От малка чаша до високи сгради: как се промени технологията за 3D печат

Началото на 80-те години: първи експерименти

Първата технология за 3D печат предлагани Японецът Хидео Кодама през 1981 г. Вярно, тогава се наричаше не 3D принтиране, а бързо прототипиране. Кодама излезе с устройство, което работи по метода на стереолитографията (SLA): лазер облъчва фотополимерна смола, поставяйки програмиран обект на слоеве. Той обаче само описва идеята, но не може да предостави доказателствата, необходими за получаване на патент.

Приблизително по същото време започна независимо работа върху устройство за бързо прототипиране американски инженер Чарлз Хъл и френски инженери Жан-Клод Андре, Ален льо Мехо и Оливие дьо Вит. И в двата случая беше постигнат успех. През 1984 г. изследователите кандидатстват за патент. Французите бяха три седмици напред, но това не им помогна - предложението им беше счетено за необещаващо, така че не инвестираха в развитието на технологиите. Но Хъл има успех, поради което се смята за изобретател на 3D принтирането.

Първото отпечатано произведение на Хъл беше малка чаша. Тя напомни на инженера инструмент за накапване на капки за очи, на жена му - купа за причастие.

През 1986 г. Хъл, заедно с партньори създадено 3D Systems Corporation. Година по-късно те пуснаха първия масово произвеждан 3D принтер, SLA‑1. Изобретението първоначално привлече автомобилните компании: с помощта на устройството те отпечатаха прототипи на малки части, като дръжки на вратите.

Средата на 80-те и 90-те години на миналия век: възходът на други методи за 3D печат

В края на 20 век се появяват още няколко технологии за 3D печат. първо - селективно лазерно синтероване (SLS). Тук не смоли, а насипни вещества се използват като "мастило". Технологичен автор Карл Декард развити я като магистър в Тексаския университет. Професор Джоузеф Биман му помогнал да създаде устройството. Първият обект, отпечатан от 3D принтера SLS, е куб. През 1988 г. Декард патентова изобретението и основава Desk Top Manufacturing.

Година по-късно се появи метод на разтопено отлагане (FDM). „Мастилото“ в случая са термопластични полимери под формата на нишка. Те се навиват на намотка и се поставят вътре в устройството. След това полимерите се нагряват и се изсипват в програмираната форма. Автор на такъв 3D печат е инженерът Скот Кръмп. към идеята за това подканен житейски опит. Кръмп работеше за компания, която планираше да направи устройство за разтоварване на печатни платки. Но нещата не вървяха по план. Прототипирането отне много време, в резултат на което компанията пропусна шанса си да навлезе на пазара. Тогава инженерът решил да намери начин да ускори подобни процеси. Започва да експериментира в кухнята: въоръжен с пистолет за горещо лепило и полутвърди пластмасови гелове, той прави играчка жаба за дъщеря си. През 1989 г. той създава няколко модела на устройството, получава патент и открива компания за производство на 3D принтери Stratasys FDM.

Първият FDM принтер се появява през 1991 г. Сега е съснай-често 3D технология за печат.

Следният метод е директен лазерен растеж (LMD). Неговата измислих изследователи от Sandia National Laboratories (САЩ) през 1990 г. Тук като материал за печат се използва метал под формата на прах или телена нишка. LMD се използва в индустрията - например за създаване на части. Доста големи също. Например най-големият 3D принтер в Русия с тази технология способен да произвежда продукти с параметри 2,2 метра в диаметър и един метър височина. Инсталацията се нарича "ILIST-2XL" и е създадена в Росатом.

Късните 1990-те и 2000-те години: раждането на биопечата

Перспективите за 3D принтиране в медицината бяха забелязани почти веднага след появата на технологиите. Първият експеримент в тази област Държани през 1999 г. от изследователи в Бостънската детска болница към Харвардското медицинско училище. С помощта на принтер те създадоха скеле на пикочния мехур от колаген и полимери. И след това те ръчно поставиха донорни клетки от пациенти върху него.

Истинският биопечат се появява през 2003 г. Автор на технологията е американският биоинженер Томас Боланд. Той заменени „мастило“ върху течност с истински живи клетки, а като основа за поставянето им са използвали специален субстрат. В резултат на това той успя да отпечата клетки от бактерии и бозайници. Технологичен патент получени през 2006 година.

В същата посока в нула работеше група учени, ръководени от професор Габор Форгач. Тяхната технология за биопечат NovoGen беше първата, която постигна търговски успех, когато Organova беше открита в Сан Диего през 2007 г., за да я разпространява. Две години по-късно там освободен един от първите търговски 3D биопринтери е Novogen MMX.

Средата на 2000-те: Изграждане на бюджетни 3D принтери

Дълго време 3D принтерите бяха масови и скъпи. Ето защо изглеждаше невъзможно да се закупи такова устройство за дома. промени ситуацията реши Британски лектор Адриан Бауер. Университетът, в който работеше, разполагаше с 3D принтер за £40 000, един от най-евтините по това време. Но Бауер мечтаеше да го направи още по-бюджетен. През 2005 г. той излезе с идеята за RepRap, компактен 3D принтер, който може да създаде повечето от своите части. Имайки една такава машина, би било възможно да се произвеждат още много подобни.

През същата 2005 г. Бауер получава пари за реализиране на идеята си и говори за това в мрежата. RepRap е проект с отворен код: всеки човек в Интернет може да го променя и модифицира, както пожелае. Концепцията бързо стана популярна. През 2008г беше освободен Първият модел на RepRap е Darwin. Изглеждаше като рамка с жици и крепежни елементи. Той не беше много красив, но доста функционален: можеше да отпечата някои от своите части и други предмети, като държач за телефон за кола.

RepRap не е единственият подобен проект. През 2006 г. студенти в университета Корнел подадено 3D принтер с отворен код - Fab@Home. Сред първите неща, които създава с него, са силиконова каишка за часовник и малка перка.

Началото на 2010-те: Разработка на 3D протези

През 2013 г. кукловодът Иван Оуен създадено първата 3D отпечатана протеза на ръката. Той започна да експериментира с технологии не само от любопитство. Оуен се обърна към жена, чийто син е роден без пръсти на дясната си ръка. По това време момчето вече беше на пет години. Първоначално художникът гледа към познати материали като метал и дори създава първия прототип от тях. Но скоро разбрах, че детето расте бързо и преправянето на ръката всяка година е твърде трудоемко. Така че Оуен започна да търси 3D печат, помоли технологична компания за няколко принтера за добра кауза и започна да моделира ръка на компютър. Всичко мина добре - ръката излезе силна и подвижна.

Оуен не е лицензирал изобретението. Вместо това той публикува проекта в публичното пространство, така че други хора да могат да направят протеза за себе си.

Късните 2010-те: Изграждане на печатни къщи

Идеята, че голям 3D принтер ще направи възможно изграждането на къщи по-бързо и по-малко трудоемко от класическите инструменти, обсъждани още в края на 20 век. През 2000-те започват да разработват подходящи машини и технологии, а през 2010-те вече се появяват първите печатни къщи. Например през 2015 г. китайската компания WinSun построена с помощта на принтер за шестетажна сграда. През 2016 г. в Дубай се появи персонализиран офис: възможността за лесно създаване на дизайни по поръчка е едно от предимствата на 3D печата в строителството.

През 2017 г. в Русия се появиха първите жилищни сгради, построени по тази технология - в Ступино И Ярославъл. И през 2022 г. изследователи от университета в Мейн за 12 часа създадено първата къща, отпечатана изцяло от биоматериали - дървесни влакна и смоли. Голям избор от строителни "мастила" е друг плюс на 3D печата. За тези цели се използват например бетон, пясък, вулканична пепел и оризови люспи.

Сега какво?

Днес 3D печатът се използва активно в различни области. С негова помощ те създават дрехи, изследователски инструменти, импланти и дори храна. Възможностите на технологията се изследват активно и тя има много перспективи. Да, учени предполагамче в бъдеще принтерът ще може да печата директно вътре в човек, заменяйки увредената област на костта или хрущяла възможно най-бързо. Вече има примери за малки устройства за in vivo приложения. На такива се прилага ендоскопски роботизиран принтер F3DB, създаден от инженери от Сидни. И ако изследователите намерят начин да програмират 3D органи, така че да се вписват безпроблемно в нервната и кръвоносната системи, успявам значително намаляване на списъка на чакащите за донорска помощ.