No mazas krūzes līdz augstceltnēm: kā mainījusies 3D drukas tehnoloģija

Astoņdesmito gadu sākums: pirmie eksperimenti

Pirmā 3D drukas tehnoloģija piedāvāja Japānis Hideo Kodama 1981. gadā. Tiesa, to toreiz sauca nevis par 3D drukāšanu, bet gan ātro prototipēšanu. Kodama nāca klajā ar ierīci, kas darbojās saskaņā ar stereolitogrāfijas (SLA) metodi: lāzers apstaroja fotopolimēra sveķus, ieprogrammētu objektu izklājot slāņos. Tomēr viņš tikai aprakstīja ideju, bet nevarēja sniegt pierādījumus, kas nepieciešami patenta iegūšanai.

Aptuveni tajā pašā laikā sākās darbs pie ierīces ātrai prototipēšanai neatkarīgi Amerikāņu inženieris Čārlzs Hols un franču inženieri Žans Klods Andrē, Alēns le Meho un Olivjē de Vits. Abos gadījumos panākumi tika gūti. 1984. gadā pētnieki pieteicās patentam. Francūži bija trīs nedēļas priekšā, taču tas viņiem nelīdzēja – viņu priekšlikums tika uzskatīts par neperspektīvu, tāpēc viņi neinvestēja tehnoloģiju attīstībā. Bet Hull bija veiksmīgs, tāpēc viņš tiek uzskatīts par 3D drukāšanas izgudrotāju.

Korpusa pirmais iespiestais gabals bija maza krūzīte. Viņa atgādināja inženierim acu pilienu iepilināšanas rīku, viņa sievai - bļodu dievgaldam.

1986. gadā Hull kopā ar partneriem izveidots 3D sistēmu korporācija. Gadu vēlāk viņi izlaida pirmo masveidā ražoto 3D printeri SLA-1. Sākotnēji izgudrojums piesaistīja automašīnu kompānijas: ar ierīces palīdzību tie izdrukāja sīku detaļu, piemēram, durvju rokturu, prototipus.

Astoņdesmito un deviņdesmito gadu vidus: citu 3D drukāšanas metožu pieaugums

20. gadsimta beigās parādījās vēl vairākas 3D drukas tehnoloģijas. Pirmkārt - selektīvā lāzera saķepināšana (SLS). Šeit kā "tinte" tiek izmantoti nevis sveķi, bet beztaras vielas. Tehnoloģiju autors Karls Dekards izstrādāts viņa kā Teksasas universitātes maģistrantūras studente. Profesors Džozefs Bīmens palīdzēja viņam izveidot ierīci. Pirmais SLS 3D printera izdrukātais objekts ir kubs. 1988. gadā Dekards patentēja izgudrojumu un nodibināja Desk Top Manufacturing.

Gadu vēlāk parādījās kausētā nogulsnēšanas metode (FDM). "Tinte" šajā gadījumā ir termoplastiski polimēri kvēldiega veidā. Tie ir uztīti uz spoles un ievietoti ierīces iekšpusē. Pēc tam polimērus karsē un ielej ieprogrammētajā formā. Šādas 3D drukas autors ir inženieris Skots Kramps. uz domu par to pamudināja dzīves pieredze. Crump strādāja uzņēmumā, kas plānoja izgatavot PCB izkraušanas ierīci. Taču lietas nenotika pēc plāna. Prototipu izstrāde prasīja ilgu laiku, kā rezultātā uzņēmums palaida garām iespēju ienākt tirgū. Tad inženieris nolēma atrast veidu, kā paātrināt šādus procesus. Viņš sāka eksperimentēt virtuvē: bruņojies ar karstās līmes pistoli un puscietiem plastmasas gēliem, viņš savai meitai izgatavoja rotaļu vardi. 1989. gadā viņš izveidoja vairākus ierīces modeļus, saņēma patentu un atvēra uzņēmumu Stratasys FDM 3D printeru ražošanai.

Pirmais FDM printeris parādījās 1991. gadā. Tagad tas ir arvisizplatītākais 3D drukas tehnoloģija.

Šāda metode ir tiešā lāzera augšana (LMD). Viņa nāca klajā ar 90. gados Sandia National Laboratories (ASV) pētnieki. Metāls šeit tiek izmantots kā drukas materiāls pulvera vai stieples vītnes veidā. LMD izmanto rūpniecībā – piemēram, detaļu izgatavošanai. Arī diezgan lielas. Piemēram, lielākais 3D printeris Krievijā ar šo tehnoloģiju spēj ražot izstrādājumi ar parametriem 2,2 metru diametrā un vienu metru augstumā. Instalācija saucas "ILIST-2XL", un tā tika izveidota Rosatom.

90. gadu beigas un 2000. gadi: biodrukas dzimšana

3D drukāšanas perspektīvas medicīnā tika pamanītas gandrīz uzreiz pēc tehnoloģiju parādīšanās. Pirmais eksperiments šajā jomā notika 1999. gadā pētnieki Bostonas Bērnu slimnīcā Hārvardas Medicīnas skolā. Izmantojot printeri, viņi izveidoja urīnpūšļa sastatnes no kolagēna un polimēriem. Un tad viņi manuāli ievietoja tajā pacientu donoru šūnas.

Patiesa biodruka parādījās 2003. gadā. Tehnoloģijas autors ir amerikāņu bioinženieris Tomass Bolands. Viņš aizstāts "tinte" uz šķidruma ar īstām dzīvām šūnām, un izmantoja īpašu substrātu kā pamatu to novietošanai. Rezultātā viņam izdevās izdrukāt baktēriju un zīdītāju šūnas. Tehnoloģiju patents saņemts 2006 gadā.

Tajā pašā virzienā uz nulli strādāja zinātnieku grupa profesora Gabora Forgača vadībā. Viņu NovoGen biodrukas tehnoloģija bija pirmā, kas guva komerciālus panākumus, kad Organova tika atvērta Sandjego 2007. gadā, lai to izplatītu. Pēc diviem gadiem tur atbrīvots viens no pirmajiem komerciālajiem 3D bioprinteriem ir Novogen MMX.

2000. gadu vidus: budžeta 3D printeru izveide

Ilgu laiku 3D printeri bija masīvi un dārgi. Tāpēc šķita neiespējami iegādāties šādu ierīci mājām. mainīt situāciju nolēma Britu pasniedzējs Adrians Bauers. Universitātē, kurā viņš strādāja, bija 40 000 mārciņu 3D printeris, kas tajā laikā bija viens no lētākajiem. Bet Bauers sapņoja padarīt to vēl budžetam draudzīgāku. 2005. gadā viņš nāca klajā ar ideju par RepRap — kompaktu 3D printeri, kas varētu izveidot lielāko daļu tā detaļu. Ja būtu viena šāda iekārta, būtu iespējams ražot daudz vairāk līdzīgu.

Tajā pašā 2005. gadā Bauers saņēma naudu savas idejas īstenošanai un par to runāja tīmeklī. RepRap ir atvērtā pirmkoda projekts: jebkura persona internetā var to modificēt un modificēt pēc savas patikas. Koncepcija ātri kļuva populāra. 2008. gadā tika izdots RepRap pirmais modelis ir Darwin. Tas izskatījās kā rāmis ar vadiem un stiprinājumiem. Viņš nebija īpaši skaists, bet diezgan funkcionāls: viņš varēja izdrukāt dažas savas daļas un citus priekšmetus, piemēram, automašīnas tālruņa turētāju.

RepRap nav vienīgais šāds projekts. 2006. gadā Kornela universitātes studenti iesniegts Atvērtā koda 3D printeris — Fab@Home. Viena no pirmajām lietām, ko viņš ar to izveidoja, bija silikona pulksteņa siksniņa un neliels propelleris.

2010. gadu sākums: 3D protēžu izstrāde

2013. gadā leļļu aktieris Ivans Ouens izveidots pirmā 3D drukātā roku protēze. Viņš sāka eksperimentēt ar tehnoloģijām ne tikai ziņkārības dēļ. Pie Ouena pienāca sieviete, kuras dēls piedzima bez labās rokas pirkstiem. Tajā laikā zēnam jau bija pieci gadi. Sākumā mākslinieks pievērsās pazīstamiem materiāliem, piemēram, metālam, un pat izveidoja no tiem pirmo prototipu. Taču drīz vien sapratu, ka bērns strauji aug, un roku pārtaisīšana katru gadu ir pārāk darbietilpīga. Tāpēc Ouens sāka pētīt 3D drukāšanu, prasīja kādam tehnoloģiju uzņēmumam pāris printerus laba mērķa labad un sāka modelēt roku datorā. Viss gāja labi – roka iznāca spēcīga un kustīga.

Ouens izgudrojumam nav licencējis. Tā vietā viņš projektu publicēja publiskajā telpā, lai citi cilvēki varētu izgatavot sev protēzi.

2010. gadu beigas: drukāto māju celtniecība

Ideja, ka liels 3D printeris ļautu uzbūvēt mājas ātrāk un mazāk darbietilpīgāk nekā klasiskie instrumenti, apspriests jau 20. gadsimta beigās. 2000. gados viņi sāka izstrādāt piemērotas mašīnas un tehnoloģijas, un 2010. gados jau parādījās pirmās drukātās mājas. Piemēram, 2015. gadā Ķīnas uzņēmums WinSun būvēts izmantojot sešstāvu ēkas printeri. 2016. gadā Dubaijā parādījās pielāgotas formas birojs: iespēja viegli izveidot pielāgotus dizainus ir viena no 3D drukas priekšrocībām būvniecībā.

2017. gadā Krievijā parādījās pirmās dzīvojamās ēkas, kas celtas, izmantojot šo tehnoloģiju Stupino Un Jaroslavļa. Un 2022. gadā Menas universitātes pētnieki 12 stundās izveidots pirmā māja, kas pilnībā apdrukāta no biomateriāliem - koka šķiedrām un sveķiem. Liela celtniecības "tintes" izvēle ir vēl viens 3D drukāšanas pluss. Šiem nolūkiem izmanto, piemēram, betonu, smiltis, vulkāniskos pelnus un rīsu sēnalas.

Ko tagad?

Mūsdienās 3D druka tiek aktīvi izmantota dažādās jomās. Ar tās palīdzību viņi rada apģērbu, pētniecības instrumentus, implantus un pat pārtiku. Tehnoloģijas iespējas tiek aktīvi pētītas, un tai ir daudz perspektīvu. Jā, zinātnieki ieteiktka nākotnē printeris varēs drukāt tieši cilvēka iekšienē, pēc iespējas ātrāk nomainot bojāto kaula vai skrimšļa zonu. Jau ir sīku ierīču piemēri in vivo lietojumprogrammām. Uz tādiem attiecas endoskopiskais robotizētais printeris F3DB, ko radījuši inženieri no Sidnejas. Un, ja pētnieki atrod veidu, kā programmēt 3D orgānus tā, lai tie nemanāmi iekļautos nervu un asinsrites sistēmās, izdodas ievērojami samazināt donoru palīdzības gaidīšanas sarakstu.