1. Чарльз Халл – соучредитель 3D-Systems

Первый 3D-принтер изобретён американцем Чарльзом Халом и это изобретение имело настолько большие последствия для развития в производстве новых технологий, что стоит познакомиться с личностью Халла.

Чарльз Халл – соучредитель, исполнительный вице-президент и главный директор по технологиям компании 3D-Systems. В 1984 г. запатентовал аппарат для стереолитографии. Родился в 1939 г. в США.

Экономический кризис 1980-х гг. заставил предприятия искать новые технологии, и становилось понятно, что будущее связано с компьютеризацией производства. Необходимы были специалисты, способные соединить IT-технологии и конвейерное производство.

В 1983 г. Чарльз Халл работал в компании Ultraviolet Products (UVP), где занимал должность вице-президента по разработкам. Компания ориентировалась на производство ламп, оборудования и разработку светочувствительных полимеров. Разработки UVP применялись, например, в мебельном производстве и позволяли заменить лаки и краски для дерева на полимеры, которыми покрывали деревянный материал с последующим его отвердением под действием ультрафиолета. В результате получалось прочное пластиковое покрытие с успехом, заменяющее деревянный шпон.

Однажды Халлу пришла мысль, что можно наносить не один слой полимера, а несколько, последовательно воздействуя на них ульрафиолетом под управлением компьютера. Тогда можно сформировать пластиковое покрытие произвольной формы. Так родилась идея, благодаря которой в дальнейшем был совмещён процесс компьютерного моделирования и фотохимии. Эта идея захватила Халла и он интенсивно конструировал оборудование, анализировал полимеры и писал компьютерные программы.

Спустя несколько месяцев пришла первая удача – наконец появился рабочий вариант установки, в которой ультрафиолетовая лампа освещала емкость с фотополимером. Компьютерный код Халл написал самостоятельно, поэтому первые изделия были простой формы. 9 марта 1983 г. считается датой рождения 3D-печати. В этот день устройство за 45 минут «жужжания» произвело небольшую чашу, которую Халл держал в руке и говорил – «У меня получилось, теперь мир никогда не будет прежним».

Халл работал по технологии стереолитографии (SLA). Его довольно габаритный принтер печатал трёхмерную деталь в процессе нанесения фотополимерного материала на подвижную платформу. При этом ключевой информацией для реализации процесса являлась цифровая 3D-модель детали. Подвижная платформа поднималась на 0,1–0,2 мм, наносился новый слой полимера, затем слой облучался ультрафиолетовой лампой и процесс повторялся до готовности изделия.

Год спустя Халл получил патент США под названием «Аппарат для создания трёхмерных объектов с помощью стереолитографии», который был зарегистрирован 8 августа 1984 г. В патенте стереолитография была описана как технология создания твёрдых предметов с помощью последовательной печати и обработкой ультрафиолетом тонких слоев материала. Автором разработки в патенте был Халл, но правообладателем изобретения была компания UVP. Свое изобретение Халл назвал стереолитографией, так как хотел, чтобы название включало термин «литография», как синоним печати, и греческое слово «стерео», что означает «пространственный». Тогда он просто сложил два этих слова в одно.

В 1986 г. Халл и президент UVP зарегистрировали первую компанию по производству 3D-принтеров и назвали её 3D-Systems, а уже в 1987 г. был изготовлен первый серийный 3D-принтер под названием SLA-1.

Позднее Халл распространил свой метод и на любые затвердевающие материалы и запатентовал еще много новых решений и технологий, в том числе новый формат данных STL для цифровых моделей. Однако настоящий успех изобретение 3D-печати получило позже, уже в XXI в.

В настоящее время компания 3D-Systems является крупнейшим мировым производителем 3D-принтеров, а Чарлз Халл продолжает трудиться в ней, совмещая должности исполнительного вице-президента и главного инженера. В 2014 г. Халл вошел в Национальный зал славы изобретателей США, встав в один ряд с Генри Фордом, Никола Тесла и братьями Райт.

2. Карл Декард – создатель метода селективного лазерного спекания

В 1986 г., когда Халл зарегистрировал компанию 3D-Systems по производству 3D-принтеров, Карл Декард изобрёл метод селективного лазерного спекания (SLS).

Карл Роберт Декард – доктор философии, доктор медицинских наук, американский изобретатель.

Широкую известность приобрёл за разработку метода селективного лазерного спекания в 3D-печати. Умер в возрасте 58 лет в 2019 г.

Подробнее с методом SLS познакомимся в разделе «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный Декартом процесс заключается в следующем. В процессе используется лазерный луч, который спекает расходный материал в виде порошка, например пластика или металла. При этом порошок разогревается в рабочей камере почти до температуры плавления. После спекания слоя рабочая поверхность камеры опускается на 0,1–0,2 мм, наноситься очередной слой порошка, который выравнивается и спекается лазером. Далее процесс повторяется до готовности изделия.

3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

В настоящее время наиболее применяемой технологией трёхмерной печати является послойное наплавление (fused deposition modeling, FDM). FDM-технологию изобрёл и развил Скотт Крамп. В 1988 г. он получил на неё патент.

С. Скотт Крамп – изобретатель технологии послойного наплавления (FDM). Вместе со своей женой и соучредителем Лизой Крамп в 1989 г. основал компанию Stratasys, Ltd..

Подробнее с методом FDM познакомимся в разделе «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный Крампом процесс заключается в следующем.

Печать с использованием FDM-технологии основана на формировании слоёв изделия посредством выдавливания (экструзии) расходного материала, например термопластика, из печатного блока (экструдера). Позиционирование экструдера выполняется в трёх плоскостях за счёт использования высокоточных шаговых двигателей. Управление перемещением экструдера осуществляется соответствующим программным обеспечением.

Упомянутые выше 3D-принтеры являлись промышленными дорогостоящими устройствами, например, одни из первых принтеров стоили от 50 до 220 тыс. долл. Поэтому примерно до 2005 г. о них знал лишь немногочисленный круг специалистов. Необходимо было что-то предпринимать для вывода трёхмерной печати на коммерческий уровень.

Для решения этой задачи в 2006 г. был создан проект под названием RepRap (Replicating Rapid Prototyper), что можно перевести, как самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов. Целью проекта была разработка самокопирующего 3D-принтера, функционирующего по технологии FDM (послойное наплавление) и имеющего открытый код программного обеспечения. Предполагалось, что самокопируемость и открытость программного кода дадут мощный толчок в развитии коммерческого успеха 3D-печати.

Основателем проекта RepRap является Адриан Боуер – преподаватель из Великобритании. Боуер в этот технический проект заложил философскую концепцию, которую сам характеризовал как «дарвиновский марксизм». Со словом марксизм ассоциировалось положение Маркса о том, что каждый человек должен владеть средствами производства. Поэтому проект RepRap можно назвать не революционной (не насильственной) передачей народу индивидуальных средств производства. С понятием «дарвинизм» Боуер связывал процесс, когда любой владелец может менять конструкцию устройства и предлагать её, как вариант. При этом хорошие варианты будут «выживать», а неудачные исчезать, т.е. виден подход Дарвина.

Разработки RepRap обычно требуют лицензирования, поэтому пользователь имеет правовую основу для копирования, модификации и распространения разработки. Таким образом, в качестве основной цели проекта RepRap являлось широкое внедрение аддитивных технологий с максимальным вовлечением индивидуальных пользователей в процесс производства. Так появились доступные рядовому пользователю 3D-принтеры со стоимостью от 500 долл. и открытым программным кодом. При этом компании уделяли особое внимание рабочим характеристикам, дизайну и цене принтеров.

В плане продвижения идей RepRap прежде всего отметим компанию MakerBot. Их лучшим принтером до сих пор остаётся модель MakerBot Replicator 2, несмотря на выпуск ещё в 2012 г. Эта модель является практически законченным коммерческим продуктом. Однако со временем компания MakerBot пересмотрела свою концепцию и отказалась от принципа открытости программного кода. Одновременно с продвижением на рынок принтеров компания MakerBot работала над созданием бесплатного ресурса Thingiverse, который состоял из библиотеки, включающей множество моделей для трёхмерной печати.

Отметим также компанию Formlabs, которая в числе первых выпускала доступный принтер для технологии SLA (стререолитография). На свою первую модель принтера Formlabs привлекала деньги за счёт краудфандинга. Это один из методов привлечения денег на проект посредством специальных интернет-площадок. При этом привлечь деньги можно в долг, либо в обмен на долю в будущей прибыли или при определённом везении получить их безвозмездно. Таким образом, компании удалось создать доступный и производительный 3D-принтер и повысить его качество.

В настоящее время планомерно повышается качество принтеров, работающих по технологиям FDM и SLA, но при этом их стоимость также возрастает. Многие компании совершенствуют технологии спекания порошков (SLS) и печати металлом. Вместе с совершенствованием технических средств и технологий проводятся исследования в области расходных материалов. Сегодня наряду со стандартными пластиками (ABS и PLA) применяются прочные и тугоплавкие материалы, такие как карбон и другие.

Современные персональные 3D-принтеры по многим параметрам догоняют профессиональные принтеры. Кроме родоначальников трёхмерной печати (Stratasys, 3Dsystems) сегодня на рынке промышленной 3D-печати работают много мелких и несколько крупных корпораций.

Особенно успешно в этом направлении развивается всемирно известная компания Hewlett-Packard, которая создала модель HP Jet Fusion 3D 4200 (рис.1), ставшую «хитом» в профессиональном сообществе. Этот принтер от аналогичных моделей других производителей отличает повышенная практически на порядок скорость печати (4500 мм/час). При этом возможна печать очень прочных и точных изделий с относительно низкой себестоимости печати. Такие высокие характеристики были достигнуты в результате применения специально разработанной технологии Multi Jet Fusion (MJF) – многоструйное сплавление.

Рис. 1. Модель HP Jet Fusion 3D 4200

Однако одним из главных недостатков трёхмерной печати всё-таки продолжала оставаться невысокая скорость печати изделий.

4. Джозеф ДеСимон – основатель компании Carbon

Значительное повышение скорости печати связано с появлением технологии CLIP компанией CARBON, поднявшей 3D-печать на качественно новый уровень. Работающие по этой технологии принтеры компании могут производить модели в 100 раз быстрее по сравнению с классической технологией SLA. Создателем и руководителем работ по продвижению технологии CLIP является Джозеф ДеСимон.

Джозеф ДеСимон – американский химик и изобретатель, заслуженный профессор химии Университета Северной Каролины, член Американской академии искусств и наук, основатель и генеральный директор компании Carbon.

ДеСимон выделил следующие основные моменты в создании технологии CLIP. На определённом этапе работ стало понятно, что в существующих технологиях низкая скорость печати обусловлена идеей её послойной реализации. Для устранения этого недостатка надо было сделать процесс печати непрерывным. Мы прорабатывали два пути решения этой задачи – либо «вытягивать» модели из бассейна, либо погружать все в жидкость. Остановились на идее вытягивания. В результате была разработана концепция CLIP, позволившая обеспечивать изотропность свойств изготавливаемых объектов и улучшить другие механические характеристики.

Вместе с этим интенсивно шли работы по созданию новых материалов, их свойств и качества, а также появлялись новые методы постобработки создаваемых изделий. Эти усилия придали новый импульс развитию процесса внедрения 3D-принтеров в производство в отличие от использования их ранее только для прототипирования. В настоящее время многие компании интенсивно применяют трёхмерную печать в своей производственной цепочке. Примерами таких компаний являются NIKE и PUMA, выпускающие потребительские товары или знаменитые военнопромышленные корпорации BOEING и SPACE X, печатающие некоторые детали для двигателей ракетно-космической техники.

Кроме ставших обыденными применениями 3D-печати, стали появляться сообщения об экстравагантных экспериментах по печати частей сооружений в области архитектуры и строительства или, например, по печати из биоматериала органов или их частей в области медицины. Так, в мире уже существуют компании, которые проводят тестирование или ограниченное применение 3D-печати в строительстве зданий. Например, в Нидерландах рассматривается проект создания моста на базе 3D-печати, так как применение такой технологии позволяет уменьшить стоимость строительства и сократить сроки работ на определенных этапах.

В настоящее время технология 3D-печати уже применяется при создании некоторых видов протезов и при замене костей.

Заглядывая в будущее технологий трёхмерной печати, можно прогнозировать их расширение, совершенствование, существенный рост качества изделий и свойств используемых материалов. Трёхмерная печать постепенно заменит старые технологии в производственных цепочках и найдёт широкое применение в быту для изготовления многих вещей. При этом требуется как развитие технологий печати, изменение общественного мышления, так и развитие систем 3D-моделирования изделий.

Применение трёхмерной печати в архитектуре сократит сроки строительства сооружений и их стоимость, а также будет способствовать появлению инновационных подходов в архитектуре и строительстве.

В недалёком будущем появятся полноценные 3D-принтеры в медицине, которые не только обогатят инструментарий научных исследований, но и будут использованы как для массового создания протезов, так и для производства уникальных биологических органов. Пока биологические 3D-принтеры уже представлены экспериментальными установками для печати нескольких ограниченно-жизнеспособных клеток.