Công nghệ In 3D đã trở thành giải pháp hiệu quả đáp ứng nhiều nhu cầu khác nhau, từ thiết bị bảo vệ cá nhân đến thiết bị y tế và khu cách ly trong đại dịch Covid-19. Công nghệ đa năng này phù hợp để giải quyết tình trạng mất cân bằng cung – cầu do các xu hướng kinh tế xã hội và sự gián đoạn trong chuỗi cung ứng,…
Mở đầu
Đại dịch COVID-19 đã đẩy thế giới vào một cuộc khủng hoảng toàn cầu trên tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội và vẫn đang diễn ra ngày một phức tạp với những biến thể mới của virus Corona. Những thách thức do sự gián đoạn trong sản xuất và vận chuyển, cùng với những trở ngại chống lại toàn cầu hóa và thương mại tự do, đã hạn chế chuỗi cung ứng, dẫn đến tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng hàng hóa thiết yếu. Các hệ thống chăm sóc sức khỏe đang trong cuộc chiến để tăng công suất giường bệnh, vật tư và công nhân được đào tạo. Các nỗ lực ứng phó với khủng hoảng đang được tiến hành để giảm bớt tình trạng thiếu hụt nguồn cung cấp y tế rất cần thiết. Do vậy, cần có các nhà máy sản xuất theo yêu cầu các vật liệu và thiết bị cho một loạt các dịch vụ thiết yếu, đặc biệt là chăm sóc sức khỏe. Trong bối cảnh này, một mạng lưới sản xuất tiên tiến có khả năng phục hồi được kích hoạt bởi sự phân bổ của các nhà máy in 3D có tiềm năng rất lớn. Các nhà máy này có thể được đặt cùng vị trí tại các bệnh viện và các đầu mối giao thông để nhanh chóng phục vụ nhu cầu của ngành y tế. In 3D được triển khai lại các khả năng của nó trong các phản hồi COVID-19, chứng tỏ lợi thế cạnh tranh của nó trong tình huống khẩn cấp hiện tại.
Khai thác lợi thế của in 3D
Tính linh hoạt dựa trên kỹ thuật số và tạo mẫu nhanh chóng của in 3D cho phép công nghệ huy động nhanh chóng và phản ứng nhanh với các trường hợp khẩn cấp. Ngay cả khi chuỗi cung ứng bị gián đoạn nghiêm trọng, các bộ phận quan trọng có thể được sản xuất theo yêu cầu bởi bất kỳ cơ sở in 3D phi tập trung nào trên thế giới bằng cách tận dụng các thiết kế được chia sẻ trực tuyến. Hơn nữa, bản chất của in 3D cho phép tùy biến sản phẩm và các thiết kế phức tạp. Phổ rộng các ứng dụng in 3D trong cuộc chiến chống COVID-19 bao gồm chế tạo các thiết bị bảo vệ cá nhân (personal protective equipment – PPE), thiết bị y tế và xét nghiệm, phụ kiện cá nhân, thiết bị hỗ trợ trực quan và nhà ở khẩn cấp.
Sản xuất tấm che mặt. Vì các virus Corona có thể lây lan qua miệng, mũi và mắt, nhân viên y tế tuyến đầu là những người dễ bị nhiễm vi rút này nhất. Viện Sức khỏe và An toàn Lao động Quốc gia Hoa Kỳ (NIOSH) và Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) đã hướng dẫn cho các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe trực tiếp tiếp xúc với bệnh nhân nhiễm vi rút đường hô hấp. Theo đó, thiết bị bảo vệ mặt nạ phòng độc được CDC công nhận và khuyến khích sử dụng. Tuy nhiên, các thiết kế tấm che mặt có thể khác nhau với từng cá nhân. Thiết bị này bao gồm một khung, một bộ phận giữ đàn hồi và một tấm che mặt trong suốt (Hình 1).
Nhiều công ty trên khắp thế giới đã hợp tác chặt chẽ với các trường đại học, trung tâm nghiên cứu y tế và bệnh viện trong việc sản xuất các bộ phận khác nhau của thiết bị này bằng công nghệ in 3D để đáp ứng nhu cầu trong đại dịch COVID-19. Airwolf3D, một nhà phân phối máy in 3D và phụ kiện có trụ sở tại California, cũng đã đối phó với đại dịch bằng cách phát hành tệp thiết kế cho các tấm che mặt ở các địa điểm công cộng. Họ đã đưa ra hướng dẫn chi tiết để sử dụng vật liệu ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) để in giá đỡ và lắp ráp với các tấm chắn nhựa và dây đai đàn hồi có bán trên thị trường. Tương tự ở Châu Âu, để đảm bảo cung cấp đủ thiết bị y tế, BCN3D – một công ty máy in 3D ở Barcelona đã tiến hành sản xuất tấm che mặt cho các bệnh viện và nhân viên y tế ở Tây Ban Nha. Họ đã thiết kế, tạo mẫu và in các tấm che mặt bằng kỹ thuật FDM với hệ thống đùn kép độc lập (IDEX), trong đó Polyethylene Terephthalate Glycol (PETG) là sợi vật liệu chính. Một nhà sản xuất máy in 3D lớn khác, Stratasys, cũng đã tham gia sản xuất tấm che mặt. Họ thậm chí còn phát hành tất cả các tệp thiết kế miễn phí online. Công ty này đã thành lập một đội liên minh chống COVID-19 với Đại học Công nghệ Minnesota Dunwoody và tổ chức 100 đội trên khắp thế giới. Họ đã sản xuất và phân phối trên 100.000 tấm che mặt cho các bệnh viện khác nhau trong vòng một tháng.
Trong đại dịch, các bệnh viện trên khắp Vương quốc Anh đã trải qua một nhu cầu lớn và cấp thiết đối với tấm che mặt. Photocentric, một nhà sản xuất máy in 3D có trụ sở tại Vương quốc Anh, đã phát minh ra một hình thức in 3D mới có thể nhanh chóng tạo các đối tượng cao phân tử ở quy mô lớn. Với công nghệ đóng rắn bằng ánh sáng nhìn thấy và nhựa photopolymer, máy in LC Magna của Photocentric đã bắt đầu sản xuất hàng nghìn bộ phận lá chắn mỗi ngày. Với khả năng sản xuất hàng loạt, công ty đã thực hiện một thỏa thuận chính thức với chính phủ Anh để cung cấp 7,6 triệu tấm chắn mặt bằng in 3D cho các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe,…
Sản xuất mặt nạ và khẩu trang. Theo Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA), Hoa Kỳ, mặt nạ hay khẩu trang có thể bảo vệ người sử dụng khỏi chất lỏng và các vật liệu dạng hạt và đóng vai trò như một rào cản vật lý giữa mũi, miệng và môi trường xung quanh. Mặt nạ phòng độc N95 đại diện cho một trong những PPE thiết yếu nhất được sử dụng để bảo vệ người dùng khỏi các chất gây ô nhiễm và chất lỏng trong không khí. Nó có thể lọc ít nhất 95% các hạt trong không khí. N95 hoặc bất kỳ khẩu trang nào đều yêu cầu độ vừa vặn của nó với người dùng để đảm bảo độ kín khít cho khuôn mặt. Việc kiểm tra độ vừa vặn như vậy là không bắt buộc đối với việc đeo khẩu trang thông thường, loại khẩu trang này có thể tháo rời và chỉ bảo vệ chống lại các giọt nhỏ, bao gồm cả các hạt hô hấp lớn. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đều khuyến cáo mọi người sử dụng khẩu trang hoặc vải che mặt để giảm thiểu sự lây truyền Coronavirus trong cộng đồng.
Trong giai đoạn đầu của đại dịch Covid-19, sự thiếu hụt khẩu trang nghiêm trọng đến mức FDA đã ban hành giấy phép sử dụng khẩn cấp để giảm thiểu tình trạng khan hiếm các thiết bị PPE. Đại học Kỹ thuật Séc (CTU) đã phát triển nguyên mẫu mặt nạ của riêng họ có thể được in bằng máy in 3D MultiJet Fusion (MJF) của HP. Họ cũng đã cải tiến thiết kế mặt nạ RP95-M vượt qua tiêu chuẩn bảo vệ chuyên nghiệp và đạt mức FFP3 cao nhất chống lại các vi sinh vật bao gồm cả virus Corona. Nhà sản xuất máy in 3D Roboze cũng đã thiết kế, chế tạo và cung cấp cho các nhà sản xuất mặt nạ N95 một khuôn in 3D để đẩy nhanh quá trình sản xuất hàng loạt, trong đó một loại nhựa nhiệt dẻo chịu nhiệt độ cao đã được sử dụng. Tương tự, Maker Mask – một tổ chức phi lợi nhuận trên toàn thế giới với nền tảng kỹ thuật số được thiết kế bởi Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH), đã kết hợp với hơn 10.000 nhà sản xuất bao gồm 179 trường đại học và 214 bệnh viện để chế tạo mặt nạ hô hấp. Mặt nạ in 3D này có thể được sử dụng lại bằng cách chỉ thay đổi bộ lọc và có thể tiết kiệm hơn so với việc sử dụng mặt nạ hô hấp N95. Những mặt nạ này có thể được sử dụng làm mặt nạ hô hấp khẩn cấp trong trường hợp không có mặt nạ phòng độc tiêu chuẩn…
Sản xuất các bộ phận máy thở. Máy thở là thiết bị cơ học hỗ trợ thở cho bệnh nhân. Trong thời gian khó thở, máy thở sẽ giúp bệnh nhân bằng cách thổi oxy vào phổi. Bộ điều chỉnh lưu lượng oxy, các ống đầu vào và đầu ra và ống nội khí quản là những bộ phận không thể thiếu của máy thở cơ học. Đại dịch COVID-19 đã gây ra 305 vấn đề nghiêm trọng về hô hấp cho nhiều người và nhu cầu về nhiều loại phương pháp điều trị thở cho bệnh nhân trên khắp thế giới ngày càng tăng đột biến. Khoảng 2 đến 4% bệnh nhân bị nhiễm Covid-19 yêu cầu hỗ trợ máy thở. Các bệnh viện phải vật lộn để có đủ máy thở để điều trị hàng nghìn bệnh nhân nặng do các nhà sản xuất không đáp ứng được nhu cầu đột ngột và chưa từng có về thiết bị này. Tình trạng thiếu bộ phận máy thở trầm trọng đến mức trong một số trường hợp, bác sĩ phải đưa ra quyết định khẩn cấp về việc bệnh nhân nào sẽ được hỗ trợ máy thở và có cơ hội sống sót cao hơn. FDA đã ban hành cấp phép sử dụng khẩn cấp cho các máy thở vì máy thở tiêu chuẩn của họ không đủ trong bối cảnh đại dịch. Sau một cuộc khủng hoảng về van hô hấp ở các bệnh viện địa phương, công ty in 3D Lonati đã thiết kế một mẫu thử nghiệm và in 3D van hô hấp. Van này cần thiết để kết nối ống hô hấp với máy thở và đảm bảo dòng chảy đúng hướng cho oxy (Hình 3a). Airwolf3D, một công ty in 3D ở Mỹ, dành riêng cơ sở của mình để in van hô hấp khẩn cấp và các bộ phận khác. Nhà sản xuất máy in 3D Roboze cũng đã thực hiện một ý tưởng sáng tạo thực tế là sử dụng đầu nối chữ T để sử dụng một thiết bị thở cho hai bệnh nhân trong trường hợp khẩn cấp (Hình 3b). Họ đã thiết kế, in và phân phối các đầu nối chữ T cho các bệnh viện địa phương cùng với van thông khí. Materialize, một công ty in 3D có trụ sở tại Bỉ, đã thực hiện nhiều cách tiếp cận để giải quyết cuộc khủng hoảng máy thở. Công ty đã thiết kế và in 3D các đầu nối có thể chứa một mặt nạ không xâm lấn, một bộ lọc và một van PEEP. Thiết bị này có thể phân phối oxy bằng cách tạo ra áp suất dương cao mà không cần sử dụng máy thở,…
Dự báo về in 3D sau đại dịch COVID-19
Trong sức nóng của đại dịch COVID-19, in 3D đã trở thành một công nghệ quan trọng để hỗ trợ cải thiện chăm sóc sức khỏe và phản ứng của chúng ta đối với trường hợp khẩn cấp. Cuộc khủng hoảng đã nêu bật cách in 3D có thể trở thành nền tảng của một tương lai xanh hơn và thân thiện hơn với môi trường. In 3D, nhờ khả năng sản xuất các sản phẩm theo yêu cầu, có thể giảm lãng phí và hàng tồn kho. Tính linh hoạt vốn có của nó và khả năng sửa đổi các thiết kế có sẵn trực tuyến đang giải phóng các giải pháp sáng tạo và bền vững có thể đưa công nghệ phát triển theo hướng bình thường mới. Các chuỗi cung ứng dự kiến sẽ ngắn hơn và phân mảnh hơn khi nền kinh tế toàn cầu mở cửa trở lại. Những thay đổi này sẽ dẫn đến các quy trình sản xuất khác nhau với nhiều quan hệ đối tác hơn trong một hệ sinh thái sản xuất phụ gia mở. Các thuộc tính chính của in 3D – mức độ tùy chỉnh cao cho các nhu cầu cụ thể và sản xuất phi tập trung – có khả năng tạo ra mạng lưới cụ bộ các nhà máy in 3D. Số hóa sẽ tiếp tục biến máy in 3D thành những phần quan trọng của môi trường Internet vạn vật và Công nghiệp 4.0 trong và sau đại dịch COVID-19.
Nguồn tài liệu tham khảo: Nature Reviews Materials volume 5, 637–639 (2020) and Internet.
TS. Lê Văn Thảo – ATC, Học viện Kỹ thuật Quân sự
