Истоки 3D-печати:подробный график изобретений и инноваций

Развитие 3D-печати, также известной как аддитивное производство, сформировалось в результате десятилетий научных исследований, технологических инноваций, патентной деятельности и коммерциализации. Эти усилия привели к широкому внедрению технологии, которая позволяет производить недорогие высокоточные детали с высокими механическими свойствами и быстрыми сроками выполнения работ. Хотя основная цель платформ 3D-печати остается неизменной — эффективное производство высококачественных компонентов, — диапазон доступных процессов и материалов продолжает быстро расширяться. Инновации в аппаратном обеспечении, программном обеспечении и материаловедении способствуют разработке более сложных и специализированных решений, адаптированных для различных отраслей.

В этой статье мы обсудим, что такое 3D-печать, ее основные принципы и то, как постоянные инновации превращают ее во все более универсальное и сложное производственное решение.

Каково историческое происхождение 3D-печати?

Истоки 3D-печати восходят к началу 1980-х годов, в период быстрых экспериментов с материалами и цифровым производством. В 1983 году Чак Халл, сооснователь компании 3D Systems, разработал и запатентовал стереолитографию (SLA) — первую коммерчески жизнеспособную технологию аддитивного производства. SLA использует ультрафиолетовый (УФ) свет для выборочного отверждения фотополимерной смолы, слой за слоем, для создания трехмерных объектов с высокой точностью.

Это основополагающее нововведение ознаменовало начало современной эры 3D-печати и заложило основу для других ключевых технологий, включая селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование наплавлением (FDM®). Эти взаимодополняющие методы расширили диапазон материалов и приложений для печати, что в конечном итоге позволило 3D-печати получить распространение в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, здравоохранение и производство потребительских товаров. 

Когда появилась 3D-печать?

3D-печать началась в начале 1980-х годов, когда Чак Халл разработал первую машину для стереолитографии (SLA), известную как SLA-1 (также называемую STL-1). В этой новаторской системе использовалась фотополимеризация — процесс, в котором ультрафиолетовый (УФ) свет выборочно отверждает слои жидкой фотополимерной смолы с образованием твердых трехмерных структур. 

Халл подал патент на это нововведение в 1984 году, а официально он был выдан в 1986 году. В том же году он стал соучредителем компании 3D Systems, которая начала коммерциализацию технологии SLA, что ознаменовало официальный выход аддитивного производства на промышленный рынок. Этот прорыв не только представил новый метод быстрого прототипирования, но и заложил основу для дальнейшего развития технологий 3D-печати во многих секторах.

Как появилась 3D-печать?

Коммерциализация 3D-печати началась в 1988 году, когда компания 3D Systems выпустила на рынок первую машину для стереолитографии (SLA). Это нововведение оказало преобразующее влияние на разработку продуктов, позволив дизайнерам и инженерам создавать физические прототипы с беспрецедентной скоростью и геометрической сложностью. Он открыл новую эру быстрого прототипирования, упрощая тестирование, повторение и доработку проектов.

Вскоре после этого Stratasys представила моделирование плавленым осаждением (FDM®), которое предложило более экономичную альтернативу. Хотя FDM производит детали с более низким разрешением по сравнению с SLA, в нем используются термопласты со свойствами, близкими к свойствам материалов конечного использования, что делает его привлекательным для функционального прототипирования и предварительной проверки продукта.

Эти разработки послужили катализатором появления первых сервисных бюро и собственных лабораторий прототипирования, которые произвели революцию в рабочих процессах проектирования, сократив циклы разработки и ускорив проверку конструкции. В результате 3D-печать быстро стала важным инструментом в проектировании, разработке продуктов и стратегии производства.

Иллюстрация 3D-печати SLA.

Когда был представлен первый 3D-принтер?

Внедрение 3D-печати было органичным процессом, который первоначально длился несколько лет, поскольку консервативное мышление уступило место более быстрому и проверяемому процессу, который облегчил исследования. В сочетании с появлением 3D-систем CAD-CAM дизайн изделий стал более гибкой и менее художественной областью.

Первые машины SLA, представленные в 1989 году, ознаменовали революцию, но эти изменения шли медленно и продолжаются до сих пор.

Кто изобрел первый 3D-принтер?

Первый 3D-принтер был изобретен Чаком Халлом и получил патент в 1986 году. Примерно в то же время Скотт Крамп в 1988 году разработал моделирование плавленым осаждением (FDM®), которое начало коммерциализировать технологию FDM вскоре после SLA. Вместе эти две инновации, SLA и FDM, заложили основу современной экосистемы 3D-печати.

Какие значимые события произошли в истории 3D-печати в 1980-е годы?

В 1980-х годах следующие важные события определили зарождение и раннюю историю 3D-печати:

1. В 1983 году Чак Халл впервые разработал концепцию, которая впоследствии стала SLA, первой технологией 3D-печати, которая была коммерциализирована компанией 3D Systems в 1988 году.
2. Карл Декард и Джозеф Биман разработали селективное лазерное спекание (SLS) в Техасском университете в 1986 году, выведя на раннюю стадию разработки еще одну основополагающую технологию аддитивного производства.
3. Скотт Крамп запатентовал моделирование методом наплавления (FDM®) в 1989 году, заложив основу для коммерциализации 3D-принтеров на основе FDM® от Stratasys.

Эти вехи ознаменовали зарождение 3D-печати и заложили основу для ее постоянного и быстрого развития в последующие десятилетия.

Какие значимые события произошли в истории 3D-печати в 1990-е годы?

В 1990-е годы следующие ключевые события способствовали ускорению развития 3D-печати:

1. Коммерциализация технологий SLA и SLS такими компаниями, как 3D Systems и DTM Corporation, привела к более широкому внедрению во многих более дорогостоящих и дорогостоящих секторах проектирования.
2. Появление настольных 3D-принтеров, начиная с технологии FDM от Stratasys, сделало 3D-печать более доступной для предприятий, а также для любителей и энтузиастов.
3. Распространение приложений во всех отраслях благодаря развитию материалов и технологий печати, усилению конкуренции между агентствами, снижению затрат для пользователей и улучшению методов постобработки.
4. Разработка приложений для быстрого прототипирования и быстрой оснастки упрощает циклы разработки продуктов и производственные процессы.

Эти вехи закрепили за 3D-печатью роль преобразующей технологии, которой она быстро стала, с широким и почти универсальным применением в отрасли.

Какие значимые события произошли в истории 3D-печати в 2000-е годы?

В 2000-х годах развитию 3D-печати способствовали следующие важные разработки и технологические события:

1. Развитие новых технологий 3D-печати, включая прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевую плавку (EBM), позволило производить металлические детали полной плотности и готового размера со сложной геометрией.
2. Появление недорогих настольных 3D-принтеров такими компаниями, как MakerBot, Ultimaker и Prusa Research, расширило доступ к технологии 3D-печати, сделав ее доступной для частных лиц и малого бизнеса.
3. Расширение применения в сфере здравоохранения за счет использования 3D-печати для медицинских имплантатов, протезов, ранней биопечати и хирургических шаблонов для конкретных пациентов.
4. Постоянное совершенствование и расширение материалов, а также растущая диверсификация процессов печати и программного обеспечения расширили возможности и точность технологии 3D-печати.

Наиболее значительным эффектом разработок этого периода стала демистификация аддитивного производства и растущее признание, по крайней мере, идеи о том, что процессы более высокого уровня имеют потенциал для производства готовой продукции в малых и средних масштабах.

Какие значимые события произошли в истории 3D-печати в 2010-х годах?

В 2010-е годы темпы развития еще больше возросли, сформировав множество траекторий развития все более разнообразных возможностей, которые вместе представляют собой 3D-печать. Некоторые из них:

1. Достижения в технологии биопечати позволили печатать коллагеновые каркасы, которые в этот период заполнялись живыми тканями. В это время по мере развития технологий началось все больше экспериментов с печатью живых клеток для медицинских исследований и потенциальной трансплантации.
2. Рост 3D-печати в аэрокосмической и автомобильной промышленности для производства деталей конечного использования, таких как детали камер сгорания самолетов и ракет и прототипы автомобилей, детали для восстановления и даже исследования в направлении «массового» производства.
3. Проникновение 3D-печати в строительство с развитием крупномасштабных технологий аддитивного производства строительных конструкций путем жидкой экструзии паст цементного типа.
4. Внедрение систем 3D-печати металлом, способных производить металлические детали с высоким разрешением и полной плотностью для аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности. Были разработаны два основных подхода:детали, скрепленные полимером, которые спекаются после печати, и непосредственное локальное плавление для готовых компонентов, готовых не на станке.
5. Внедрение 3D-печати в сфере образования, мастерских и DIY-сообществ способствует инновациям и творчеству.

Какие значимые события произошли в истории 3D-печати в 2020-е годы?

К значимым событиям в области 3D-печати 2020-х годов относятся:

1. 3D-печать сыграла широко разрекламированную роль в производстве средств индивидуальной защиты (СИЗ), экспериментах с аппаратами искусственной вентиляции легких и мазках из носоглотки. Во многом это было сделано ради рекламы и не подходило для реального использования, но влияние на профиль сектора было глубоким.
2. Повышение внимания к экологически чистым материалам и процессам, а также инициативам по переработке отходов и безотходной экономике. Это включает в себя увеличение использования переработанных нитей биологического происхождения для FFF/FDM, более широкое использование водорастворимых и биологически инертных вспомогательных материалов, а также усилия по сокращению отходов и токсичности в различных процессах.
3. НАСА, военные США и частные компании начали использовать аддитивное производство для прототипирования и производства компонентов для космических кораблей и обитателей.
4. Прогресс в печати сложных тканей и органов для медицинских целей и регенеративной медицины продолжается, хотя в целом это остается экспериментальным.
5. Исследования процессов аддитивного производства атомного масштаба находятся на очень ранних стадиях, в небольших масштабах, но быстро развиваются.
6. Растет использование 3D-печати для массовой настройки, производства запасных частей и оснастки в различных отраслях.

Темпы выпуска новых коммерческих реализаций существующих технологий, совершенно новых процессов и диверсификации материалов в сторону «реальных», а не прототипных свойств и характеристик деталей для конечного использования все еще ускоряются.

Когда появилась 3D-печать в пищевой промышленности?

Эксперименты с 3D-печатью в пищевой промышленности начали набирать обороты в начале 2010-х годов. Хотя концепция 3D-печати продуктов питания изучалась уже несколько лет, заметные разработки начались примерно в 2011–2012 годах, когда исследователи и повара начали экспериментировать с 3D-принтерами, модифицированными для экструзии пищевых материалов. Основная концепция отличается только автоматизацией от сложного ручного 3D-декорирования тортов и кондитерских изделий, которое уже имеет давнюю историю.

Одним из пионеров аддитивного производства продуктов питания была компания Natural Machines из Барселоны, которая в 2014 году представила пищевой 3D-принтер Foodini. Впоследствии различные компании, исследовательские институты и кулинары изучали потенциал технологии 3D-печати для создания индивидуальных, визуально привлекательных продуктов питания, начиная от кондитерских изделий и шоколада и заканчивая макаронами, заменителями мяса и даже полноценными блюдами.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по 3D-печати в пищевой промышленности.

Когда началась 3D-печать протезов?

3D-печать протезов начала выходить за рамки концептуального уровня и уровня визуализации в начале-середине 2010-х годов. До этого концепция изучалась в исследовательских целях, но с небольшим количеством долгосрочных результатов функционирования.

Одно из важных событий произошло в 2011 году, когда южноафриканский плотник Ричард Ван Ас в сотрудничестве с американским производителем реквизита Иваном Оуэном создал напечатанный на 3D-принтере протез руки для мальчика по имени Лиам. Их дизайн, известный как «Robohand», был открыт с открытым исходным кодом и широко распространялся в Интернете, что вызвало интерес к использованию технологии 3D-печати для создания доступных и настраиваемых протезов. С тех пор 3D-печать все чаще используется в области протезирования благодаря ее способности производить персонализированные, легкие и экономичные протезы конечностей и их компоненты. Улучшение материалов, более широкое распространение возможностей и более глубокое понимание последствий этого подхода стимулируют постоянные инновации в этой области.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по 3D-печати в протезировании.

Когда началась 3D-биопечать?

3D-биопечать, процесс создания трехмерных биологических структур с использованием живых клеток, возникла как область исследований в начале 2000-х годов. Одна из первых демонстраций 3D-биопечати произошла в 2003 году, когда Томас Боланд, исследователь из Университета Клемсона, разработал технику печати живых клеток на биосовместимых каркасах с помощью струйного биопринтера. Это стало важной вехой в развитии технологии 3D-биопечати. 

Последующие достижения в области материаловедения, биоинженерии и аддитивного производства привели к разработке более сложных систем 3D-биопечати, способных печатать сложные ткани и органоподобные структуры. Сегодня 3D-биопечать открывает огромные перспективы для применения в тканевой инженерии, регенеративной медицине, разработке лекарств и персонализированной медицине.

Каков текущий статус 3D-печати?

3D-печать превратилась из инструмента для прототипирования в зрелую производственную технологию промышленного уровня, охватывающую широкий спектр методов и материалов. Аддитивное производство теперь поддерживает приложения в самых разных масштабах — от микромасштабных компонентов в биомедицинской инженерии до крупномасштабных архитектурных и аэрокосмических конструкций. Его влияние распространяется на такие отрасли, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, оборона, производство потребительских товаров, здравоохранение, энергетика и даже производство продуктов питания и биопечать.

Сегодня 3D-печать включает в себя разнообразную экосистему специализированных технологий, включая экструзию полимеров, фотополимеризацию смол, плавление порошкового слоя, струйную обработку связующего и струйную обработку материалов. Эти методы предназначены для оптимизации скорости, свойств материала, разрешения и экономической эффективности в зависимости от приложения. Эта область продолжает диверсифицироваться и расширяться, при этом аддитивные процессы интегрируются в производственные линии как для крупносерийных деталей, так и для компонентов, изготавливаемых по индивидуальному заказу. Инновации в области материаловедения, программного обеспечения, автоматизации процессов и гибридного производства ускоряют этот сдвиг, заставляя 3D-печать играть центральную роль в стратегиях цифрового производства во всем мире.

По мере развития основных технологий аддитивное производство выходит за рамки прототипирования и становится стратегическим активом в повышении устойчивости цепочки поставок, облегчении производства по требованию и содействии устойчивому производству.

Каковы важные изменения в 3D-печати сегодня?

Несколько важных краткосрочных и перспективных событий будут формировать ландшафт 3D-печати на следующий период. Примеры:

1. Исследователи добились значительных успехов в области 3D-биопечати, достигнув успехов в печати сложных тканей и органоподобных структур для регенеративной медицины, тестирования лекарств и персонализированного здравоохранения. Это открывает потенциал для того, чтобы искусственные замещающие органы стали обычным явлением.
2. Инвестиции в широкоформатную 3D-печать для строительной, аэрокосмической и автомобильной отраслей растут. Новые технологии и материалы, в том числе реголит на полимерной основе для внеземного строительства, позволяют печатать компоненты зданий, секции планера и детали транспортных средств. Это поддерживает концепции использования ресурсов на месте (ISRU) для таких приложений, как строительство на Луне с использованием лунного грунта.
3. Индустрия 3D-печати уделяет особое внимание устойчивому развитию, прилагая усилия по разработке более экологически чистых материалов, сокращению отходов и реализации программ переработки. Компании изучают (или уже продают) материалы биологического происхождения, биоразлагаемые и переработанные материалы, которые сводят к минимуму воздействие на окружающую среду.
4. 3D-печать становится ключевым компонентом экосистем цифрового производства, обеспечивая возможность массовой настройки, производства по требованию и распределенного производства. Достижения в области автоматизации, мониторинга процессов в реальном времени, программного обеспечения для цифрового проектирования и оптимизации на основе искусственного интеллекта увеличивают производительность, снижают затраты и внедряют аддитивное производство в среду Индустрии 4.0. 
5. Аддитивное производство трансформирует персонализированную медицину:от индивидуальных имплантатов и протезов до биосовместимых хирургических шаблонов и анатомических моделей. Прогресс в области материалов медицинского назначения и методов биопроизводства способствует улучшению результатов хирургических операций, выздоровлению пациентов и эффективности здравоохранения. 

Эти разработки отражают продолжающуюся эволюцию и диверсификацию технологий 3D-печати по широкому спектру технологий и подходов, что имеет значительные последствия для всех секторов рынка. Поскольку основные технологии продолжают развиваться и диверсифицироваться, 3D-печать может открыть новые возможности и изменить будущее производства и за его пределами.

Произошло ли развитие технологии 3D-печати во второй половине 20-го века?

Мечта об аддитивном производстве старше самой технологии, но реальность преобразования цифрового файла в реальную, физическую печатную деталь стала лишь предварительно реализована в последние годы 20-го века.

Что еще мне следует знать о 3D-печати?

Огромный и расширяющийся спектр технологий 3D-печати до сих пор поражает воображение. Алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения интегрируются в процессы 3D-печати для оптимизации дизайна, повышения скорости печати и улучшения свойств материала.

Исследователи приближаются к возможности биопечати сложных тканей и органов человека, используя живые клетки, полученные от пациента. Это может совершить революцию в регенеративной медицине и замене органов. 3D-печать позволяет настраивать медицинские устройства, такие как имплантаты, протезы и хирургические инструменты, в соответствии с индивидуальной анатомией пациента. Это сокращает время операции, улучшает результаты лечения и сокращает время восстановления.

Сочетание 3D-печати с нанотехнологиями позволяет создавать сложные структуры наномасштаба, что ведет к достижениям в области материаловедения, электроники и систем доставки лекарств. Это приближается к строительству атомного масштаба и находится на переднем крае исследований.

Кроме того, технологии 3D-печати адаптируются для использования в космосе. Это позволяет производить инструменты, запасные части и даже жилые помещения по требованию во время длительных космических полетов. Достижения в области 3D-печати из нескольких материалов позволяют одновременно наносить различные материалы. Это позволяет создавать сложные конструкции с настраиваемыми свойствами, состоящие из многофункциональных частей.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство «Как работают 3D-принтеры».

Сводка

В этой статье рассказывается об истории 3D-печати, объясняется, как она работает, и освещаются ключевые события, произошедшие с течением времени. 3D-печать превратилась в жизненно важную технологию, используемую во многих отраслях, обеспечивающую инновационные подходы к проектированию и производству продукции.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатную и ни к чему не обязывающую цену на 3D-печать.

Уведомление об авторских правах и товарных знаках

1. FDM® является зарегистрированной торговой маркой Stratasys Inc.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Объяснение модуля упругости при изгибе:определение, расчет и его жизненно важная роль в структурной целостно… DMLS против EBM:подробное сравнение технологий аддитивного производства