Kis csészétől a sokemeletes épületekig: hogyan változott a 3D nyomtatási technológia

1980-as évek eleje: első kísérletek

Az első 3D nyomtatási technológia felajánlott A japán Hideo Kodama 1981-ben. Igaz, akkor ezt nem 3D nyomtatásnak, hanem gyors prototípus-készítésnek hívták. A Kodama egy olyan eszközzel rukkolt elő, amely a sztereolitográfia (SLA) módszere szerint működött: a lézerrel fénypolimer gyantát sugároztak be, és egy programozott objektumot rétegesen raktak ki. Ő azonban csak az ötletet írta le, de a szabadalom megszerzéséhez szükséges bizonyítékokat nem tudta megadni.

Körülbelül ugyanebben az időben megkezdődött egy önálló gyors prototípus-készítésre szolgáló eszköz kidolgozása amerikai mérnök Charles Hull és francia mérnökök Jean-Claude André, Alain le Meho és Olivier de Witt. Mindkét esetben sikerült is. 1984-ben a kutatók szabadalmat kértek. A franciák három héttel előbbre jártak, de ez nem segített rajtuk – javaslatukat kilátástalannak tartották, ezért nem fektettek be a technológia fejlesztésébe. De Hull sikeres volt, ezért őt tartják a 3D nyomtatás feltalálójának.

Hull első nyomtatott darabja egy kis csésze volt. Emlékeztette a mérnököt a szemcseppek csepegtetésére szolgáló eszközre, a feleségét pedig egy tálra a közösségért.

1986-ban Hull partnereivel együtt létre 3D Systems Corporation. Egy évvel később kiadták az első sorozatgyártású 3D nyomtatót, az SLA-1-et. A találmány kezdetben az autógyártó cégeket vonzotta: a készülék segítségével apró alkatrészek, például ajtókilincsek prototípusait nyomtatták.

Az 1980-as és 1990-es évek közepe: más 3D nyomtatási módszerek térnyerése

A 20. század végén számos további 3D nyomtatási technológia jelent meg. Első - szelektív lézeres szinterezés (SLS). Itt nem gyantákat, hanem ömlesztett anyagokat használnak "tintaként". Carl Deckard technológiai szerző fejlett mesterszakos hallgatóként a Texasi Egyetemen. Joseph Beeman professzor segített neki az eszköz létrehozásában. Az SLS 3D nyomtatóval kinyomtatott első objektum egy kocka. 1988-ban a Deckard szabadalmaztatta a találmányt, és megalapította a Desk Top Manufacturing céget.

Egy évvel később megjelent olvasztott leválasztási módszer (FDM). A "tinta" ebben az esetben a hőre lágyuló polimerek, szál formájában. Tekercsre vannak feltekerve és a készülék belsejébe helyezik. A polimereket ezután felmelegítik és a programozott formába öntik. Az ilyen 3D nyomtatás szerzője Scott Crump mérnök. annak gondolatához felszólította élettapasztalat. Crump egy olyan cégnek dolgozott, amely PCB-letöltő gyártását tervezte. De a dolgok nem a tervek szerint alakultak. A prototípus készítése sokáig tartott, ennek eredményeként a cég elszalasztotta a piacra lépés lehetőségét. Aztán a mérnök úgy döntött, hogy megtalálja a módját az ilyen folyamatok felgyorsításának. A konyhában kezdett kísérletezni: forró ragasztópisztollyal és félszilárd műanyag zselékkel felvértezve játékbékát készített lányának. 1989-ben megalkotta a készülék számos modelljét, szabadalmat kapott, és céget nyitott a Stratasys FDM 3D nyomtatók gyártására.

Az első FDM nyomtató 1991-ben jelent meg. Most már veleleggyakoribb 3D nyomtatási technológia.

A következő módszer az közvetlen lézeres növekedés (LMD). Övé eszébe jutott a Sandia National Laboratories (USA) kutatói az 1990-es években. A fémet itt nyomdaanyagként használják por vagy drótszál formájában. Az LMD-t az iparban használják - például alkatrészek előállítására. Elég nagyok is. Például Oroszország legnagyobb 3D nyomtatója ezzel a technológiával képes gyártani 2,2 méter átmérőjű és 1 méter magas paraméterekkel rendelkező termékek. Az installáció neve "ILIST-2XL", és a Rosatomban készült.

1990-es évek vége és 2000-es évek: a bionyomtatás születése

A 3D nyomtatás kilátásait az orvostudományban szinte azonnal észrevették a technológia megjelenése után. Az első kísérlet ezen a területen tartott 1999-ben a Harvard Medical School Bostoni Gyermekkórházának kutatói. Nyomtató segítségével kollagénből és polimerekből hólyagállványt készítettek. Aztán manuálisan helyezték rá a betegek donor sejtjeit.

A valódi bionyomtatás 2003-ban jelent meg. A technológia szerzője Thomas Boland amerikai biomérnök. Ő lecserélték "tintát" egy folyadékra valós élő sejtekkel, és egy speciális hordozót használtak alapként ezek elhelyezéséhez. Ennek eredményeként sikerült baktérium- és emlőssejteket nyomtatnia. Technológiai szabadalom kapott 2006-os évben.

Ugyanabban az irányban a nullában dolgozott Forgács Gábor professzor vezette tudóscsoport. A NovoGen bionyomtatási technológiájuk volt az első, amely kereskedelmi sikert ért el, amikor 2007-ben San Diegóban megnyitották az Organovát a terjesztés céljából. Két évvel később ott kiadták az egyik első kereskedelmi 3D bionyomtató a Novogen MMX.

A 2000-es évek közepe: költségvetési 3D nyomtatók építése

A 3D nyomtatók sokáig hatalmasak és drágák voltak. Ezért lehetetlennek tűnt ilyen készülék vásárlása otthonra. változtatni a helyzeten határozott Adrian Bauer brit előadó. Az egyetemen, ahol dolgozott, volt egy 40 000 font értékű 3D nyomtató, amely akkoriban az egyik legolcsóbb volt. De Bauer arról álmodozott, hogy még pénztárcabarátabbá tegye. 2005-ben előállt a RepRap ötletével, egy kompakt 3D nyomtatóval, amely a legtöbb alkatrészét képes elkészíteni. Egy ilyen gép birtokában még sok hasonlót lehetne gyártani.

Ugyanebben 2005-ben Bauer pénzt kapott ötletének megvalósítására, és beszélt róla a weben. A RepRap egy nyílt forráskódú projekt: az interneten bárki módosíthatja és módosíthatja, ahogy akarja. A koncepció gyorsan népszerűvé vált. 2008-ban kiadták A RepRap első modellje a Darwin. Úgy nézett ki, mint egy keret vezetékekkel és rögzítőelemekkel. Nem volt túl csinos, de elég működőképes: tudott nyomtatni néhány alkatrészét és egyéb tárgyait, például egy autótelefon-tartót.

A RepRap nem az egyetlen ilyen projekt. 2006-ban a Cornell Egyetem hallgatói benyújtott Nyílt forráskódú 3D nyomtató – Fab@Home. Az első dolgok között, amit vele készített, egy szilikon óraszíj és egy kis propeller volt.

2010-es évek eleje: 3D protézisek fejlesztése

2013-ban Ivan Owen bábszínész létre az első 3D nyomtatott kézprotézis. Nem csak kíváncsiságból kezdett el kísérletezni a technológiával. Owent egy nő kereste fel, akinek fia ujjak nélkül született a jobb kezén. Ekkor a fiú már öt éves volt. A művész eleinte olyan ismerős anyagok felé nézett, mint a fém, és meg is készítette belőlük az első prototípust. De hamarosan rájöttem, hogy a gyermek gyorsan növekszik, és minden évben újrakezdeni a kezet túl fáradságos. Így Owen elkezdett foglalkozni a 3D nyomtatással, jó cél érdekében kért egy technológiai cégtől néhány nyomtatót, és elkezdett modellezni egy kezet egy számítógépen. Minden jól ment - a kéz erős és mozgékony volt.

Owe nem engedélyezte a találmányt. Ehelyett közzétette a projektet a nyilvánosság számára, hogy mások készíthessenek protézist maguknak.

2010-es évek vége: Nyomdaházak építése

Az az elképzelés, hogy egy nagy 3D nyomtató gyorsabban és kevésbé munkaigényes házak építését teszi lehetővé, mint a klasszikus eszközök, megbeszélték már a 20. század végén. A 2000-es években megkezdték a megfelelő gépek és technológiák fejlesztését, a 2010-es években pedig már megjelentek az első nyomdák. Például 2015-ben a kínai WinSun cég épült hatemeletes épületnyomtató segítségével. 2016-ban Dubaiban megjelent egyedi formájú iroda: az építőiparban alkalmazott 3D nyomtatás egyik előnye az egyedi tervek egyszerű elkészítésének lehetősége.

2017-ben megjelentek az első ilyen technológiával épített lakóépületek Oroszországban - ben Stupino És Jaroszlavl. 2022-ben pedig a Maine-i Egyetem kutatói 12 óra alatt létre az első teljesen bioanyagokból - farostból és gyantából - nyomtatott ház. Az építési "tinták" nagy választéka a 3D nyomtatás további előnye. Erre a célra például betont, homokot, vulkáni hamut és rizshéjat használnak.

És most?

Ma a 3D nyomtatást aktívan használják különböző területeken. Segítségével ruhákat, kutatóműszereket, implantátumokat, sőt élelmiszereket is készítenek. A technológia lehetőségeit aktívan kutatják, és sok kilátása van. Igen, tudósok javasoljahogy a jövőben a nyomtató közvetlenül az ember belsejében tudjon nyomtatni, és a lehető leggyorsabban cserélje ki a csont vagy porc sérült területét. Már vannak példák apró eszközökre in vivo alkalmazásokhoz. Az ilyenekre vonatkozik endoszkópos F3DB robotnyomtató, amelyet Sydney mérnökei készítettek. És ha a kutatók megtalálják a módját a 3D szervek programozásának, hogy azok zökkenőmentesen illeszkedjenek az ideg- és keringési rendszerbe, sikerül jelentősen csökkenti a donorsegélyre várólistát.