Od małej filiżanki po wieżowce: jak zmieniła się technologia druku 3D
Miscellanea / / June 13, 2023
Drukarki 3D pojawiły się niecałe 40 lat temu, ale już znacząco wpłynęły na różne dziedziny życia. Opowiemy, jak rozwinęły się możliwości druku 3D i do czego jest zdolny dzisiaj.
Wczesne lata 80.: pierwsze eksperymenty
Pierwsza technologia druku 3D oferowany Japoński Hideo Kodama w 1981 roku. To prawda, że \u200b\u200bnazywano to wtedy nie drukowaniem 3D, ale szybkim prototypowaniem. Kodama wymyślił urządzenie, które działało zgodnie z metodą stereolitografii (SLA): laser naświetlał żywicę fotopolimerową, układając zaprogramowany obiekt warstwami. Jednak tylko opisał pomysł, ale nie mógł przedstawić dowodów niezbędnych do uzyskania patentu.
Mniej więcej w tym samym czasie rozpoczęto samodzielne prace nad urządzeniem do szybkiego prototypowania amerykański inżynier Charlesa Hulla i inżynierowie francuscy Jean-Claude André, Alain le Meho i Olivier de Witt. W obu przypadkach osiągnięto sukces. W 1984 roku naukowcy złożyli wniosek patentowy. Francuzi mieli trzy tygodnie do przodu, ale to im nie pomogło - ich propozycję uznano za mało obiecującą, więc nie inwestowali w rozwój technologii. Ale Hull odniósł sukces, dlatego jest uważany za wynalazcę druku 3D.
Pierwszym wydrukowanym elementem Hulla był mały kubek. Inżynierowi przypomniała narzędzie do wkraplania kropli do oczu, żonie - miseczkę do komunii.
W 1986 Hull wraz ze wspólnikami Utworzony Firma Systemy 3D. Rok później wypuścili pierwszą masowo produkowaną drukarkę 3D, SLA-1. Wynalazek początkowo zainteresował firmy samochodowe: za pomocą urządzenia drukowały prototypy małych części, takich jak klamki do drzwi.
Połowa lat 80. i 90.: rozwój innych metod drukowania 3D
Pod koniec XX wieku pojawiło się jeszcze kilka technologii druku 3D. Pierwszy - selektywne spiekanie laserowe (SLS). Tutaj nie żywice, ale substancje sypkie są używane jako „atrament”. Autor technologii Carl Deckard rozwinięty ją jako studentkę studiów magisterskich na University of Texas. Profesor Joseph Beeman pomógł mu stworzyć urządzenie. Pierwszym obiektem wydrukowanym przez drukarkę 3D SLS jest sześcian. W 1988 roku Deckard opatentował wynalazek i założył firmę Desk Top Manufacturing.
Rok później pojawił się metoda osadzania topionego (FDM). „Atrament” to w tym przypadku polimery termoplastyczne w postaci filamentu. Nawinięte są na cewkę i umieszczone wewnątrz urządzenia. Polimery są następnie podgrzewane i wlewane do zaprogramowanego kształtu. Autorem takiego druku 3D jest inżynier Scott Crump. do pomysłu poproszony doświadczenie życiowe. Crump pracował dla firmy, która planowała wyprodukować urządzenie do rozładowywania PCB. Ale sprawy nie potoczyły się zgodnie z planem. Prototypowanie trwało długo, w efekcie firma straciła szansę na wejście na rynek. Wtedy inżynier postanowił znaleźć sposób na przyspieszenie takich procesów. Zaczął eksperymentować w kuchni: uzbrojony w pistolet do klejenia na gorąco i półpłynne plastikowe żele zrobił zabawkową żabę dla swojej córki. W 1989 roku stworzył kilka modeli urządzenia, uzyskał patent i otworzył firmę zajmującą się produkcją drukarek 3D Stratasys FDM.
Pierwsza drukarka FDM pojawiła się w 1991 roku. Teraz jest znajczęściej Technologia druku 3D.
Następująca metoda jest bezpośredni wzrost laserowy (LMD). Jego wymyślił naukowców z Sandia National Laboratories (USA) w latach 90. Jako materiał drukarski stosuje się tu metal w postaci proszku lub nici drucianej. LMD znajduje zastosowanie w przemyśle - na przykład do tworzenia części. Dość duże też. Na przykład największa drukarka 3D w Rosji z tą technologią w stanie wyprodukować produkty o parametrach 2,2 metra średnicy i jednego metra wysokości. Instalacja nosi nazwę „ILIST-2XL” i została stworzona w Rosatomie.
Koniec lat 90. i 2000.: narodziny biodruku
Perspektywy druku 3D w medycynie zauważono niemal natychmiast po pojawieniu się technologii. Pierwszy eksperyment w tej dziedzinie trzymany w 1999 roku przez naukowców z Boston Children's Hospital w Harvard Medical School. Za pomocą drukarki stworzyli rusztowanie pęcherza moczowego z kolagenu i polimerów. A potem ręcznie umieszczali na nim komórki dawców od pacjentów.
Prawdziwy biodruk pojawił się w 2003 roku. Autorem technologii jest amerykański bioinżynier Thomas Boland. On zastąpiony „atramentu” na płynie z prawdziwymi żywymi komórkami i użył specjalnego podłoża jako podstawy do ich umieszczenia. W rezultacie udało mu się wydrukować komórki bakterii i ssaków. Patent technologiczny otrzymane w 2006 roku.
W tym samym kierunku do zera pracował grupa naukowców kierowana przez profesora Gabor Forgach. Ich technologia biodrukowania NovoGen była pierwszą, która odniosła komercyjny sukces, wraz z wprowadzeniem na rynek Organova w 2007 roku w San Diego. Dwa lata później tam wydany jedną z pierwszych komercyjnych biodrukarek 3D jest Novogen MMX.
Połowa 2000 roku: budowanie budżetowych drukarek 3D
Przez długi czas drukarki 3D były masywne i drogie. Dlatego zakup takiego urządzenia do domu wydawał się niemożliwy. zmienić sytuację zdecydowany Brytyjski wykładowca Adrian Bauer. Uniwersytet, na którym pracował, miał drukarkę 3D o wartości 40 000 funtów, jedną z najtańszych w tamtym czasie. Ale Bauer marzył o tym, aby uczynić go jeszcze bardziej przyjaznym dla budżetu. W 2005 roku wpadł na pomysł RepRap, kompaktowej drukarki 3D, która mogłaby stworzyć większość jej części. Mając jedną taką maszynę można by wyprodukować znacznie więcej podobnych.
W tym samym 2005 roku Bauer otrzymał pieniądze na realizację swojego pomysłu i opowiedział o tym w sieci. RepRap to projekt typu open source: każda osoba w Internecie może go modyfikować i modyfikować według własnego uznania. Koncepcja szybko stała się popularna. W 2008 został wydany Pierwszym modelem RepRap jest Darwin. Wyglądało to jak rama z drutami i łącznikami. Nie był zbyt ładny, ale całkiem funkcjonalny: mógł wydrukować niektóre swoje części i inne przedmioty, takie jak uchwyt samochodowy na telefon.
RepRap to nie jedyny taki projekt. W 2006 roku studenci Uniwersytetu Cornell złożony Drukarka 3D typu open source - Fab@Home. Wśród pierwszych rzeczy, które z nim stworzył, był silikonowy pasek do zegarka i małe śmigło.
Początek 2010 roku: Rozwój protez 3D
W 2013 roku lalkarz Ivan Owen Utworzony pierwsza proteza dłoni wydrukowana w 3D. Zaczął eksperymentować z technologią nie tylko z ciekawości. Do Owena podeszła kobieta, której syn urodził się bez palców prawej dłoni. W tym czasie chłopiec miał już pięć lat. Początkowo artysta zwrócił się ku znanym materiałom, takim jak metal, a nawet stworzył z nich pierwszy prototyp. Szybko jednak zdałam sobie sprawę, że dziecko szybko rośnie, a przerabianie co roku rączki jest zbyt pracochłonne. Owen zaczął więc interesować się drukiem 3D, poprosił firmę technologiczną o kilka drukarek w szczytnym celu i zaczął modelować dłoń na komputerze. Wszystko poszło dobrze - ręka wyszła silna i mobilna.
Owen nie udzielił licencji na wynalazek. Zamiast tego umieścił projekt w domenie publicznej, aby inni ludzie mogli zrobić dla siebie protezę.
Koniec 2010 roku: Budowa drukarni
Pomysł, że duża drukarka 3D pozwoli budować domy szybciej i mniej pracochłonnie niż klasyczne narzędzia, omówione już pod koniec XX wieku. W 2000 roku zaczęto opracowywać odpowiednie maszyny i technologie, aw 2010 roku pojawiły się już pierwsze drukarnie. Na przykład w 2015 roku chińska firma WinSun wybudowany przy użyciu sześciopiętrowej drukarki budowlanej. W 2016 roku w Dubaju pojawił się biuro na miarę: możliwość łatwego tworzenia niestandardowych projektów to jedna z zalet druku 3D w budownictwie.
W 2017 roku w Rosji pojawiły się pierwsze budynki mieszkalne zbudowane w tej technologii - w Stupino I Jarosław. A w 2022 naukowcy z University of Maine w 12 godzin Utworzony pierwszy dom wydrukowany w całości z biomateriałów - włókien drzewnych i żywic. Duży wybór „farb” budowlanych to kolejny plus druku 3D. Do tych celów wykorzystuje się np. beton, piasek, popiół wulkaniczny i łuski ryżowe.
Co teraz?
Obecnie druk 3D jest aktywnie wykorzystywany w różnych dziedzinach. Z jej pomocą tworzą ubrania, instrumenty badawcze, implanty, a nawet żywność. Możliwości tej technologii są aktywnie badane i ma ona wiele perspektyw. Tak, naukowcy sugerowaćże w przyszłości drukarka będzie mogła drukować bezpośrednio wewnątrz człowieka, jak najszybciej zastępując uszkodzony obszar kości lub chrząstki. Istnieją już przykłady małych urządzeń do zastosowań in vivo. Do takiego dotyczy endoskopowa zrobotyzowana drukarka F3DB, stworzona przez inżynierów z Sydney. A jeśli badacze znajdą sposób na zaprogramowanie narządów 3D, tak aby bezproblemowo pasowały do układu nerwowego i krążenia, odnieść sukces znacznie skrócić listę oczekujących na pomoc darczyńców.