Pandemie koronaviru a běh Česká v nouzovém režimu ukázaly jednu doposud nepříliš často vídanou věc: neuvěřitelnou rychlost inovace, její certifikace a transformace do výroby, pokud je to třeba. Kdyby se stejným tempem odehrávaly i mnohé další procesy v naší společnosti, pravděpodobně bychom dnes byli mnohem dál.
Zářným příkladem je CIIRC RP95-3D, o kterém se širší veřejnost poprvé dozvěděla zhruba před týdnem. RP95-3D je prototyp respirátoru z 3D tiskárny, který splňuje nejvyšší kategorii ochrany FFP3, je vybavený výměnným profesionálním filtrem české výroby a co je nejdůležitější, jeho certifikace trvala všeho všudy jeden týden. Podařilo se to minulý pátek. Výhledově chtějí autoři masky získat certifikaci také pro Evropu a USA.
Kompletní respirátor RP95-3D s českým částicovým filtrem SIGMA P3R (Foto: CIIRC ČVUT)
Autorem respirátoru je CIIRC při ČVUT, tedy Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky, a prvních patnáct kusů už v první linii během víkendu otestovali přímo zdravotníci pražské nemocnice Na Homolce.
Ministerstvo zdravotnictví s tvůrci podepsalo memorandum o spolupráci a certifikaci a hledání dalších partnerů uspíšil CzechInvest. Masky se tisknou na mašinách Škodovy, ve společnosti 3D Tech a také v 3Dees, která je expertem na použitou technologii tisku a samotnou výrobu koordinuje. Právě tam se tedy nakonec svezou všechny komponenty respirátoru a skládají se dohromady.
Netiskněte respirátory na domácích tiskárnách, varují experti
Už minulý týden se zároveň začali ozývat majitelé klasických tiskáren typu FFF/FDM (Fused Filament Fabrication/Fused Deposition Modeling) – tedy těch dnes zdaleka nejpopulárnějších a nejlevnějších, které máte možná doma i vy.
V katalozích hotových modelů, které si můžete stáhnout a vyrobit svépomocí, dnes najdete hned několik respirátorů, které sice na první pohled vypadají docela hezky, autority 3D tisku však před něčím podobným důrazně varují.
V katalozích modelů pro 3D tisk se objevují celé respirátory nebo jejich kritické části. Odborníci varují, že neprošly žádným testováním a v důsledku nemusí vůbec fungovat.
Hlavním problémem je především pórovitost materiálu, mikrotrhliny, problematické těsnění a další nepříjemnosti, které mohou způsobit, že se dobře míněný výtisk promění spíše v houbičku a Petriho misku, která bude živnou půdou patogenů.
Tisk respirátorů vzdal i Prusa Research
Tisk pomocí FDM zkoušeli i v CIIRC, přičemž experimentovali s leptáním povrchové vrstvy finálního výrobku s tím, že se tak uzavřou všechny potenciální otvory, nakonec to však vzdali. Tisk respirátorů na běžných tiskárnách ze stejného důvodu nedoporučuje ani Josef Průša a raději se vrhl na výrobu ochranných štítů.
Autoři RP95-3D proto umožní tisk jen na tiskárnách, pro které svůj respirátor vyvinuli. To znamená, že vám digitální model masky klidně pošlou, ale až poté, co si ověří, že disponujete patřičným hardwarem.
Nutno podotknout, že budete muset rozbít hodně prasátek, investice do podobné hračky se totiž vyšplhá na několik milionů korun.
Multi Jet Fusion, aneb tiskárna za pár milionů
Takže, co že to budeme potřebovat? Maska byla už od svého počátku navrhována pro výrobu pomocí 3D tisku MJF (Multi Jet Fusion), který se od vašich domácích FDM tiskáren s kotoučem odvíjející se struny liší prakticky ve všem.
HP Jet Fusion 4200 (Zdroj: 3Dees.cz)
Základem technologie od společnosti HP je opět termoplast, ale tím veškerá podobnost končí. Jedná se o rodinu tisku, které se říká Powder bed and inkjet, a jak už anglický název napovídá, v tomto případě tryska netaví termoplastickou strunu a nenanáší ji po vrstvičkách na tiskovou desku, ale model se tiskne do jakési vaničky plné prášku.
HP Jet Fusion, čistící linka a ukázka výrobku
Když tedy tisk pomocí MJF skončí, nebudete mít před sebou desku a na ní přilepený hotový umělohmotný model, který prostě odloupnete a případně dále opracujete chemií nebo brusným papírem, ale zásobník plný bílého prášku, ze kterého bude vykukovat jen svrchní vrstva toho, co jsme vlastně chtěli vyrobit. Z prášku jej musíme doslova vydolovat, vyčistit a případně dále dopracovat.
Prášek + pojivo + teplo
Proboha, proč je to tak složité? Inu, důvodů je celá řada. Pojďme si tedy vysvětlit základní principy MJF tisku. Na úplném začátku máme klasický 3D model předmětu, který chceme vyrobit. V tomto směru se práce prakticky neliší od běžného domácího tisku.
Obecný princip práškových tiskáren: Hlava (a) vytvrzuje svrchní vrstvu v komoře (e), která se postupně klesá (f). Ze zásobníku (c) se doplňuje nová vrstva prášku a v komoře posupně vzniká práškem obklopený výrobek (d). Autor schématu: Paolo Cignoni, CC BY-SA 4.0
Tiskový software 3D model dle naší konfigurace opět nařeže na jednotlivé vrstvičky, které pak už zpracovává samotná tiskárna. Namísto kmitání extruderem, který vytlačuje tenké natavené vlákénko plastu, sem a tam, ale MJF tiskárna přejíždí zleva doprava nad vaničkou s jemným práškem a podle masky aktuální vrstvy aplikuje na povrch s ohromnou přesností drobné kapičky speciálních kapiček s různou funkcí (tzv. agentů).
Hotový výrobek je třeba vykopat z prachu
Jakmile prachové částice drží díky kapičkám pohromadě, přichází na řadu konečně tavení působením tepla. Vtip ale spočívá v tom, že se díky chemickým vlastnostem nataví jen plocha postříkaná pojivovým agentem. Jakmile je hotovo, tisková deska s práškem o krok klesne, vytvrzenou část překryje nová vrstva surového prášku a vše začne znovu.
Schéma výroby nové vytvrzené části (fused) v okolním prášku
Tisk jedné vrstvy s tloušťkou 0,08 mm a horizontálním rozlišením 1 200 dpi trvá na HP Jet Fusion 4200 zhruba 10 sekund a to nehledě na složitost modelu. Maximální možný stavební prostor s rozměry 380×284×380 mm pak mašina zaplní za 11,5 hodin.
Hotové tělo respirátoru obklopené nepoužitým práškem (Foto: CIIRC ČVUT)
Samotný tiskový prášek tedy plní hned dvě funkce. Je to základní stavební materiál, ale ten okolní, který se nepoužije, drží zároveň vše pohromadě. Díky tomu lze pomocí technologie Multi Jet Fusion a dalších práškových tiskáren vyrobit prakticky jakýkoliv sebesložitější předmět s poměrně vysokou přesností a zároveň pomocí materiálů s různými mechanickými vlastnostmi od pevných po pružné. Prášek, který tiskárna nevyužije, lze zároveň opakovaně použít při dalším tisku.
Čistící linka s „vysavačem.“ Není divu, zrna tiskového prášku PA-12 mají velikost 60 µm.
Zhruba sedm tiskáren v celém Česku
Jak už jsme si řekli výše, model je připravený výhradně pro tento typ tisku a jeho autoři jej proto budou z bezpečnostních důvodů sdílet jen s dalšími vlastníky tiskáren HP Jet Fusion 4200, 5200, případně 420. Mimochodem, vzhledem k vysoké ceně a specifickému použití jich není v Česku zrovna mnoho – podle odhadů jen sedm. Pokud vám to připadá málo, vězte, že na celém světě jich bude okolo tisícovky.
Každá z nich by ale dokázala vyrobit 50-70 kusů respirátorů denně, což by mohlo s využitím veškeré kapacity v Česku dělat zhruba 500 kusů každý den.
Termoplast PA-12 umožní opakované použití
Pokud jste teď zvedli obočí, proč proboha věnujeme celý článek čemusi, co má tak nicotnou výrobní kapacitu, je třeba připomenout, že se nejedná o textilní roušky a respirátory na jedno použití, ale opravdu pevné masky, které lze používat opakovaně.
Základní parametry tiskového prášku PA-12
Použitý termoplastický materiál HP PA-12 je podle české dokumentace (PDF) chemicky poměrně odolný, a tak lze respirátor RP95-3D s průběžnou dezinfekcí a po výměně filtru používat nejspíše po celou dobu trvání pandemie. A když už jsme u těch filtrů, i ty jsou české výroby – jedná se o částicové filtry P3 od společnosti SIGMA Výzkumný a vývojový ústav.
500 kusů denně nestačí
Kompletní respirátor se tedy vedle masky z 3D tiskárny skládá ještě z průmyslového filtru, výdechového ventilu ze silikonu, dalších těsnících prvků a úchytu na hlavu. Byť by se mohlo zdát, že se už při návrhu jednalo o pouhé drobnosti, opak je pravdou, špatné těsnění by totiž veškerou snahu zhatilo.
Na kompletním vývoji se tedy podílely i další akademická pracoviště – vedle ČVUT třeba tým z Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity. Pokud si opět uvědomíme, jak rychle se respirátor v tomto širokém týmu různých pracovišť zrodil a jak rychle prošel certifikací a zelenou mu dalo i ministerstvo zdravotnictví, jedná se skutečně o jedinečný inženýrský úspěch.
Respirátorů nebude nikdy dost, a tak se snaží ostatní částicový filtr naroubovat třeba na celoobličejovou potápěcí masku od Decathlonu:
Přesto všechno, výroba na MJF tiskárnách, kterých je v Česku žalostně málo, je pomalá. Teoretických 500 kusů denně při zapojení všech mašin přední linii zdravotníků nestačí, hledají se proto další kapacity.
Masovou výrobu může zajistit vstřikolis
Podle Dr. Víta Dočkala, který vede projektovou kancelář CIIRC ČVUT, už proto začala úprava prvního prototypu pro masovou výrobu formou vstřikování plastů. Během několika následujících dnů by mělo být hotovo a reálná denní produkce by pak mohla v partnerských podnicích, které se zapojí, poskočit až na 10 tisíc respirátorů denně.
Pokud se to podaří a k dispozici bude hlavně dostatek filtrů, které se při masové výrobě stanou zdaleka nejdůležitější komponentou, problém s nedostatkem ochranných prostředků kategorie FFP3 by mohl v Česku skončit.
Na to, jestli a jak se tyto teoretické předpoklady promítnou do praxe a jestli to opravdu skončí happyendem, si ale budeme muset ještě počkat.