Как 3D-принтеры завоевывают мир: история возникновения и развития устройств объемной печати

Принтеры для печати объемных моделей появились на промышленных предприятиях, в образовательных организациях, стали доступны для домашнего использования, перестав быть эксклюзивным оборудованием. Когда и кем был придуман 3D-принтер, какие технологии объемной печати существуют и где применяются, что ожидает сферу 3D-оборудования в будущем?

• Первый 3D-принтер: история создания
• Эволюция в 3D-печати
  • LOM
  • SLS
  • SGC
  • FDM
  • RepRap
  • Первый пищевой принтер
  • 3D-принтер в медицине
• Перспективы 3D-печати

Первый 3D-принтер: история создания

В развитии 3D-технологий принимали участие инженеры-изобретатели разных стран. Первопроходцем в мире объемной печати считают Чака Халла — американского разработчика. «Установку для стереолитографии» он начал создавать в 1984 году, а спустя пару лет получил на нее патент. Это позволило перевести проект на коммерческие рельсы: в 1988 году началось серийное производство 3D-принтеров.

Интересно! Халл стал первым, потому что успел запатентовать свое изобретение. Но еще до него японец Хидео Кодама придумал технологию фотополимерного отверждения моделей и пытался в мае 1980 года получить патент, позднее — в 1984-м — французы Оливье де Витте, Ален ле Мехо и Жан-Клод Андре подавали заявку на свое изобретение аппарата стереолитографии. Но по тем или иным причинам ни первый, ни вторые не смогли запатентовать собственные разработки.

Технология печати заключается в следующем: жидкое светочувствительное вещество — фотополимер — выкладывается тонким слоем и тут же отверждается под воздействием УФ-лучей, превращаясь в пластмассу и обретая заданную форму.

В том же 1988 году, когда на рынок поступили 3D-принтеры Халла, другой американец, Стивен Скотт Крамп, предложил новый способ объемной печати — моделирование методом наплавления. И третья методика, представлявшая собой лазерное спекание фотополимера, но не раствора, а порошка, была представлена Карлом Декардом, инженером из Техасского университета.

Все три аппарата для печати 3D-объектов стали прототипами современных принтеров, предназначенных для создания объемных моделей. Первые агрегаты не отличались высоким качеством и точностью печатных изделий, но это был только первый шаг в прорывной технологии 3D-печати.

Справка. Термин «3D-печать» появился только в 1995 году, а название «3D-принтер» изобретенным агрегатам присвоено в 1996 году.

Эволюция в 3D-печати

Алгоритмы создания объемного объекта постепенно совершенствовались. Появились новые материалы и способы их обработки, повышалась точность печати и улучшалось качество готовых изделий. Каждый из методов изготовления 3D-моделей обладает своими преимуществами и недостатками. Для разных сфер производства подходит своя технология, и даже самая ранняя из всех остается актуальной спустя десятки лет после ее первого анонсирования.

LOM

Изготовление объектов методом ламинирования LOM (от англ. laminated object manufacturing) в 1985 году предложил Михаило Фейген. Объемная фигура формируется из тонких слоев пластика, бумаги, ткани, композитных материалов. Нарезку пленок по контуру ведут лазером, затем разогревают материал и соединяют послойно под давлением.

 Важно!  Стоимость материалов для LOM-печати невысока, это дает возможность максимально снизить себестоимость изделий. Но цена принтеров на порядок больше, чем, например, FDM-аппаратов, поэтому такая техника не востребована для персонального использования.

SLS

Аббревиатура  SLS  расшифровывается как selective laser sintering — селективное лазерное спекание. Процесс заключается в следующем:

• порошок или гранулы рассыпаются тонким равномерным слоем;
• лазерный луч спекает филамент в областях, заданных цифровой моделью;
• насыпается и выравнивается следующий слой, и цикл повторяется до получения полного объекта.

 Важно ! В одной камере принтера одновременно допускается печатать несколько моделей.

В качестве филамента выступают порошковые полимеры, керамические гранулы, нейлон и металлический порошок.

SGC

SGC (solid ground curing) — методика послойного уплотнения, внедренная инженерами компании Cubital (Израиль). Процедура печати заключается в проецировании шаблона на слой фотополимера. Засвеченный ультрафиолетовыми лучами участок затвердевает, полости заполняются воском, и начиняется формирование следующего слоя. Действия многократно повторяются, и возникает объемная деталь. По окончании процесса воск выплавляется.

 Важно!  Стоимость оборудования очень высока, а в качестве филамента применимы дорогостоящие токсичные полимеры.

Технология получила второе название — масочная стереолитография.

FDM

Fused deposition modeling дословно можно перевести как «послойное сплавление». В большинстве современных 3D-принтеров применяется именно эта технология печати термопластичными материалами. Филамент подается в экструдер, расплавляется и выдавливается тонкой нитью на платформу, где слой за слоем вырастает объемная модель.

Справка:

• по технологии  FDM  печатают детали любой сложности;
• ассортимент термопластов дает возможность выбрать для печати материал нужного цвета и с необходимыми свойствами;
• сформированные объекты допускается обрабатывать — шлифовать, красить, доводить на станках с ЧПУ и вручную.

Демократичная стоимость принтеров и филамента обусловила их применение для домашнего использования.

RepRap

Проект Replicating Rapid Prototyper — сокращенно RepRap — запущен в 2006 году. Его цель — создать принтер, способный воспроизвести самого себя. Первый экземпляр самореплицирующегося аппарата был представлен в 2008 году. Он печатал около половины собственных конструктивных узлов и механизмов.

Схемы, чертежи и пояснительная документация доступны для скачивания в сети Интернет. Благодаря принтерам RepRap и свободному доступу к инструкциям любой желающий может наладить мелкосерийное производство по созданию 3D-моделей с минимальными вложениями на приобретение оборудования. Все затраты заключаются в приобретении пластика.

Первый пищевой принтер

Идею печатать еду воплотили в жизнь ученые Технологического института штата Массачусетс. Амит Зоран и Марчелло Коэльо из Fluid Interfaces Group в 2010 году выпустили 3D-принтер, воссоздающий продукты питания. Аппарат назвали Cornucopia (с англ. «рог изобилия»). Печатающее устройство самостоятельно создает смеси, охлаждает до заданной температуры и создает готовый продукт, представляющей собой блюдо с необходимым вкусом, запахом и текстурой и обладающее требуемой пищевой ценностью.

3D-принтер в медицине

Показавшаяся утопической идея заправить печатающее устройство живыми клетками вместо чернил воплотилась в жизнь — был придуман биопринтер. Вышедшее из стен американского университета Уэйк-Форест оборудование предназначено для воссоздания человеческих органов из стволовых клеток.

Что может напечатать биопринтер:

• кровеносные сосуды;
• кожу;
• кусочки тканей;
• хрящи;
• целые органы — почки, мочевой пузырь, сердце.

  Это интересно . Биопринтер используют для ускорения заживления ран. Прибор после сканирования повреждения печатает заполняющие рану ткани прямо на теле пациента. 

Перспективы 3D-печати

Печать объемных объектов — технология будущего. Являясь настоящей многофункциональной и при этом компактной фабрикой, 3D-принтер будет использоваться во многих сферах: строительстве, медицине, автомобильной отрасли, электронике, пищевой промышленности, фармацевтике.

1. Строительство. Напечатанный дом больше не считается чудом. В Китае, Дубае и странах Европы уже есть архитектурные объекты, напечатанные огромными  строительными 3D-принтерами , использующими в качестве филамента строительный раствор.
2. Медицина. Главное направление внедрения печатных устройств — получение органов для пересадки. Формирование кровеносных сосудов, кожных покровов с успехом практикуется в среде научных медучреждений.
3. Автомобилестроение. Для производства деталей уже сейчас применяется технология 3D-печати. Существуют прототипы, полностью созданные на принтере.
4. Пищевая промышленность. Кроме создания кулинарных шедевров, устройства печати будут задействованы для производства блюд с заданными свойствами — диетических, с точно рассчитанной пищевой ценностью. Еду для космических путешественников тоже предлагается печатать.

Это лишь незначительное количество областей применения технологии 3D-печати. Благодаря возможности снизить себестоимость изделий за счет уменьшения производственных затрат оснащаться печатающими устройствами будет все больше предприятий, а в быту они прочно займут место рядом с традиционными струйными и лазерными аппаратами.