Från hjärtklaff till flygplansvinge

Med 3D-skrivarnas intåg har ett helt nytt sätt att tillverka allt från den minsta hjärtklaff till flygplansvingar tillkommit. Olaf Diegel, som sedan ett år är professor i maskinutveckling vid Lunds universitet, ser oändliga möjligheter med 3D-utskrifter – eller 3D-printing som det ofta kallas. Forskare inom flera discipliner samarbetar nu för att testa nya tekniker och material och för att skapa produkter som är individanpassade eller inte kan tillverkas på ett något annat sätt.

Att producera föremål med hjälp av 3D-skrivare kallas även för additiv tillverkning eftersom skrivaren bygger lager på lager med exakt så mycket material som behövs. Det går att tillverka komplicerade former med rörliga delar – allt i ett. Allt som krävs är en idé som visualiseras via en tredimensionell bild i datorn, samt ett byggmaterial i pulver eller flytande form.

Idag kan man skriva ut med många olika material exempelvis metall, plast, lera, glas, betong och vissa livsmedel som choklad. Framtiden ligger i att även skriva ut med levande stamceller och på så sätt skapa nya organ. Det är redan idag möjligt att skapa enkla organ som ett öra eller en urinblåsa.

– Om 3-5 år när vi löst problemet med att även skapa kärlrika vävnader kommer man att kunna skriva ut mer komplicerade organ som hjärta och lever, säger Olaf Diegel.

Än så länge är modeller och enkla prototyper inom industrin det vanligaste användningsområdet men nu har man också börjat med direkt tillverkning av olika produkter. En enklare medicinsk applicering för additiv tillverkning som Olaf Diegel arbetat med en tid är att tillverka kundanpassade skoinlägg till diabetiker.

– Medicinska tillämpningar är fantastiska, säger Olaf Diegel. Med pulvertekniken kan man nu också skriva ut mycket lätta ben-implantat av titan. Dessa skrivs ut i önskad form och efter att de opererats in växer nytt ben in i dem.

Individanpassad lätthet

En av fördelarna med 3D-tillverkning är just att det inte spelar någon roll om de enskilda objekten man skriver har olika form. Detta öppnar upp för individanpassade produkter inom medicinen. Det är framtiden för 3D-tillverkningen tror Olof Diegel.

En annan fördel med 3D-tillverkning är att den kan göra produkter mycket lätta – men ändå hållfasta – genom att man använder mycket mindre mängd material på ett smart sätt. Inom forskargruppen för 3D-printing arbetar de mycket med design för additiv tillverkning. Bland annat utvecklar de program som ska hjälpa 3D-skrivaren att automatiskt välja hur den bygger upp en produkt för att den ska bli både lätt och hållbar.

– Genom direkt 3D-tillverkning kan man minska materialanvändningen med upp till 90%, berättar Olaf Diegel, och detta innebär exempelvis stora fördelar inom flygindustrin där man vill tillverka stora delar som flygplansvingar i titan.

3D förändrar hur du tänker

Under det senaste året har Olaf Diegel varit med och initierat och utvecklat flera projektidéer tillsammans med forskare från olika delar av universitetet.

– När man pratar med folk om 3D-printing uppstår ett helt nytt forskningsområde – det förändrar hur du tänker om hur man tillverkar saker. Detta har lett till diskussioner med bland andra arkitekter, tandläkare, fysiker och tekniker.

Just nu håller Olaf Diegel och hans kollegor på med att ta fram hur man ska kunna skriva ut ett mycket speciellt instrument som ska kunna tillföra glidmedel vid införandet av urinkatetrar. Idén kommer från forskare vid biomedicinsk teknik på LTH som inte själva kunde komma på hur man skulle kunna tillverka instrumentet. Förhoppningsvis löser 3D-printing detta.

Två andra områden med framtiden för sig är hur man bättre kan designa strukturer av smarta material (i detta hoppas Olaf Diegel kunna samarbeta med forskare vid avdelningen för Hållfasthetslära) samt att kunna genomföra 3D-printing på nanonivå.

Tillsammans med fysikerna vid avdelningen för Fasta tillståndets fysik söker Olaf Diegel nu medel för att kombinera 3D-printing med nanopartiklar av metall. Fysikerna har utvecklat en metod där man tillverkar metall-nanopartiklar i en aerosol-process, och en möjlighet vore att blanda dessa nanopartiklar av metall i en vätska som sedan skrivs ut, menar han.

– Då skulle man kunna skriva ut elektriska komponenter inbäddade i plast och exempelvis tillverka en mobiltelefon som kan formas som ett armband.

– Ännu häftigare vore om vi kunde skriva ut nanoprodukter direkt med en aeorosolstråle, säger Olof Diegel. Det skulle i så fall öppna upp för helt nya tillämpningar inom mikro-tillverkningsområdet. Alla partiklar som kan förekomma i aerosolform skulle då kunna skrivas ut i 3D. Vi skulle exempelvis kunna skriva ut hjärtklaffar utifrån våra egna celler.

Text: Pia Romare

Foto: Kennet Ruona

Fakta

Aerosol

Är ett system av finfördelade fasta eller flytande partiklar i gas. Damm, rök, dimma, sprej och moln är vardagliga exempel på aerosoler.

 

Hur går processen till?

Alla utskriftstekniker kräver en tredimensionell förlaga i den dator som styr processen. Antingen designar man en modell av ett föremål, exempelvis ett smycke, direkt i ett CAD (Computer-Aided Design)-program eller så scannar man in en 3D-modell. Förlagan skickas till en skrivare där den ”skivas” i tunna skivor som sedan skrivs ut en efter en tills hela föremålet är klart.

Tekniker för 3D-printing

Tekniker för 3D-printing

Den enklaste typen av 3D-skrivare finns nu som billiga bordsskrivare som fungerar ungefär som en limpistol. Dessa är bra för snabba, enkla prototyper men ger inte så bra kvalitet. Byggmaterialet utgörs av tunna trådar av exempelvis plast eller andra segflytande ämnen, som värms upp, smälter och sprutas ut genom ett litet hål i en verktygsspets som rör sig över skrivarytan.

I en något mer avancerad skrivare, PolyJet, sprejas lager efter lager ut och härdas med UV-ljus, vilket går väldigt snabbt och ger fin yta. Denna skrivare ger prototyper av lite bättre kvalitet.

I de mest avancerade 3D-skrivarna, som används vid tillverkning, används oftast pulver. I en bädd sprids ett tunt lager av exempelvis plast- eller metallpulver varefter utvalda områden härdas med hjälp av en laser- eller elektronstråle med hög precision Lager på lager av pulver sprids ut och härdas tills hela föremålet är klart.

 

 

Forskning kring smarta material

Materialportalen

4D Imaging lab

ProMatEn