История создания современных 3D-принтеров

Еще до появления письменности люди научились делиться информацией при помощи рисунков на стенах пещер. Но у такого способа был существенный недостаток: эти записи нельзя было взять с собой. Со временем человечество придумало технологию печати, а в последующие века она существенно преобразилась и дошла до объемного, трехмерного варианта.

Первые упоминания о печати датируются вторым веком. В то время в Китае уже появилась некое подобие бумаги и краски, люди научились гравировать тексты на различных поверхностях. Вначале печатали на мраморных колоннах, камнях, но постепенно перешли на более удобные деревянные бруски. После изобретения бумаги печатное дело стало развиваться сильнее. В пятнадцатом веке Иоганн Гуттенберг придумал отливать из свинца трафареты с буквами и использовать их для последующего печатания на бумаге. Приблизительно через два века человечество перешло от трафаретов к печатным станкам. Первая серийная машинка была разработана Терри Пелегрино в 1808 году. А в 1868 году был выдан патент на машинку, которая уже была больше похожа на устройства, используемые в конце прошлого века.

Первые черно-белые принтеры появились в 1985 году, а в 1988 году началось производство цветных моделей. Сегодня большие и маленькие принтеры можно найти в офисе, в школе и даже практически в каждом доме, ведь эти аппараты нужны для учебы или работы.

В середине 1990-х годов в мировой экономике сложилась ситуация, в которой объем продаж заводов-производителей сократился в несколько раз, что означало переход на мелкосерийное производство. В конечном итоге компании обнаружили, что разработка форм, лекал и прототипов для все новых и новых моделей обходится весьма дорого. Примерно тогда становятся популярными устройства, способные быстро и с минимумом затрат изготавливать модели, — станки с числовым программным управлением. Многие из них так и остались в секторе производства, но интенсивное развитие отдельной ветви «эволюции» привело к появлению офисных принтеров объемной печати – так началась история развития 3D-печати.

3D печать ведёт свою историю с 1948 года, когда американец Чарльз Халл разработал технологию, которая позволяет из фотополимеров в жидком состоянии под действием лазера выращивать трехмерные объекты. И только в 1986 г. он получил патент на свое изобретение. В том же году он основал компанию «3D System» и приступил к разработке первого промышленного устройства для трёхмерной печати, которое было представлено общественности год спустя, в 1987 году. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, что объекты наращиваются послойно. Интересный факт, что Халл был химиком и его изобретение пришло ему во сне. А теперь благодаря его детищу можно совершить революцию в медицине. С его помощью уже печатают зубы, кости и даже целые органы.

Создав свой первый принтер и основав компанию 3D Systems, оборот которой теперь измеряется сотнями миллионов долларов, Халл положил начало целой отрасли. И хотя трехмерная печать является для нее привычным названием, все большее распространение получает другой термин — «аддитивные технологии». Это определение более емкое и лучше раскрывает суть изобретения. Ведь эта революция заключается в том, что в отличие от традиционных способов производства, когда из готового куска материала путем обработки получают готовое изделие, отсекая ненужное, при аддитивном подходе происходит обратное: продукт создается посредством постепенного добавления свежего материала. Сам процесс представляет собой следующего: луч лазера инициирует реакцию фотополимеризации, пластик затвердевает, и после определенного количества шагов вы получаете готовый объект. Подобные реакции были известны давно, но, чтобы совместить их с использованием печати, понадобилось время.

Примерно в то же время разработки вел японец Хидео Кадама и несколько французских ученых, которым даже удалось получить патент. Но Чарльз Халл пошел дальше и для коммерческого использования запатентованных разработок создал компанию 3D Systems. Поэтому он обрел большую известность.

Вначале 3D Systems создала несколько установок, которые носили название «аппарат для стереолитографии». После получения отзывов от своих покупателей компания усовершенствовала устройство и выпустила модель SLA 250. Стереолитография продолжает совершенствоваться: толщина слоя по данной технологии составляет 0,05-0,15 мм, а размеры объектов — около 50-60 см, хотя существуют исключения, доходящие до 2 метров.

Первые потребительские принтеры от компании 3D Systems появились в начале 2012 года. Они были в несколько десятков раз меньше и легче своих «предков». Чарльз Халл был не единственным изобретателем, который экспериментировал с технологий 3D печати. Наряду со стереолитографией развивались и другие технологии трёхмерной печати.

Технология формирования объёмных моделей из послойного листового материала (LOM) появилась в 1985 году, за год до получения Чарльзом Халлом патента на стереолитографию. Её автором считается 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. 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. Модели, изготовленные по технологии М. Фейгена, получаются шероховатыми, удалить лишний материал с их поверхности сложно из-за риска расслоения.

В 1986 году Карл Декарт изобрёл метод селективного лазерного спекания. Суть метода заключается в послойном спекании порошкового материала лазерным лучом. В рабочей камере порошок разогревается до температуры, граничащей с температурой плавления. После этого материал разравнивается и на его поверхности лазерный луч прорисовывает необходимый контур. Когда луч касается порошка, тот разогревается до температуры плавления и спекается. После этого в камеру насыпается новый слой порошка, и процесс спекания повторяется. Циклы добавления материала, его разравнивания и спекания повторяются по заранее заданной схеме до тех пор, пока на рабочем столе камеры не образуется готовая модель с шероховатой пористой структурой. Готовое изделие извлекается из принтера, а излишки порошка удаляются.

Устройство способно работать с порошковыми полимерами, литейным воском, нейлоном, керамикой, металлическими порошками, при этом при переходе с одного материала на другой камеру следует тщательно очистить от остатков прежнего материала. В одной камере можно выращивать сразу несколько моделей.

Технология послойного уплотнения была разработана израильской компанией Cubital в 1987 году. По своей сути она напоминает 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.

Аппарат, основанный на SGC технологии печати, использует дорогие, токсичные и достаточно редкие полимеры. Он работает достаточно шумно и требует постоянного контроля со стороны оператора. Ориентировочная стоимость трёхмерного принтера составляет 470 тыс. долларов США.

В 1988 г. Скотт Крамп запатентовал свое изобретение, идея которой – послойная заливка экструдируемым расплавом. Суть технологии заключается в том, что 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.

После получения патента на изобретение, Скотт Крамп основал компанию Stratasys по производству 3D печатающих устройств. Первый принтер 3D Dimension с экструдирующей печатающей головкой появился в 1991 году, его ориентировочная стоимость составляла от 50 до 220 тыс. долларов США.

Селективное лазерное спекание (SLS) было придумано Декардом и Биманом в Техасском университете в Остине. Двое ученых также создали компанию для продвижения своей технологии, но в 2001 ее выкупила 3D Systems.

Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1993 году 2 студента в Массачусетском технологическом институте придумали «технологию трехмерной печати» или 3DP. Эта разработка напоминала процесс печатания струйного принтера. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда, в 1996 г. же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Продажей и созданием устройств по такому принципу занималась Z corporation, которая просуществовала до 2012 года, так как ее выкупила 3D Systems.

Первые 3D-принтеры имели малую мощность, работали медленно, а при увеличении скорости изделия получались с большими погрешностями. Только в 2005 году появились 3D-принтеры с высоким качеством печати.

Следующие знаковые события в этой области произошли в 2005 году (появилась цветная печать) и 2006 году, когда Адриан Боуер основал проект RepRap. Именно по принципу Боуера работают большинство современных 3D-принтеров с технологией FDM. Целью проекта RepRap стало создание 3D-принтеров, которые могли бы воспроизводить свои запчасти. Через два года после начала проекта английскими конструкторами университета Бата был выпущен принтер, который способен печатать около половины своих деталей.

До 2008 года любой 3D-принтер мог работать только с использование одного вида расходного материала — пластика АВС. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Но компания Objet Geometries Ltd. разработала принтер Connex500, который мог работать с различными видами материалов одновременно.

История создания 3D-принтера продолжилась появлением технологии под названием PolyJet, основанной на использовании фотополимерного жидкого пластика. При таком способе печати головка «рисует» слой фотополимера, который моментально засвечивается лампой. Метод оказался выигрышным по многим параметрам: цена его значительно ниже, а высокая точность дает возможность изготовления не просто моделей, а готовых к применению деталей.

В 2010 году группа учёных Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института представила на суд общественности первый 3D принтер «Cornucopia» для воссоздания продуктов питания. В пищевой принтер вместо обычной бумаги загружаются продукты питания, которые аппарат охлаждает, смешивает и использует для создания готового продукта. Главными изобретателями печатающего устройства «Cornucopia» считаются учёные Амит Зоран и Марчелло Коэльо. Их инновационное устройство способно перевести кулинарию на новый виток развития. Концепт сможет «печатать» ранее неизвестные блюда с заранее заданной пищевой ценностью, качеством и вкусом. В следующем году появился биологический принтер, печатающий стволовыми клетками человека и животных.

В конце первого десятилетия XXI века группа 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. Оно функционирует также, как и обычный струйный принтер, но вместо чернил оно использует стволовые клетки людей и животных.

3D принтер способен печатать 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. Также учёные воссоздали сердце крысы, которое успешно работало после имплантации подопытному животному. Этот уникальный аппарат может заживлять раны прямо на пациенте, а также 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 2011 году учёные из Великобритании первыми показали 3D-принтер, на котором можно было напечатать любую фигурку из шоколада или простую шоколадную плитку. Принтер накладывает слои друг на друга. Благодаря способности шоколада быстро застывать и твердеть при охлаждении, процесс печати протекает довольно быстро. 2011 год — год создания первого самолета, напечатанного на 3D-принтере. Эта идея принадлежала инженерам из Университета Саутгемптона (Великобритания). Они сказали, что сложно было не в процессе печатании, а в стадии проектирования. Модель 3D-самолета прекрасно летала на сравнительно большой скорости. Раньше 3D-принтеры были громоздкие и стоили очень дорого, а в 2011 году исследователи из Венского Технологического Университета представили самый маленький, лёгкий и дешёвый по стоимости печати 3D-принтер. Новая модель работает по аддитивной технологии фотополимеризации светочувствительной смолы, весит 1,5 килограмма и стоит около 1200 евро. В 2012 году появились принтеры для домашнего использования, такой 3D-принтер печатает по технологии FDM. В 2014 году появился принтер для одновременной печати несколькими цветами и материалами. В этом же году многие корпорации проявили интерес к трехмерной печати. 3D-принтеры можно смело назвать самыми нужными и полезными приборами нашего настоящего и будущего. Технологии создания 3D-моделей широко используются в различных сферах. Например, небольшие 3D-принтеры могут создавать всякие мелочи, нужные в быту: игрушки, посуду, мебель и украшения. Ученые из Оксфордского университета предложил принтер, способного производить синтетические материалы, а также материалы с некоторыми свойствами живых тканей. Итальянский робототехник Энрико Дини создал принтер D-Shape, который может напечатать макет двухэтажного здания, включая комнаты, лестницы, трубы и перегородки. Он использует только песок и неорганический компаунд. Прочность полученного материала ученые сопоставляют с железобетоном. Сейчас количество материалов, которые используют для 3D-печати, перевалило за сто. Сегодня можно использовать такие материалы, как акрил, бетон, гидрогель, бумага, гипс, деревянное волокно, лед, металлический порошок, нейлон, поликапролактон, полилактид, полипропилен, полиэтилен низкого давления и шоколад. Сейчас печатают и торты, и целые дома, и даже модели сверхновых звезд, созданные в результате математического моделирования. На сегодня объем мирового рынка таких изделий составляет более $3 млрд, а по прогнозам на 2020 г. – эта цифра достигнет $12 млрд. Говорить о зрелости рынка еще рано, но тот факт, что крупнейший производитель авиадвигателей Rolls-Royce уже печатает лопасти турбин, доверяя жизни людей новой технологии, говорит сам за себя. Такие гиганты берутся за трехмерную печать не из простого любопытства. Дело в затратах. Если нужно создать прототип, показать его кому-то, сделать что-то, что по результатам испытаний придется доработать, лучшего способа, чем напечатать модель на 3D-принтере, не найти. Времени и денег тратится в разы меньше. Причем как напрямую, так и косвенно: материальные затраты при традиционном подходе, выраженные в количестве отходов, в некоторых отраслях достигают колоссальных значений. В авиастроении, например, есть даже такой показатель, как процент исходных материалов, находящий в итоге свое воплощение в самолете. Преимущества, благодаря которым появились сотни стартапов, создающих реальные вещи в разных отраслях – это быстрота прототипирования, низкие накладные расходы, доступность разнообразных 3D-принтеров вкупе с уменьшением стоимости и расширением ассортимента микроэлектронной базы. Но дело не только в простоте и дешевизне. Возвращаясь к авиационным двигателям, сегодня это сложнейшие с инженерной точки зрения изделия, которые испытывают колоссальные и многократные нагрузки. Раньше процесс создания некоторых деталей приходилось разбивать на несколько этапов, так как традиционный способ производства просто не позволял создавать объекты такой сложной формы за один раз. Теперь же с использованием 3D-печати это стало возможным. И, что немаловажно, создание таких изделий — прекрасная иллюстрация современного подхода к производству, когда большинство операций, начиная от создания чертежа и заканчивая функционированием изделия, управляется компьютером. Ведь до того, как начать печать, объект проектируется и обрабатывается на компьютере, переводится в специальный формат, понятный для принтера, и уже после этого отправляется, опять же в цифровом виде, на печать. Возможен и обратный, также связанный с компьютерной обработкой процесс: когда реальный объект оцифровывается при помощи 3D-сканера, переводится в формат чертежа и в неизменном или скорректированном виде воспроизводится на трехмерном принтере. С этим связано еще одно свойство аддитивных технологий: возможность быстрой подгонки готового изделия или создания нового с нуля в зависимости от конкретных потребностей клиента. Та же печать внутренних органов или частей скелета без учета особенностей конкретного пациента невозможна. У аддитивных технологий есть и свои недостатки. Основная критика фокусируется вокруг низкой скорости создания изделий и их качества. За 20 лет скорость 3D-печати увеличилась существенно. И будет увеличиваться и дальше: производители все чаще используют несколько печатающих головок, что не только ускоряет процесс, но и позволяет использовать разные цвета и даже материалы за один проход С качеством тоже не все так плохо, как утверждают многие. Модели, получающиеся с использованием недорогих, предназначенных для домашнего использования принтеров, выходят шероховатыми, проработка деталей хромает, но, с одной стороны, разрешающая способность устройств растет, а с другой — далеко не всегда даже в промышленном производстве нужно субмикронное разрешение. Чаще востребовано другое — возможность быстро напечатать, протестировать и в случае необходимости изменить модель и напечатать заново. А с этим у аддитивных технологий все в порядке. 3D-печать будет необходима во время экспансии человечества в космос. Ведь если доставка готовых изделий на орбиту будет по-прежнему оставаться дорогим удовольствием, будет проще и дешевле производить все там и из находящихся на астероидах, спутниках или планетах материалов.