Від дрібних деталей до багатоповерхових будинків: як розвивалася технологія 3D-друку

Перші експерименти (початок 1980-х)

Першим технологію об'ємного друку запропонував японець Хідео Кодама у 1981 році. Щоправда, називалася вона тоді не 3D-принтінгом, а швидким прототипуванням.

Кодама вигадав пристрій, який працював за методом стереолітографії (SLA): лазер опромінював фотополімерну смолу, пошарово викладаючи запрограмований об'єкт. Він, однак, тільки описав ідею, а ось навести докази, необхідні для отримання патенту, не зміг.

Приблизно в цей час роботу над пристроєм для швидкого прототипування незалежно один від одного розпочали американський інженер Чарльз Халл і французькі інженери Жан-Клод Андре, Ален ле Мехо та Олів'є де Вітт. Успіху було досягнуто в обох випадках.

1984 року дослідники подали заявки на патент. Французи були попереду на три тижні, але це їм не допомогло - їхню пропозицію вважали неперспективною, тому вкладатися у розвиток технології не стали. А ось на Халла чекав успіх, тому саме він вважається винахідником 3D-принтінгу.

Перша надрукована Халлом річ - маленька філіжанка. Інженеру вона нагадала інструмент для закапування крапель очей, його дружині - чашу для причастя.

У 1986 році Халл разом із партнерами створив компанію 3D Systems Corporation. А роком пізніше там випустили перший серійний 3D принтер - SLA-1. Винахід спочатку особливо привабив автомобільні компанії: за допомогою приладу вони друкували прототипи невеликих деталей, наприклад дверних ручок.

Перший 3D-принтер SLA-1 (фото: Sculpteo)

Поява інших методів 3D-друку (середина 1980-х і 1990-і)

Наприкінці XX століття було розроблено кілька технологій 3D-друку. Однією з перших стала технологія селективного лазерного спікання (SLS), запропонована Карлом Декардом, студентом магістратури Університету Техасу, разом із професором Джозефом Біменом. У SLS замість смол використовуються сипучі речовини.

Першим об'єктом, надрукованим у 1988 році, став куб, після чого Декард запатентував винахід і заснував компанію Desk Top Manufacturing.

Роком пізніше було розроблено метод пошарового наплавлення (FDM), запропонований інженером Скоттом Крампом. У цьому методі термопластичні полімери у формі нитки нагріваються та виливаються, приймаючи задану форму.

Крамп почав дослідження, зіштовхнувшись із проблемами у процесі створення прототипів у компанії, де він працював. Після успішних експериментів, у 1989 році Крамп створив кілька моделей пристрою, отримав патент та заснував компанію з виробництва FDM 3D-принтерів Stratasys. Перший принтер цього типу з'явився у 1991 році та став однією з найпоширеніших технологій 3D-друку.

Ще одним методом стало пряме лазерне вирощування (LMD), розроблене дослідниками Національних лабораторій Сандія у 1990-х роках. В LMD як друкований матеріал використовується метал у формі порошку або дротяної нитки, що застосовується в промисловості для створення деталей, включаючи великі.

Народження біопринтінгу (кінець 1990-х і 2000-і)

Відразу після появи технології 3D-друку її перспективи в медицині стали очевидними. У 1999 році дослідники з Бостонської дитячої лікарні при Гарвардській медичній школі провели перший експеримент у цій галузі, створивши каркас сечового міхура з колагену та полімерів з подальшим накладенням донорських клітин пацієнтів.

Справжній прорив у біопринтингу стався у 2003 році, коли американський біоінженер Томас Боланд замінив "чорнило" на рідину з реальними живими клітинами та використав спеціальний субстрат для розміщення клітин. В результаті йому вдалося надрукувати клітини бактерій та ссавців, за що він отримав патент на технологію у 2006 році.

У той же час група вчених під керівництвом професора Габора Форгача також працювала у цьому напрямі у 2000-х роках. Їхня технологія біопринтингу NovoGen стала першою, яка здобула комерційний успіх. У 2007 році в Сан-Дієго була заснована компанія Organova для поширення цієї технології. Через два роки там був випущений один із перших комерційних 3D-біопринтерів - Novogen MMX.

Створення бюджетних 3D-принтерів (середина 2000-х)

Протягом тривалого часу 3D-принтери залишалися великими та дорогими пристроями, що робило їх купівлю для використання вдома непосильним завданням. Цю ситуацію вирішив змінити британський викладач Едріан Бауер.

В університеті, де він викладав, було встановлено 3D-принтер вартістю 40 000 фунтів - один із найдоступніших на той час. Однак Бауер прагнув зробити цю технологію ще доступнішою.

2005 року у нього з'явилася ідея RepRap - компактного 3D-принтера, здатного створювати більшу частину своїх деталей самостійно. Маючи один такий принтер, можна було б виготовити ще багато таких пристроїв.

У тому ж 2005 Бауер отримав фінансування для реалізації своєї ідеї і представив її в Інтернеті. Проект RepRap був з відкритим вихідним кодом: будь-яка людина в мережі могла вносити свої покращення та модифікації на свій розсуд. Ця концепція швидко стала популярною.

У 2008 році була випущена перша модель RepRap - Darwin. Вона виглядала як каркас із проводами та кріпленнями і не мала особливої привабливості, але цілком працездатна: вміла виробляти як власні деталі, так і інші предмети, наприклад, власник для телефону в автомобілі.

Розробка 3D-протезів (початок 2010-х)

У 2013 році художник-лялькар Айван Оуен розробив перший протез руки, створений на 3D-принтері. Почавши експериментувати з цією технологією, він не тільки був мотивований своїм інтересом, а й озвався на прохання жінки, у якої син народився без пальців на правій руці. На момент звернення йому вже було п'ять років.

Спочатку Оуен розглядав звичні собі матеріали, такі як метал, і навіть створив їх перший прототип протеза. Однак він усвідомив, що дитина швидко росте, і постійно переробляти протез щороку було надто затратно.

В результаті Оуен почав вивчати технологію 3D-друку. Він запросив в однієї з технічних компаній кілька принтерів для благодійної мети і почав моделювати протез на комп'ютері. Зрештою протез вийшов міцним та рухливим.

Оуен вирішив не ліцензувати свій винахід, а виклав проект у відкритий доступ, щоб інші люди могли створити собі протези.

Зведення надрукованих будинків (кінець 2010-х)

Ідея, що використовувати великі 3D-принтери для будівництва будинків швидше та економічніше, ніж з використанням традиційних інструментів, виникла ще наприкінці XX століття.

У 2000-х роках почали розроблятися відповідні машини та технології, а у 2010-х роках були збудовані перші будинки за допомогою 3D-друку. Наприклад, у 2015 році китайська компанія WinSun збудувала шестиповерховий будинок за допомогою 3D-принтера.

У 2022 році дослідники з Університету Мена змогли за 12 годин створити перший будинок, надрукований повністю з біоматеріалів - деревних волокон та смоли.

Широкий вибір будівельних матеріалів для використання у процесі 3D-друку також є однією з переваг. Для цієї мети використовуються такі матеріали, як бетон, пісок, вулканічний попіл та лушпиння рису.

Яка ситуація зараз

В даний час 3D-друк активно застосовується у різних галузях. Вона використовується для створення одягу, наукових інструментів, імплантатів та навіть їжі. Технологія активно досліджується, і має багато перспективних можливостей.

Вчені припускають, що в майбутньому принтер зможе надрукувати деталі прямо всередині людського тіла, швидко замінюючи пошкоджені ділянки кісток або хрящів.

Деякі приклади невеликих пристроїв для внутрішнього використання вже існують, включаючи ендоскопічний роботизований принтер F3DB, розроблений інженерами з Сіднея.

Якщо дослідникам вдасться розробити спосіб програмування 3D-органів таким чином, щоб вони могли інтегруватися в нервову та кровоносну систему без проблем, це значно скоротить чергу на очікування органів для пересадки.