Merkittäviä 3D-tulostusinnovaatioita ja onnistumisia maailmalta
3D-tulostamisen hyödyntämisessä pitää käyttää harkintaa kriisitilanteessakin
WHO:n 11.3.2020 pandemiaksi luokittelema COVID-19 on saanut koko maailman terveydenhuollon vaikeuksiin. Tilanteen yhtäaikaisuus eri puolilla maailmaa on aiheuttanut pulaa jopa ihan tavallisista terveydenhuollon tarvikkeista.
Hätään on herätty meillä Suomessakin: sosiaali- ja terveysministeriö on
päättänyt avata huoltovarmuusvarastot ensimmäistä kertaa historiassaan.
Euroopan koronavirustilanne on osoittanut, että aiemmin luultua suurempi osa sairaalahoidossa olevista potilaista tarvitsee tehohoitoa. Tästä syystä hengitystä tukevien laitteiden ja niiden osien saatavuudella on ratkaiseva merkitys. Äärimmäisissä tilanteissa, joissa tuotanto- ja jakeluketjut ovat katkenneet, joudutaan miettimään vara- ja kulutusosien hankkimista uusin keinoin. Pahiten pandemian koettelemilta alueilta on mediassa raportoitu erilaisista innovaatioista, joiden avulla hätätilanteen tarvikepulaan on pystytty löytämään uusia ratkaisuja. Yksi esiinnoussut menetelmä on 3D-tulostus, ammattilaistermein lisäävä valmistus, joka mahdollistaa ketterät toimitusketjut sekä paikallisen tuotannon.
Kannustavia esimerkkejä maailmalta
Maaliskuun puolessa välissä kerrottiin fyysikko ja tiedevaikuttaja Massimo Temporellin ideoimasta ja italialaisen Isinnovan kehittämästä 3D-tulostetusta hengityskoneen venttiilistä. Fyysikot ja insinöörit saivat reilussa kuudessa tunnissa ensimmäisen venttiilin valmiiksi. Tuossa ajassa alkuperäinen venttiili mitattiin, käänteissuunniteltiin (reverse engineering) ja tulostettiin. Suoritusta voidaan pitää melkoisena ihmeenä, sillä toimijat olivat eri puolilla Italiaa ja koko maassa vallitsi karanteeni.
Isinnovassa ei 3D-tulostus jäänyt pelkästään Venturi-nimisen venttiilin suunnitteluun. Muutamia päiviä myöhemmin he raportoivat insinöörinsä Cristian Fracassin suunnittelemasta uudesta Charlotta-venttiilistä, jonka avulla pintasukellukseen tarkoitetuista maskista pystytään modifioimaan happinaamari ensiapukäyttöön potilaille, jotka odottavat pääsyä varsinaiseen hengityskoneeseen. Tämä innovaatio on ollut kokeilussa maaliskuun lopussa jo yli 500 potilaalla. Jonkinlaista näyttöä sen toimivuudesta on olemassa, sillä sosiaalisessa mediassa liikkuu pyyntöjä lahjoittaa omia happinaamariksi muokattavissa olevia sukellusmaskeja sairaaloiden käyttöön, mikäli tulee tarvetta.
Alkuperäinen venttiili ja 3D-tulostettu. Kuva:3D -Printing Media Net work
Sosiaalisessa mediassa kiertävä mainos maskien lahjoittamisesta sekä päivitys niiden käytöstä. Kuvakaappaukset: Facebook
Italialaisten innovaatioiden lisäksi Espanjassa on kehitetty 3D-tulostuksen avulla ventilaattori. ”Leitat1-ventilaattori tulee käyttöön kriittisellä hetkellä, kun perinteisiltä markkinoilta laitteita ei ole saatavilla”, kertoo Manel Balcells, terveysasiamies Leitatin teknologiakeskuksesta. Tuotannon sujuvuuden parantamiseksi ventilaattorin mallia ja komponentteja on yksinkertaistettu, jotta se on käytännöllinen ja helposti tuotettavissa lisäävän valmistuksen avulla.
Espanjalainen Leitat1-ventilaattori. Kuva: 3dadept
3D-tulostettu visiiri. kuva: Prusa Research
Happimaskien ja ventiileiden lisäksi 3D-tulostusta on käytetty mm. erilaisten suojavarusteiden valmistuksessa. Tästä esimerkkinä Tšekeistä Josef Prusan kehittämä visiiri, jonka 3D-malli on vapaasti ladattavissa. Visiirin kehittäjä on myös valmistanut ensimmäisen 12 000 kappaleen erän visiireitä paikallisten terveydenhuollonammattilaisten käyttöön. Tarvikkeiden puutteesta kertoo, että heiltä on pyydetty uusi 90 000 visiirin erä.
Esimerkkejä maailmalta pandemian vastaan taistelemisesta lisäävän valmistuksen avulla on luettavissa päivittäin. Näiden esimerkkien levittämistä varten muun muassa Facebookiin on luotu ryhmiä, joissa jaetaan uusimpia 3D-tulostuksen COVID-19-innovaatiota. Ryhmät ovat keränneet kiinnostuneita maailmanlaajuisesti ja jäsenmäärät ovat kasvaneet päivittäin. Sosiaaliseen mediaan on pandemian myötä muodostunut myös yhteisöjä, joilla on halu kerätä tietoa ja tarjota apua hädän hetkellä. Yhtenä innoittajana on varmasti hienot saavutukset, joiden avulla on jo pystytty pelastamaan ihmishenkiä.
Suomen yliopistoista löytyy monipuolista 3D-tulostusosaamista. Kuva: LUT-yliopisto Lasertyöstön ja 3D-tulostuksen tutkimusryhmä.
Suomalaiset asiantuntijat suhtautuvat varovaisen positiivisesti 3D-menetelmän hyödyntämiseen
Maaliskuun puolen välin jälkeen pidetyssä Women In 3D Printing -tapaamisessa 3D-tulostuksen asiantuntijat (muun muassa Italiasta) raportoivat 3D-tulostusyhteisöjen sisällä kasvavasta ilmiöstä. Apu on ollut välillä niin ylitsevuotavaa, että se on tukkinut terveydenhuoltoviranomaisten puhelinlinjat. “On ihailtavaa, että tällainen maailmanlaajuinen kriisi yhdistää saman alan ihmisiä ja synnyttää halua auttaa. On myös mahtavaa, että hyvinkin lyhyessä ajassa nämä yhteisöt ovat löytäneet todella innovatiivisia 3D-tulostusratkaisuja. Ennen kaikkea hienoa on ollut nähdä, että 3D-tulostus voi tässä tilanteessa olla apuna ketteränä valmistusmenetelmänä. Vaikka lisäävän valmistuksen päätekniikat ovat kehitetty nelisenkymmentä vuotta sitten, kyse on kuitenkin melko uudesta teknologiasta, jonka osaajajoukko on tällä hetkellä varsin heterogeeninen kotitulostinharrastelijoista koviin ammattilaisiin”, Lasertyöstön ja 3D-tulostuksen tutkimusryhmän vetäjä sekä professori Heidi Piili LUT-yliopistosta muistuttaa.
Yleinen käsitys 3D-tulostuksesta on, että se on helppo ja yksinkertainen tapa valmistaa osia. “Tämä voi pitää paikkansa, jos valmistetaan yksinkertaisia kappaleita, joilla ei ole mitään teknisiä vaatimuksia ja joiden käyttö ei aseta ihmisiä tai omaisuutta vaaraan”, konetekniikan professori Antti Salminen Turun yliopistosta kertoo. “ Yksinkertaisia muotoja ei myöskään kannata välttämättä 3D-tulostaa sarjatuotantona, sillä monesti niitä pystytään tuottamaan perinteisillä tekniikoilla huomattavasti halvemmalla ja nopeammin. Toisin sanoen aina pitää miettiä 3D-tulostamisen tarkoituksenmukaisuutta”, konetekniikan professori Jouni Partanen Aalto-yliopiston Konetekniikan laitokselta täydentää.
Teollisesti valmistettujen tuotteiden ominaisuuksia valvotaan sovelluskohteen mukaisin säännöin ja teknisin suorituskykyvaatimuksin, joista valtaosa perustuu turvallisen käytön asettamiin reunaehtoihin. “Teollinen tulostaminen ilman riittävää taustatietoa voi tuottaa osan, joka näyttää toimivalta, mutta joka ei täytä standardeja tai teknisiä vaatimuksia ja aiheuttaa jopa riskin käyttäjälleen”, Salminen kertoo. Ongelmana voi olla myös, että materiaali ei sovi käyttökohteeseen, tulosteen laatu ei täytä käytön vaatimuksia, kappaleen toiminnot voivat rikkoa muita ympäröiviä laitteita ja tuotteen lujuusominaisuudet eivät riitä käyttökohteeseen. “Pahimmillaan vääränlainen 3D-tuloste voi aiheuttaa vakavan vaaran käyttäjälleen tai ympäristölleen.” Salminen painottaa.
Jos teollisesti valmistettujen tuotteiden ominaisuuksia valvotaan tarkasti, lääketieteen sovellusten tulostusta niin materiaalien kuin valmistustekniikoiden osalta vieläkin tiukemmin säädelty.
3D-tulostus mahdollistaa ketteränä valmistusmenetelmänä täysin uudenlaisen ja joustavan tavan tehdä tuotteita myös poikkeusaikoina. Kuva: LUT-yliopisto, Lasertyöstön ja 3D-tulostuksen tutkimusryhmä.
3D-tulostettu yksilöllinen silmänpohjan implantti. Kuva: Mika Salmi (Aalto-yliopisto).
“3D-tulostamalla on tehty paljon erilaisia lääketieteen sovelluksia, kuten esimerkiksi implantteja. Kun puhutaan näistä sovelluksista, täytyy kuitenkin aina ottaa huomioon niille asetut vaatimukset ja viranomaismääräykset sekä niiden turvallisuus, standardit, sopivuus käyttötarkoitukseen, toimintakyky, materiaalit ja niiden hyväksynnät, tulostusprosessin hallinta, jälkikäsittelyt, dokumentointi, laadunhallinta, vastuukysymykset sekä lukuisia muita asioita. Eli huomioitavien asioiden lista on pitkä. Se, että 3D-tulostuslaitteessa käytettävällä materiaalilla on hyväksyntä lääkinnälliseen käyttöön ei vielä riitä siihen, että sitä voisi lääketieteen sovelluksissa käyttää”, tutkimusjohtaja Mika Salmi Aalto-yliopiston Digitaalisen suunnittelun laboratoriosta kertoo.
Akuutti hätätilanne voi kuitenkin vaikuttaa tiukasti määriteltyihin standardeihin. “Äärimmäisissä tilanteissa, joissa tarvikkeita ei ole saatavilla, kuten Italiassa, voidaan todennäköisesti joutua joustamaan regulaatioista kun vaakakupissa on hmishenget. Tästä ei ole kenelläkään kokemusta Suomessa, joten on vaikeaa ottaa kantaa, miten tulostamisen hyödyntäminen käytännössä menisi”, Piili jatkaa.
Vaikka määräyksistä pystyttäisiin antamaan periksi, erityisesti hätätilanteissa asiantuntijuudella on mitä suurin merkitys. “Ilman useiden vuosien asiantuntijuutta on haasteellista ymmärtää saati osata arvioida erilaisten toimijoiden kykyä tulosteiden valmistamisessa. 3D-tulostus, varsinkin vaativissa ja tiukkaan säädellyissä käyttökohteissa, kuten sairaalatarvikkeiden valmistuksessa, edellyttää muun muassa vuosien käytännön kokemusta, tietoa alan standardeista sekä yleistä valmistustekniikoiden syvällistä osaamista. Tämän takia on tärkeää, että terveysviranomaisilla on käytettävissä lisäävän valmistuksen asiantuntijoita, jotta 3D-tulostusta pystytään hyödyntämään parhaalla mahdollisella tavalla ”, Piili täsmentää.
Suomalaisilla yrityksillä valmiuksia toimia
“Olemme tehneet alustavia selvityksiä siitä, miten voisimme auttaa terveydenhuollon ammattilaisia niin 3D-skannauksen, -suunnittelun kuin -tulostuksen osalta poikkeustilanteessa. Maailmalta muutamia esimerkkejä on noussut esiin, mutta käytännössä vain mielikuvitus sekä vaaditut standardit ja muut regulaatiot eri käyttökohteissa ovat rajana”, kertoo teknologiajohtaja ja yrityksen toinen perustaja Tomi Kalpio 3DTechiltä. 3DTtechillä on kapasiteettia tulostaa suurempiakin kokonaisuuksia. “Ajamme massatuotantoa 24/7 myös näinä haasteellisina aikoina, joten isotkin sarjakoot ovat mahdollisia. Esimerkiksi pieniä muutaman sentin kokoisia osia pystytään valmistamaan useita tuhansia kappaleita muutamassa päivässä”, Kalpio lisää.
Hämeenlinnalaiselta metallien tulokseen erikoistuneelta Delvalta kerrotaan, että tarvittaessa heillä olisi valmius auttaa lääketieteellisissä sovelluksissa tarvittavien metallisten komponenttien valmistuksessa. “Meillä on käytettävissä kaksi metallitulostinta. Pystymme pyydettäessä tekemään normaalituotantoa toisella koneella ja tällaiset poikkeavat toimitukset voitaisiin keskittää toiselle koneelle.” Delvan toimitusjohtaja Jarmo Kastell kertoo. Delvalla on valmius käyttää tulosteissa ruostumatonta terästä (316L) sekä titaania vaativissa käyttökohteissa. Nämä molemmat materiaalit soveltuvat lääketieteen sovelluksiin. “Pelkkä lääketieteen sovelluksiin sopiva materiaali ei kuitenkaan ole tae, että tulosteita voidaan tehdä lääketieteen sovelluksia varten. Ensiksi pitäisi hyväksyttää niin laite ja kuin käytettävät prosessit viranomaisella.”, Kastell täsmentää.
Koronaviruspandemian kaltaisissa poikkeustilanteissa joudutaan keksimään uudenlaisia menetelmiä tarvikepulan ratkaisemiseksi. 3D-tulostus on yksi merkittävä menetelmä joustavana ja nopeana valmistustekniikkana varsinkin silloin, kun tavaroiden ja ihmisten liikkumista on rajoitettu.
Metallista 3D-tulostettu esimerkkikappale, joka demonstroi tekniikan mahdollisuuksia. Kuva Markku Lindqvist (Delva).
Metallien 3D-tulostus toimii myös yölläkin pienellä miehityksellä. Kuva Markku Lindqvist (Delva).