От мелких деталей до многоэтажных домов: как развивалась технология 3D-печати

Первые эксперименты (начало 1980‑х)

Первым технологию объёмной печати предложил японец Хидео Кодама в 1981 году. Правда, называлась она тогда не 3D‑принтингом, а быстрым прототипированием.

Кодама придумал устройство, которое работало по методу стереолитографии (SLA): лазер облучал фотополимерную смолу, послойно выкладывая запрограммированный объект. Он, однако, только описал идею, а вот привести доказательства, необходимые для получения патента, не смог.

Примерно в это же время работу над устройством для быстрого прототипирования независимо друг от друга начали американский инженер Чарльз Халл и французские инженеры Жан‑Клод Андрэ, Ален ле Мехо и Оливье де Витт. Успех был достигнут в обоих случаях.

В 1984 году исследователи подали заявки на патент. Французы были впереди на три недели, но это им не помогло - их предложение посчитали неперспективным, поэтому вкладываться в развитие технологии не стали. А вот Халла ждал успех, поэтому именно он считается изобретателем 3D‑принтинга.

Первая напечатанная Халлом вещь - маленькая чашечка. Инженеру она напомнила инструмент для закапывания глазных капель, его жене - чашу для причастия.

В 1986 году Халл вместе с партнёрами создал компанию 3D Systems Corporation. А годом позже там выпустили первый серийный 3D‑принтер - SLA‑1. Изобретение поначалу особо привлекло автомобильные компании: с помощью прибора они печатали прототипы небольших деталей, например дверных ручек.

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

Появление других методов 3D‑печати (середина 1980‑х и 1990‑е)

В конце XX века были разработаны несколько технологий 3D-печати. Одной из первых стала технология селективного лазерного спекания (SLS), предложенная Карлом Декардом, студентом магистратуры Университета Техаса, совместно с профессором Джозефом Бименом. В SLS вместо смол используются сыпучие вещества.

Первым объектом, напечатанным этим способом в 1988 году, стал куб, после чего Декард запатентовал изобретение и основал компанию Desk Top Manufacturing.

Годом позже был разработан метод послойного наплавления (FDM), предложенный инженером Скоттом Крампом. В этом методе термопластичные полимеры в форме нити нагреваются и выливаются, принимая заданную форму.

Крамп начал исследования, столкнувшись с проблемами в процессе создания прототипов в компании, где он работал. После успешных экспериментов, в 1989 году Крамп создал несколько моделей устройства, получил патент и основал компанию по производству FDM 3D-принтеров Stratasys. Первый принтер этого типа появился в 1991 году и стал одной из самых распространенных технологий 3D-печати.

Еще одним методом стало прямое лазерное выращивание (LMD), разработанное исследователями Национальных лабораторий Сандия в 1990-х годах. В LMD в качестве печатного материала используется металл в форме порошка или проволочной нити, применяемый в промышленности для создания деталей, включая крупные.

Рождение биопринтинга (конец 1990‑х и 2000‑е) 

Сразу после появления технологии 3D-печати ее перспективы в медицине стали очевидными. В 1999 году исследователи из Бостонской детской больницы при Гарвардской медицинской школе провели первый эксперимент в этой области, создав каркас мочевого пузыря из коллагена и полимеров с последующим наложением донорских клеток пациентов.

Настоящий прорыв в биопринтинге произошел в 2003 году, когда американский биоинженер Томас Боланд заменил "чернила" на жидкость с реальными живыми клетками и использовал специальный субстрат для размещения клеток. В результате ему удалось напечатать клетки бактерий и млекопитающих, за что он получил патент на технологию в 2006 году.

В то же время группа ученых под руководством профессора Габора Форгача также работала в этом направлении в 2000-х годах. Их технология биопринтинга NovoGen стала первой, которая получила коммерческий успех. В 2007 году в Сан-Диего была основана компания Organova для распространения этой технологии. Через два года там был выпущен один из первых коммерческих 3D-биопринтеров - Novogen MMX.

Создание бюджетных 3D‑принтеров (середина 2000‑х)

В течение длительного времени 3D-принтеры оставались крупными и дорогостоящими устройствами, что делало их покупку для использования дома непосильной задачей. Эту ситуацию решил изменить британский преподаватель Эдриан Бауэр.

В университете, где он преподавал, был установлен 3D-принтер стоимостью 40 000 фунтов - один из самых доступных по тем временам. Однако Бауэр стремился сделать эту технологию еще более доступной.

 2005 году у него появилась идея RepRap - компактного 3D-принтера, способного создавать большую часть своих деталей самостоятельно. Имея один такой принтер, можно было бы изготовить еще множество подобных устройств.

В том же 2005 году Бауэр получил финансирование для реализации своей идеи и представил ее в Интернете. Проект RepRap был с открытым исходным кодом: любой человек в сети мог вносить свои улучшения и модификации по своему усмотрению. Эта концепция быстро стала популярной.

В 2008 году была выпущена первая модель RepRap - Darwin. Она выглядела как каркас с проводами и крепежами и не имела особой привлекательности, но вполне работоспособна: умела производить как собственные детали, так и другие предметы, например, держатель для телефона в автомобиле.

Разработка 3D‑протезов (начало 2010‑х)

В 2013 году художник-кукольник Айван Оуэн разработал первый протез руки, созданный на 3D-принтере. Начав экспериментировать с этой технологией, он не только был мотивирован своим интересом, но и отозвался на просьбу женщины, у которой сын родился без пальцев на правой руке. К моменту обращения ему уже было пять лет.

Сначала Оуэн рассматривал привычные для себя материалы, такие как металл, и даже создал из них первый прототип протеза. Однако он осознал, что ребенок быстро растет, и постоянно переделывать протез каждый год было слишком затратно.

В результате Оуэн начал изучать технологию 3D-печати. Он запросил у одной из технических компаний несколько принтеров для благотворительных целей и начал моделировать протез на компьютере. В конечном итоге протез получился прочным и подвижным.

Оуэн решил не лицензировать свое изобретение, а выложил проект в открытый доступ, чтобы другие люди также могли создать себе протезы.

Возведение напечатанных домов (конец 2010‑х)

Идея, что использовать крупные 3D-принтеры для строительства домов быстрее и более экономично, чем с использованием традиционных инструментов, возникла еще в конце XX века.

В 2000-х годах начали разрабатываться соответствующие машины и технологии, а в 2010-х годах были построены первые дома с помощью 3D-печати. Например, в 2015 году китайская компания WinSun построила шестиэтажный дом при помощи 3D-принтера.

В 2022 году исследователи из Университета Мэна смогли за 12 часов создать первый дом, напечатанный полностью из биоматериалов - древесных волокон и смолы.

 Широкий выбор строительных материалов для использования в процессе 3D-печати также является одним из преимуществ. Для этой цели используются такие материалы, как бетон, песок, вулканический пепел и шелуха риса.

Какая ситуация сейчас

В настоящее время 3D-печать активно применяется в различных областях. Она используется для создания одежды, научных инструментов, имплантатов и даже пищи. Технология активно исследуется, и у нее много перспективных возможностей.

Ученые предполагают, что в будущем принтер сможет напечатать детали прямо внутри человеческого тела, быстро заменяя поврежденные участки костей или хрящей.

Некоторые примеры маленьких устройств для внутреннего применения уже существуют, включая эндоскопический роботизированный принтер F3DB, разработанный инженерами из Сиднея.

Если исследователям удастся разработать способ программирования 3D-органов таким образом, чтобы они могли интегрироваться в нервную и кровеносную систему без проблем, это значительно сократит очередь на ожидание органов для пересадки.