Od malého šálku po výškové budovy: jak se změnila technologie 3D tisku
Různé / / June 13, 2023
3D tiskárny se objevily před méně než 40 lety, ale již výrazně ovlivnily různé oblasti života. Řekneme vám, jak se vyvíjely možnosti 3D tisku a čeho je dnes schopen.
Počátek osmdesátých let: první experimenty
První technologie 3D tisku nabídl Japonec Hideo Kodama v roce 1981. Pravda, tehdy se tomu neříkalo 3D tisk, ale rychlé prototypování. Společnost Kodama přišla se zařízením, které fungovalo podle metody stereolitografie (SLA): laser ozařoval fotopolymerní pryskyřici a rozložil naprogramovaný objekt do vrstev. Nápad však pouze popsal, ale důkazy nutné k získání patentu poskytnout nemohl.
Přibližně ve stejné době začaly samostatně pracovat na zařízení pro rychlé prototypování Americký inženýr Charles Hull a francouzští inženýři Jean-Claude André, Alain le Meho a Olivier de Witt. V obou případech bylo dosaženo úspěchu. V roce 1984 vědci požádali o patent. Francouzi byli o tři týdny napřed, ale to jim nepomohlo – jejich návrh byl považován za neperspektivní, a tak neinvestovali do vývoje technologií. Hull byl ale úspěšný, a proto je považován za vynálezce 3D tisku.
Hullův první vytištěný kus byl malý pohár. Připomínala inženýrovi nástroj na kapání očních kapek, jeho manželce - misku na hostie.
V roce 1986 Hull spolu s partnery vytvořené 3D Systems Corporation. O rok později vydali první sériově vyráběnou 3D tiskárnu SLA‑1. Vynález zpočátku zaujal automobilky: s pomocí zařízení tiskly prototypy malých dílů, jako jsou kliky dveří.
Polovina 80. a 90. let: vzestup dalších metod 3D tisku
Na konci 20. století se objevilo několik dalších technologií 3D tisku. První - selektivní laserové slinování (SLS). Zde se jako „inkoust“ nepoužívají pryskyřice, ale sypké látky. Autor technologie Carl Deckard rozvinutý ji jako student magisterského studia na University of Texas. S vytvořením zařízení mu pomohl profesor Joseph Beeman. První objekt vytištěný na 3D tiskárně SLS je krychle. V roce 1988 si Deckard patentoval vynález a založil Desk Top Manufacturing.
O rok později se objevil metoda tavené depozice (FDM). „Inkoust“ jsou v tomto případě termoplastické polymery ve formě vlákna. Jsou navinuty na cívce a umístěny uvnitř zařízení. Polymery se poté zahřejí a nalijí do naprogramovaného tvaru. Autorem takového 3D tisku je inženýr Scott Crump. k myšlence toho vyzváni životní zkušenost. Crump pracoval pro společnost, která plánovala vyrobit vykladač PCB. Ale věci nešly podle plánu. Prototypování trvalo dlouho, v důsledku toho společnost propásla šanci vstoupit na trh. Poté se inženýr rozhodl najít způsob, jak takové procesy urychlit. Začal experimentovat v kuchyni: vyzbrojen tavnou lepicí pistolí a polotuhými plastovými gely vyrobil pro svou dceru žabku. V roce 1989 vytvořil několik modelů zařízení, získal patent a otevřel společnost na výrobu 3D tiskáren Stratasys FDM.
První FDM tiskárna se objevila v roce 1991. Teď je to snejčastější Technologie 3D tisku.
Následující metoda je přímý laserový růst (LMD). Jeho přišel s výzkumníci v Sandia National Laboratories (USA) v 90. letech 20. století. Jako tiskový materiál se zde používá kov ve formě prášku nebo drátěné nitě. LMD se používá v průmyslu – například k výrobě dílů. I docela velké. Například největší 3D tiskárna v Rusku s touto technologií schopen vyrobit výrobky s parametry 2,2 metru v průměru a jeden metr na výšku. Instalace se nazývá "ILIST-2XL" a byla vytvořena v Rosatomu.
Konec 90. let a 20. století: zrod biotisku
Perspektivy 3D tisku v medicíně byly zaznamenány téměř okamžitě po nástupu technologie. První experiment v této oblasti držený v roce 1999 výzkumníky z Bostonské dětské nemocnice na Harvard Medical School. Pomocí tiskárny vytvořili lešení močového měchýře z kolagenu a polymerů. A pak na něj ručně umístili dárcovské buňky od pacientů.
Skutečný biotisk se objevil v roce 2003. Autorem technologie je americký bioinženýr Thomas Boland. On nahrazeno „inkoust“ na kapalině se skutečnými živými buňkami a jako podklad pro jejich umístění použil speciální substrát. Díky tomu se mu podařilo vytisknout buňky bakterií a savců. Technologický patent přijaté v roce 2006.
Ve stejném směru v nule pracoval skupina vědců vedená profesorem Gaborem Forgachem. Jejich technologie biotisku NovoGen byla první, která dosáhla komerčního úspěchu, a to uvedením Organova v roce 2007 v San Diegu. O dva roky později tam propuštěn jednou z prvních komerčních 3D biotiskáren je Novogen MMX.
Polovina 2000: Stavba levných 3D tiskáren
Po dlouhou dobu byly 3D tiskárny masivní a drahé. Proto se zdálo nemožné pořídit si takové zařízení do domácnosti. změnit situaci rozhodl Britský lektor Adrian Bauer. Univerzita, na které pracoval, měla 3D tiskárnu za 40 000 liber, v té době jednu z nejlevnějších. Bauer však snil o tom, že bude ještě šetrnější k rozpočtu. V roce 2005 přišel s nápadem na RepRap, kompaktní 3D tiskárnu, která by dokázala vytvořit většinu jejích částí. S jedním takovým strojem by bylo možné vyrobit mnohem více podobných.
Ve stejném roce 2005 Bauer obdržel peníze na realizaci svého nápadu a hovořil o něm na webu. RepRap je projekt s otevřeným zdrojovým kódem: kdokoli na internetu jej může upravovat a upravovat, jak chce. Koncept se rychle stal populárním. V roce 2008 byl vydán První model RepRap je Darwin. Vypadalo to jako rám s dráty a spojovacími prvky. Nebyl moc hezký, ale docela funkční: uměl vytisknout některé své díly a další předměty, jako je držák na telefon do auta.
RepRap není jediným takovým projektem. V roce 2006 studenti na Cornell University předloženo Open source 3D tiskárna - Fab@Home. Mezi první věci, které s ním vytvořil, byly silikonový řemínek na hodinky a malá vrtule.
Počátek 2010: Vývoj 3D protéz
V roce 2013 loutkář Ivan Owen vytvořené první 3D vytištěná protetická ruka. S technologiemi začal experimentovat nejen ze zvědavosti. Owena oslovila žena, jejíž syn se narodil bez prstů na pravé ruce. V té době bylo chlapci již pět let. Umělec se nejprve zaměřil na známé materiály, jako je kov, a dokonce z nich vytvořil první prototyp. Ale brzy jsem si uvědomil, že dítě rychle roste a předělávat ruku každý rok je příliš pracné. Owen se tedy začal zabývat 3D tiskem, požádal technologickou společnost o pár tiskáren pro dobrou věc a začal modelovat ruku na počítači. Všechno šlo dobře - ruka vyšla silná a pohyblivá.
Owen nelicencoval vynález. Místo toho zveřejnil projekt ve veřejné doméně, aby si ostatní lidé mohli vyrobit protézu.
Konec 2010: Výstavba tištěných domů
Myšlenka, že velká 3D tiskárna by umožnila stavět domy rychleji a méně pracně než klasické nástroje, diskutováno již koncem 20. století. V roce 2000 začali vyvíjet vhodné stroje a technologie a v roce 2010 se již objevily první tištěné domy. Například v roce 2015 čínská společnost WinSun postavený pomocí tiskárny šestipatrové budovy. V roce 2016 v Dubaji se objevil kancelář ve tvaru na míru: možnost snadno vytvářet vlastní návrhy je jednou z výhod 3D tisku ve stavebnictví.
V roce 2017 se v Rusku objevily první obytné budovy postavené pomocí této technologie - v Stupino A Jaroslavl. A v roce 2022 vědci z University of Maine za 12 hodin vytvořené první dům vytištěný výhradně z biomateriálů – dřevěných vláken a pryskyřic. Velký výběr stavebních „inkoustí“ je dalším plusem 3D tisku. Pro tyto účely se používá například beton, písek, sopečný popel a rýžové slupky.
Co teď?
Dnes se 3D tisk aktivně využívá v různých oblastech. S jeho pomocí vytvářejí oblečení, výzkumné nástroje, implantáty a dokonce i jídlo. Schopnosti této technologie se aktivně zkoumají a má mnoho vyhlídek. Ano, vědci navrhnoutže v budoucnu bude tiskárna schopna tisknout přímo uvnitř člověka a co nejrychleji nahradí poškozenou oblast kosti nebo chrupavky. Již existují příklady malých zařízení pro aplikace in vivo. K takovým platí endoskopická robotická tiskárna F3DB, kterou vytvořili inženýři ze Sydney. A pokud vědci najdou způsob, jak naprogramovat 3D orgány tak, aby hladce zapadly do nervového a oběhového systému, povést se výrazně snížit čekací listinu na pomoc dárce.