Экскурс в 3D-печать: прошлое, настоящее и будущее отрасли
Как всё начиналось
1980–1990-е
Период первых идей и экспериментов в области 3D-технологий: именно в это время появились основные методы 3D-печати.
Стереолитография (SLA). Американский инженер Чак Халл создал первый прототип электролитного 3D-принтера с использованием фотополимера — вещества, которое затвердевает под действием ультрафиолетовых лучей. 3D-модели создавались за счёт послойной укладки фотополимерного материала. Чтобы запрограммировать принтер на создание объектов определённой формы, Халл специально учился писать код. Первым его 3D-объектом стала небольшая чашка.
Селективное лазерное спекание (SLS). Автор технологии Карл Декард разработал её, будучи студентом магистратуры в Техасском университете. В качестве материала для печати он использовал сыпучие вещества. Первый объект, напечатанный таким 3D-принтером, — куб.
Моделирование методом наплавления (FDM). Автор этого вида 3D-печати — инженер Скотт Крамп. Материал в этом случае — термопластичные полимеры в форме нитей. Их накручивают на катушку и помещают внутрь прибора. Затем полимеры нагреваются и выливаются, принимая запрограммированную форму. Первый FDM 3D-принтер был изготовлен в 1991 году. Сейчас это одна из самых распространённых 3D-технологий в мире.
Прямое лазерное выращивание (LMD). Этот метод придумали исследователи Сандийских национальных лабораторий в США. В качестве печатного материала они использовали металлический порошок и проволочные нити. Сейчас LMD применяют в промышленности — например, для создания деталей.
Сегодня существует около дюжины технологий 3D-печати, но самыми распространёнными остаются три: стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM).
2000–2010-е
Разноцветная 3D-печать. В начале тысячелетия компания ZCorp представила первый 3D-принтер с высоким качеством цветной печати. Для этого обычно используется несколько печатающих головок: клеевой состав на водной основе, поочерёдно поступающий в каждую головку, распределяется в соответствии с заданной программой и застывает сразу же после нанесения.
По завершении формирования одного слоя принтер проверяет его толщину и приступает к работе над следующим. По окончании процесса печати модель извлекается из порошка. Неиспользованный порошок применяется для печати следующих моделей — получается безотходное производство.
Биопечать. Первый серийный биопринтер для создания живых тканей и органов был выпущен в конце 2009 года. Благодаря совместным усилиям американской компании Organovo и австралийской Invetech на свет появился компактный прибор, который в 2010 году напечатал первый полноценный кровеносный сосуд
3D-биопринтинг — это создание объёмных моделей при помощи биоматериала, который включает живые клетки.
Принтер имел две печатающие головки. Одна наполнялась нужным биоматериалом, вторая — вспомогательными компонентами (коллаген, поддерживающий гидрогель, факторы роста). Точность такой печати доходит до микрометров — это важно для правильного размещения клеток.
Проект RepRap стал первым самовоспроизводимым настольным 3D-принтером. Поскольку принтер сделан из пластика, он может печатать детали для самого себя. При желании на нём можно напечатать второй такой же 3D-принтер. В 2017 году RepRap возглавил десятку самых значимых объектов, напечатанных на 3D-принтере.
Начало коммерческой 3D-печати. Одним из первых предприятий, предлагающих услуги 3D-печати, стала компания Shapeways. В 2008 году она запустила сервис, который позволял заказчикам создавать собственные трёхмерные изделия: команда получала файлы от пользователей через сайт, затем печатала 3D-объекты и отправляла их на адрес пользователя. Всё это, конечно же, не бесплатно.
Наши дни
С тех пор как Чак Халл в 1984 году обнародовал термин SLA и создал свою первую чашечку, используя технологию 3D-печати, эта отрасль получила феноменальное развитие.
Оборудование стало более доступным — сейчас вы можете заказать 3D-принтер не выходя из дома. Улучшилось качество печати, увеличилась её скорость, появились новые методы и материалы, и сейчас эта технология находит применение в разных областях.
Медицина
Протезирование. 3D-печать изменила способ изготовления протезов, позволив создавать индивидуальные конструкции и сократить сроки поставки. Компания Open Bionics использует 3D-печать для создания индивидуальных протезов конечностей, которые функциональны и при этом выглядят как реквизит для фантастических фильмов.
Трансплантация органов. В 2022 году учёные впервые смогли пересадить человеку орган, напечатанный на 3D-принтере. Ушной имплант получила 20-летняя мексиканка Алекса, родившаяся с деформированным правым ухом. Имплант повторяет форму здорового левого уха пациентки, для его печати учёные использовали клетки Алексы.
Стоматология. Стоматологи и ортодонты используют 3D-моделирование и печать для создания коронок, виниров и кап для пациентов, а также моделей челюсти в образовательных целях. Теперь, чтобы сделать слепок, врачам не нужно возиться с гипсом и воском, как раньше.
Лечение болезней. Компания Carcinotech специализируется на создании 3D-печатных опухолей для исследований рака. Команда Carcinotech с помощью 3D-биопечати создаёт живые опухоли, используя для этого биопсии пациентов и раковые стволовые клетки. Созданные опухоли умеют расти, и на них можно тестировать лекарства для лечения рака.
В 2017 году компания Organovo, также занимающаяся биопечатью, разработала 3D-печатную ткань печени, которую можно использовать для тестирования лекарств.
Фармацевтика. Сингапурский фармацевтический стартап Craft Health намерен решить проблему полифармации, полагаясь на 3D-печать.
Полифармация — приём большого количества лекарств, который часто приводит к дискомфорту пациентов из-за взаимодействия препаратов между собой.
Благодаря 3D-печати компания может объединить несколько действующих веществ в одну таблетку и таким образом создать индивидуальное лекарство для каждого пациента. Также можно управлять дозировкой, менять форму, цвет и вкус лекарства.
Космос
Жизнь на Луне. NASA в сотрудничестве с американской компанией ICON, специализирующейся на 3D-печати строений, планирует запустить печать жилых модулей на Луне к 2040 году. Проект нацелен на создание жилых домов, подходящих не только для астронавтов NASA, но и для обычных граждан, с долгосрочной целью создания постоянной колонии людей на Луне, а затем и на Марсе.
Пока что планы проекта представлены в основном в виде цифровых рендеров, но команда NASA и ICON планирует в ближайшее время начать обширное тестирование, чтобы разработать 3D-принтер Olympus, который будет управляться с Земли и сможет работать в суровых условиях лунной среды.
Ракетостроение. Представьте себе мир, в котором ракеты печатают, а не строят. Именно этим занимается американская аэрокосмическая компания Relativity Space. Печатая корпуса и двигатели своих ракет, они упрощают производство и повышают общую надёжность и производительность техники.
22 марта 2023 года Terran 1 стала первой напечатанной на 3D-принтере ракетой, побывавшей в космосе. Её высота — 30 метров, как у 11-этажного дома. Это самый крупный объект, созданный с помощью 3D-печати.
Искусство
Архитектура. Строительная компания Mighty Buildings использует 3D-печать для строительства быстровозводимых домов, которые можно собрать на месте всего за несколько дней. Благодаря 3D-печати при возведении таких домов образуется меньше отходов. Аналогичным образом производители автомобилей, такие как Ford и General Motors, используют 3D-печать для создания прототипов и деталей, сокращая время и стоимость производства.
Одежда. На 3D-принтере можно напечатать элементы, из которых потом плетётся пластиковая ткань. Либо из этой ткани, либо из самого пластика создают одежду. Дизайнер Ирис ван Херпен выпустила несколько коллекций платьев и обуви, напечатанных на 3D-принтере. Она создавала 3D-печатную одежду для многих знаменитостей, в том числе для Бейонсе, Граймс и Леди Гаги. Один из самых известных предметов одежды, созданных по этой технологии, — сетчатое нейлоновое платье Диты фон Тиз.
Обувь. Обувной бренд Vivobarefoot и стартап Balena объявили о сотрудничестве в разработке биоразлагаемой 3D-печатной обуви по индивидуальному заказу. Компании стремятся создать обувь с эффектом босой ноги, учитывая анатомические особенности стопы каждого отдельного человека.
Украшения. 3D-принтеры позволяют дизайнерам и ювелирам создавать сложные изделия, которые тяжело изготовить вручную. Всего за несколько минут принтер может сделать то, на что у мастера уходят часы.
Еда
Помощь людям с проблемами питания. Датская компания Gastronology взялась за 3D-печать продуктов, чтобы облегчить жизнь людям с дисфагией. Это прорыв в области питания для людей с проблемами, связанными с жеванием, глотанием, вкусом, приёмом пищи или аппетитом, потому что 3D-еду легко есть, она вкусная и выглядит аппетитнее обычных пюре.
Компания производит 3D-печатную еду из пюре, сохраняя при этом естественный запах и оригинальную форму. Например, готовят пюре из брокколи, печатают из пюре объект в форме брокколи и замораживают его. Продукты Gastronology можно купить в замороженном и фасованном виде.
Высокая кухня. 3D-печать позволяет шеф-поварам и производителям продуктов питания создавать сложные и визуально привлекательные блюда. Существуют 3D-принтеры, которые могут печатать десерты, макаронные изделия и другие продукты с индивидуальными формами и текстурами.
Космос. Учёные Самарского университета в России разрабатывают установку для автоматического приготовления еды в космосе, которая поможет разнообразить меню космонавтов. В основе разработки — многофункциональный пищевой 3D-принтер, способный работать в невесомости.
Распечатанный мир победил
Yahoo Finance прогнозирует, что к 2030 году в мире будет работать до 10 млн принтеров. Уже сейчас с помощью 3D-печати создаётся практически всё: от протезов частей тела и хирургических имплантатов до очков по индивидуальному заказу и деталей самолётов. В будущем сфера применения технологий 3D-печати только расширится.
И в эту сферу стоит заходить прямо сейчас: писать код, разбираться в системах проектирования, искать, что ещё можно напечатать на 3D-принтере. Всё только начинается!
