История появления 3D печати

Ни у кого нет сомнений в том, что в будущем трехмерная печать круто изменит нашу повседневную жизнь. Уже сегодня можно заметить первые изменения. 3D-печать является революционным изобретением в жизни человечества. Любая вещь, на создание которой раньше уходили дни, недели или даже месяцы, теперь может быть сделана за считаные часы. Отдельные энтузиасты и целые исследовательские центры создают с помощью 3D-принтеров самые разные вещи. Наверняка, Вам будет интересно узнать с чего все началось.

Как не странно, но 3D-печать была изобретена не год и даже не десять назад. Основателем технологии изготовления физических трехмерных объектов с использованием цифровых данных является Чарльз Халл в 1984 г. В 1986 г. он получил патент на свое изобретение и назвал данную технологию Стереолитография (STL). Сегодня ему уже более 75 лет, но изобретатель самой первой технологии трехмерной печати и не думает уходить на покой. «Я достаточно стар, чтобы уйти на пенсию, но мне так интересно, что я этого делать не буду», — говорит, смеясь отец 3D печати. Имя Чарльза Халла ставят в один ряд с такими именами, как Томас Эдисон или Стив Джобс. Его вклад в развитие трехмерной печати просто огромен, хотя и не очень известно общественности.

Более тридцати лет назад Чарльз в своей лаборатории сумел напечатать первый предмет — маленькую чашку. Он был в таком восторге от своего творения, что, несмотря на поздний час, разбудил свою жену и продемонстрировал ей первый образец 3D-печати. Сонная супруга в пижаме посмотрела на творение мужа и откровенно призналась, что ожидала чего-то лучшего. Но, ни Чарльз, ни тем более его жена не могли себе представить, во что выльется это открытие.

Метод, испытанный ученым, был очень прост. Жидкий фотополимер наполняет некоторую емкость. По поверхности материала перемещается ультрафиолетовый луч, который заставляет материал в нужном месте становиться твердым. Слой за слоем процесс полимеризации образует твердый объект. Толщина каждого слоя составляла примерно 0,1-0,2 мм.

После получения патента, Чарльз Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый промышленный станок для 3D печати. На тот период станок назывался «аппарат для стереолитографии», потому что термина «3D принтер» еще не было. Технология 3D печати была достаточно нова и компания 3D Systems изготовила и поставила первую модель станка нескольким избранным заказчикам. Основываясь на откликах клиентов о станке в 1988 г., компания разработала усовершенствованную модель 3D принтера SLA-250 и было начато его серийное производство.

Первые потребительские принтеры от компании 3D Systems появились в начале 2012 года. Они были в несколько десятков раз меньше и легче своих «прародителей».

Халлу принадлежат более 60 патентов в США, он — автор универсального формата трехмерной печати STL. Спустя три десятилетия он признался в интервью, что никак не ожидал, что его изобретение окажет влияние на медицину. Быстрое производство роботизированных протезов, очков, вспомогательных средств для людей с ограниченными физическими возможностями, не говоря уже про искусственные органы, — все это означает переворот в медицине и открытие новых подходов к лечению.

Первый компактный принтер 3D Cube от компании 3D Systems

Чарльз Халл был не единственным изобретателем, который экспериментировал с технологий 3D печати.

Наряду со стереолитографией развивались и другие технологии трёхмерной печати.

В 1985 году появилась Технология формирования объёмных моделей из послойного листового материала (LOM), всего за год до получения Чарльзом Халлом патента на стереолитографию. Её автором является Михаило Фейген, который предложил послойно формировать объёмные модели из листового материала: плёнок, полиэстера, композитива, пластика, бумаги и т.д., скрепляя между собой слои при помощи разогретого валика. На рисунке ниже показана модель, изготовленная методом послойного формирования из листового материала.

Подобное изготовление модели, ручным способом потребовало бы нескольких дней или даже недель работы, а при помощи LOM-принтера такая модель может быть воссоздана за несколько часов. Проблема в том, что модели, изготовленные по технологии М. Фейгена, получаются шероховатыми, а удалить лишний материал с их поверхности сложно из-за риска расслоения.

В 1986 году Карл Декарт изобрёл метод Селективного лазерного спекания(SLS). В 1988 году компания DTM выпустила на рынок станок, работающий по технологии селективного лазерного спекания.

Суть метода заключается в послойном спекании порошкового материала лазерным лучом. Устройство способно работать с порошковыми полимерами, литейным воском, нейлоном, керамикой, металлическими порошками. При переходе с одного материала на другой —  камеру следует тщательно очистить от остатков прежнего материала. В одной камере можно выращивать сразу несколько моделей.

Модели изготовленные методом Селективного лазерного спекания

Технология моделирования методом Послойной заливкой экструдируемым расплавом (FDM) принадлежит Скотту Крампу, который запатентовал своё изобретение в 1988 году. В следующем году им была основана компания Stratasys и налажено промышленное производство 3D печатающих устройств. В 1992 г. компания продала свой первый принтер, его ориентировочная стоимость составляла от 50 до 220 тыс. долларов США.

Суть технологии заключается в следующем. В печатающей головке материал (расплав из пластика, металла, литейного воска) предварительно разогревается до температуры плавления и поступает в рабочую камеру. Головка выпускает расплавленный материал в виде нити, которая укладывается на рабочий стол. После этого платформа опускается ниже на толщину одного слоя, чтобы можно было сформировать следующий слой.

Технология Послойного уплотнения (SGC) была разработана израильской компанией Cubital в 1987 году. Она больше напоминала фотокопирование. На избирательно заряженной пластине, изготовленной из стекла, формируется шаблон основания модели. Этот шаблон помещается над тонким слоем фотополимера, равномерно распределённым по рабочей поверхности, после чего экспонируется ультрафиолетовым лучом. Слой фотополимера, соответствующий данному слою шаблона, становится твёрдым, жидкие остатки удаляются, а пустоты заполняются жидким воском, который быстро застывает. Описанная последовательность действий многократно повторяется до тех пор, пока не сформируется готовая модель. Работу машины можно приостановить для удаления дефектных слоёв, а позже возобновить её. Эта технология использует токсичные, дорогие и достаточно редкие полимеры.

Еще один прорыв в области трехмерной печати произошел в 2006 году с запуском проекта «RepRap», нацеленного на производство 3D принтера, способного воспроизводить детали собственной конструкции. Тестовый экземпляр был произведен в 2008 году, он может произвести приблизительно 50% своих собственных частей и деталей.

Реплицирующийся 3D принтер RepRap

Группа учёных Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института Амит Зоран и Марчелло Коэльо, в 2010 году представила на суд общественности первый 3D принтер для воссоздания продуктов питания. Устройство было названо «Cornucopia», что в переводе означает «рог изобилия».

В пищевой принтер вместо обычной бумаги загружаются продукты питания, которые аппарат охлаждает, смешивает и использует для создания готового продукта.

«Cornucopia»

Это может подтолкнуть кулинарию на новый виток развития. Концепт сможет «печатать» ранее неизвестные блюда с заранее заданной пищевой ценностью, качеством и вкусом.

3D печать в медицине

Учёных Института регенеративной медицины при Университете Уик Форест пришла к выводу, что человеческие ткани можно напечатать при помощи струйных принтеров, заправив их живыми клетками. С этого момента началась кропотливая работа над созданием биопринтера для выращивания человеческих органов. Такое устройство было продемонстрировано в сентябре 2011 года на конференции по новым технологиям и дизайну «TED-2011». Устройство функционирует так же, как и обычный струйный принтер, но вместо чернил оно использует стволовые клетки людей и животных.

При помощи 3D принтера можно распечатать кусочки ткани, кожи, позвоночные диски, коленные хрящи и полноценные органы. Перед началом печати орган больного сканируют с разных ракурсов и загружают полученную информацию в трёхмерный принтер, вместе с образцом ткани органа. За несколько часов работы устройство воссоздаёт точную копию органа, включая сосуды.

Можно также заживлять раны прямо на пациенте, устранять механические повреждения органов, полученные в результате огнестрельных и ножевых ранений, несчастных случаев и т.д. Для этого он сканирует рану (орган) и заполняет её соответствующим типом свежевыращенных тканей.

В наше время трехмерная печать уже не кажется чем-то фантастическим. С каждым днем эта технология становится все ближе простым людям, а появление недорогих и компактных 3D-принтеров может еще сильнее ускорить этот процесс.

Александр Григорьев ЦСО "Крокус"