировать, тренировать и проверить на функциональность. И лишь после этого искусственную почку можно вживлять. «Пластик» в организме человека со временем растворится (как рассасываются хирургические нити), а основа из клеток останется. Подобные технологии можно будет использовать, если человеку срочно нужно проводить трансплантацию, а нужного органа пока нет. 

Сергей Филатов показывает фотографию: «Видите, это трехмерная модель человека изнутри. Со временем мы сможем применять возможности 3D-печати для планирования хирургической операции». Допустим, доктору предстоит провести сложную операцию. До ответственного мероприятия он сможет ее в буквальном смысле отрепетировать.

Заходим в еще один кабинет. Он состоит словно из двух комнат. Одна — за прочным стеклом. Здесь создается полная тишина. Никто не должен отвлекать ученого. В центре — электронный микроскоп. Он даже отдаленно не похож на приборы, которые стояли в кабинетах биологии. Сам прибор — внушительных размеров, рядом расположены сразу несколько мониторов, а клавиатура больше напоминает панель управления в кабине пилота. Не зря это лучший электронный микроскоп в стране. Сергей Филатов устанавливает образец в камеру прибора: «Видите, изображение увеличивается в 1400 раз. Благодаря этому хорошо можно рассмотреть качество материалов, которые мы используем для 3D-печати».

Еще один уникальный прибор, разработанный в лаборатории, — оптический томограф. Внешне напоминает холодильники, которые стоят у киосков. Но это лишь визуальный эффект. С его помощью можно исследовать внутреннюю структуру биологических и технических объектов.

Надо сказать, что в институте активно изучают аддитивные технологии. Разрабатывают новые модели 3D-принтеров, исследуют их возможности, усовершенствуют материалы для печати... Здесь есть установка для отработки операций для 4D-печати. Что это значит? Сергей Филатов разъясняет сложную теорию доступными словами: «При желании, например, можно создать уникальный материал, который будет изменять свой цвет в зависимости от уровня освещенности».

У этой технологии будущего — безграничное количество возможностей. Но и проблем много, замечает Сергей Филатов. Во-первых, нужно готовить квалифицированные кадры. Пока таких специалистов можно пересчитать по пальцам. Во-вторых, материалы. Для такой печати необходима особенная «заправка». В-третьих, эти проблемы могут быть решены только при условии целенаправленного взаимодействия высшей школы, академической и отраслевой науки. Ведь чтобы создать, скажем, функционирующую почку, надо, чтобы в процесс включались и ученые, и врачи, и программисты.

ПРЯМАЯ  РЕЧЬ

Сергей ЧИЖИК, первый заместитель председателя Президиума НАН:

— Аддитивные технологии, или технологии послойного синтеза, — сегодня это одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. С какой проблемой сталкивается экономика? С проблемой перепроизводства. С каждым днем возрастают затраты на материалы, энергию, человеческие ресурсы… В чем здесь преимущество 3D-печати? Построение модели происходит путем добавления материала. В то время как в традиционных технологиях создание детали происходит путем удаления «лишнего». Представим, что на производстве нужно сделать массивную деталь, которая внутри будет полой. Используя привычные технологии, это сделать сложно. Но 3D-принтер легко справится с этой задачей.

При помощи этого вида печати можно создавать удивительные вещи: одежду, мебель, протезы, продукты, сувениры. Обувная промышленность начинает осваивать аддитивные технологии. Берут 3D-сканер, «фотографируют» стопу и тотчас же печатают обувь. Да что говорить об обычном ботинке, когда в Китае построили гигантский 3D-принтер, который может построить 10 домов за 24 часа. Я не исключаю, что в ближайшем будущем такие дома появятся и у нас. Белорусские ученые уже обсуждают возможности разработки быстротвердеющих бетонов. Рассмотрим возможный вариант. Допустим, сносится здание, но его разрушенные фрагменты не уничтожаются, а перерабатываются в расходный материал для 3D-печати. Принтер «заправляют», включают — и дом через несколько часов напечатан. Думаю, сразу начнем «выращивать» малые архитектурные формы: беседки, скамейки, скульптуры.

Есть и биологическое применение 3D-принтеров, в мире уже печатают органы. Одна западная фирма производит целые квадратные метры человеческой кожи. Мы тоже работаем в этом направлении.

Что касается производства, то в стране пока аддитивные технологии используют считанные промышленные предприятия. Но пройдет пару лет — и все изменится. Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова, БНТУ, Минский городской технопарк — все они занимаются разработками аддитивных технологий. В БГУ и БНТУ планируют открыть специализированные кафедры. Ближайший перечень задач — наладить производство 3D-принтеров, разрабатывать новые материалы для их заправки, подготовить высококвалифицированные кадры. Рынок аддитивных технологий в Беларуси развивается, хотя, возможно, это происходит не так оперативно, как хотелось бы. Если появится государственная программа, направленная на поддержку этих технологий, процесс пойдет быстрее.

Што ў свеце ўжо друкавалі на 3D-прынтары?

Чалавечыя органы

Сэрца, печань, ныркі. А яшчэ вушы, нос, вочы — усё гэта 3D-друк ўжо праходзіў. Таксама біятэхнолагі «вырасцілі» і паўнавартасныя крывяносныя сасуды.

Будынкі

Дызайнеры Мікаэль Ансмейер і Бенджаміна Дзілленбургер надрукавалі пакой з дробназярністага пяску. Памяшканне было створана ў стылістыцы дэкарацый да фільма «Чужы» і наогул не мае кутоў.

Пратэзы

83-гадовай пацыентцы трансплантавалі штучную ніжнюю сківіцу. Толькі пасля гэтага жанчына змагла дыхаць, гаварыць і жаваць. А для людзей з атрафіяй мышцаў ўжо распрацавалі экзаскелет. Цяпер яны могуць хадзіць.

Аўтамабілі

Усе 50 дэталяў Urbee 2 надрукаваныя на 3D-прынтары. Абцякальны корпус значна зніжае расход паліва. Гэтая машынка разганяецца да 112 км/г, а на адной толькі электрацяге можа праехаць да 64 кіламетраў.

Абутак

Галандскі дызайнер Яне Куттанен надрукаваў калекцыю жаночых туфляў, а эскізы выклаў на сваім сайце — іх можна спампаваць і раздрукаваць дома за шэсць-сем гадзін.

Мэблю 

З дапамогай 3D-друку лёгка стварыць дызайнерскую мэблю.

Музычныя інструменты 

Без праблем можна адправіць «на друк» гітару ў выглядзе павуціння з павукамі, якія поўзаюць ўнутры.

Зброю

Металічная друкаваная зброя вырабляецца толькі ў прамысловых маштабах. Кошт такой зброі дасягае мільён долараў. У лістападзе 2013 года ў Філадэльфіі прынялі закон, які забараняе друк агнястрэльнай зброі.

Ежу

Распрацоўку харчовых 3D-друкарак актыўна фінансуе NASA — надрукаванай ежай збіраюцца карміць астранаўтаў. Папоўніцца падобнай ежай і рацыён звычайных зямлян: ужо створаны 3D-друкаркі па вытворчасці піцы, прысмакаў і шакаладу.