Pienestä kupista korkeisiin rakennuksiin: kuinka 3D-tulostustekniikka on muuttunut

1980-luvun alku: ensimmäiset kokeilut

Ensimmäinen 3D-tulostustekniikka tarjottu Japanilainen Hideo Kodama vuonna 1981. Totta, sitä ei silloin kutsuttu 3D-tulostukseksi, vaan nopeaksi prototyypiksi. Kodama keksi stereolitografiamenetelmällä (SLA) toimivan laitteen: laser säteilytti valopolymeerihartsia asettamalla ohjelmoidun kohteen kerroksittain. Hän kuitenkin kuvaili vain ideaa, mutta hän ei pystynyt toimittamaan patentin saamiseksi tarvittavia todisteita.

Samoihin aikoihin aloitettiin itsenäisesti nopean prototyyppien valmistuksen laite Amerikkalainen insinööri Charles Hull ja ranskalaiset insinöörit Jean-Claude André, Alain le Meho ja Olivier de Witt. Molemmissa tapauksissa onnistuttiin. Vuonna 1984 tutkijat hakivat patenttia. Ranskalaiset olivat kolme viikkoa edellä, mutta tämä ei auttanut heitä - heidän ehdotuksensa pidettiin lupaamattomana, joten he eivät investoineet teknologian kehittämiseen. Mutta Hull oli menestys, minkä vuoksi häntä pidetään 3D-tulostuksen keksijänä.

Hullin ensimmäinen painettu kappale oli pieni kuppi. Hän muistutti insinööriä työkalusta silmätippojen tiputtamiseen, hänen vaimoaan - kulhosta ehtoollista varten.

Vuonna 1986 Hull kumppaneidensa kanssa luotu 3D Systems Corporation. Vuotta myöhemmin he julkaisivat ensimmäisen massatuotannon 3D-tulostimen, SLA-1:n. Keksintö houkutteli aluksi autoyrityksiä: laitteen avulla tulostettiin prototyyppejä pienistä osista, kuten ovenkahvoista.

1980- ja 1990-luvun puoliväli: muiden 3D-tulostusmenetelmien nousu

1900-luvun lopulla ilmestyi useita lisää 3D-tulostustekniikoita. Ensimmäinen - selektiivinen lasersintraus (SLS). Tässä "musteena" ei käytetä hartseja, vaan bulkkiaineita. Teknologiakirjailija Carl Deckard kehitetty hänet maisteriopiskelijana Texasin yliopistossa. Professori Joseph Beeman auttoi häntä luomaan laitteen. Ensimmäinen SLS 3D -tulostimella tulostettu esine on kuutio. Vuonna 1988 Deckard patentoi keksinnön ja perusti Desk Top Manufacturingin.

Vuotta myöhemmin ilmestyi sulatettu pinnoitusmenetelmä (FDM). "Muste" on tässä tapauksessa termoplastisia polymeerejä filamentin muodossa. Ne kääritään kelalle ja asetetaan laitteen sisään. Sitten polymeerit kuumennetaan ja kaadetaan ohjelmoituun muotoon. Tällaisen 3D-tulostuksen tekijä on insinööri Scott Crump. sen ajatukseen kehotti elämänkokemusta. Crump työskenteli yrityksessä, joka suunnitteli valmistavansa piirilevyn purkukonetta. Mutta asiat eivät menneet suunnitelmien mukaan. Prototyyppien tekeminen kesti pitkään, minkä seurauksena yritys menetti mahdollisuutensa päästä markkinoille. Sitten insinööri päätti löytää tavan nopeuttaa tällaisia ​​prosesseja. Hän aloitti kokeiluja keittiössä: kuumaliimapistoolilla ja puolikiinteillä muovigeeleillä aseistettuna hän teki tyttärelleen lelusammakon. Vuonna 1989 hän loi useita laitemalleja, sai patentin ja avasi yrityksen Stratasys FDM 3D-tulostimien tuotantoa varten.

Ensimmäinen FDM-tulostin ilmestyi vuonna 1991. Nyt se on mukanayleisin 3D-tulostustekniikka.

Seuraava menetelmä on suora laserkasvu (LMD). Hänen keksi tutkijat Sandia National Laboratoriesissa (USA) 1990-luvulla. Metallia käytetään tässä painomateriaalina jauheen tai lankalangan muodossa. LMD: tä käytetään teollisuudessa - esimerkiksi osien valmistamiseen. Aika isojakin. Esimerkiksi Venäjän suurin tällä tekniikalla varustettu 3D-tulostin pystyy valmistamaan tuotteet, joiden parametrit ovat halkaisijaltaan 2,2 metriä ja korkeudella yksi metri. Installaatio on nimeltään "ILIST-2XL", ja se luotiin Rosatomissa.

1990-luvun loppu ja 2000-luku: biotulostuksen synty

3D-tulostuksen näkymät lääketieteessä huomattiin melkein heti tekniikan tulon jälkeen. Ensimmäinen kokeilu tällä alalla pidetään vuonna 1999 Harvard Medical Schoolin Bostonin lastensairaalan tutkijoiden toimesta. He loivat tulostimen avulla rakkotelineen kollageenista ja polymeereistä. Ja sitten he asettivat siihen manuaalisesti potilaiden luovuttajasoluja.

Todellinen biotulostus ilmestyi vuonna 2003. Tekniikan kirjoittaja on amerikkalainen bioinsinööri Thomas Boland. Hän vaihdettu "mustetta" nesteelle, jossa oli todellisia eläviä soluja, ja käytti erityistä substraattia niiden sijoittamisen perustana. Tämän seurauksena hän onnistui tulostamaan bakteerien ja nisäkkäiden soluja. Teknologiapatentti otettu vastaan vuonna 2006.

Samaan suuntaan nollassa teki töitä professori Gabor Forgachin johtama tiedemiesryhmä. Heidän NovoGen -biotulostusteknologiansa saavutti ensimmäisenä kaupallisen menestyksen Organovan lanseerauksen myötä vuonna 2007 San Diegossa. Kaksi vuotta myöhemmin siellä vapautettu yksi ensimmäisistä kaupallisista 3D-biotulostimista on Novogen MMX.

2000-luvun puoliväli: Budjetti-3D-tulostimien rakentaminen

3D-tulostimet olivat pitkään massiivisia ja kalliita. Siksi näytti mahdottomalta ostaa tällaista laitetta kotiin. muuttaa tilannetta päättänyt Brittiläinen luennoitsija Adrian Bauer. Yliopistossa, jossa hän työskenteli, oli 40 000 punnan 3D-tulostin, yksi halvimmista tuolloin. Mutta Bauer haaveili tehdä siitä entistä budjettiystävällisempää. Vuonna 2005 hän keksi idean RepRapista, kompaktista 3D-tulostimesta, joka voisi luoda suurimman osan sen osista. Yhden tällaisen koneen avulla olisi mahdollista valmistaa useita samanlaisia.

Samana vuonna 2005 Bauer sai rahaa ideansa toteuttamiseen ja puhui siitä verkossa. RepRap on avoimen lähdekoodin projekti: kuka tahansa Internetissä oleva henkilö voi muokata ja muokata sitä haluamallaan tavalla. Konseptista tuli nopeasti suosittu. Vuonna 2008 julkaistiin RepRapin ensimmäinen malli on Darwin. Se näytti rungolta langoilla ja kiinnikkeillä. Hän ei ollut kovin kaunis, mutta melko toimiva: hän pystyi tulostamaan osistaan ​​ja muista esineistään, kuten autopuhelimen pidikkeen.

RepRap ei ole ainoa tällainen projekti. Vuonna 2006 Cornellin yliopiston opiskelijat lähetetty Avoimen lähdekoodin 3D-tulostin - Fab@Home. Ensimmäisiä asioita, joita hän loi sillä, olivat silikoninen kellohihna ja pieni potkuri.

2010-luvun alku: 3D-proteesien kehitys

Vuonna 2013 nukkenäyttelijä Ivan Owen luotu ensimmäinen 3D-tulostettu käsiproteesi. Hän alkoi kokeilla teknologiaa ei vain uteliaisuudesta. Owenia lähestyi nainen, jonka poika syntyi ilman oikean käden sormia. Poika oli tuolloin jo viisivuotias. Aluksi taiteilija katseli tuttuja materiaaleja, kuten metallia, ja loi niistä jopa ensimmäisen prototyypin. Mutta pian tajusin, että lapsi kasvaa nopeasti, ja käden uusiminen joka vuosi on liian työlästä. Joten Owen alkoi tutkia 3D-tulostusta, pyysi teknologiayritykseltä paria tulostinta hyvään tarkoitukseen ja alkoi mallintaa kättä tietokoneella. Kaikki meni hyvin - käsi tuli vahvana ja liikkuvana.

Owe ei lisensoi keksintöä. Sen sijaan hän julkaisi projektin julkisuuteen, jotta muut ihmiset voisivat tehdä proteesin itselleen.

2010-luvun loppu: Painotalojen rakentaminen

Ajatus siitä, että suuri 3D-tulostin mahdollistaisi talojen rakentamisen nopeammin ja vähemmän työvoimavaltaisesti kuin perinteiset työkalut, keskusteltu jo 1900-luvun lopulla. 2000-luvulla alettiin kehittää sopivia koneita ja teknologioita, ja 2010-luvulla ilmestyivät jo ensimmäiset painotalot. Esimerkiksi vuonna 2015 kiinalainen yritys WinSun rakennettu käyttämällä kuusikerroksista rakennustulostinta. Vuonna 2016 Dubaissa ilmestyi räätälöity toimisto: kyky luoda helposti mukautettuja malleja on yksi 3D-tulostuksen eduista rakentamisessa.

Vuonna 2017 ensimmäiset tällä tekniikalla rakennetut asuinrakennukset ilmestyivät Venäjälle - vuonna Stupino Ja Jaroslavl. Ja vuonna 2022 Mainen yliopiston tutkijat 12 tunnissa luotu ensimmäinen talo, joka on painettu kokonaan biomateriaaleista - puukuiduista ja hartseista. Laaja valikoima rakennusmusteita on toinen 3D-tulostuksen plussa. Näihin tarkoituksiin käytetään esimerkiksi betonia, hiekkaa, vulkaanista tuhkaa ja riisin kuoria.

Mitä nyt?

Nykyään 3D-tulostusta käytetään aktiivisesti eri aloilla. Sen avulla he luovat vaatteita, tutkimusinstrumentteja, implantteja ja jopa ruokaa. Teknologian mahdollisuuksia tutkitaan aktiivisesti, ja sillä on monia näkymiä. Kyllä, tiedemiehet ehdottaaettä tulostin pystyy tulevaisuudessa tulostamaan suoraan ihmisen sisälle korvaamalla vaurioituneen luun tai ruston alueen mahdollisimman nopeasti. Pienistä laitteista on jo esimerkkejä in vivo -sovelluksiin. Sellaisille pätee Endoskooppinen robottitulostin F3DB, jonka ovat luoneet Sydneyn insinöörit. Ja jos tutkijat löytävät tavan ohjelmoida 3D-elimiä niin, että ne sopivat saumattomasti hermostoon ja verenkiertoelimiin, menestyä vähentää merkittävästi luovuttajien avun jonotuslistaa.