Od majhne skodelice do visokih zgradb: kako se je spremenila tehnologija 3D tiskanja

Zgodnja 1980: prvi poskusi

Prva tehnologija 3D tiskanja ponujen Japonec Hideo Kodama leta 1981. Res je, da se takrat ni imenovalo 3D tiskanje, ampak hitra izdelava prototipov. Kodama je pripravil napravo, ki je delovala po metodi stereolitografije (SLA): laser je obseval fotopolimerno smolo in programirani predmet položil v plasteh. Vendar je samo opisal idejo, ni pa mogel predložiti dokazov, potrebnih za pridobitev patenta.

Približno v istem času se je samostojno začelo delo na napravi za hitro izdelavo prototipov ameriški inženir Charles Hull in Francoski inženirji Jean-Claude André, Alain le Meho in Olivier de Witt. V obeh primerih je bil dosežen uspeh. Leta 1984 so raziskovalci zaprosili za patent. Francozi so bili tri tedne naprej, a jim to ni pomagalo - njihov predlog je bil ocenjen kot neobetaven, zato niso vlagali v razvoj tehnologije. Toda Hull je bil uspešen, zato velja za izumitelja 3D tiskanja.

Hullov prvi tiskani kos je bila majhna skodelica. Inženirja je spomnila na pripomoček za vkapanje kapljic v oči, njegovo ženo - na skledo za obhajilo.

Leta 1986 je Hull skupaj s partnerji ustvarili 3D Systems Corporation. Leto pozneje so izdali prvi množično izdelan 3D-tiskalnik SLA‑1. Izum je sprva pritegnil avtomobilska podjetja: s pomočjo naprave so natisnili prototipe majhnih delov, kot so kljuke na vratih.

Sredina osemdesetih in devetdesetih let prejšnjega stoletja: vzpon drugih metod 3D tiskanja

Konec 20. stoletja se je pojavilo več tehnologij 3D tiskanja. prvi - selektivno lasersko sintranje (SLS). Tukaj se kot "črnilo" ne uporabljajo smole, ampak razsute snovi. Tehnološki avtor Carl Deckard razviti kot magistrski študent na Univerzi v Teksasu. Pri ustvarjanju naprave mu je pomagal profesor Joseph Beeman. Prvi predmet, ki ga natisne 3D-tiskalnik SLS, je kocka. Leta 1988 je Deckard patentiral izum in ustanovil Desk Top Manufacturing.

Leto kasneje se je pojavil metoda taljenega nanašanja (FDM). »Črnilo« so v tem primeru termoplastični polimeri v obliki filamenta. Naviti so na tuljavo in nameščeni znotraj naprave. Polimere nato segrejemo in vlijemo v programirano obliko. Avtor takšnega 3D tiskanja je inženir Scott Crump. na idejo o tem pozvani življenjska izkušnja. Crump je delal za podjetje, ki je nameravalo izdelati PCB razkladalnik. A ni šlo vse po načrtih. Izdelava prototipov je trajala dolgo, zato je podjetje zamudilo priložnost za vstop na trg. Nato se je inženir odločil najti način za pospešitev takšnih procesov. Začel je eksperimentirati v kuhinji: oborožen s pištolo za vroče lepilo in poltrdnimi plastičnimi geli je izdelal igračo žabo za svojo hčerko. Leta 1989 je ustvaril več modelov naprave, prejel patent in odprl podjetje za proizvodnjo 3D tiskalnikov Stratasys FDM.

Prvi FDM tiskalnik se je pojavil leta 1991. Zdaj je znajbolj pogost Tehnologija 3D tiskanja.

Naslednja metoda je direktna laserska rast (LMD). Njegovo izmislil raziskovalci v Sandia National Laboratories (ZDA) v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. Kovina se tu uporablja kot tiskovni material v obliki prahu ali žične niti. LMD se uporablja v industriji - na primer za izdelavo delov. Tudi precej velike. Na primer, največji 3D tiskalnik v Rusiji s to tehnologijo sposobni izdelati izdelki s parametri 2,2 metra v premeru in en meter v višino. Namestitev se imenuje "ILIST-2XL", nastala pa je v Rosatomu.

Pozna 1990-a in 2000-a: rojstvo biotiskanja

Obeti za 3D-tiskanje v medicini so bile opažene skoraj takoj po pojavu tehnologije. Prvi poskus na tem področju potekala leta 1999 raziskovalci v bostonski otroški bolnišnici na medicinski šoli Harvard. S tiskalnikom so ustvarili ogrodje mehurja iz kolagena in polimerov. In potem so nanj ročno položili donorske celice bolnikov.

Pravi bioprinting se je pojavil leta 2003. Avtor tehnologije je ameriški bioinženir Thomas Boland. On zamenjal »črnilo« na tekočini s pravimi živimi celicami, kot podlago za postavitev pa uporabili posebno podlago. Posledično mu je uspelo natisniti celice bakterij in sesalcev. Tehnološki patent prejeli v letu 2006.

V isto smer v nulo delal skupina znanstvenikov pod vodstvom profesorja Gabra Forgacha. Njihova tehnologija biotiskanja NovoGen je bila prva, ki je dosegla komercialni uspeh z lansiranjem Organove leta 2007 v San Diegu. Dve leti kasneje tam izpuščen eden prvih komercialnih 3D biotiskalnikov je Novogen MMX.

Sredina 2000-ih: izdelava proračunskih 3D tiskalnikov

Dolgo časa so bili 3D tiskalniki množični in dragi. Zato se je zdelo nemogoče kupiti takšno napravo za dom. spremeniti situacijo odločila Britanski predavatelj Adrian Bauer. Univerza, na kateri je delal, je imela 40.000 funtov vreden 3D-tiskalnik, enega najcenejših v tistem času. Toda Bauer je sanjal, da bi bil še bolj proračunski. Leta 2005 je prišel na idejo za RepRap, kompaktni 3D-tiskalnik, ki bi lahko ustvaril večino svojih delov. Z enim takim strojem bi bilo mogoče izdelati še veliko podobnih.

Istega leta 2005 je Bauer prejel denar za izvedbo svoje ideje in o tem spregovoril na spletu. RepRap je odprtokodni projekt: vsaka oseba na internetu ga lahko spreminja in spreminja po želji. Koncept je hitro postal priljubljen. Leta 2008 je bil izdan RepRapov prvi model je Darwin. Videti je bilo kot okvir z žicami in pritrdilnimi elementi. Ni bil preveč lep, a precej funkcionalen: lahko je natisnil nekatere svoje dele in druge predmete, kot je na primer držalo za telefon v avtomobilu.

RepRap ni edini tovrstni projekt. Leta 2006 so študenti Univerze Cornell predloženo Odprtokodni 3D tiskalnik - Fab@Home. Med prvimi stvarmi, ki jih je ustvaril z njim, sta bila silikonski pašček za uro in majhen propeler.

Zgodnje leto 2010: razvoj 3D protez

Leta 2013 lutkar Ivan Owen ustvarili prva 3D natisnjena protetična roka. S tehnologijo ni začel eksperimentirati le iz radovednosti. Owenu je pristopila ženska, katere sin se je rodil brez prstov na desni roki. Takrat je bil fant star že pet let. Sprva se je umetnik oziral proti znanim materialom, kot je kovina, in iz njih celo ustvaril prvi prototip. Toda kmalu sem ugotovil, da otrok hitro raste in da je vsakoletno obnavljanje roke preveč naporno. Tako se je Owen začel ukvarjati s 3D-tiskanjem, prosil tehnološko podjetje za nekaj tiskalnikov za dober namen in začel modelirati roko na računalniku. Vse je šlo dobro - roka je bila močna in gibljiva.

Owen izuma ni licenciral. Namesto tega je projekt objavil v javni domeni, da so si lahko drugi izdelali protezo.

Pozna leta 2010: Gradnja tiskanih hiš

Ideja, da bi velik 3D-tiskalnik omogočal hitrejšo in manj delovno intenzivno gradnjo hiš kot klasična orodja, razpravljali že ob koncu 20. stoletja. V 2000-ih so začeli razvijati ustrezne stroje in tehnologije, v 2010 pa so se že pojavile prve tiskane hiše. Na primer, leta 2015 kitajsko podjetje WinSun zgrajeno z uporabo tiskalnika šestnadstropne zgradbe. Leta 2016 v Dubaju pojavil pisarna po meri: možnost enostavnega ustvarjanja dizajnov po meri je ena od prednosti 3D tiskanja v gradbeništvu.

Leta 2017 so se prve stanovanjske stavbe, zgrajene s to tehnologijo, pojavile v Rusiji - v Stupino in Jaroslavlj. In leta 2022 so raziskovalci na Univerzi Maine v 12 urah ustvarili prva hiša, ki je v celoti natisnjena iz biomaterialov – lesnih vlaken in smol. Velika izbira gradbenih "črnil" je še en plus 3D tiskanja. Za te namene se na primer uporabljajo beton, pesek, vulkanski pepel in riževe lupine.

Kaj zdaj?

Danes se 3D tiskanje aktivno uporablja na različnih področjih. Z njegovo pomočjo ustvarjajo oblačila, raziskovalne instrumente, vsadke in celo hrano. Zmogljivosti tehnologije se aktivno raziskujejo in ima veliko možnosti. Da, znanstveniki predlagatida bo tiskalnik v prihodnosti lahko tiskal neposredno v človeka in kar najhitreje nadomestil poškodovano mesto kosti ali hrustanca. Obstajajo že primeri majhnih naprav za aplikacije in vivo. Takim velja endoskopski robotski tiskalnik F3DB, ki so ga ustvarili inženirji iz Sydneya. In če raziskovalci najdejo način za programiranje 3D organov, tako da se brezhibno prilegajo živčnemu in obtočnemu sistemu, uspeti znatno zmanjšati čakalni seznam za donatorsko pomoč.