Dlaczego wydruki 3D z desktopowych drukarek 3D typu FDM nie mogą trafić na salę operacyjną…?

22 Mar 2018

W artykule poświęconym żywicy Dental SG – biokompatybilnemu materiałowi do druku 3D od Formlabs, sporo miejsca poświęciłem kwestii warunków jakie należy spełnić, aby modele z niej wykonane były możliwe do wykorzystywania podczas operacji chirurgicznych. W skrócie: nie wystarczy aby dany materiał posiadał stosowne właściwości i certyfikaty predysponujące go do tego – dodatkowo zarówno same urządzenie jak i proces powstawania modeli przestrzennych muszą być certyfikowane, a jakiekolwiek odstępstwo od tego powoduje, że z formalnego punktu widzenia wydruk traci swoją biokompatybilność.

To z kolei prowadzi nas do kolejnego interesującego pytania – czy modele anatomiczne, narzędzia chirurgiczne, bądź implanty mogą zostać wykonane za pomocą najpopularniejszej metody przyrostowej na świecie – FDM, czyli drukowania z termoplastów? Czy wystarczy, że dane tworzywo sztuczne zostanie certyfikowane? Czy da się certyfikować desktopową drukarkę 3D tego typu? Jakie warunki muszą być spełnione aby było to możliwe?

Zacznijmy od tego, że „źródłowe” tworzywo sztuczne w formie granulatu, a tworzywo sztuczne w postaci finalnego wydruku przestrzennego nie jest takie samo. Tzn. teoretycznie może być, ale w praktyce po drodze następuje kilka etapów, które sprawiają, że materiał traci swój oryginalny skład chemiczny i staje się na swój sposób „zanieczyszczony”. Pierwszy etap zmiany zachodzi w procesie transformacji granulatu w nitkę filamentu. Aby móc wyprodukować filament, który będzie miał zadaną średnicę (1,75 lub 2,85/3 mm), tworzywo sztuczne musi przejść przez całą linię produkcyjną, która powinna spełniać określone warunki technologiczne i być certyfikowana.

Wiemy już, że certyfikacja oznacza, że na danym urządzeniu (w tym przypadku linii produkcyjnej) należy używać tylko jednego gatunku materiału, gdyż w innym przypadku zachodzi ryzyko jego zanieczyszczenia. Jeżeli linia produkcyjna jest dedykowana do przetwórstwa materiałów pokroju ABS, PLA i „raz na jakiś czas” posłuży do produkcji np. biokompatybilnego PEEK lub PCL, to istnieje ryzyko, że w module topiącym granulat i ekstrudującym go w nitkę filamentu może dojść do zanieczyszczenia tworzywa innym.

Kolejna kwestia to to, że filament dedykowany do drukarek 3D musi mieć nieco inne właściwości niż granulat, który jest wykorzystywany np. w procesie formowania wtryskowego. Generalnie wszystko sprowadza się do tego jakie będzie jego płynięcie przez głowicę drukującą drukarki 3D, jak będzie spajał się pomiędzy poszczególnymi warstwami podczas procesu drukowania 3D oraz jak będzie wyglądała jego kurczliwość czy finalna wytrzymałość. Aby poprawić / ulepszyć te właściwości, producenci filamentów stosują różnego rodzaju środki chemiczne, zmieniając w ten sposób oryginalne właściwości granulatu. Zmiany nie muszą być duże i mogą wynosić mniej niż 1% – niestety w efekcie końcowym z chemicznego punktu widzenia uzyskany materiał nie jest już w 100% tożsamy z granulatem, z jakiego został wykonany.

Kolejna, dość oczywista rzecz to kolor. Tutaj w ogóle nie ma miejsca na interpretację – gdy go zmieniamy, w oczywisty sposób ingerujemy w jego skład chemiczny.

Zatem to, że dany filament powstał z certyfikowanego, biokompatybilnego granulatu nie oznacza, że sam jest certyfikowany i biokompatybilny. Aby uzyskać taki status, sam musi przejść certyfikację, co jest złożonym, skomplikowanym, a przede wszystkim drogim procesem.

Załóżmy jednak, że jesteśmy w posiadaniu takiego certyfikowanego tworzywa. Czy oznacza to, że możemy zacząć drukować elementy, które będą miały możliwość styczności z tkanką? Niestety aby to osiągnąć, sama drukarka 3D również musi być do tego certyfikowana. Czy jest to w ogóle możliwe w przypadku drukarek 3D typu FDM?

Zacznijmy od końca – drukarka 3D musi być certyfikowana i dedykowana tylko i wyłącznie do drukowania detali z konkretnego, biokompatybilnego tworzywa sztucznego. Jakakolwiek zmiana materiału na inny powoduje utratę certyfikacji. Konstrukcja drukarki 3D musi spełniać określone wymogi – zarówno sam filament jak i komora robocza powinny być odseparowane, aby uniemożliwić dostawanie się do wydruku wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń – kurzu, pyłu etc. W końcu stosowanie jakichkolwiek preparatów adhezyjnych, może okazać się szkodliwa – pierwsza warstwa wydruku może wiązać się z klejem, którego nie będzie można wypłukać i który zanieczyści chemicznie materiał.

Jeżeli spełnimy wszystkie wyżej wymienione wymogi, urządzenie musi przejść wspomnianą wielokrotnie certyfikację, a wraz z nią musi zostać certyfikowana pracownia, w której drukarka 3D pracuje. Z formalnego punktu widzenia, nawet tak oczywiste narzędzia jak cążki do usuwania supportów czy pinceta powinny być określonej jakości, bądź pochodzić od konkretnych producentów. Mówiąc krótko, jest to bardzo skomplikowany i złożony proces, który jest na dodatek niezwykle kosztowny i czasochłonny. Prędzej czy później pojawia się pytanie, czy nie można tego osiągnąć w dużo prostszy i tańszy sposób…?

Alternatywami są frezowanie CNC, wydruki z metalu lub żywic światłoutwardzalnych (np. w technologii PolyJet Objeta). Wszystkie trzy są dużo droższe od taniego druku 3D z termoplastów, ale w chwili gdy dodamy do tego całą formalistyczną otoczkę okaże się, że sumarycznie koszty nie są aż tak zróżnicowane…

Tym samym odpowiadając na pytanie postawione w drugim akapicie artykułu: „czy modele anatomiczne, narzędzia chirurgiczne, bądź implanty mogą zostać wykonane za w technologii FDM” – mogą, ale z formalnego punktu widzenia jest to bardzo problematyczne i jak na razie kompletnie nieopłacalne. Natomiast wszyscy, którzy próbują to robić w tradycyjny sposób, z punktu widzenia przepisów – łamią je.

Równie dobrze można by drukować na Anetach A8 z PLA elementy wyposażenia samolotów wojskowych, lub części zamienne do bolidów Formuły 1.

W końcu co złego może się stać…?


O autorze
Paweł Ślusarczyk

Prezes zarządu i Business Development Manager w CD3D Sp. z o.o. Od stycznia 2013 roku związany z branżą druku 3D.


ARTYKUŁY POWIĄZANE

Ostatnie komentarze