Naše kompozitní Prusamenty se rychle zařadily mezi nejoblíbenější materiály: Prusament PC Blend Carbon Fiber a Prusament PA11 Carbon Fiber jsou vynikající materiály pro všechny projekty, kde potřebujete skvělou mechanickou odolnost. Naším dalším krokem je kovem plněný filament, který je primárně mířen na technické využití než pro tvorbu vizuálních modelů. Vydáváme wolframem plněný Prusament PETG Tungsten 75%! Tento filament je určený převážně pro velmi úzkou a specifickou skupinu uživatelů, ale věříme, že následující čtení zaujme všechny z komunity 3D tisku. Náš nový filament má řadu předností – je nereaktivní, hypoalergenní a není toxický, což z něj dělá vhodný materiál pro různé lékařské aplikace. K tomu všemu má vysokou hustotu, proto se perfektně hodí k výrobě složitých komponentů určených ke stínění radiace. Pojďme si podrobněji popovídat o tom, co vše tento filament umí. 

Wolfram (chemická značka W, atomové číslo 74) je jeden z nejtěžších prvků v periodické tabulce. Svojí hustotou kolem 19 g/cm3 je srovnatelný se zlatem a cca 1,7x hustější než olovo  (chemická značka Pb, atomové číslo 82). Vzhledem k vysoké hustotě se dá wolfram použít v řadě aplikací jako stínění pro RTG a gamma záření. Jedná se o stabilní prvek, který nereaguje s vodou, kyslíkem, ani vzduchem o pokojové teplotě. Na rozdíl od olova je wolfram hypoalergenní a netoxický, díky čemuž je ideální pro využití v medicíně. Materiály s takto vysokou hustotou se obvykle těžko obrábí a formují, mohou být velmi drahé nebo toxické. Kvůli těmto vlastnostem jsou klasické výrobní metody podobných materiálů nežádoucí. 3D tisk v tomto případě poskytuje vhodný potenciál k tvorbě složitých/ojedinělých stínících komponentů za výrazně snadnějších podmínek a občas i za nižší ceny.

Stínění radiace a mechanické vlastnosti

Prusament PETG Tungsten 75% je filament plněný wolframovým práškem (75 % hmotnosti), proto se dá předpokládat, že nebude mít stejné stínící vlastnosti, jako čistý wolfram. V následující tabulce se snažíme upřesnit tyto vlastnosti srovnáním Prusamentu PETG Tungsten 75%, čistého olova a wolframu. Pro dostatečné porozumění tabulky musíme vysvětlit základní pojmy používané v oboru stínění radiace: 

Hustota (g*cm-3): Při řešení možností stínění radiace jsou dvě nejdůležitější čísla – atomové číslo a hustota materiálu. Olovo a wolfram jsou nejběžnější materiály používané ke stínění proti RTG a gamma záření, proto s naším novým filamentem srovnáváme právě tyto dva kovy. 
Lineární koeficient zeslabení (µ): Toto je konstanta, která popisuje podíl zeslabených dopadajících fotonů v monoenergetickém paprsku, vztažený na jednotku tloušťky materiálu. Čím vyšší je lineární koeficient zeslabení, tím více se materiál hodí pro stínění fotonových svazků.
Polotloušťka HVL (mm): Polotloušťka je další veličina zásadní pro vlastnosti stínění radiace. Představuje tloušťku materiálu, při které se intenzita vstupující radiace sníží o jednu polovinu. U nejčastěji používaného zdroje gamma záření v oblasti medicíny (140 keV, 99mTc) má čisté olovo hodnotu HVL 0,256 mm, wolfram má HVL 0,191 mm. Jinými slovy: pro stejné hodnoty stínění vám postačí tenčí kus wolframu než olova.

čisté Pb PETG Tungsten 75% čistý W
Hustota (g*cm-3) 11,3 4,0 19,3
Lineární koeficient zeslabení
(140 keV, 99mTc) μ (cm-1)		 27,11 4,95 36,23
Polotloušťka HVL (mm) 0,256 1,402 0,191
HVL Násobek čistého W 1,34 7,34 1,00

Srovnání vlastností stínění radiace mezi Prusamentem PETG Tungsten 75% a běžnými materiály používanými ke stínění. Lineární koeficient zeslabení pro čisté olovo a čistý wolfram byl vypočítán za pomoci databáze physics.nist.gov a hodnot v tomto článku.

Výsledky zobrazené v tabulce (hustota, μ a HVL) jsou v případě čistého olova a wolframu pouze teoretické. Hustota Prusamentu PETG Tungsten 75% (4 g*cm-3) byla vypočítána z hmotnosti a rozměrů filamentu. Jeho μ bylo určeno na základě série pokusů vedených Ing. Jaroslavem Ptáčkem, Ph.D., na Oddělení lékařské fyziky a radiační ochrany ve Fakultní nemocnici Olomouc. Polotloušťku HVL pak stačilo snadno vypočítat z experimentálních dat. 

Testovací sestava

Prusamentu PETG Tungsten 75%. Radioaktivní zářič není zobrazen na této fotografii.

Metoda měření

Všechna měření byla prováděna s metastabilním Techneciem (99mTc). Během měření byl vzorek Prusamentu PETG Tungsten 75% o určité tloušťce ozářen zdrojem radioizotopu 99mTc. Lineární koeficient zeslabení konkrétního vzorku byl stanoven za pomoci geometrie úzkého paprsku. V diagnostice nukleární medicíny se jedná o nejčastěji používaný lékařský radioizotop. Používá se jako radioaktivní indikátor a vyzařuje detekovatelné gamma záření s fotonovou energií 140 keV. 

Tři z testovaných Prusament PETG Tungsten 75% vzorků. 

Testovací vzorky byly vytisknuté z Prusamentu PETG Tungsten 75% o následujících tloušťkách: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; a 3 mm. Měření byla prováděna kolmo na povrch vzorků. Po změření jsme spočítali výslednou polotloušťku HVL (viz výsledky níže).

Vkládání metastabilního technecia (99mTc) do testovacího zařízení. 

Výsledky měření. Osa Y znázorňuje množství gamma záření procházejícího skrz testovaný vzorek, osa X znázorňuje tloušťku vzorku. Vypočítaná polotloušťka HVL Prusamentu PETG Tungsten 75% je 1,402 mm (oranžově zvýrazněno). Pro srování uvádíme, že polotloušťka čistého olova je 0,256 mm, polotloušťka čistého wolframu je 0,191 mm.
Prusament PETG tungsten 75% lze tisknout s 0,4 mm tryskou bez obav z přicpání, které je jinak běžné u kovem plněných filamentů. Wolframový prášek jsme smíchali s polymerem PETG pro jeho snadnou tisknutelnost, odolnost proti radiaci a chemikáliím (například různým desinfekčním roztokům). Kompletní specifikace vlastností materiálu najdete v našem technickém listu, ale zde uvádíme základní parametry:

  • Stínění radiace čistého wolframu: HVL 0,191 mm (99mTc, 140 keV)
  • Stínění radiace Prusamentu PETG Tungsten 75%: HVL 1,402 mm (99mTc, 140 keV)*
  • Pojící polymer: PETG
  • Obsah wolframu: 75% hmotnosti
  • Charpy rázová houževnatost: 22 kJ/m2
  • Pevnost v tahu: 39 MPa
  • Tvrdost: 79D
  • Teplotní odolnost: 94,2 °C při 0,45 MPa; 86,0 °C při 1,80 MPa
  • Nutnost použití tvrzené trysky: Ano

*Jak je vidět z našeho testování, celkový výsledek ovlivňuje mnoho faktorů, například stav tiskárny, slicování, skutečná tloušťka cílové vrstvy, apod. Hodnoty výsledného stínění se proto mohou u vašich výtisků mírně lišit.

Pozor, tiskový profil Prusamentu PETG Tungsten 75% v PrusaSliceru není, prosím stáhněte si konfigurační balíček (MK3S+) zde. Pokud sháníte tiskový profil na jinou z našich tiskáren, kontaktujte naší technickou podporu a my vám rádi pomůžeme.

Jak to funguje v praxi?

Jako ověření konceptu v praxi jsme se pokusili vyrobit nástroj na stínění stříkaček používaných při aplikaci radiofarmak v nukleární medicíně. K tisku požadovaných dílů jsme použili Prusament PETG Tungsten 75% s tloušťkou odpovídající cca 8 mm tlustému stínění, což odpovídá 5,7 HVL (vypočítaných dle 99mTc). Toto zařízení bylo navrženo speciálně pro infuze radiofarmak používaných v laboratořích Fakultní nemocnice Olomouc. S naším 3D-tištěným dílem může personál střídat více kusů stínění. 

 

 Stínění vytisknuté z Prusamentu PETG Tungsten 75%
3D-tištěné stínění je sice výrazně tlustší než komerčně používané stínění z čistého wolframu, ovšem metodou 3D tisku bylo možné připravit funkční díl výrazně rychleji (vzhledem k objednání, dopravě apod.). V některých případech může být objednávání náhradních dílů příliš složité či dokonce nemožné a Prusament PETG Tungsten 75% může pomoci s tvorbou adekvátní náhrady. Toto je ukázkový příklad velkého potenciálu v rychlých opravách a vylepšeních pro radiologické nástroje. A konečně, u některých dílů může 3D tisk ušetřit nejen čas, ale také peníze.

Balení, barva a cena

Většinu filamentů vyrábíme v různých barvách pro estetické účely. Ovšem technické materiály, obzvlášť kovem a uhlíkem plněné filamenty, jsou obvykle obarveny práškem obsaženým uvnitř polymeru. Proto je náš wolframový filament dostupný pouze v temně kovové šedivé barvě. Standardní cívka obsahující 1 kg materiálu má na sobě navinuto 100 m filamentu. Mimo to nabízíme i 100g vzorky obsahující cca 10 m filamentu. Mějte na paměti, že vzhledem k vysokému obsahu wolframu je celkový objem výrazně nižší než u neplněných materiálů. Cena za 1 kg materiálu je 5990 Kč, 100g vzorek vyjde na 649 Kč. 

Využijte naši kalibrační kostku před tiskem velkých modelů

Nezapomeňte, že vaše tiskárna musí být v nejlepší možné kondici. Jakékoliv tiskové vady, např. přicpávání trysky, mohou vést ke zhoršení stínění radiace. Přestože vám nemůžeme zaručit stoprocentně stejné hodnoty, které vyšly nám, můžeme vám alespoň pomoci získat co nejlepší možné výsledky. Pro jejich dosažení jsme připravili tuto kalibrační kostku, která by po vytisknutí měla vážit alespoň 5,4g. Doporučujeme ji vytisknout a zvážit před tvorbou větších modelů. Takto si můžete ověřit, že je vaše tiskárna v nejlepší možné kondici, která je tak zásadní pro úspěšný tisk z Prusamentu PETG Tungsten 75%. Pokud na kostce zaznamenáte nějaké vady nebo zjistíte, že váží méně než 5,4g, vyčistěte a zkalibrujte svou tiskárnu a zopakujte proces. Na závěr doporučujeme také otestovat si vlastní vzorky podobným způsobem, jako jsme je testovali my pomocí metastabilního technecia – jedině tak budete mít stoprocentní jistotu, že odhadnete správnou hodnotu polotloušťky HVL. 

Srovnání dvou 3D-tištěných kalibračních kostek, levá reprezentuje dobře zkalibrovanou tiskárnu, na pravé se projevilo podextrudování (pravděpodobně částečně ucpaná tryska).

Typické použití

Co se týká nejlepšího využití, navrhli jsme Prusament PETG Tungsten 75% částečně pro lékařské aplikace (např. v radiologii), ale využití je možné napříč všemi obory vyžadujícími stínění radiace. Týká se to například letectví, kosmonautiky, jaderného inženýrství, nedestruktivního testování, RTG zařízení apod. Uvědomujeme si, že Prusament PETG Tungsten 75% není navržený pro celou komunitu, ale spíše pro úzce specializované obory. Věříme, že se brzy objeví spousta fantastických modelů z našeho nového prusamentu. A pokud máte nějaké nápady, které by mohly zahrnovat spolupráci s námi, neváhejte a ozvěte se nám! Vždy se těšíme na to, že ozkoušíme něco nového!

Příklady použití

Stínění radiofarmak Stínění radiofarmak
(kompletně rozložené)
Testovací pomůcka pro diagnostické radiologické vybavení
(Hranatá část modelu je vytisknutá z čistého Prusamentu PETG)		 Testovací pomůcka pro diagnostické radiologické vybavení vyfocená pod RTG 
(Soustředné kružnice jsou vytisknuté z Prusamentu PETG Tungsten 75%, světle šedý čtverec je čisté PETG)
3D tištěné kolimátory pro gamma kameru Zakrytování na míru
(pro použití v RTG místnostech)