Pionieri în noul univers Gutenberg. Universitatea Tehnică din Cluj participă la construirea unui tip revoluţionar de imprimantă 3D

Ceea ce a captat întâi de toate interesul inventatorului clujean a fost nu pericolul indus de pandemie, ci multitudinea de probleme specifice care necesitau o rezolvare urgentă. Le-a intersectat cu aria lui de expertiză şi s-a gândit pe care dintre ele le poate aborda.

În chiar primele săptămâni de panică, în timp record, el a realizat prototipul unui ventilator mecanic care să-i ajute să respire pe bolnavii din spitale. Limitat la necesităţile de bază, ieftin şi uşor de fabricat, aparatul era conceput astfel încât sistemului sanitar, în întreg, să i se dea o pauză de respitaţie.

Din fericire, situaţia din spitale nu a devenit, la limită, atât de disperată încât să fie necesară omologarea unui instrumentar de urgenţă. Dar realizarea tehnică a specialiştilor clujeni nu a trecut neobservată. „Mulţumirea mea a fost să primesc multe mesaje care-mi spuneau că reuşita noastră, chiar parţială, i-a inspirat şi pe alţii să se mobilizeze”, avea să spună cercetătorul clujean. La vremea aceea era primul răspuns tehnologic din România la agresiunea virusului.

Creatorul ventilatorului “pandemic” de urgenţă este Nicolae Bâlc, profesor la Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, fost decan la Facultatea de Construcţii de Maşini. El aparţine breselei inventatorilor, membru în comunitatea celor care pun ideile în mişcare şi deschid drumuri în ştiinţă.

Ventilatorul mecanic produs de echipa profesorului Bâlc se poate construi rapid şi ieftin cu ajutorul unei imprimante 3D. Posedă funcţii simplificate în comparaţie cu ventilatoarele clasice, dar îşi face treaba şi continuă discuţiile să intre în dotarea autosanitarelor SMURD.

Pentru realizarea lui, profesorul şi echipa cu care lucrează au utilizat tehnologia de avangardă în care s-au specializat: tipărirea 3D.

Profesorul Bâlc a făcut pionierat în România cu imprimarea 3D. Acum 26 de ani, el a inaugurat primul Centru Naţional de Tipărire 3D din ţară, sub coordonarea profesorului Petru Berce, atunci prorector la UTCN. Decisivă în deschiderea centrului a fost contribuţia unui alt clujean, istoricul Liviu Maior, ministrul Educaţiei acelor vremuri.

Deşi, de atunci, aşa numita fabricare aditivă s-a răspândit în România, Clujul a rămas în vârful domeniului. Acum profesorul Bâlc are ambiţii mai mari şi îşi propune să iniţieze noi tehnici de imprimare la nivel mondial.

Colectivul de la UTCN pe care el îl conduce este angrenat de trei ani într-un consorţiu european care lucrează la o tehnologie menită să revoluţioneze imprimarea 3D: realizarea primei imprimante tridimensionale din lume care adaugă straturi curbe. Asta înseamnă că piesele imprimate 3D nu vor mai fi cu necesitate pline, ca până acum, ci vor avea laturi armate care se autosusţin.

În limbaj birocratic, proiectul Directional Composites through Manufacturing Innovation (DiCoMI) își propune să reunească inovatori de top din întreaga Europă, și nu numai, pentru a dezvolta o nouă metodă de producere a pieselor din material compozit cu direcționalitate optimizată a fibrei. Proiectul DiCoMI va integra tehnici avansate de fabricație, știința materialelor compozite și proiectarea sistemelor de producție. Prezentarea există pe site-ul oficial al proiectului inclus în programul Uniunii Europene, Horizon 2020 (detalii pe www.dicomi.eu).

Profesorul Bâlc spune mai pe înţeles:

„Sunt mii de tipuri de imprimante 3D în lume, dar o caracteristică este că toate adaugă straturi plane. Scopul este să dezvoltăm un nou tip de imprimantă 3D care să poată fabrica piese din materiale compozite adăugând straturi curbe.

De ce ne dorim să putem adăuga straturi curbe? Pentru a fabrica o piesă curbă este foarte important ca fibrele să aibă continuitate. Acest tip de imprimantă va avea o duză care depune prin extrudare un fir de plastic polimer, iar fibrele de armare din fibră de carbon, fibră de sticlă sunt depuse de o a doua duză, care se mişcă fie concomitent, fie independent”.

Piesa este mai uşoară, fiind realizată cu economie de material. (Ca o imagine comparativă, să privim diferenţa dintre un cornete gol şi unul plin cu îngheţată).

„Mai ales în industria aeronautică şi în industria de automobile toţi îşi doresc ca piesa să aibă o greutate cât mai mică, dar să-şi menţină funcţionalitatea şi să aibă aceeaşi rezistenţă mecanică. Uneori, este nemaipomenit şi dacă putem reduce greutatea piesei cu 20 la sută”, spune profesorul clujean.

DiCoMI, proiect finanţat cu peste un milion de euro, antrenează 13 parteneri europeni din mediul academic şi industrial. UTCN este partener principal cu un buget egal cu al universităţii coordonatoare din Anglia. DiCoMI este, într-un sens, continuatorul tehnicilor dezvoltate de proiectul AMaTUC, finalizat în 2019 şi coordonat de profesorul Bâlc din partea UTCN, unde partenere secunde au fost două universităţi din proiectul actual, cele din Loughborough şi Aachen.

DiCoMI aduce un set de premiere în lumea tipăriturilor 3 D.

„Noutatea imprimantei DiCoMI este că venim şi cu un soft de proiectare a pieselor. Până acum, proiectam doar forma predefinită a piesei. Dar acum proiectăm şi structura ei interioară pentru că piesa nu va mai fi omogenă, straturile vor fi susţinute cu fibre de armare. Ca inginer, atunci când cunosc funcţionalitatea piesei şi ştiu care sunt încărcările, pot alege unde să folosesc fibrele de armare şi astfel să nu mai umplu inutil cu material. Şi până acum se dorea asta, dar nu exista o maşină care să facă posibil acest lucru. Aşa încât noi acum dezvoltăm şi softul care să permită proiectantului să regândească piesa astfel încât să reducă greutatea.”

În acest moment, cu un an înainte de încheierea proiectului, un prototip al imprimatei 3D în straturi curbe este deja funcţional la Cluj. Nu este deocamdată accesibil publicului fiind protejat de acorduri privind confidenţialitatea. Un prim film de prezentare găsiţi aici https://www.youtube.com/watch?v=J_e9EaQoe3k

„Va fi o noutate absolută”, se entuziasmează profesorul Bâlc. Mai sunt totuşi chestiuni de rezolvat.

„Poate părea amuzant”, spune profosorul. „Imprimanta este aproape gata, dar rămâne o problemă care trebuie depăşită, faptul că se încurcă cablurile în timpul mişcării componentelor. Cinematica acestei maşini este complicată, lucrăm pe cinci axe. Imprimanta este de tip hibrid, adică are şi un cap de frezare care trebuie să înlăture suporţii din anumite zone. Capul de frezare, capul de extrudare, sunt comandate de motoare pas cu pas independente, cu senzori independenţi, şi toate au nevoie de cabluri. Sunt o mulţime de cabluri şi se încalecă unul cu celălalt. Trebuie să rezolvăm asta”.

Pentru a depăşi impasul, profesorul Bâlc a luat legătura cu inginerii de la Bosch care au expertiză în mecatronică şi acţionări electrice şi pot oferi sugestii. E o colaborare în dublu sens. Laboratorul din incinta UTCN condus de profesorul Bâlc oferă la rândul său expertiză celor de la Bosch, ca şi multor altor firme.

Care va fi viitorul prototipului imprimantei cu direcţionalitate multiplă? Profesorul Bâlc speră că DiCoMI va furniza documentaţia necesară intrării în producţia de serie. Nu va fi uşor, dat fiind că, parţial, proiectul va fi acoperit de brevete care aparţin firmelor partenere. De pildă, cinematica este realizată de firma 5AxisWorks din Londra care utilizează o tehnică proprie. Extruderul este şi el sub brevet.

„Sper ca DiCoMI să ajungă dincolo de faza de protopip. De altfel, toate proiectele mele pornesc de la o necesitate practică; noi, ca ingineri, trebuie să găsim soluţii de rezolvare a unor probleme. Dar trebuie spus că scopul nostru în DiCoMI este deja atins: am arătat că ideea este funcţională. E deja un bun câştigat pentru comunitatea ştiinţifică. Avem dovada faptului că, adăugând straturi curbe în loc de straturi plane, poţi obţine piese cu greutate redusă la aceleaşi standarde de funcţionare.

Vom disemina cât mai mult se poate din know-how-ul acumulat. Eu cred că 70-80 la sută din informaţii vor fi publice. DiCoMI aduce o mare noutate. Poate alţi cercetători vor îmbunătăţi şi adăuga unele aspecte tehnice. Fiecare pas înainte este important,” mai spune profesorul Bâlc.

El nu aderă viziunii romantice a istoriei care atribuie întreg meritul dezvoltării tehnologice muncii şi cercetării unor inventatori geniali. Chiar dacă debutează în interiorul unor minţi străfulgerate de o idee remarcabilă, invenţiile se desăvârşesc ca rezultat al unor reţele colaborative. Până a prinde viaţă într-un produs final, ideile se aştern strat peste strat, ca aranjate cu o imprimantă 3D.

Prin programul Horizon 2020, Uniunea Europeană încurajează multiplicarea unor reţele de inovare, un sistem care presupune un nivel ridicat de cooperare interdisciplinară, precum și de colaborare între cercetători și industrie.

Ingredientul esenţial al succesului este munca în echipă

Profesorul Bâlc nu îşi atenuează din merite când afirmă că echipa este cea mai importantă în activitatea de cercetare. El evidenţiază contribuţia în proiectul DiCoMI şi a unui doctorand venit din industrie, Eugen Guţiu.

„DiCoMI, la fel ca celelalte proiecte, este rodul muncii în echipă. Echipa este foarte importantă. În cadrul ei colaborează cadre didactice, doctoranzi, o mare parte din cadrele didactice tinere au fost doctoranzii mei, deci au crescut aici în echipă cu noi. Se vede asta în faptul că lucrăm cu plăcere. Pentru manager e foarte important să cunoască abilităţile fiecărui membru al echipei, dar şi să înţeleagă procesul în ansamblu, astfel încât sarcinile pe care le alocă să fie realizabile şi clare. Şi să aibă mereu în vedere eficienţa”.

La DiCoMI lucrează nouă cercetători români, în laboratorul de la UTCN şi în laboratoarele şi secţiile de producţie ale partenerilor externi. În astfel de proiecte, nu doar românii se duc să muncească în străinătate, cercetătorii din celelalte ţări vin să lucreze la Cluj.

„Noi abia aşteptăm vacanţa universitară ca să avem timp să ne ocupăm de proiectele de cercetare”, mărturiseşte profesorul Bâlc. „Să putem pleca în deplasări. Faptul că nouă cercetători români au învăţat să rezolve problemele adiacente unui astfel de proiect, să-şi dezvolte experienţa în cadrul colectivelor care muncesc alături de noi, e un mare câştig. Am pornit cu toţii de la o problemă concretă şi am găsit rezolvări eficiente. Ne perfecţionăm ca o echipă care, dacă avem în minte proiectul şi stăpânim tehnologia, poate face analize mecanice profunde, simulări, analize cu elemente finite. Punând toate astea laolaltă şi pornind de la o idee suntem capabili să dezvoltăm rapid un produs nou”.

Sincronizarea cu realitatea

„Noi, ca universitate, trebuie să producem cunoştinţe, nu doar să împărtăşim cunoştinţele noastre studenţilor”, afirmă profesorul Bâlc. Facultatea este o fabrică înainte de fabrică. „Mai ales când vorbim despre studenţii de la Politehnică, ei sunt imediat conectaţi la nou. Nu e suficient ca tu, ca profesor, să le transmiţi cunoştinţele tale din şcoală. E nevoie de o dinamică a ideilor, iar cercetarea este motorul acestei dinamici. Dacă proiectele de cercetare sunt axate pe lucruri practice, atunci rezultatele lor oferă premise pentru a începe un nou proiect. DiCoMI este încă un exemplu de bună practică. Studenţii văd cum e să generezi noi idei, produse noi, produse inovatoare dar şi utile şi toate astea constituie un bun necesar.”

Fiind mereu angrenaţi în cercetare şi în relaţie cu diferiţi parteneri din industrie, profesorul Bâlc şi membrii din echipa lui care predau la Universitate reuşesc să-şi racordeze studenţii la proiecte şi le deschid posibilităţi de angajare în industrie.

„E altceva când ai ce să le arăţi studenţilor. Eu predau la curs tehnologii neconvenţionale. Asta înseamnă că le pot vorbi studenţilor patru, maxim cinci ani, despre un proiect din prezent. Sunt obligat să nu mă limitez să fac lucruri de rutină. Nici nu îmi place. Mă ocup de ceva până văd că am atins maximul, după care mă duc spre o nouă provocare”.

Pentru a-i pregăti la un nivel competitiv pe piaţa muncii, studenţilor trebuie să li se vorbească despre cele mai noi tehnici ale prezentului, dacă nu despre cele ale viitorului.

„Trebuie să-i învăţ metodele de proiectare de acum, dacă nu chiar cele din viitor. Să fim măcar cu câţiva ani înaintea firmelor din jur. De asta au nevoie studenţii”.

Pe măsură ce constrângerile actuale sunt progresiv depăşite, inclusiv prin contribuţia cercetătorilor de la Universitatea Tehnică, imprimarea 3D devine tot mai răspândită şi e folosită la realizarea unor game variate de produse. Dacă Gutenberg a revoluţionat tiparul, imprimata 3D promite să transforme întregul domeniu industrial. Industrii diverse testează noua tehnologie. Nu demult, Guhring, una dintre cele mai mari companii din lume în fabricarea sculelor de precizie şi cu care profesorul Bâlc colaborează de multă vreme, a deschis un centru de cercetare şi producţie 3D la Cluj. Avantajul la recrutare al absolvenţilor UTCN familiarizaţi cu tehnologia a fost incontestabil; din cei 106 ingineri recrutaţi de Guhring, 105 sunt foşti studenţi ai profesorului Bâlc.

Biografie de cercetător

„A fi cercetător este o pasiune care se dezvoltă”, spune profesorul Bâlc. Şcoala îţi poate da senzaţia cunoaşterii absolute, dar asta nu durează. După ce a absolvit facultatea, în 1987, faptul că a prins singurul post de inginer mecanic în Cluj din acel an, la Fabrica de Maşini de Rectificat, l-a ajutat să conştientizeze limitele cunoştinţelor deprinse în şcoală. Experienţa industrială câştigată acolo mi-a folosit nespus, priveşte el retrospectiv.

În 1990, când a intrat ca lector în facultate, a demarat primele cercetări în domeniul tehnologiilor robotizate, scriind şi o teză de doctorat pe tema asta. Dar adevărata schimbare, care l-a condus în cele din urmă la tehnologia 3D, s-a produs în 1994 când a câştigat şansa de a merge un an la Universitatea din Nothingham, acolo unde funcţiona primul centrul de iniţiere în Rapid Prototyping din Europa.

„La Nothingham m-am născut a doua oară, am învăţat ce înseamnă cercetarea adevărată, ce înseamnă pragmatismul în cercetare. Noi nu suntem matematicieni, nu are rost să dezvoltăm teorii abstracte şi apoi să îi lăsăm pe alţii să le găsească o utilitate. Inginerii pornesc de la o problemă concretă şi îi găsesc rezolvare. În plus, soluţiile găsite trebuie să fie eficiente, pentru că soluţii fanteziste dezvoltă mulţi”.

Funcţiile pe care le-a avut în UTCN, 12 ani ca director de departament, patru ani ca decan, nu i-au diminuat pasiunea pentru inovare. „Dacă pot să spun că mă pricep la ceva este dezvoltarea de produse noi”. A importat din Anglia cultura organizaţională şi le-a dat aceeaşi şansă oamenilor cu care lucrează să se perfecţioneze în străinătate.

„Când lucrezi cu oamenii trebuie să le împărtăşeşti cunoştinţe, trebuie să-i motivezi, dar nu să le dai mură în gură. Trebuie să-i înveţi să lucreze şi să fii conştient de interesul lor în a-şi dezvolta cariera. Dacă vezi doar interesul tău, ajungi să lucrezi singur, îţi pierzi echipa. Cei mai importanţi sunt oamenii cu care lucrezi. Asta am învăţat eu”.

O generaţia „infectată” cu virusul inovării

Românii dau în continuare nume mari în cercetare. Profesorul Bâlc aminteşte două, ambele din generaţia lui. Cu una dintre persoane a fost chiar coleg de bancă în liceu. Daniela Rus este directoarea laboratorului de Inteligenţă Artificială de la Massachusetts Institute of Technology, MIT, vârful cercetării academice mondiale în tehnologie. S-au revăzut vara aceasta, când Daniela a venit la o reuniune a fostei clase de la Liceul Bălcescu din Cluj.

„Nu lipseşte niciodată, chiar dacă este unul dintre cei mai mari oameni de ştiinţă din lume, membră a Academiei SUA”, spune Bâlc.

Ultimele cercetări ale româncei includ pastila inteligentă dotată cu minibisturiu care, odată înghiţită, dă posibilitatea chirurgului să opereze noninvaziv. Apare ca o transpunere în realitate a filmului SF din 1966 “Fantastic Voyage”, cu Raquel Welch, care a făcut senzaţie şi pe ecranele româneşti. Recent, profesorul Rus a testat la Singapore prototipul unei maşini care se transformă în aeronavă cu o autonomie de zbor de cinci kilometri, o soluţie pentru depăşirea aeriană a ambuteiajelor rutiere.

„Era genială şi în liceu. Noi rezolvam probleme din gazeta de matematică. Dar ea le scria”, îşi aminteşte profesorul Bâlc.

În opinia lui, şi unul cei mai buni cercetători din Europa este tot un român, coleg de generaţie şi prieten. Dragoş Axinte conduce un centru de cercetare la Universitatea din Nothingham. Este autorul a mai mult de zece brevete ale Rolls Royce, firmă cu care centrul pe care îl conduce are contracte de 30 de milioane de lire anual. În prezent, conduce o echipă de 28 cercetători care lucrează la Universitatea din Nottingham, fără activităţi didactice, fiind toţi plăţiţi integral din contractele de cercetare coordinate de prof. Dragoş Axinte.

„Dragoş a refuzat o poziţie de director la Rolls Royce pentru că are pasiunea cercetării. Ne uneşte abordarea problemelor practice derivate din necesitate”, dezvăluie profesorul Bâlc.

Laborator auto pentru imprimarea 3D

Colaborarea echipei din Cluj cu Universitatea de Ştiinţe Aplicate din Aachen a început acum zece ani şi a cuprins proiecte de cercetare comune, unele fiind proiecte cu finanţare europeană (două proiecte Orizont 2020), altele fiind cercetări pentru elaborarea tezelor de doctorat. Mai demult cercetătorii români mergeau în străinătate pentru a-şi elabora teza de doctorat. Noutatea este că cinci cercetători de la Aachen au venit la Cluj pentru a-şi elabora teza de doctorat sub coordonarea profesorului Bâlc (două teze deja finalizate şi alte trei în derulare). Această colaborare foarte bună se datorează şi profesorului Andreas Gebhardt, fost decan la Aachen, care a iniţiat şi i-a îndrumat pe cei cinci cercetători din Germania, pentru a elabora cu succes teze de doctorat la Universitatea Tehnică din Cluj. Julia Kessler şi-a finalizat teza la Cluj în 2017 şi recent a ocupat un post de profesor la o universitate din Germania.

Laboratorul mobil de tipărire 3D a fost primit cadou de la universitatea din Aachen, ca rezultat al colaborării excelente dintre echipa clujeană coordonată de prof. Bâlc şi echipa germană coordonată de prof. Gebhardt. Este un autocaretajat, care conţine 11 imprimante 3D şi calculatoarele necesare pentru a proiecta piese complexe şi produse care pot fi fabricate pe loc, prin tipărire 3D. Când va fi autorizat să circule în România, laboratorul motorizat va ajunge în şcoli, promovând prin demonstraţii live interesul liceenilor pentru imprimarea 3D.

Constructor de Formula 1

Profesorul Bâlc a devenit vedetă în media când colectivul său a prezentat prototipul primei maşini de curse realizate prin tipărire 3D. Cercetătorii de la UTCN au construit caroseria şi au asamblat întreaga maşină. “Oamenii sunt mai importanţi decât maşinile şi proiectele”, afirmă profesorul Bâlc. “Paul Bere şi-a demonstrat măiestria prin acest proiect. El venea cu o experienţă industrială de peste zece ani şi, după finalizarea acestui proiect prin care s-a realizat maşina de Formula 1, a fost angajat cadru didactic şi în prezent este conferenţiar la UTCN”.

Aplicaţii medicale ale tipăririi 3D

La Cluj s-au fabricat şi primele implanturi medicale personalizate din România prin tipărire 3D. Peste 70 pacienţi au beneficiat de intervenţii chirurgicale la care au fost utilizate implanturi medicale fabricate în laboratoarele UTCN.

Au fost necesare multe cercetări teoretice şi experimentale, care au început în 1997 când s-a achiziţionat softul necesar pentru procesarea imaginilor medicale obţinute prin Computer Tomograf şi RMN, printr-un proiect CNCSIS coordonat de profesorul Bâlc. Profesorul Berce a coordonat un proiect major interdisciplinar (Biomapim), în colaborare cu UMF Cluj şi UBB. Profesorul Horaţiu Rotar, de la UMF Cluj, a coordonat un alt proiect important de cercetare finalizat recent, în care echipa UTCN, coordonată de profesorul Bâlc a fabricat implanturi personalizate din materiale composite care, mai ales în zona craniană, au avantajul că nu sunt casante şi au conductivitate termică redusă faţă de cele fabricate din titan, fiind mai apropiate de caracteristicile osului uman.

Viitorul aerospaţial al tehnologiei 3D

Echipa coordonată de profesorul Bâlc a câştigat recent competiţia pentru un nou proiect de cercetare coordonat de profesorul Bâlc, proiect care va fi finanţat de ESA (European Space Agency), începând cu septembrie 2022. Scopul acestui nou proiect este de a testa şi asimila noi materiale din care se vor fabrica piese complexe prin tipărire 3D pentru industria aerospaţială. In prezent, multe componente de avioane se fabrică din aliaje de aluminiu prin tehnologii clasice de aşchiere şi prelucrări CNC. Cosmin Cosma şi-a elaborate teza de doctorat sub coordonarea profesorului Bâlc în domeniul topirii selective cu laser. “Vom încerca să fabricăm prin această tehnologie de tipărire 3D piese pentru avioane, utilizând pulbere fină din aliaje de aluminiu”, spune profesorul Bâlc.

În viziunea sa, ultima frontieră a tehnologiei 3D este cerul.

CV

Nicolae Bâlc, n. 1963, este profesor la Facultatea de Construcţii de Maşini din cadrul Universităţii Tehnice Cluj-Napoca, decan al facultăţii patru ani şi director de departament 12 ani. Profesor Onorific al Universităţii din Braşov, Research Associate la Universitatea din Loughborough (Anglia), Visiting Academic al Universităţii din Nottingham şi Visiting Profesor la universităţi din Anglia, Germania, Austria, Slovenia, Croaţia, Ungaria. Este membru CNATDCU şi membru al Consiliului Naţional de Etică a Cercetării Ştiinţifice, Dezvoltării Tehnologice şi Inovării, membru al Comisiei Naţionale de Standardizare, pentru Fabricaţia Aditivă. Profesorul Bâlc are 18 cărţi publicate (11 ca prim autor/editor), autor laureat al Academiei Române, premiul “Henri Coandă” al Academiei Române în 2017. Deţine cinci brevete de invenție, două internationale (înregistrate în SUA şi Germania) şi trei brevete naţionale. Este coordonator științific a 31 teze de doctorat (18 finalizate şi 13 în derulare), are 107 lucrări ştiinţifice publicate în ultimii 10 ani şi este reviewer al Jurnalului: Rapid Prototyping Journal (ISI). A fost implicat în 51 de contracte de cercetare, trei granturi câştigate în competiţie internaţională, ca director de proiect, şi şase câştigate în competiţie naţională din aceeaşi postură.

---

Acest articol este realizat prin proiectul „Știință pentru viață”, proiect susținut de Universitatea „Babeș-Bolyai” din Cluj-Napoca, Universitatea de Medicină și Farmacie „Iuliu Hațieganu” din Cluj-Napoca și Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca.