Початок 1980-х: перші експерименти
Першим технологію об’ємного друку запропонував японець Хідео Кодама у 1981 році. Щоправда, називалася вона тоді не 3D-принтінгом, а швидким прототипуванням. Кодама вигадав пристрій, який працював за методом стереолітографії (SLA): лазер опромінював фотополімерну смолу, пошарово викладаючи запрограмований об’єкт. Він, однак, тільки описав ідею, а ось навести докази, необхідні для отримання патенту, не зміг.
Приблизно в цей час роботу над пристроєм для швидкого прототипування незалежно один від одного почали американський інженер Чарльз Халл і французькі інженери Жан-Клод Андре, Ален ле Мехо та Олів’є де Вітт. Успіху було досягнуто в обох випадках. 1984 року дослідники подали заявки на патент. Французи були попереду на три тижні, але це їм не допомогло — їхню пропозицію вважали неперспективною, тому вкладатись у розвиток технології не стали. А ось на Халла чекав успіх, тому саме він вважається винахідником 3D-принтінгу.
Перша надрукована Халлом річ — маленька філіжанка. Інженеру вона нагадала інструмент для закапування крапель очей, його дружині — чашу для причастя.
У 1986 році Халл разом із партнерами створив компанію 3D Systems Corporation. А роком пізніше там випустили перший серійний 3D-принтер SLA-1. Винахід спочатку особливо привабив автомобільні компанії: за допомогою приладу вони друкували прототипи невеликих деталей, наприклад дверних ручок.
Середина 1980-х і 1990-і: поява інших методів 3D-друку
Наприкінці XX століття з’явилося ще кілька технологій 3D друку. Перша – селективне лазерне спікання (SLS). Тут як «чорнила» використовуються не смоли, а сипучі речовини. Автор технології Карл Декард розробив її, будучи студентом магістратури в Університеті Техасу. Створювати прилад йому допомагав професор Джозеф Бімен. Перший об’єкт, надрукований SLS 3D принтером, – куб. 1988-го Декард запатентував винахід і заснував компанію Desk Top Manufacturing.
Роком пізніше з’явився метод пошарового наплавлення (FDM). “Чорнила” в цьому випадку – термопластичні полімери у формі нитки. Їх накручують на котушку та поміщають усередину приладу. Потім полімери нагріваються та виливаються, приймаючи запрограмовану форму. Автор такого 3D-друку – інженер Скотт Крамп. На його ідею наштовхнув життєвий досвід. Крамп працював у компанії, яка планувала випустити пристрій для розвантаження друкованих плат. Але все йшло за планом. Створення прототипів зайняло багато часу, в результаті компанія втратила шанс зайти на ринок. Тоді інженер вирішив знайти спосіб прискорити такі процеси. Почав із експериментів на кухні: озброївшись клейовим пістолетом та напівтвердими пластиковими гелями, змайстрував іграшкову жабу для своєї дочки. У 1989 році він створив кілька моделей пристрою, отримав патент і відкрив компанію з виробництва FDM 3D принтерів Stratasys.
Перший FDM-принтер з’явився 1991 року. Зараз це знайпоширеніша технологія 3D-друку.
Наступний метод – пряме лазерне вирощування (LMD). Його придумали дослідники Національних лабораторій Сандія (США) у 1990-х. Як друкований матеріал тут використовують метал у формі порошку або дротяної нитки. Застосовують LMD у промисловості – наприклад, для створення деталей. У тому числі, досить масштабних. Наприклад, найбільший у України 3D-принтер з такою технологією здатний виготовляти вироби з параметрами 2,2 метра у діаметрі та один метр у висоту. Установка називається “ІЛІСТ-2XL”, а створили її в Росатомі.
Кінець 1990-х і 2000-і: народження біопринтінгу
Перспективи 3D-друку в медицині помітили практично відразу після появи технології. Перший експеримент у цій галузі провели 1999 року дослідники з Бостонської дитячої лікарні при Гарвардській медичній школі. За допомогою принтера вони створили каркас сечового міхура з колагену та полімерів. А потім уручну помістили на нього донорські клітини пацієнтів.
Справжній биопринтинг з’явився 2003 року. Автор технології – американський біоінженер Томас Боланд. Він замінив «чорнила» на рідину з реальними живими клітинами, а як базу для їх розміщення використовував спеціальний субстрат. У результаті зумів надрукувати клітини бактерій та ссавців. Патент на технологію він отримав 2006 року.
У цьому ж напрямі в нульових працювала група вчених під керівництвом професора Габора Форгача. Їхня технологія біопринтингу NovoGen першою здобула комерційний успіх: для її поширення в 2007-му в Сан-Дієго була відкрита компанія Organova. Через два роки там випустили один з перших комерційних 3D-біопринтерів – Novogen MMX.
Середина 2000-х: створення бюджетних 3D-принтерів
Довгий час 3D-принтери були масивними та дорогими. Тому придбати такий пристрій для будинку здавалося неможливим. Змінити ситуацію вирішив британський лектор Едріан Бауер. У виші, в якому він працював, було встановлено 3D-принтер за 40 000 фунтів — один із найдешевших за цінами того часу. Але Бауер мріяв зробити його ще бюджетнішим. У 2005 році він прийшов до ідеї RepRap – компактного 3D-принтера, який умів би створювати більшу частину своїх запчастин. Маючи одну таку машину, можна було б зробити ще багато подібних.
У тому ж 2005 Бауер отримав гроші на реалізацію своєї ідеї і розповів про неї в Мережі. RepRap — проект з відкритим програмуванням: будь-яка людина в інтернеті могла його доопрацьовувати та модифікувати як завгодно. Концепція швидко стала популярною. 2008-го була випущена перша модель RepRap – Darwin. Він виглядав як каркас із проводами та кріпленнями. Був не особливо симпатичним, але цілком працездатним: умів друкувати частину своїх деталей та інші предмети, наприклад автомобільний власник для телефону.
RepRap не єдиний подібний проект. У 2006 році студенти Корнельського університету представили 3D‑принтер з відкритим програмуванням — Fab@Home. Серед перших речей, які створили за його допомогою, були силіконовий ремінець для годинника та маленький пропелер.
Початок 2010-х: розробка 3D-протезів
У 2013 році художник-лялькар Айван Оуен створив перший надрукований на 3D принтері протез руки. Експериментувати з технологією він почав не просто з цікавості. До Оуена звернулася жінка, син якої народився без пальців на правій руці. На той момент хлопчику було вже п’ять років. Спочатку художник дивився у бік звичних собі матеріалів на кшталт металу і навіть створив їх перший прототип. Але невдовзі зрозумів, що дитина швидко росте, а переробляти руку щороку — надто важко. Тоді Оуен почав вивчати 3D-друк, запросив одну з технічних компаній пару принтерів для доброї мети і почав моделювати руку на комп’ютері. Все склалося вдало — рука вийшла міцною та рухливою.
Оуен не став ліцензувати винахід. Натомість він виклав проект у відкритий доступ, щоб протез для себе могли зробити й інші люди.
Кінець 2010-х: зведення надрукованих будинків
Ідея, що великий 3D‑принтер дозволить будувати будинки швидше і менш трудомістко, ніж класичні інструменти, обговорювалась ще наприкінці XX ст. У нульових почали розробляти відповідні машини та технології, а в 2010-х вже з’явилися перші надруковані будинки. Наприклад, у 2015-му китайська компанія WinSun побудувала за допомогою принтера шестиповерхівку. 2016-го в Дубаї з’явився офіс незвичайної форми: можливість легко створювати нестандартні конструкції – одна з переваг 3D-друку у будівництві.
У 2017 році перші житлові будинки, зведені за цією технологією, з’явилися в України. Ступіно і Ярославлі. А у 2022 році дослідники університету Мена за 12 годин створили перший будинок, надрукований повністю з біоматеріалів – деревних волокон і смол. Великий вибір будівельних “чорнил” – ще один плюс 3D-друку. Для цього використовують, наприклад, бетон, пісок, вулканічний попіл і лушпиння рису.
Що зараз?
Сьогодні 3D‑друк активно використовується у різних галузях. З її допомогою виробляють одяг, дослідницькі прилади, імпланти і навіть їжу. Можливості технології активно вивчаються, і вона має багато перспектив. Так, вчені припускають, Що в майбутньому принтер зможе друкувати прямо всередині людини, максимально швидко замінюючи пошкоджену ділянку кістки або хряща. Приклади крихітних девайсів застосування in-vivo є вже зараз. До таких відноситься ендоскопічний роботизований принтер F3DB, створений інженерами із Сіднея. А якщо дослідники знайдуть спосіб програмувати 3D-органи так, щоб вони безпроблемно вбудовувалися в нервову та кровоносну систему, вийде значно скоротити чергу на донорську допомогу.
