Особенности использования аддитивных технологий для создания медицинской техники

ВВЕДЕНИЕ
Аддитивные технологии (AF - Additive Manufacturing) или технологии поэтапного синтеза сегодня являются одной из наиболее динамично развивающихся областей «цифрового» производства. Они позволяют ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы и решить задачи по подготовке производства, а в ряде случаев они уже активно используются для производства готовой продукции. Присадочное производство - это процесс соединения материалов и растущих объектов на трехмерной модели, обычно слой за слоем. Часто его рассвет коррелирует с промышленным производством, а его «бум» он пережил в эпоху развития цифровых технологий.
В последние годы аддитивное производство начало набирать обороты в области медицины. Частично это связано с открытиями, сделанными в последние годы, крупными инвестициями и появлением новых передовых технологий.
В области медицины аддитивные технологии стали возлагать большие надежды. Результат: сегодня это одна из наиболее финансируемых областей исследований. В определенной степени это связано с влиянием частного сектора здравоохранения.
Быстрое развитие технологии 3D-печати и постоянно высокий спрос привели к тому, что такие компании, как Siemens и Medtronics, инвестировали большие деньги в исследования и разработки, чтобы опередить других игроков на рынке. Кроме того, медицинская промышленность имеет определенные экономические преимущества перед другими отраслями промышленности, когда речь заходит об инновациях. Возьмем, к примеру, железнодорожную и аэрокосмическую промышленность. Обе эти сферы связаны бюрократическими задержками, правилами и требованиями местных властей. В частности, дизайн самолета должен соответствовать стандартам летной пригодности. В медицине все по-другому. Здесь ученые стараются изо всех сил продвигать границы невозможного в попытке улучшить качество лечения. Конечно, в этой области тоже есть свои требования к новым продуктам. Например, в США каждый хирургический имплантат должен быть одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами. Уже было несколько случаев, когда он предоставил разрешение на изготовление 3D-печатных имплантатов, в том числе трехмерных печатных трахеальных шин, которые стали новой вехой в лечении респираторных заболеваний.

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

К середине 90-х годов прошлого века в мировой экономике сложилась интересная ситуация: фирмы-конкуренты стали не просто бороться за потребителей продукции, но буквально выполнять любые их пожелания. Самое важное, что в итоге все свелось в однообразную продукцию. На сегодня можно по пальцам подсчитать количество «вещей», которые продаются миллионными тиражами. Объем продаж с заводов-производителей сократился до нескольких тысяч штук в одной партии. Это ознаменовало начало эпохи мелкосерийного производства. В конечном итоге компании обнаружили, что разработка форм, лекал и прототипов для все новых и новых моделей обходится довольно дорого.
Примерно тогда становятся популярными устройства, способные быстро и с минимумом затрат изготавливать модели - станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Многие из них так и остались в секторе производства, но интенсивное развитие отдельной ветви эволюции привел к появлению офисных принтеров объемного печати - так началась история развития 3D-принтеров.
Так что же собой представляет 3D-принтер?
Технология 3D печати появилась только несколько десятков лет назад, но развитие ее идет очень быстро и сразу по нескольким направлениям. В основе технологии печати реальных трехмерных объектов лежит принцип создания моделей путем наращивания их тел. В этом подходе, который используют сейчас в промышленности, существует множество недостатков, главные из которых - большие временные затраты и высокая доля отходов, которые просто идут на помойку. Ведь деталь изготавливается методом отсечения излишков различными способами - например, на токарном станке. Поэтому первую область использования трехмерная печать нашел именно в промышленности. С трехмерными принтерами эта операция оказалась намного быстрее, дешевле и нагляднее.
Трехмерным принтером, или 3D-принтером, называют специальное устройство, способное с компьютерной трехмерной модели воспроизвести реальный физический объект с предназначенного для этого материала. Чтобы понять, как работает 3D-принтер, нужно рассмотреть все используемые сегодня способы печати, ведь они отличаются и результатом, и скоростью работы, и принципом действия, используемым материалом и другими параметрами. Например, только некоторые трехмерные принтеры, которые работают по принципу струйной печати, способные создавать полноцветные модели - все остальные печатают только монохромные.
Лазерный 3D-принтер - первый использован метод печати трехмерных компьютерных моделей. Так же, как и на струйных, на лазерных 3D-принтерах, печать объекта происходит путем постепенного наращивания.
Первым появился метод стереолитографии.
Этот метод запатентовал Чак Халл под английским названием StereoLithography или аббревиатурой SLA. В качестве материала используется жидкая фотополимерная смола, которая застывает под ультрафиолетом, становясь твердым пластиком (аналогичный материал используется в стоматологии при наращивании зубов). При этом используется ультрафиолетовый лазерный луч, который зажигает поверхность фотополимера точка за точкой, формируя таким образом слой будущего объекта. После окончания работы с одним слоем монтажная поверхность опускается, погружаясь в жидкий фотополимер на высоту одного слоя, составляющую всего несколько микрон, и лазерный луч зажигает следующий слой.
Преимущества стереолитографии - очень точное воспроизведение модели со всеми мелкими деталями, ровная поверхность, распространенность и изученность технологии. Но есть и недостатки: это высокая цена самого лазерного 3D-принтера и дорогие расходные материалы; к тому же могут использоваться только фотополимеры.
Очень похожей технологией является лазерное спекание, в английском варианте Selective Laser Sintering (SLS).
Отличие заключается в том, что в качестве материала используется порошок плавкого пластика или легкоплавкого металла. Лазерный луч зажигает слой модели «пиксель» за «пикселем», сплавляя его в твердое тело. После формирования слоя насыпается следующий, разравнивается и процесс продолжается.
Поверхность объекта, полученная в процессе лазерного спекания, получается пористой, но точность и качество печати - на высоте, к тому же этот метод дает наибольшую прочность напечатанного изделия и позволяет изготавливать подвижные механизмы. Неоспоримое преимущество в том, что можно использовать металл, керамику или даже стекло - в виде порошка конечно. Но цена лазерного 3D-принтера остается достаточно высокой, к тому же металл, стекло или керамика используются не в чистом виде, и отпечатанную модель нужно дополнительно обжигать для удаления пластика.