Číslo 21 / 2014.

V TOMTO ČÍSLE:.
.Rozhovor s herečkou.
Petrou Špalkovou.

Co se skrývá za obzorem?

„Může se nám zdát, že máme jasno o tom, co je nemožné, ale může se pojednou zjevit něco, co možné je. To je velký paradox současné moderní vědy, s nímž musíme dnes i napříště počítat.“ Tak zní heslo, jímž se řídí Milan Bauman, dlouholetý rozhlasový redaktor, známý posluchačům Meteroru i mnoha dalších pořadů. Tento popularizátor vědy právě vydává v Radioservisu svou nejnovější  knihu – Pohyblivé obzory.
Antihmota, Higgsův boson, neutrina, teorie strun, genetické kódy, mikrosvět a makrosvět, vícerozměrný vesmír, cestování časem... Tyto pojmy dnes zajímají nejen přírodovědce a fyziky, ale také třeba milovníky světově proslulého seriálu Teorie velkého třesku. Spolu s Milanem Baumanem se čtenář v knize vydá po stopách těchto pojmů, do mikrosvěta, makrosvěta a prostoru mezi nimi – do území s bezpočtem otazníků. Jako ochutnávku jsme pro vás připravili několik pasáží z kapitoly věnované fascinujícím možnostem 3D tisku.

Neobyčejný příští svět

Evropská kosmická agentura (ESA) zveřejnila koncept mimozemské základny na Měsíci. Na tom by nebylo nic zvláštního – až na pozoruhodnou zmínku o tom, že má být postavena z horniny nacházející se na měsíčním povrchu a že její jednotlivé segmenty by byly vytvořeny až po přistání pomocí technologie 3D tisku. Hlavní výhodou takto budovaných lunárních objektů je prý skutečnost, že devadesát procent potřebného materiálu se nachází přímo na místě. To znamená ve výsledku méně cest na Měsíc, čímž klesnou i celkové náklady, protože ze Země se přepraví pouze zařízení na prostorový tisk a roboty. Zveřejněny byly už první návrhy staveb a byly provedeny testy konstrukcí.

Co 3D tiskárny dokážou?

Původním motivem rozvoje 3D tisku byla rychlá výroba prototypů a speciálních dílů. Cílem bylo a je vyrobit bez použití licích forem a také v co nejkratším čase díl, který nelze vyrobit klasickým obráběním. Použití této metody se během posledních let rozšířilo nejen v automobilovém, leteckém, kosmickém nebo zbrojním průmyslu, ale i v řadě dalších odvětví průmyslu a lidské činnosti. Pro mnohého vnějšího pozorovatele se mohlo zdát téměř zázrakem, když se takto ve zdokonalené 3D tiskárně například zrodilo plně funkční cestovní jízdní kolo, které je třikrát lehčí než hliníkové a stejně pevné jako ocel. Britští inženýři ho proto příznačně nazvali Airbike. Celý stroj se skládá z celkem šesti odděleně vytištěných částí, vytištěna byla i pohyblivá kola. Hlavní složkou použitého materiálu je nylon.
Výroba průmyslových prototypů má v případě 3D tisku stále zásadní postavení, ale v současnosti tvoří jen přibližně třetinu jeho využití. Jedná se už o pestrou paletu možností, které čím dál tím více směřují i do komerční sféry. Na zmáčknutí knoflíku, obrazně řečeno, lze vytisknout konkrétní výrobek, třeba flétnu či kytaru, které při doplnění příslušnými komponenty kupodivu fungují. Dají se takto zhotovit hračky, hrnky s vlastním obrazovým reliéfem, vázy a bezpočet dalších předpřipravených modelů, které lze dále libovolně (i ručně) upravovat. Dokonce už i z běžných kancelářských papírů je možno vytisknout prostorový model krajiny.
Do budoucna se jako perspektivní jeví rovněž rozvoj takzvaného komunitního 3D tisku, prostorové obdoby současných copy center, kde si zákazník bude moci zadat kusovou výrobu například rozbité součástky nebo originálního dárku. Během několika minut lze podle vlastního návrhu vytisknout kladivo s elegantním topůrkem dřevěného vzhledu a kovovou hlavou. (Není totiž nic snazšího než naskenovat klasické kladivo, v počítači ho upravit a zmáčknout tlačítko Tisk.)
V hamburském studiu Twinkind místo fotoalb tisknou na přání zákazníků metodou 3D tisku miniaturní fotofigurky s věrnou trojrozměrnou podobiznou konkrétních lidí a zvířat. A četné další nápady a inspirace i ze světa komerce, jak se zdá, zdaleka ještě nejsou vyčerpány.

Jak to funguje

Způsobů, jak toho tyto stroje dosahují, je několik. Pro některé z nich je základním stavebním materiálem jemný prášek a lepidlo. Výsledkem může být třeba hrneček s prostorovým fotoreliéfem. 3D tiskárna pak práškovou směs postupně nanáší na rovinnou plochu a zpevňuje ji speciálním lepidlem. Po vrstvách silných několik desítek mikronů navrství tisknutý objekt.
Jsou používány i termoplasty nebo vosky v podobě drátů navinutých na cívce. Při vytváření modelu je materiál z cívky dopravován do trysky, zde se rozehřeje na teplotu o 1 stupeň Celsia vyšší, než je jeho teplota tavení, a je pak vytlačován na vznikající model, kde ihned tuhne. U metod s pomocí pevných látek je materiál pomocí laseru spékán do požadovaného tvaru. Uplatňují se při tom termoplastické elastomery, polykarbonáty, nylon či třeba keramika. Jiné technologie, umožňující vytvářet měkké gumové objekty, používají různé tekuté směsi, které se po nastříknutí tvrdí ultrafialovým zářením.
3D tisk už umí zpracovávat i kovy jako titan nebo kobalt, které se špatně zpracovávají klasickým obráběním. Esteticky působivé 3D modely je možné tisknout ze skla. K tisku se používá skleněný prášek, který se vyrábí recyklací ze starého skla. Složení prášku je tedy stejné jako u skla, které nás běžně obklopuje. Aby však model držel pohromadě, používá se při tisku skleněných modelů speciální spojovací materiál.

Od umělých kostí po výrobu orgánů

Technika 3D tisku zaujala také pracovníky z oborů medicíny a biologie. Takto lze totiž vyrobit přijatelný implantát nebo protézu. (Známý je třeba případ implantace čelisti vytvořené touto metodou.) V současnosti se již vyrábějí titanové kostní implantáty či umělé končetiny. Vědci použili 3D tisk, který nanáší tekuté vrstvy látky, jež se svými vlastnostmi podobají kostní hmotě. Základem umělé kosti je fosforečnan vápenatý, ale její mechanické vlastnosti se výrazně zlepší přidáním zinku a křemíku, čímž se kost stane pevnější při zachování ohebnosti.
V laboratořích probíhají také intenzivní pokusy o vytvoření měkkých tkání. Probíhá doslova závod, kdo úspěšně „vytiskne“ funkční tkáně, případně takto vyrobí umělé cévy nebo dokonce celé orgány. Jedná se bezpochyby o dosažení dalšího z milníků na poli medicíny.
Byly již provedeny četné zajímavé práce v tomto směru, o nichž se zmiňuje odborná literatura a další prameny. Naděje jsou zřejmé, ale jejich naplnění nebude tak snadné – a to i přesto, že třeba s pomocí 3D biotiskáren byly již vytvořeny ledvinové buňky či uměle vytvořené ledviny, vykonávající funkce živých lidských ledvin, včetně odbourávání toxinů, metabolických funkcí a vylučování tekutin. Materiál, ze kterého byla ledvina vytvořena, je směs kultivovaných buněk a hydrogelu obohaceného živinami. Takto vyrobené orgány by měly být schopné přežít až neuvěřitelné čtyři měsíce v laboratorních podmínkách. Vědci však připomínají, že proces „tisku“ orgánu se výrazně odlišuje od běžného 3D tisku, protože živé tkáně potřebují pro svůj růst speciální prostředí. Jednou z významných předností je však skutečnost, že orgán z 3D tiskárny obsahuje buňky pacienta, a tak nehrozí, že by ho tělo odmítlo.

Vytiskněte si dům

Firma D-Shape dokáže tisknout šestimetrové modely. Přitom používá písek a speciální anorganické pojivo, jehož výsledkem je materiál podobný mramoru. Pomocí 3D tisku by se měly vytvořit jen formy, které by se vyplnily betonem. Prostorový tisk by umožnil jednodušší vytváření neobvyklých tvarů při návrzích budov.
Tiskárna začne od podlahy v přízemí a buduje strukturu postupně vrstvu po vrstvě až po střechu a komín. Tisková hlava nanáší jednu pětimilimetrovou až desetimilimetrovou vrstvu písku na druhou, kterou následně zpevní speciálním neorganickým tmelem. Jedna vrstva o rozloze třiceti metrů čtverečních tiskárně zabere bezmála dvě minuty. Jakmile tmel zaschne, podobá se materiál pískovci či mramoru. A je prý dokonce stabilnější než beton.
Takto je možné vytisknout schody, exteriérové i interiérové dělicí stěny včetně prostoru pro elektroinstalaci, sloupy či pilíře – a dokonce i sochy či rovnou nábytek. Celý postup je prý oproti tradičním stavbařským metodám až čtyřikrát rychlejší a výsledná cena o třicet až padesát procent nižší, a to i přesto, že stavební materiál je o něco dražší než klasický cement. Jenže k výstavbě a ovládání tiskárny domů prý stačí pouze dva vyškolení zaměstnanci.
Lze se domnívat, že přesnost 3D tiskáren se také v architektuře osvědčí a zvládne i velmi složité struktury, které by jen těžko někdo dokázal ručně vytvořit. To může zásadně ovlivnit práci při stavbě nových a zejména při rekonstrukci historických objektů.
Například švýcarští architekti Michael Hansmeyer a Benjamin Dillenburger v rámci projektu Digital Grotesque takto vytiskli z velkých zdobených bloků celou jednu místnost, která obsahovala 260 milionů fazet. Jednotlivé „stavební“ kvádry byly vyrobeny z umělého pískovce s přídavkem pryskyřice, která uzavírá póry. „Je to první vytisknutá místnost na světě,“ oznámili hrdě na svých webových stránkách. Místnost zdobená přesnými detaily je vysoká 3,2 metru a zaujímá plochu šestnácti metrů čtverečních.

Už nikdy Apollo 13

Technici amerického Národního úřadu pro letectví a kosmonautiku (NASA) již úspěšně otestovali důležitou komponentu raketového motoru – raketovou trysku –, kterou ve spolupráci s kalifornskou firmou Aerojet Rocketdyne vytiskli právě na 3D tiskárně. Z hlediska dobývání vesmíru je 3D tisk zajímavý tím, že by mohl dovolit vyrábění nejrůznějšího zařízení přímo na palubě kosmických lodí. Dovedeme si jistě představit, jak by takový 3D tisk usnadnil život astronautům na dlouhodobých vesmírných misích – třeba při letřu na Mars a jeho satelity. Jednoduše by si vytiskli to, co by potřebovali – například nástroje, které se jim porouchají. Taková možnost by dovolila podnikat cesty i do daleko vzdálenějších míst.
Tato doba, jak se zdá, však není příliš vzdálená. Podle sdělení amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír plánuje NASA vyslat na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) 3D tiskárnu, s jejíž pomocí by bylo možné vyrobit řadu nástrojů i náhradních dílů. Podle agentury AP již technici vyrábějí takové zařízení adoptované na provoz na oběžné dráze.
Jako důkaz užitečnosti nové technologie prezentovala NASA známou nehodu modulu Apollo 13, který zamířil k Měsíci v roce 1970. Po výbuchu kyslíkové nádrže byly tehdy ohroženy životy posádky, která potřebovala náhradní díly na opravu poškozeného modulu a s následky nehody bojovala čtyři dny, než se vrátila na Zemi. Technici NASA testem dokázali, že 3D tiskárna by potřebné díly dokázala na oběžné dráze vyrobit.
Nový pokrok vědy a techniky přináší do lidského života opravdu fascinující, vzrušující a dříve v historii nemyslitelné prvky. Možná že mnohým jejich dalším cestám vzhledem k perspektivním možnostem zítřka – obdobně jako ve světě vědy – zatím ještě příliš nerozumíme. Ale pochopili by fascinující vynálezy dnešní doby třeba naši vzdálení předci?

Milan Bauman, publicista