Как за десятилетие индустрия 3D-принтеров превратилась в производство оружия, органов и космических кораблей

Изобретатели все представляли иначе. Как индустрия 3D-принтеров стала использоваться для производства оружия, органов и космических кораблей

Відключайте рекламу - підтримуйте ITC!

За последнее десятилетие 3D-печать из хобби для гиков превратилась в одну из самых востребованных в мире технологий. Ее используют от аэрокосмической и военной промышленности до медицины, дизайна, строительства и косплея. Совершенно не так, как задумывали изобретатели технологии в 80-х годах прошлого века. Мы решили вспомнить, каким образом стаканчик для промывки глаз превратился в универсальную технологию производства деталей, оружия и даже внутренних органов.

История появления 3D-печати

Во многих источниках отцом 3D-печати считают Чарльза (Чака) Халла, именно он 8 августа 1984 подал заявку на патент технологии, которую назвали «Аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии (STL)». Как часто бывает в истории науки, первооткрывателем стал не тот, кто сделал первым, а тот, кто вовремя получил финансирование и создал более универсальную технологию. За несколько лет до Чарльза Халла еще несколько ученых плодотворно работали в этой области, но не смогли оформить патент, хотя и добились значительных успехов.

До того как Халл начал проводить эксперименты, в 1981 году доктор Хидео Кодама из Муниципального промышленного исследовательского института в Нагое описал в статье процесс, во время которого «твердая модель изготавливается путем воздействия ультрафиолетовых лучей на жидкий фотополимер, <…> укладывая поперечные затвердевшие слои». Он смог создать несколько прототипных деталей, но так и не закончил патентную спецификацию, а со временем отказался развивать эту идею. И все из-за нехватки финансирования!

Второй серьезной заявкой на успех в создании 3D-печати стали эксперименты трех французских инженеров: Алена Ле Мехо, Оливье де Витта и Жана-Клода Андрэ. В столовой они обсуждали создание «фрактального объекта» при помощи лазера и затвердевающего полимера. Но первые эксперименты провалились и тогда, Жан-Клод Андре, специалист из CNRS французский Национальный центр научных исследований, предложил строить модель не из блоков, а слой за слоем. Таким образом они смогли создать прототип винтовой лестницы. Инженеры подали патент на процесс стереолитографии за три недели до американца Чака Халла и получили его в 1986 году. Но CNRS и Alcatel, на базе которых проводились исследования, не увидели перспективы в технологии стереолитографии, поэтому патент так и не использовали.

Вернемся к Чарльзу Халлу. Он планировал использовать технологию 3D-печати в производстве мебели. При помощи ультрафиолетовых лучей он хотел создавать прототипы небольших деталей для столешниц. Руководство компании, где он работал, одобрило инициативу Халла, выделило ему небольшую лабораторию и профинансировало исследования. Весь процесс он описал так: «ультрафиолетовый свет попадает на поверхность контейнера, заполненного жидким фотополимером, под управлением компьютера луч «рисует» каждый слой на поверхности жидкости, заставляя фотополимер превращаться в твердое вещество».

В это же время с помощью Fusion 360 от Autodesk компьютерная модель разделяется на тонкие слои, которые последовательно печатаются, затвердевая по мере создания модели. Однажды ночью эксперименты Халла привели к созданию полноценной 3D-модели. Он вытянул жену из постели и гордо продемонстрировал… черный стаканчик для промывки глаз. Именно он стал первой в мире «официальной» 3D-моделью, изготовленной по технологии STL, а в 1986 году Чарльз Халл получил патент на свое открытие. Следующим шагом изобретателя стало создание компании 3D Systems в Валенсии, Калифорния и расширение патентов, чтобы включить в них разные исходные вещества и продолжить коммерциализацию процесса.

Фото 1:

Тот самый стаканчик для промывки глаза, который в 1983 году стал первой 3D-моделью

https://www.3dsystems.com/our-story

Фото 2:

Чарльз Халл (второй слева) и команда компании 3D Systems в Валенсии

3dsystems.com/our-story

В технологию поверил канадский инвестор, и как только в 1988 году компания смогла выпустить на рынок коммерческий 3D-принтер – модель SLA-1, ею заинтересовались производители автомобилей, медицинские учреждения и аэрокосмические компании. Сегодня компания 3D Systems во главе с Чаком Халлом продолжает играть ведущую роль на рынке технологий 3D-печати, а сам Халл в 2014 году за свои достижения был включен в Национальный зал славы изобретателей.

Разные технологии 3D-печати

Практически в то же время, что и Халл, студент Техасского университета в Остине Карл Декард придумал альтернативную технологию 3D-печати – селективное лазерное спекание, или SLS. Во время работы со станком TRW, который изготавливал детали для нефтяных месторождений, Декард понял, что его производительность можно увеличить за счет сокращения количества отливок.

Около двух с половиной лет ему понадобилось, чтобы разработать технологию, которая позволила бы станку производить детали без литья. Карл Декард подал патент на SLS в 1987 году и в 1989 получил его. Основное отличие его технологии от стереолитографии – это материал, на который направлен лазер: вместо полимера (смолы) Декарт воздействовал на сыпучий порошок, превращая его в твердое вещество. Благодаря поддержке профессора Джо Бирмана и инвесторам, поверившим в проект, появилась компания Desk Top Manufacturing (DTM) Corp. Но понадобилось больше 20 лет, чтобы печать по технологии SLS стала финансово доступной обычному потребителю.

А вот самая доступная технология печати родилась в гараже из желания инженера Скотта Крампа сделать фигурку лягушонка для дочери. В конце 1980-х Крамп смешал свечной воск с полиэтиленом и с помощью горячего клеевого пистолета сделал трехмерную лягушку. Так появилась первая модель, сделанная при помощи FDM – технологии послойного наплавления при помощи расплавленного пластика.

В 1989 году вместе с женой Лизой Крамп, которая всячески убеждала мужа превратить открытие в бизнес, они запатентовали технологию FDM. В 1992 году Скотт создал первый действующий 3D-принтер с FDM. Вскоре супруги стали соучредителями компании Stratasys – одного из современных лидеров на рынке промышленных 3D-принтеров. Менее чем за десять лет родились три технологии 3D-печати, изменившие ход событий: стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS), моделирование методом наплавления (FDM).

Когда произошел переломный момент и массовое распространение технологии

Несмотря на то, что в 1980-х сразу несколько изобретателей совершили прорыв, открыв стереолитографию и другие виды 3D-печати, до начала 2000-х, технология не получила широкого распространения. Во-первых, стоимость и масштабы оборудования: долгое время закупать оборудование для производства трехмерных деталей могли себе позволить только автомобильная и аэрокосмическая отрасли. Во-вторых, первые 3D-модели были хрупкими, ограниченными по форме и материалам, из которых создавались, поэтому на долгое время более широкое распространение 3D-печати казалось бесперспективным.

Пока в 2005 году не появился проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper). Основной идеей доктора Эдриана Бауэра из Университета Бата стала возможность 3D-принтера воспроизводить собственные детали с открытым исходным кодом. В 2006 году ученые впервые успешно воспроизвели деталь для «дочернего» принтера на «родительском».

Первый подобный принтер под именем Darwin выпустили в 2007 году. Затем последовали Mendel, Prusa Mendel и Huxley – все они были названы в честь биологов-эволюционистов. За последующие несколько лет в RepRap смогли воспроизвести более 50% деталей. Такая технология не только позволила больше без глобальных ограничений использовать 3D-принтеры, чтобы тестировать будущие реплики исходных устройств, но и экономить на производственных процессах.

Это привело к появлению моделей Prusa MK3 или Lulzbot Mini 2. Обе машины используют множество напечатанных деталей, и их производители предоставляют STL-файлы для скачивания. Больше не нужно было опираться на дорогостоящие детали, сделанные на коммерческих 3D-принтерах. С каждым годом количество реплик, которые создавались при помощи «родительских» принтеров, а затем и «дочерних», росло и в 2008 году перевалило за сотню.

Не только инженеры и ученые были заинтересованы сделать трехмерную печать доступной для всех. В 2009 году запустилась краудфандинговая платформа Kickstarter, на которой десятки компаний и частных лиц собирали деньги на проекты по созданию массовых и недорогих 3D-принтеров.

Многие идеи так и остались описаниями на сайте, другие же получили феноменальную поддержку на Kickstarter. Например, для создания «первого настоящего потребительского 3D-принтера» группа стартаперов запрашивала помощь в $50 тыс., а в итоге собрали рекордные $3 401 361. И в 2014 году они представили Micro – компактный принтер, работающий на PLA полилакти́д – биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота или ABS акрилонитрилбутадиенстирол – относится к семейству стирольных полимеров и имеет много общих свойств с полистиролом.

Пришло время настольных принтеров. К этому времени истек основной патент на технологию FDM, и в 2009 году ребята из Marketbot исполнили мечту многих инженеров-самоучек. На рынок выпускают наборы D.I.Y. с открытым исходным кодом для всех, кто хотел создать собственные 3D-принтеры и модели. Вслед за этим компания открывает онлайн-библиотеку Thingiverse, где пользователи могут загружать и скачивать готовые файлы для 3D-печати. До сих пор Thingiverse остается крупнейшим хранилищем и онлайн-комьюнити в данной индустрии.

Как начали использоваться 3D-модели в разных сферах

Параллельно с попыткой сделать 3D-печать максимально доступной для всех пользователей биотехнологи учились использовать трехмерную печать для создания жизнеспособных моделей на клеточной основе. Мечта любого врача-трансплантолога – не нужно искать ткани или органы у подходящего донора.

Новая технология позволила бы выращивать 3D-модель из собственных клеток пациента и со временем должна была полностью прижиться в организме. Первой патент на биопринтинг получила компания Organovo. С помощью аппарата NovoGen MMX компания «выращивает» ткани кожи, сердца, кровеносных сосудов. Во время выступления на TED хирург Энтони Атала показал начальную стадию проекта по выращиванию почки на 3D-принтере. Он верит, что однажды подобные эксперименты приведут к тому, что нам больше не понадобятся доноры.

Активнее, чем в медицине, возможностями технологии 3D-печати заинтересовались военные структуры разных стран. Вкладывая многомиллионные бюджеты в различные разработки, министерства обороны и частные военные корпорации получили в свое распоряжение: беспилотник SULSA Southampton University Laser Sintered Aircraft, корпуса для дронов, ракет, гранатомет R.A.M.B.O., боекомплекты и множество других изобретений, которые успешно используются на практике.

Фото 1:

Аэрокосмические инженеры из Университета Саутгемптона спроектировали, построили и в 2011 году запустили первый в мире «напечатанный» самолет.

https://phys.org/news/2011-07-southampton-world-aircraft.html

Фото 2:

R.A.M.B.O. состоит из 50 отдельных деталей, изготовленных с помощью 3D-печати, за исключением пружин и крепежей. Это модифицированный гранатомет M203 с пистолетной рукояткой.

https://all3dp.com/3d-printed-grenade-launcher-rambo/

В 2021 году американские военные заключили сделку с некоммерческой организацией ASTRO America, которая должна разработать крупнейший 3D-принтер, способный из металла создавать монолитные корпуса для боевых машин. Технология монолитных корпусов уже доказала устойчивость к повреждениям, военные же хотят ускорить и удешевить процесс переоборудования машин за счет 3D-печати.

Частные лица тоже не отстают. Давно известны несколько скандальных случаев в Америке, например, техасец Коди Уилсон продает за $2,5 тыс. комплект для фрезеровки с ЧПУ под названием Ghost Gunner 3. Технология позволяет превратить необработанный алюминий в неотслеживаемое стрелковое оружие, и ее создатель с гордостью говорит о том, что продает по 55 единиц еженедельно.

Сложно переоценить вклад 3D-моделинга в архитектуру и строительство. Наверняка Чак Халл и не думал, что можно в домашних условиях напечатать целое здание, пока пытался «наслаивать» первый стакан для промывки глаз. Но жилыми домами, которые создали из деталей, напечатанных на 3D-принтере, уже никого не удивишь. Первым жилым домом на территории ЕС стал проект Milestone. Конструкторы из Saint-Gobain Weber Beamix создали помещение в виде валуна, чтобы поэкспериментировать с формой модели и расширить креативные возможности дизайнеров.

Фото 1, 2:

Бетонная конструкция визуально ничем не отличается от домов, где ранее жила голландская пара, получившая ключи от Milestone.

https://www.designboom.com/architecture/project-milestone-first-3d-printed-concrete-house-europe-eindhoven-netherland-completion-04-30-2021/

Но самой удивительной кажется вероятность того, что трехмерные модели станут массово производить прямо в космосе. НАСА успешно доставила на МКС улучшенный 3D-принтер Made in Space Manufacturing Device (ManD) на корабле Redwire Regolith Print (RRP). Ученые хотят узнать, сможет ли принтер работать в условиях невесомости и использовать в качестве исходного сырья реголит порода грунта на Луне, чтобы создавать будущие колонии. В случае успеха ученые также надеются решить проблему саркопении потери массы и функциональности мышц в условиях микрогравитации.

Комплекс Redwire Regolith Print, состоящий из установки для аддитивного производства Redwire, печатных головок, пластин и сырья для имитации лунного реголита..

Итог: для чего создавали и к чему пришли в итоге

Научный мир не перестает удивлять: из технологии, которая могла бы ускорить работу на производстве мебели, или желания создать оригинальную игрушку для дочки родилась целая индустрия. Из технологии, доступной только для военных, автомобильных гигантов и НАСА, 3D-печать перешла в категорию вещей, где ребенок с помощью ручки и пластиковых стержней может создать трехмерную фигурку Эйфелевой башни.

Глобальные изменения произошли всего за каких-то 30 лет. Мы говорим «всего», потому что в разрезе истории научных открытий это кажется песчинкой. Надеемся, что будущие поколения используют новые открытия в 3D-печати для улучшения условий жизни и покорения космоса, а не очередного, еще более мощного оружия.