من فنجان صغير إلى مباني شاهقة: كيف تغيرت تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

أوائل الثمانينيات: التجارب الأولى

أول تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تقدم هيديو كوداما اليابانية عام 1981. صحيح ، لم يُطلق عليها بعد ذلك اسم الطباعة ثلاثية الأبعاد ، ولكن النماذج الأولية السريعة. ابتكر Kodama جهازًا يعمل وفقًا لطريقة الطباعة الحجرية المجسمة (SLA): يشع الليزر راتينج البوليمر الضوئي ، ويضع جسمًا مبرمجًا في طبقات. ومع ذلك ، فقد وصف الفكرة فقط ، لكنه لم يتمكن من تقديم الأدلة اللازمة للحصول على براءة اختراع.

في نفس الوقت تقريبًا ، بدأ العمل على جهاز للنماذج الأولية السريعة بشكل مستقل مهندس أمريكي تشارلز هال و مهندسين فرنسيين جان كلود أندريه وآلان لي ميهو وأوليفييه دي ويت. تم تحقيق النجاح في كلتا الحالتين. في عام 1984 ، تقدم الباحثون بطلب للحصول على براءة اختراع. كان الفرنسيون متقدمين بثلاثة أسابيع ، لكن هذا لم يساعدهم - فقد اعتبر اقتراحهم غير واعد ، لذلك لم يستثمروا في تطوير التكنولوجيا. لكن هال كان ناجحًا ، ولهذا السبب يعتبر مخترع الطباعة ثلاثية الأبعاد.

كانت أول قطعة مطبوعة لهول عبارة عن كوب صغير. ذكّرت المهندس بأداة لغرس قطرات العين ، زوجته - وعاء للتواصل.

في عام 1986 ، هال ، جنبا إلى جنب مع الشركاء مخلوق شركة أنظمة 3D. بعد عام ، أطلقوا أول طابعة ثلاثية الأبعاد منتجة بكميات كبيرة ، SLA ‑ 1. جذب الاختراع في البداية شركات السيارات: بمساعدة الجهاز ، قاموا بطباعة نماذج أولية لأجزاء صغيرة ، مثل مقابض الأبواب.

منتصف الثمانينيات والتسعينيات: ظهور طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد الأخرى

في نهاية القرن العشرين ، ظهرت العديد من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد. أولاً - التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS). هنا ، ليس الراتنجات ، ولكن المواد السائبة تستخدم "كحبر". مؤلف التكنولوجيا كارل ديكارد متطور كطالب ماجستير في جامعة تكساس. ساعده البروفيسور جوزيف بيمان في إنشاء الجهاز. أول كائن تطبعه طابعة SLS 3D هو مكعب. في عام 1988 ، حصلت Deckard على براءة اختراع وأسست Desk Top Manufacturing.

بعد عام ظهر طريقة الترسيب المنصهر (FDM). "الحبر" في هذه الحالة عبارة عن بوليمرات لدن بالحرارة على شكل خيوط. يتم جرحها على ملف وتوضع داخل الجهاز. ثم يتم تسخين البوليمرات وصبها في الشكل المبرمج. مؤلف هذه الطباعة ثلاثية الأبعاد هو المهندس سكوت كرامب. لفكرة ذلك حث تجربة الحياة. عمل كرامب في شركة كانت تخطط لتصنيع جهاز تفريغ ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لكن الأمور لم تسر حسب الخطة. استغرق تصميم النماذج الأولية وقتًا طويلاً ، ونتيجة لذلك ، فقدت الشركة فرصتها لدخول السوق. ثم قرر المهندس إيجاد طريقة لتسريع مثل هذه العمليات. بدأ بالتجربة في المطبخ: مسلحًا بمسدس الغراء الساخن والمواد الهلامية البلاستيكية شبه الصلبة ، صنع لعبة الضفدع لابنته. في عام 1989 ، أنشأ عدة نماذج للجهاز ، وحصل على براءة اختراع وافتتح شركة لإنتاج طابعات Stratasys FDM ثلاثية الأبعاد.

ظهرت أول طابعة FDM في عام 1991. الآن معالاكثر انتشارا تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

الطريقة التالية هي نمو الليزر المباشر (LMD). له خطرت باحثين في مختبرات سانديا الوطنية (الولايات المتحدة الأمريكية) في التسعينيات. يتم استخدام المعدن هنا كمادة طباعة على شكل مسحوق أو خيط سلكي. يستخدم LMD في الصناعة - على سبيل المثال ، لإنشاء الأجزاء. كبيرة جدًا أيضًا. على سبيل المثال ، أكبر طابعة ثلاثية الأبعاد في روسيا بهذه التقنية قادرة على التصنيع منتجات بقطر 2.2 متر وارتفاعه متر واحد. يسمى التثبيت "ILIST-2XL" ، وقد تم إنشاؤه في Rosatom.

أواخر التسعينيات و 2000: ولادة الطباعة الحيوية

لوحظت آفاق الطباعة ثلاثية الأبعاد في الطب على الفور تقريبًا بعد ظهور التكنولوجيا. التجربة الأولى في هذا المجال محتجز في عام 1999 من قبل باحثين في مستشفى بوسطن للأطفال في كلية الطب بجامعة هارفارد. باستخدام الطابعة ، قاموا بإنشاء سقالة المثانة من الكولاجين والبوليمرات. وبعد ذلك وضعوا خلايا متبرع يدويًا من المرضى عليها.

ظهرت الطباعة الحيوية الحقيقية في عام 2003. مؤلف هذه التقنية هو المهندس البيولوجي الأمريكي توماس بولاند. هو استبدال "حبر" على سائل به خلايا حية حقيقية ، ويستخدم ركيزة خاصة كقاعدة لوضعها. ونتيجة لذلك ، تمكن من طباعة خلايا البكتيريا والثدييات. براءة اختراع التكنولوجيا تلقى في عام 2006.

في نفس الاتجاه في الصفر عمل مجموعة من العلماء بقيادة البروفيسور جابور فورغاتش. كانت تقنية NovoGen bioprinting الخاصة بهم هي الأولى التي حققت نجاحًا تجاريًا عندما تم افتتاح Organova في سان دييغو في عام 2007 لتوزيعها. بعد عامين هناك مطلق سراحه يعد Novogen MMX أحد أوائل الطابعات الحيوية التجارية ثلاثية الأبعاد.

منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين: إنشاء طابعات ثلاثية الأبعاد للميزانية

لفترة طويلة ، كانت الطابعات ثلاثية الأبعاد ضخمة ومكلفة. لذلك ، بدا من المستحيل شراء مثل هذا الجهاز للمنزل. تغيير الوضع مقرر المحاضر البريطاني أدريان باور. كانت الجامعة التي عمل بها تمتلك طابعة ثلاثية الأبعاد تبلغ قيمتها 40 ألف جنيه إسترليني ، وهي واحدة من أرخص الطابعات في ذلك الوقت. لكن باور كان يحلم بجعلها أكثر ملاءمةً للميزانية. في عام 2005 ، جاء بفكرة RepRap ، وهي طابعة ثلاثية الأبعاد صغيرة الحجم يمكنها إنشاء معظم أجزائها. بوجود آلة واحدة من هذا القبيل ، سيكون من الممكن إنتاج العديد من الأجهزة المماثلة.

في نفس عام 2005 ، تلقى باور أموالًا لتنفيذ فكرته وتحدث عنها على الويب. RepRap هو مشروع مفتوح المصدر: يمكن لأي شخص على الإنترنت تعديله وتعديله كما يشاء. سرعان ما أصبح هذا المفهوم شائعًا. في عام 2008 أصدرت نموذج RepRap الأول هو داروين. بدا وكأنه إطار به أسلاك ومثبتات. لم يكن جميلًا جدًا ، لكنه عملي تمامًا: يمكنه طباعة بعض أجزائه وعناصر أخرى ، مثل حامل هاتف السيارة.

RepRap ليس المشروع الوحيد من هذا القبيل. في عام 2006 ، طلاب في جامعة كورنيل مُقَدَّم طابعة ثلاثية الأبعاد مفتوحة المصدر - Fab @ Home. من بين الأشياء الأولى التي ابتكرها بها حزام ساعة من السيليكون ومروحة صغيرة.

أوائل عام 2010: تطوير الأطراف الاصطناعية ثلاثية الأبعاد

في عام 2013 ، محرك الدمى إيفان أوين مخلوق أول يد صناعية مطبوعة ثلاثية الأبعاد. بدأ بتجربة التكنولوجيا ليس فقط بدافع الفضول. اقتربت امرأة من أوين ولد ابنها دون أصابع في يده اليمنى. بحلول ذلك الوقت ، كان الصبي يبلغ من العمر خمس سنوات بالفعل. في البداية ، نظر الفنان إلى المواد المألوفة مثل المعدن ، وقام حتى بإنشاء أول نموذج أولي منها. لكن سرعان ما أدركت أن الطفل ينمو بسرعة ، وإعادة رسم اليد كل عام أمر شاق للغاية. لذلك بدأ أوين في البحث عن الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وطلب من شركة تقنية بضع طابعات لسبب وجيه ، وبدأ في تصميم يده على جهاز كمبيوتر. كل شيء سار على ما يرام - خرجت اليد قوية ومتحركة.

لم يرخص أوين الاختراع. بدلاً من ذلك ، نشر المشروع في المجال العام حتى يتمكن الآخرون من صنع طرف اصطناعي لأنفسهم.

أواخر عام 2010: بناء دور مطبوعة

فكرة أن الطابعة ثلاثية الأبعاد الكبيرة ستجعل من الممكن بناء المنازل بشكل أسرع وأقل كثافة في العمل من الأدوات التقليدية ، مناقشة في وقت مبكر من نهاية القرن العشرين. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، بدأوا في تطوير آلات وتقنيات مناسبة ، وفي عام 2010 ، ظهرت بالفعل أول دور مطبوعة. على سبيل المثال ، في عام 2015 ، الشركة الصينية WinSun مبني باستخدام طابعة مبنى من ستة طوابق. في عام 2016 في دبي ظهر مكتب على شكل مخصص: القدرة على إنشاء تصميمات مخصصة بسهولة هي إحدى مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في البناء.

في عام 2017 ، ظهرت أولى المباني السكنية التي تم بناؤها باستخدام هذه التكنولوجيا في روسيا - في ستوبينو و ياروسلافل. وفي عام 2022 ، قام باحثون في جامعة مين بـ 12 ساعة مخلوق أول منزل مطبوع بالكامل من مواد حيوية - ألياف الخشب والراتنجات. تعد مجموعة كبيرة من "أحبار" المباني ميزة أخرى للطباعة ثلاثية الأبعاد. لهذه الأغراض ، على سبيل المثال ، يتم استخدام الخرسانة والرمل والرماد البركاني وقشور الأرز.

ماذا الان؟

اليوم ، يتم استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد بنشاط في مختلف المجالات. بمساعدتها ، يصنعون الملابس وأدوات البحث والغرسات وحتى الطعام. يتم استكشاف قدرات التكنولوجيا بنشاط ، ولها العديد من الآفاق. نعم العلماء يفترضأنه في المستقبل ستكون الطابعة قادرة على الطباعة مباشرة داخل الشخص ، لتحل محل المنطقة التالفة من العظام أو الغضاريف في أسرع وقت ممكن. هناك بالفعل أمثلة لأجهزة صغيرة للتطبيقات داخل الجسم الحي. لمثل ينطبق الطابعة الروبوتية التنظيرية F3DB ، التي أنشأها مهندسون من سيدني. وإذا وجد الباحثون طريقة لبرمجة أعضاء ثلاثية الأبعاد بحيث تتلاءم بسلاسة مع الجهاز العصبي والدورة الدموية ، ينجح يقلل بشكل كبير من قائمة الانتظار للحصول على مساعدة المانحين.