Nuo mažo puodelio iki daugiaaukščių pastatų: kaip pasikeitė 3D spausdinimo technologija

Devintojo dešimtmečio pradžia: pirmieji eksperimentai

Pirmoji 3D spausdinimo technologija pasiūlytas Japonas Hideo Kodama 1981 m. Tiesa, tuomet tai buvo vadinama ne 3D spausdinimu, o greituoju prototipų kūrimu. Kodama sugalvojo įrenginį, kuris veikė pagal stereolitografijos (SLA) metodą: lazeriu buvo apšvitinta fotopolimerinė derva, sluoksniais išdėliodamas užprogramuotą objektą. Tačiau jis tik apibūdino idėją, bet negalėjo pateikti patentui gauti reikalingų įrodymų.

Maždaug tuo pačiu metu prasidėjo savarankiško greito prototipų kūrimo įrenginio darbas Amerikos inžinierius Charlesas Hullas ir prancūzų inžinieriai Jean-Claude André, Alain le Meho ir Olivier de Witt. Abiem atvejais pasisekė. 1984 metais mokslininkai pateikė paraišką patentui gauti. Prancūzai buvo trimis savaitėmis į priekį, tačiau tai jiems nepadėjo – jų pasiūlymas buvo laikomas neperspektyviu, todėl į technologijų plėtrą jie neinvestavo. Tačiau Hull buvo sėkmingas, todėl jis laikomas 3D spausdinimo išradėju.

Pirmasis Hull atspausdintas gabalas buvo mažas puodelis. Ji inžinieriui priminė akių lašų lašinimo įrankį, jo žmonai – dubenį bendrystei.

1986 m. Hull kartu su partneriais sukurtas 3D sistemų korporacija. Po metų jie išleido pirmąjį masinės gamybos 3D spausdintuvą SLA-1. Išradimas iš pradžių patraukė automobilių kompanijas: įrenginio pagalba atspausdino smulkių detalių, pavyzdžiui, durų rankenų, prototipus.

Devintojo ir dešimtojo dešimtmečio vidurys: kitų 3D spausdinimo metodų atsiradimas

XX amžiaus pabaigoje atsirado dar kelios 3D spausdinimo technologijos. Pirmas - selektyvus lazerinis sukepinimas (SLS). Čia kaip „rašalas“ naudojamos ne dervos, o birios medžiagos. Technologijų autorius Carl Deckard išvystyta ją studijavo Teksaso universiteto magistrantūroje. Profesorius Josephas Beemanas padėjo jam sukurti įrenginį. Pirmasis objektas, atspausdintas SLS 3D spausdintuvu, yra kubas. 1988 m. Deckard užpatentavo išradimą ir įkūrė Desk Top Manufacturing.

Po metų pasirodė lydyto nusodinimo metodas (FDM). „Rašalas“ šiuo atveju yra termoplastiniai polimerai gijų pavidalu. Jie suvyniojami ant ritės ir įdedami į prietaiso vidų. Tada polimerai pašildomi ir supilami į užprogramuotą formą. Tokio 3D spausdinimo autorius yra inžinierius Scottas Crumpas. prie jo idėjos paragintas gyvenimo patirtis. Crump dirbo įmonėje, kuri planavo pagaminti PCB iškroviklį. Bet viskas klostėsi ne pagal planą. Prototipų kūrimas užtruko, todėl įmonė praleido galimybę patekti į rinką. Tada inžinierius nusprendė rasti būdą, kaip paspartinti tokius procesus. Jis pradėjo eksperimentuoti virtuvėje: apsiginklavęs karštų klijų pistoletu ir pusiau kietais plastikiniais geliais, dukrai pagamino žaislinę varlę. 1989 metais jis sukūrė kelis įrenginio modelius, gavo patentą ir atidarė Stratasys FDM 3D spausdintuvų gamybos įmonę.

Pirmasis FDM spausdintuvas pasirodė 1991 m. Dabar tai sudažniausias 3D spausdinimo technologija.

Šis metodas yra tiesioginis augimas lazeriu (LMD). Jo sugalvojo dešimtojo dešimtmečio Sandia National Laboratories (JAV) mokslininkai. Metalas čia naudojamas kaip spausdinimo medžiaga miltelių arba vielos siūlų pavidalu. LMD naudojamas pramonėje – pavyzdžiui, detalėms kurti. Taip pat gana dideli. Pavyzdžiui, didžiausias 3D spausdintuvas Rusijoje su šia technologija galintis gaminti gaminiai, kurių parametrai yra 2,2 metro skersmens ir vieno metro aukščio. Instaliacija vadinasi „ILIST-2XL“, ji buvo sukurta „Rosatom“.

Dešimtojo dešimtmečio pabaiga ir 2000-ieji: biospausdinimo gimimas

3D spausdinimo perspektyvos medicinoje buvo pastebėtos beveik iškart po technologijų atsiradimo. Pirmasis eksperimentas šioje srityje vyko 1999 m. mokslininkai iš Bostono vaikų ligoninės Harvardo medicinos mokykloje. Naudodami spausdintuvą jie sukūrė šlapimo pūslės pastolius iš kolageno ir polimerų. Tada jie rankiniu būdu padėjo ant jo pacientų donorines ląsteles.

Tikrasis biospausdinimas pasirodė 2003 m. Technologijos autorius – amerikiečių bioinžinierius Thomas Bolandas. Jis pakeistas „rašalą“ ant skysčio su tikromis gyvomis ląstelėmis, o joms dėti naudojo specialų substratą. Dėl to jam pavyko atspausdinti bakterijų ir žinduolių ląsteles. Technologijos patentas gavo 2006 metais.

Ta pačia kryptimi nuliui dirbo profesoriaus Gaboro Forgacho vadovaujama mokslininkų grupė. Jų NovoGen biospausdinimo technologija buvo pirmoji, pasiekusi komercinę sėkmę, 2007 m. San Diege pradėjus naudoti Organova. Po dvejų metų ten paleistas vienas pirmųjų komercinių 3D biospausdintuvų yra Novogen MMX.

2000-ųjų vidurys: biudžetinių 3D spausdintuvų kūrimas

Ilgą laiką 3D spausdintuvai buvo didžiuliai ir brangūs. Todėl atrodė, kad įsigyti tokį įrenginį namams neįmanoma. pakeisti situaciją nusprendė Britų dėstytojas Adrianas Baueris. Universitetas, kuriame jis dirbo, turėjo 40 000 svarų sterlingų kainuojantį 3D spausdintuvą, kuris tuo metu buvo vienas pigiausių. Tačiau Baueris svajojo padaryti jį dar ekonomiškesnį. 2005 m. jis sugalvojo RepRap – kompaktišką 3D spausdintuvą, galintį sukurti daugumą jo dalių. Turint vieną tokią mašiną, būtų galima pagaminti daug daugiau panašių.

Tais pačiais 2005 m. Baueris gavo pinigų savo idėjai įgyvendinti ir apie tai kalbėjo internete. „RepRap“ yra atvirojo kodo projektas: bet kuris asmuo internete gali jį keisti ir modifikuoti taip, kaip nori. Ši koncepcija greitai išpopuliarėjo. 2008 metais buvo išleistas Pirmasis „RepRap“ modelis yra „Darwin“. Tai atrodė kaip rėmas su laidais ir tvirtinimo detalėmis. Jis nebuvo labai gražus, bet gana funkcionalus: galėjo atspausdinti kai kurias savo dalis ir kitus daiktus, pavyzdžiui, automobilio telefono laikiklį.

„RepRap“ nėra vienintelis toks projektas. 2006 m. Kornelio universiteto studentai pateikti Atvirojo kodo 3D spausdintuvas – Fab@Home. Tarp pirmųjų dalykų, kuriuos jis sukūrė su juo, buvo silikoninis laikrodžio dirželis ir mažas propeleris.

2010-ųjų pradžia: 3D protezų kūrimas

2013 m. lėlininkas Ivanas Owenas sukurtas pirmasis 3D spausdintas rankos protezas. Jis pradėjo eksperimentuoti su technologijomis ne tik iš smalsumo. Prie Oweno priėjo moteris, kurios sūnus gimė be dešinės rankos pirštų. Tuo metu berniukui jau buvo penkeri metai. Iš pradžių menininkas žvelgė į pažįstamas medžiagas, tokias kaip metalas, ir net iš jų sukūrė pirmąjį prototipą. Tačiau netrukus supratau, kad vaikas sparčiai auga, o kasmet perdaryti ranką yra per daug sunku. Taigi Owenas pradėjo domėtis 3D spausdinimu, dėl geros priežasties paprašė technologijų įmonės poros spausdintuvų ir pradėjo modeliuoti ranką kompiuteryje. Viskas sekėsi gerai – ranka išėjo tvirta ir judri.

Owenas neišdavė išradimo licencijos. Vietoj to jis paskelbė projektą viešai, kad kiti žmonės galėtų patys pasidaryti protezą.

2010-ųjų pabaiga: spausdintinių namų statyba

Idėja, kad didelis 3D spausdintuvas leistų statyti namus greičiau ir mažiau darbo reikalaujant, nei naudojant klasikinius įrankius, aptarė jau XX amžiaus pabaigoje. 2000-aisiais jie pradėjo kurti tinkamas mašinas ir technologijas, o 2010-aisiais jau pasirodė pirmieji spaudiniai. Pavyzdžiui, Kinijos bendrovė „WinSun“ 2015 m pastatytas naudojant šešių aukštų pastato spausdintuvą. 2016 metais Dubajuje pasirodė nestandartinės formos biuras: galimybė lengvai kurti individualų dizainą yra vienas iš 3D spausdinimo statybose privalumų.

2017 metais Rusijoje pasirodė pirmieji gyvenamieji namai, pastatyti naudojant šią technologiją Stupino Ir Jaroslavlis. O 2022 metais Meino universiteto mokslininkai per 12 val sukurtas pirmasis namas, atspausdintas vien tik iš biomedžiagų – medienos pluošto ir dervų. Didelis statybinių „rašalų“ pasirinkimas – dar vienas 3D spausdinimo pliusas. Šiems tikslams naudojamas, pavyzdžiui, betonas, smėlis, vulkaniniai pelenai ir ryžių lukštai.

Kas dabar?

Šiandien 3D spausdinimas aktyviai naudojamas įvairiose srityse. Su jo pagalba jie kuria drabužius, tyrimo instrumentus, implantus ir net maistą. Technologijos galimybės aktyviai tyrinėjamos ir turi daug perspektyvų. Taip, mokslininkai pasiūlytikad ateityje spausdintuvas galės spausdinti tiesiai žmogaus viduje, kuo greičiau pakeisdamas pažeistą kaulo ar kremzlės sritį. Jau yra mažų įrenginių, skirtų in vivo programoms, pavyzdžių. Tokiam taikoma endoskopinis robotas F3DB spausdintuvas, sukurtas inžinierių iš Sidnėjaus. Ir jei mokslininkai ras būdą suprogramuoti 3D organus taip, kad jie sklandžiai tilptų į nervų ir kraujotakos sistemas, pavyks gerokai sumažinti laukiančiųjų donorų pagalbos sąrašą.