Первый в мире: история первого 3D-принтера и развития 3D-печати

Кажется, что уже достаточно давно 3D-печать стала совершенно неотъемлемым элементом производства — даже в тех отраслях, где она не производит конечные товары напрямую, почти везде она применяется при проектировании и прототипировании новых изделий. Сейчас уже сложно представить себе современную промышленность без такого удобного и полезного процесса. Но, конечно же, так было далеко не всегда, и столь широкое распространение она получила лишь за последние лет десять. Тем не менее, история 3D-печати насчитывает давно уже не 10 и не 20 лет.

Как же всё начиналось и куда идет сейчас? Мы расскажем вам об этом в этой статье.

Содержание:

Появление идеи в сороковых

В 1945 году писатель-фантаст Мюррей Лейнстер опубликовал рассказ под названием "Things Pass By" (“Вещи преходящие”), в котором описал любопытное устройство, которое он назвал "конструктор". Это был аппарат, который, в отличие от других видов станков, мог читать любые чертежи и превращать их в детали, "рисуя в воздухе".

«Процесс был точно таким же, как у насекомого, плетущего кокон, за исключением того, что в результате получалась не масса сплетенных вместе нитей, а сплошная стена из твердого пластика, прочного как сталь, но гораздо более легкого», — писал Лейнстер.

Потребовались годы, чтобы реальность сначала догнала научную фантастику, а потом и превзошла её, но в конце концов это произошло.

Первые разработки в семидесятых

Фрагмент описания из патента Готвальда на “жидкостный металлический рекордер”.

В 1971 году Йоханнес Ф. Готвальд запатентовал устройство для печати расплавленным металлом. По-видимому, это первый патент, описывающий 3D-печать. Готвальд работал в компании Teletype в 1969 году, когда подал заявку на регистрацию патента машины, которую он назвал “жидкостным металлическим магнитофоном”. Патент был выдан в 1971 году и впоследствии передан компании AT&T Teletype Corporation.

“Рекордер на жидком металле” модифицировал технологию струйной печати, которая также в то время была относительно новой, чтобы использовать расплавленный металл в качестве материала. При печати устройство должно было нагревать металлы с низкой температурой плавления до жидкого состояния, а затем переносить металл на носитель, придавая ему нужную форму, где он остывал и приобретал твердость.

Хотя идея была здравой, изобретатель отметил в своем патенте, что материалы, необходимые для создания больших изделий с помощью этой технологии, являются ограничивающим фактором. В конце концов, кто захочет держать в своем офисе запас металла, чтобы обеспечить печать?

Чем же так примечательно изобретение Готвальда? Ведь Готвальд был не единственным изобретателем, который придумал, как создавать предметы, используя машины для манипулирования материалами. Многие изобретатели, в том числе Джозеф Э. Блантер, Мюррей Лейнстер и Хидео Кодама, мечтали создавать объекты с помощью перемещения частиц материала.

Переход от чернил на бумаге к металлу на металле был значительным шагом. Патент Готвальда указал путь другим изобретателям, которые разделяли его идею о том, что машина может позволить инженерам использовать аддитивные методы производства в широких масштабах. В конце концов, процесс стереолитографии (SLA) Билла Мастерса и устройство для 3D-печати Чака Халла проложили путь к внедрению 3D-печати в массы, или, по крайней мере, в промышленность.

Творческий подход заставил изобретателей искать пути расширения использования материалов для аддитивного производства.

В 1974 году концепция 3D-печати была изложена британским ученым и писателем Дэвидом Джонсом (David E.H. Jones). Но методы и материалы для изготовления моделей были разработаны только в начале 1980-х годов.

Попытки реализации в восьмидесятых

1981 год ознаменовался первыми попытками 3D-печати доктором Кодаме: он был первым, кто описал послойный метод производства, подобный SLA. Из-за проблем с финансированием, доктор Кодаме не выполнил патентную заявку до установленного срока, и патент ему так и не был выдан.

В 1984 году Чак Халл подал патентную заявку на изобретение, которое получило название «Аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии», а для реализации своих идей Чак основал фирму 3D Systems.

1988 год: первый коммерческий 3D-принтер 3D Systems

Первый в мире коммерческий 3D-принтер компания 3D Systems запустила в производство и продажу в 1988 году.

Развитие технологий 3D-печати в восьмидесятые

В 1988, В Техасском университете, Карл Декард получил патент на технологию SLS — еще один метод 3D-печати, при котором крупицы порошка сплавляются вместе с помощью лазера.

Тем временем Скотт Крамп, соучредитель компании Stratasys Inc., в том же году подал патент на технологию Fused Deposition Modelling (FDM), наиболее распространенную теперь среди домашних и бюджетных 3D-принтеров.

Три основные технологии 3D-печати были запатентованы менее чем за десять лет, так 3D-печать родилась как явление. Владение 3D-принтером в восьмидесятых стоило до 300 000 долларов, это эквивалентно приблизительно 650 тысячам долларов 2016 года.

Девяностые, 3D-печать идет в промышленность

В 1990 году крупнейший германский автоконцерн BMW стал первым клиентом компании EOS GmbH, основанной Хансом Й. Лангером, заказав стереолитографическую систему 3D-печати STEREOS 400. EOS GmbH и сейчас остается одним из ведущих разработчиков промышленного оборудования для 3D-печати.

В девяностых развитие аддитивного производства происходит стремительно. Появляются основные производители 3D-принтеров, разрабатываются и совершенствуются технологии печати, начинают разрабатываться программные инструменты для 3D-моделирования, выводящие аддитивное производство на совершенно новый уровень.

В 1992 году компании Stratasys был выдан патент на метод 3D-печати Fused Deposition Modeling (FDM). С тех пор компания разработала множество 3D-принтеров для профессионалов, инженеров и изобретателей.

В 1999 году появилась биопечать — был успешно создан первый искусственный орган, — каркас из временных клеток, напечатанный в форме мочевого пузыря, был засеян клетками реципиента для снижения риска отторжения, а затем весь контур искусственного органа был внедрен в организм пациента для замены существующего. В течение десяти лет после операции у реципиента трансплантата не возникло никаких опасных осложнений, связанных с процедурой.

Нулевые, 3D-печатный протез и развитие недорогих принтеров

В 2008 году 3D-печать получила ещё большую известность в СМИ, благодаря еще одному медицинскому применению — первому 3D-печатному протезу конечности.

В том же году появился копирующий сам себя 3D-принтер Reprap Darwin. Этот проект с открытым исходным кодом позволил привлечь внимание к 3D-печати. Многие люди всерьез заговорили о возможностях 3D-технологий.

В 2009 истек срок действия патентов Stratasys Inc. на процесс печати FDM и эта технология стала достоянием общественности, открыв путь новым компаниям. Пошла волна инноваций в FDM — производители совершенствовали технологию, производя свои принтеры, и цены на настольные 3D-принтеры стали падать, а их популярность — расти.

В 2010 годы аддитив приходит в авиацию

В массовом производстве, и в частности в металлообработке, над аддитивным производством до сих пор преобладают такие технологии, как литье и штамповка, но 3D-технологии активно внедряются в разных отраслях. Учитывая преимущества проектирования для аддитивного производства, инженерам становится ясно, что для многих применений цифровое проектирование и аддитивное производство предпочтительны.

В 2016 году одним из примеров внедрения 3D-технологий стала покупка компанией Airbus, проектирующей и производящей гражданские авиасуда, первого из двигателей LEAP компании GE. В этот двигатель были интегрированы 3D-печатные топливные сопла, что позволило сократить количество деталей с 20 до 1, снизить вес на 25% и сократить время сборки.

Другие отрасли производства

2010 год: Urbee стал первым 3D-печатным автомобилем. Его кузов был полностью напечатан с помощью очень большого 3D-принтера.
2011 — начата разработка первого пищевого 3D-принтера.
2012 — напечатан и пересажен первый протез челюсти.
2013 — пересажена первая напечатанная на 3D-принтере почка.
2015 — российской компанией «СПЕЦАВИА» был напечатан первый жилой дом в Европе, площадь дома составила 165 кв.м.

2020 годы продолжают развитие 3D-печати

В 2021 году Стив Верзе, потерявший глаз, получил первый в мире полностью 3D-печатный глазной протез в лондонской офтальмологической клинике Мурфилдс, а ранее созданные 3D-печатные почки продолжают прекрасно работать и исследователи проводят эксперименты по ускорению их роста.

В 2023 году уже большинство людей может войти в мир 3D-печати. Принтеры достойного качества для освоения начального уровня работы с аддитивными технологиями можно найти по всё более и более низкой цене, уже менее 300 долларов США.

Аддитивное производство сегодня дает возможность создавать детали достаточной прочности, надежности и точности для всё большего количества применений, в том числе для наукоемких и требовательных к характеристикам деталей отраслей, ведь технологии и материалы в 3D-печати развиваются.

Сейчас это уже далеко не один десяток полимеров, как обычных, так и сверхпрочных и тугоплавких, композитных материалов из полимеров с добавками для разных целей, металлов и сплавов, а также стройматериалы для строительной 3D-печати и многое, многое другое — новые материалы появляются постоянно, и всё более совершенные 3D-принтеры выходят на рынок каждый год.

Развитие 3D-печати

Пока методы и технологии 3D-печати развиваются, создаются всё более совершенные новые технические решения и составы материалов для объемного машинного моделирования, увеличивается точность 3D-печати и улучшается её качество, а также разнообразие полезных свойств 3D-печатных деталей.

У всех без исключения технологий и технических решений в этой сфере есть свои плюсы и минусы, свои положительные и отрицательные черты, и применение они находят в соответствии с этими своими свойствами.

Рассмотрим ниже несколько существующих аддитивных технологий.

Технология 3D-печати LOM

LOM (от англ. laminated object manufacturing), как и следует из названия, представляет собой методику производства объектов, основанную на ламинировании слоёв, ее создал в 1985 Михаило Фейген. При производстве по этой технологии трехмерный объект создается соединением между собой готовых слоев материала, таких как полимер, бумага, текстиль, различные композиты. При этом методе каждый слой вырезается лазерным лучом, а потом слои соединяются с помощью нагрева и спрессовывания.

Это финансово выгодный способ 3D-печати, не требующий много средств на материалы, а также максимально простой для понимания и освоения. Но сами установки для печати по технологии LOM стоят достаточно дорого, в десятки раз дороже FDM-аппаратов с аналогичной или схожей областью построения.

Цена оборудования стала одной из причин того, что эта технология популярна только у отдельных инженеров, художников и архитекторов. Именно высокая стоимость, а также некоторая громоздкость как самих аппаратов, так и материалов для них — основные причины того, что такого рода установки применяются в основном на производствах.

Технология 3D-печати SLS

Технология SLS, то есть “избирательное лазерное спекание” (selective laser sintering) — это технология спекания частиц порошка лазерным лучом. Это происходит так:

частицы материала в виде порошка наносятся на платформу ровным слоем,
лазер “сканирует” поверхность порошка, то есть луч проходит по ней и спекает между собой частицы, создавая этим слой модели,
наносится и выравнивается следующий слой,
и весь цикл происходит повторно для каждого нового слоя, пока модель не будет завершена полностью.

Так как порошковый материал создает плотную массу в камере печати, он же служит и поддержкой для печатаемой модели, а это дает возможность во-первых не печатать опоры, что экономит материал, а во-вторых — создавать очень сложные модели, которые невозможно напечатать большинством других методов.

Сырьем для печати по этой технологии служат как правило порошки из полимеров разного состава и композитные материалы с полимерами в составе. Похожая до степени смешения технология для печати металлами называется SLM — selective laser melting, — “избирательное лазерное плавление”. Как сырье для нее используются металлические порошки разного состава.

Технология 3D-печати SGC

Solid ground curing — масочная стереолитография или “технология послойного уплотнения”, созданная специалистами израильской компании Cubital, при которой изображение слоя детали проецируется на слой фотополимерного состава, который затвердевает под действием света, образуя слой детали, соответственно. Пустоты в модели заполняются воском, после чего процедура происходит повторно, для создания следующего слоя, и так повторяется до завершения модели. После завершения печати деталь нагревается и воск вытекает из нее.

Оборудование для печати по этой технологии стоит немалых денег, а фотополимеры токсичны, их испарениями лучше не дышать.

Технология 3D-печати FDM

Fused deposition modeling это, пожалуй, самая распространенная технология 3D-печати в бюджетном и ультрабюджетном сегментах. Единственное отличие от нее технологии FFF — еще большая бюджетность, которая выражается в отсутствии термоизолирующей камеры, которая нужна при этой технологии для того, чтоб модель во время печати не растрескивалась, чтоб защитить ее от сквозняков, а заодно и оператора — от вдыхания испарений расплавленного пластика.

Итак, моделирование расплавленным размещением, как ее название дословно переводится, оно же “послойное наплавление” — это максимально простая для понимания технология. Полимерные материалы, служащие в ней сырьем для печати, подаются в виде прутка (тонкой проволоки) из катушки, нагреваются в термоблоке и, уже расплавленными, наносятся соплом на платформу принтера. Печатная головка движется над платформой, рисуя выдавливаемым сквозь сопло расплавленным пластиком слой изделия, а по завершении слоя рисуется следующий поверх него, и так — до завершения модели.

Это один из самых недорогих методов 3D-печати, как по стоимости материалов, так и по ценам на 3D-принтеры. Получаемые по этой технологии модели относительно быстро печатаются, они недороги и могут быть весьма внушительных размеров, в этом их несомненное преимущество. Большинство игрушек и бытовых полезных приспособлений печатается людьми на собственных недорогих домашних 3D-принтерах именно по этой технологии.

Проект развития 3D-печати RepRap

Replicating Rapid Prototyper, он же RepRap — это проект для энтузиастов 3D-печати, как частных лиц так и компаний, и его целью было заявлено создание самовоспроизводящегося 3D-принтера. Проект создан в 2006, а первый экземпляр такого принтера свет увидел в 2008 году. Конечно, современный нам 3D-принтер еще не может напечатать себя полностью, ведь в его составе очень много деталей из разных материалов, много электроники, а значит какой-то один из ныне существующих 3D-принтеров с этим никак не справится. Существующие прототипы могли печатать где-то процентов пятьдесят своих деталей.

Это опенсорсный проект (Open Source — ”открытый источник”), а значит документация по нему официально доступна всем на безвозмездной основе. Все чертежи и схемы, а зачастую и подробнейшие инструкции с пояснениями авторов, настоящих энтузиастов своего дела, эти самые авторы выкладывают бесплатно на общее благо. Любой достаточно продвинутый любитель, обладая начальными знаниями по электромонтажу и одним 3D-принтером, может производить новые 3D-принтеры, покупая для них лишь то, что нельзя напечатать — приводные ремни, сервомоторчики, крепеж (винты, гайки, шайбы), электронику, провода и разъемы, а также отдельные детали механизма, которым лучше быть металлическими. Все пластиковые части можно напечатать.

Производимые таким способом принтеры можно продавать или дарить друзьям, а главное — развивать в процессе свои навыки и совершенствовать конструкцию.

Пищевые 3D-принтеры

Пищевые 3D-принтеры фактически просто формируют из заранее подготовленных пастообразных продуктов готовые кулинарные изделия. Они выдавливают пищевую массу на платформу послойно, формируя из нее пищевые продукты для непосредственного употребления.

Некоторые пищевые принтеры также работают с тестом, и напечатанные ими модели можно запечь, а существует и принтер для печати блинов, состоящий из автоматизированной рисующей тестом головки и нагревающейся поверхности для жарки.

Одним из примеров пищевого 3D-принтера можно считать проект студентов MIT Амита Зорана и Марчелло Коэльо, создавших компанию Fluid Interfaces Group и выпустивших 3D-принтер Cornucopia («Рог изобилия»). Существует несколько подобных проектов, некоторые из которых также выпускают свои пищевые 3D-принтеры и продают всем желающим. Также существует, например, принтер для “печати” картинок на пенке кофе в чашке, сырьем выступает любой порошкообразный пищевой продукт, такой как корица или шоколадная крошка.

3D-принтеры в медицине

Применение 3D-печати в медицине и ветеринарии, в обучении тому и другому, в непосредственно лечении и подготовке к операциям, в уходе за медицинскими инструментами и их создании, а также в протезировании и создании всевозможных приспособлений для лечения и реабилитации — несмотря на столь недавнее начало, уже настолько обширная тема, что ее невозможно охватить в одной статье.

Предлагаем ознакомиться с нашими статьями о 3D-печати в медицине подробнее:

Вкратце же можно сказать, что нынешние биопринтеры, печатающие живыми клетками и межклеточным веществом, уже сейчас могут создавать:

кровеносные сосуды,
кожные покровы,
фрагменты, состоящие из живых клеток и соединительных тканей,
костные и хрящевые ткани,
целые органы.

Печатающие полимерами принтеры создают множество необходимых для реабилитации изделий, таких как корсеты, стельки и лангеты, а печатающие металлом — уникальные для каждого пациента титановые эндопротезы для восстановления костей.

Перспективы 3D-печати

3D-печать в разных областях изысканий и применения уже перестала быть технологией одного лишь будущего. Прочно войдя в нашу жизнь, она стала неотъемлемой частью почти во всех отраслях народного хозяйства и областях науки.

В ближайшие годы применение 3D-принтеров продолжит расширяться и углубляться, проникая во все сферы жизни, пока не станет совершенно обыкновенным и обыденным для всех. Помимо прочих областей, наиболее перспективны для применения 3D-печати такие направления, как:

Строительство и ремонт зданий, малых архитектурных форм, других элементов городского благоустройства;
Медицина и медтехника во всём их разнообразии;
Автопром и тяжелое машиностроение во всех областях, которых они касаются, от выпуска до ремонта, модернизации и кастомизации;
Пищевая промышленность;
Космическая отрасль: от печати деталей для будущих космических кораблей, до создания необходимых деталей и инструментов на орбите.

И это, разумеется, далеко не все области применения, но лишь самые перспективные, ведь невозможно описать всё в одной статье. Для примера, мы не коснулись того, как 3D-печать скажется на легкой промышленности, на производстве персонализированных предметов обихода, которые будет проще напечатать, чем найти в продаже и дождаться доставки, на создании уникальных предметов одежды и обуви, элементов интерьера для дома и многого другого.

Только будущее покажет, чем еще нам сможет быть полезна 3D-печать. И мы с нетерпением ждём, когда сможем это увидеть.