Από ένα μικρό κύπελλο σε πολυώροφα κτίρια: πώς έχει αλλάξει η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης

Αρχές της δεκαετίας του 1980: πρώτα πειράματα

Η πρώτη τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης προσφέρεται Ο Ιάπωνας Hideo Kodama το 1981. Είναι αλήθεια ότι τότε ονομαζόταν όχι τρισδιάστατη εκτύπωση, αλλά γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων. Η Kodama βρήκε μια συσκευή που λειτουργούσε σύμφωνα με τη μέθοδο της στερεολιθογραφίας (SLA): ένα λέιζερ ακτινοβολούσε μια φωτοπολυμερή ρητίνη, τοποθετώντας ένα προγραμματισμένο αντικείμενο σε στρώματα. Ωστόσο, περιέγραψε μόνο την ιδέα, αλλά δεν μπορούσε να παράσχει τα απαραίτητα στοιχεία για την απόκτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας.

Περίπου την ίδια εποχή, ξεκίνησαν οι εργασίες σε μια συσκευή για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων ανεξάρτητα Αμερικανός μηχανικός Τσαρλς Χαλ και Γάλλοι μηχανικοί Jean-Claude André, Alain le Meho και Olivier de Witt. Η επιτυχία επετεύχθη και στις δύο περιπτώσεις. Το 1984, οι ερευνητές υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Οι Γάλλοι ήταν τρεις εβδομάδες μπροστά, αλλά αυτό δεν τους βοήθησε - η πρότασή τους θεωρήθηκε απρόβλεπτη, επομένως δεν επένδυσαν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Όμως ο Χαλ είχε επιτυχία, γι' αυτό και θεωρείται ο εφευρέτης της τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Το πρώτο τυπωμένο κομμάτι του Hull ήταν ένα μικρό κύπελλο. Θύμισε στον μηχανικό ένα εργαλείο για την ενστάλαξη οφθαλμικών σταγόνων, στη γυναίκα του - ένα μπολ για κοινωνία.

Το 1986, η Hull, μαζί με συνεργάτες δημιουργήθηκε 3D Systems Corporation. Ένα χρόνο αργότερα, κυκλοφόρησαν τον πρώτο 3D εκτυπωτή μαζικής παραγωγής, τον SLA‑1. Η εφεύρεση προσέλκυσε αρχικά εταιρείες αυτοκινήτων: με τη βοήθεια της συσκευής, εκτύπωσαν πρωτότυπα μικρών εξαρτημάτων, όπως χερούλια θυρών.

Μέσα της δεκαετίας του 1980 και της δεκαετίας του 1990: η άνοδος άλλων μεθόδων τρισδιάστατης εκτύπωσης

Στα τέλη του 20ου αιώνα, εμφανίστηκαν αρκετές ακόμη τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης. Πρώτα - επιλεκτική πυροσυσσωμάτωση λέιζερ (SLS). Εδώ ως «μελάνη» χρησιμοποιούνται όχι ρητίνες, αλλά χύδην ουσίες. Ο συγγραφέας τεχνολογίας Carl Deckard αναπτηγμένος ως φοιτήτρια μεταπτυχιακού στο Πανεπιστήμιο του Τέξας. Ο καθηγητής Joseph Beeman τον βοήθησε να δημιουργήσει τη συσκευή. Το πρώτο αντικείμενο που εκτυπώθηκε από τον εκτυπωτή 3D SLS είναι ένας κύβος. Το 1988, ο Deckard κατοχύρωσε την εφεύρεση και ίδρυσε την Desk Top Manufacturing.

Ένα χρόνο αργότερα εμφανίστηκε μέθοδος λιωμένης εναπόθεσης (FDM). Το «μελάνι» σε αυτή την περίπτωση είναι θερμοπλαστικά πολυμερή σε μορφή νήματος. Τυλίγονται σε πηνίο και τοποθετούνται μέσα στη συσκευή. Τα πολυμερή στη συνέχεια θερμαίνονται και χύνονται στο προγραμματισμένο σχήμα. Ο συγγραφέας μιας τέτοιας τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι ο μηχανικός Scott Crump. στην ιδέα του προτρέπεται εμπειρία ζωής. Ο Crump εργαζόταν για μια εταιρεία που σχεδίαζε να φτιάξει ένα πρόγραμμα εκφόρτωσης PCB. Όμως τα πράγματα δεν πήγαν σύμφωνα με το σχέδιο. Η δημιουργία πρωτοτύπων πήρε πολύ χρόνο, με αποτέλεσμα η εταιρεία να χάσει την ευκαιρία να εισέλθει στην αγορά. Τότε ο μηχανικός αποφάσισε να βρει έναν τρόπο να επιταχύνει τέτοιες διαδικασίες. Άρχισε να πειραματίζεται στην κουζίνα: οπλισμένος με πιστόλι θερμής κόλλας και ημι-στερεά πλαστικά τζελ, έφτιαξε έναν βάτραχο παιχνίδι για την κόρη του. Το 1989, δημιούργησε πολλά μοντέλα της συσκευής, έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και άνοιξε μια εταιρεία για την παραγωγή τρισδιάστατων εκτυπωτών Stratasys FDM.

Ο πρώτος εκτυπωτής FDM εμφανίστηκε το 1991. Τώρα είναι μεΤο συνηθέστερο Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Η ακόλουθη μέθοδος είναι άμεση ανάπτυξη λέιζερ (LMD). Του ήρθε με ερευνητές στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia (ΗΠΑ) τη δεκαετία του 1990. Το μέταλλο χρησιμοποιείται εδώ ως υλικό εκτύπωσης με τη μορφή σκόνης ή συρμάτινου νήματος. Το LMD χρησιμοποιείται στη βιομηχανία - για παράδειγμα, για τη δημιουργία ανταλλακτικών. Αρκετά μεγάλα επίσης. Για παράδειγμα, ο μεγαλύτερος τρισδιάστατος εκτυπωτής στη Ρωσία με αυτήν την τεχνολογία σε θέση να κατασκευάσει προϊόντα με παραμέτρους 2,2 μέτρα σε διάμετρο και ένα μέτρο ύψος. Η εγκατάσταση ονομάζεται "ILIST-2XL", και δημιουργήθηκε στη Rosatom.

Τέλη δεκαετίας 1990 και 2000: η γέννηση της βιοεκτύπωσης

Οι προοπτικές για την τρισδιάστατη εκτύπωση στην ιατρική παρατηρήθηκαν σχεδόν αμέσως μετά την έλευση της τεχνολογίας. Το πρώτο πείραμα σε αυτόν τον τομέα που πραγματοποιήθηκε το 1999 από ερευνητές στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ. Χρησιμοποιώντας έναν εκτυπωτή, δημιούργησαν ένα ικρίωμα κύστης από κολλαγόνο και πολυμερή. Και στη συνέχεια τοποθέτησαν χειροκίνητα κύτταρα δότη από ασθενείς σε αυτό.

Η αληθινή βιοεκτύπωση εμφανίστηκε το 2003. Ο συγγραφέας της τεχνολογίας είναι ο Αμερικανός βιομηχανικός Thomas Boland. Αυτός αντικαταστάθηκε «μελάνη» σε υγρό με πραγματικά ζωντανά κύτταρα, και χρησιμοποίησε ειδικό υπόστρωμα ως βάση για την τοποθέτησή τους. Ως αποτέλεσμα, κατάφερε να εκτυπώσει κύτταρα βακτηρίων και θηλαστικών. Τεχνολογικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας έλαβε το έτος 2006.

Στην ίδια κατεύθυνση στο μηδέν δούλεψε μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον καθηγητή Gabor Forgach. Η τεχνολογία βιοεκτύπωσης NovoGen ήταν η πρώτη που σημείωσε εμπορική επιτυχία όταν η Organova άνοιξε στο Σαν Ντιέγκο το 2007 για να τη διανείμει. Δύο χρόνια αργότερα εκεί απελευθερώθηκε ένας από τους πρώτους εμπορικούς τρισδιάστατους βιοεκτυπωτές είναι ο Novogen MMX.

Μέσα δεκαετίας του 2000: Κατασκευή οικονομικών τρισδιάστατων εκτυπωτών

Για πολύ καιρό, οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές ήταν τεράστιοι και ακριβοί. Ως εκ τούτου, φαινόταν αδύνατο να αγοράσετε μια τέτοια συσκευή για το σπίτι. αλλάξει την κατάσταση αποφασισμένος Ο Βρετανός λέκτορας Adrian Bauer. Το πανεπιστήμιο στο οποίο εργαζόταν είχε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή 40.000 λιρών, έναν από τους φθηνότερους εκείνη την εποχή. Αλλά ο Bauer ονειρευόταν να το κάνει ακόμα πιο φιλικό προς τον προϋπολογισμό. Το 2005, σκέφτηκε την ιδέα για τον RepRap, έναν συμπαγή τρισδιάστατο εκτυπωτή που θα μπορούσε να δημιουργήσει τα περισσότερα από τα μέρη του. Έχοντας ένα τέτοιο μηχάνημα, θα ήταν δυνατό να παραχθούν πολλά περισσότερα παρόμοια.

Το ίδιο 2005, ο Bauer έλαβε χρήματα για να εφαρμόσει την ιδέα του και μίλησε για αυτό στο Διαδίκτυο. Το RepRap είναι ένα έργο ανοιχτού κώδικα: κάθε άτομο στο Διαδίκτυο θα μπορούσε να το τροποποιήσει και να το τροποποιήσει όπως θέλει. Η ιδέα έγινε γρήγορα δημοφιλής. Το 2008 απελευθερώθηκε Το πρώτο μοντέλο της RepRap είναι ο Δαρβίνος. Έμοιαζε με πλαίσιο με καλώδια και συνδετήρες. Δεν ήταν πολύ όμορφος, αλλά αρκετά λειτουργικός: μπορούσε να εκτυπώσει μερικά από τα εξαρτήματά του και άλλα αντικείμενα, όπως μια θήκη τηλεφώνου αυτοκινήτου.

Το RepRap δεν είναι το μόνο τέτοιο έργο. Το 2006, φοιτητές στο Πανεπιστήμιο Cornell υποβλήθηκε Εκτυπωτής 3D ανοιχτού κώδικα - Fab@Home. Ανάμεσα στα πρώτα πράγματα που δημιούργησε με αυτό ήταν ένας ιμάντας ρολογιού από σιλικόνη και μια μικρή προπέλα.

Αρχές δεκαετίας 2010: Ανάπτυξη τρισδιάστατων προσθέσεων

Το 2013, κουκλοπαίκτης Ivan Owen δημιουργήθηκε το πρώτο 3D εκτυπωμένο προσθετικό χέρι. Άρχισε να πειραματίζεται με την τεχνολογία όχι μόνο από περιέργεια. Ο Όουεν πλησίασε μια γυναίκα της οποίας ο γιος γεννήθηκε χωρίς δάχτυλα στο δεξί του χέρι. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, το αγόρι ήταν ήδη πέντε ετών. Στην αρχή, ο καλλιτέχνης κοίταξε προς οικεία υλικά όπως το μέταλλο και μάλιστα δημιούργησε το πρώτο πρωτότυπο από αυτά. Αλλά σύντομα συνειδητοποίησα ότι το παιδί μεγαλώνει γρήγορα και το να ξανακάνω το χέρι κάθε χρόνο είναι πολύ επίπονο. Έτσι, ο Όουεν άρχισε να ψάχνει για τρισδιάστατη εκτύπωση, ζήτησε από μια εταιρεία τεχνολογίας μερικούς εκτυπωτές για καλό σκοπό και άρχισε να διαμορφώνει ένα χέρι σε έναν υπολογιστή. Όλα πήγαν καλά - το χέρι βγήκε δυνατό και κινητό.

Ο Όουεν δεν έδωσε άδεια για την εφεύρεση. Αντίθετα, δημοσίευσε το έργο στο δημόσιο τομέα, έτσι ώστε άλλοι άνθρωποι να μπορούν να φτιάξουν μια πρόσθεση για τον εαυτό τους.

Τέλη δεκαετίας 2010: Κατασκευή τυπογραφείων

Η ιδέα ότι ένας μεγάλος τρισδιάστατος εκτυπωτής θα καθιστούσε δυνατή την κατασκευή σπιτιών πιο γρήγορα και με μικρότερη ένταση εργασίας από τα κλασικά εργαλεία, συζητήθηκε ήδη από τα τέλη του 20ου αιώνα. Τη δεκαετία του 2000 άρχισαν να αναπτύσσουν κατάλληλα μηχανήματα και τεχνολογίες και στη δεκαετία του 2010 εμφανίστηκαν ήδη τα πρώτα τυπογραφεία. Για παράδειγμα, το 2015, η κινεζική εταιρεία WinSun χτισμένο χρησιμοποιώντας έναν εξαώροφο εκτυπωτή κτιρίου. Το 2016 στο Ντουμπάι εμφανίστηκε προσαρμοσμένο γραφείο: η δυνατότητα εύκολης δημιουργίας προσαρμοσμένων σχεδίων είναι ένα από τα πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης στις κατασκευές.

Το 2017, τα πρώτα κτίρια κατοικιών που κατασκευάστηκαν με αυτήν την τεχνολογία εμφανίστηκαν στη Ρωσία Στουπίνο Και Γιαροσλάβ. Και το 2022, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μέιν σε 12 ώρες δημιουργήθηκε το πρώτο σπίτι τυπωμένο εξ ολοκλήρου από βιοϋλικά - ίνες ξύλου και ρητίνες. Μια μεγάλη ποικιλία από δομικά "μελάνια" είναι ένα άλλο πλεονέκτημα της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Για τους σκοπούς αυτούς, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται σκυρόδεμα, άμμος, ηφαιστειακή τέφρα και φλοιοί ρυζιού.

Τώρα τι?

Σήμερα, η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιείται ενεργά σε διάφορους τομείς. Με τη βοήθειά του, δημιουργούν ρούχα, εργαλεία έρευνας, εμφυτεύματα, ακόμη και τρόφιμα. Οι δυνατότητες της τεχνολογίας διερευνώνται ενεργά και έχει πολλές προοπτικές. Ναι, επιστήμονες υποθέτωότι στο μέλλον ο εκτυπωτής θα μπορεί να εκτυπώνει απευθείας μέσα σε ένα άτομο, αντικαθιστώντας την κατεστραμμένη περιοχή του οστού ή του χόνδρου όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Υπάρχουν ήδη παραδείγματα μικροσκοπικών συσκευών για εφαρμογές in-vivo. Σε τέτοιο ισχύει ενδοσκοπικός ρομποτικός εκτυπωτής F3DB, που δημιουργήθηκε από μηχανικούς από το Σύδνεϋ. Και αν οι ερευνητές βρουν έναν τρόπο να προγραμματίσουν τρισδιάστατα όργανα έτσι ώστε να ταιριάζουν άψογα στο νευρικό και το κυκλοφορικό σύστημα, πετυχαίνω να μειώσει σημαντικά τη λίστα αναμονής για βοήθεια από δωρητές.