в каком году был изобретен первый 3d принтер
3D-печать: прошлое, настоящее и немного о будущем,
а также российские реалии в этой сфере
История установок для печати объемных образцов насчитывает уже почти три десятилетия, но долгое время они оставались экзотическими устройствами с запредельной ценой и очень ограниченной сферой применения. Однако в последние годы интерес к ним стал возрастать в геометрической прогрессии, причем не только у энтузиастов или узких специалистов: компании, занимающиеся производством и проектированием самой различной продукции, активно используют 3D-принтеры, а правительства наиболее развитых стран делают или планируют в ближайшее время сделать инвестиции в создание центров развития технологий 3D-печати, способных сократить издержки производства сложной технической продукции. И не только: понимая, что в обозримом будущем потребуется немало специалистов в этой области, разрабатываются или уже внедряются планы обучения основам 3D-моделирования и печати в образовательных учреждениях с финансированием из госбюджета.
Новости из мира 3D-печати сегодня встречаются во всех новостных лентах, количество посвященных этому вопросу сайтов даже в рунете с трудом поддается исчислению; информации очень много, поэтому для начала сделаем краткий экскурс как в сами технологии печати, так и в их историю, настоящее и ближайшее будущее.
Основные технологии: краткий обзор
Начнем с технологических основ. Во многих привычных способах обработки материалов, особенно тех, которые используются на этапе моделирования и создания прототипов, чаще всего используется принцип «взять заготовку и удалить всё лишнее», при котором образуется большое количество отходов. В этом плане 3D-печать отличается радикально: процесс начинается с нуля и постепенно, последовательным добавлением слоев (т.е. аддитивно), «выращивается» будущее изделие. Отходов при этом может вообще не быть, хотя у некоторых из имеющихся технологий без них тоже не обходится, но в относительно небольших количествах.
Есть и еще один момент: в отличие от работы на привычных устройствах обработки (фрезерных, токарных и других станках), 3D-печать не требует глубоких познаний в области материаловедения и большого опыта в обработке материалов. Конечно, здесь тоже не обходится без тонкостей и хитростей, но научиться печатать образцы по готовым моделям на 3D-принтерах можно гораздо быстрее.
В настоящее время количество технологий объемной печати превысило десяток, даже если не считать схожие методы, которые в силу патентных ограничений имеют разные названия. Все они могут быть сведены к нескольким основным методикам.
И уж совсем фантастическими кажутся реально существующие в настоящее время биопринтеры, с помощью которых выращивают некоторые органы для последующей пересадки в организм человека. Естественно, будущий объект формируется из биологических материалов — например, стволовых клеток.
Курьезом на этом фоне выглядит 3D-принтер, печатающий… быстрозастывающим бетоном. И это не шутка, а реально существующая технология Contour Crafting, которая позволяет за сутки возводить двухэтажный дом площадью более 200 квадратных метров.
Краткий курс истории ВКП(б) 3D-печати
Исторически первой была технология стереолитографии SLA (Stereolithography), разработанная в 1984-м и запатентованная в 1986-м году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull). В том же 1986 году было разработано первое коммерческое устройство объемной печати (термина «3D-печать» тогда еще не придумали и пользовались словом «прототипирование») и основана компания 3D Systems, ставшая в настоящее время одним из ведущих производителей 3D-принтеров и материалов к ним.
Примерно в тоже время, в 1985 году, Михаилом Фейгеном (Michael Feygin) была предложена технология ламинирования LOM (Laminated Object Manufacturing), а в 1986 году Карл Декард и Джо Биман (Carl Decard, Joe Beaman) разработали метод селективного лазерного спекания SLS (Selective Laser Sintering).
В 1988-м Скотт Крамп (S. Scott Crump) изобрел технологию послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling), ставшую сейчас самой распространенной из-за относительной дешевизны как самих принтеров, так и расходных материалов. В следующем году он основал компанию Stratasys, а в 1991-м эта компания выпустила первый FDM-принтер.
Китай уже тогда не мог остаться в стороне от столь заманчивого процесса, и в конце 80-х в этой стране предложили свою технологию, очень похожую на FDM, но в силу патентных ограничений названную MEM (Melted and Extruded Manufacturing).
Термин «3D-печать» был придуман студентами Массачусетского технологического института гораздо позже, в 1995 году. Краткое и емкое название прижилось, но у него всё же есть один недостаток: на его основе несведущие люди порой полагают, что печатать на 3D-принтере столь же просто, как и на обычном — включил аппарат, отправил на него файл из какого-то приложения и быстренько напечатал желаемый результат. Однако все технологии имеют свои тонкости, без знания которых хороший образец не получишь, да к тому же самая маленькая фигурка печатается дольше, чем документ в сотню страниц на бумаге.
2000 год: представлена технология PolyJet.
Первый принтер с достаточно высоким качеством цветной 3D-печати был выпущен еще через 5 лет, в 2005 году.
Дальше процесс развития новых технологий и совершенствования имеющихся пошел с ускорением.
2008 год: первый принтер, работающий по технологии 3DP. Тогда же в рамках проекта RepRap появился принтер, способный воспроизвести сам себя (не полностью, конечно, а примерно наполовину).
2010 год: печать искусственных кровеносных сосудов.
В этом же году появились принтеры, получившие название «Рог изобилия» (Cornucopia) и способные создать готовое блюдо из пищевых продуктов. А в следующем году принтеры научили печатать шоколадом.
В 2012 году появился первый принтер для домашнего использования, основанный на технологии FDM.
Конечно, и главные игроки на рынке обычных принтеров не могли пройти мимо столь перспективного рынка 3D-печати: компания Hewlett-Packard планирует присоединиться к нему в середине 2014 года и, по заявлению ее главы Мег Уитмен (Margaret «Meg» Whitman), HP желает возглавить этот бизнес.
Epson также не обошел вниманием происходящее в данной сфере, однако не имеет намерения заниматься несовершенными потребительскими моделями, а собирается сосредоточиться на промышленных принтерах для крупносерийного производства.
Год 2014-й только начался, но уже происходят подвижки: еще один крупный производитель ПО, компания Adobe, выпустила обновление для Photoshop CC, позволяющее редактировать и распечатывать 3D-объекты. А Microsoft включила в Windows 8.1 драйвер для популярного принтера UP! 3D. Ведущие производители 3D-принтеров также или уже имеют, или готовят драйверы для своих моделей под эту операционную систему.
На выставке SolidWorks World 2014 был представлен первый в мире 3D-принтер, сочетающий возможность печати несколькими цветами и материалами. Для получения нужного цвета используется комбинация тех же трех основных цветов, что и в обычных принтерах. Таким образом, можно будет получать сложные модели без дополнительной сборки или окраски, вот только цена такого принтера, около 330 тысяч долларов, вряд ли сделает его применение повсеместным.
NASA в августе 2014 года планирует отправить 3D-принтер на МКС.
Список происходящего можно продолжать бесконечно, мы лишь воспроизвели основные этапы недавнего прошлого и привели наиболее характерные примеры из настоящего и ближайшего будущего.
Свежие «вести с полей»
Только что в Москве прошла первая выставка передовых технологий 3D-печати и сканирования 3D Print Expo (13–14 февраля 2014 г.). Ее участниками стали производители как самих принтеров — от персональных до промышленных, так и расходных материалов, аксессуаров и принадлежностей к ним. Были представлены 3D-сканеры, а также программное обеспечение, без которого всё это оборудование останется лишь бесполезным железом.
В рамках выставки проводилась и конференция с докладами по 3D-моделированию, печати, сканированию, их использованию в производственных процессах. Затрагивались экономические аспекты использования 3D-печати, в том числе в розничном бизнесе, вопросы подготовки специалистов, включая использование этих технологий в общеобразовательных учреждениях и в среднем профессиональном обучении (отметим: в числе участников выставки были представители кафедры одного из московских колледжей, где уже развернута соответствующая программа). Рассматривались вопросы авторского права, проводились мастер-классы для новичков, специалистов и предпринимателей.
Немало интересного было и в экспозиции. Конечно, особое внимание многих посетителей вызывали наиболее доступные по цене принтеры и расходные материалы к ним.
В частности, был представлен 3Doodler, который мы упоминали выше; хотя продажи начнутся в апреле, уже известна цена для российских покупателей — 3.990 рублей, и можно сделать предварительный заказ. Сотрудники стенда и посетители усердно пытались с помощью этого ручного устройства соорудить некие объемные фигуры, получалось откровенно плохо. Однако на экране крутился ролик, на котором руками опытного Doodler-ваятеля из тонких нитей создавался в воздухе вполне узнаваемый разноцветный попугай-ара, и не крошечный, а почти в натуральную величину, т.е. дело, как часто бывает, вовсе не в ограниченных возможностях инструмента.
В большом количестве были представлены настольные принтеры персонального класса. Конечно, прежде всего от уже известных производителей, но, что особенно отрадно, были и модели, разработанные нашими соотечественниками, причем не прототипы, а товарные образцы, которые уже можно купить. С одним из таких принтеров мы познакомим читателей в ближайшем будущем.
Очень много было представлено продуктов ведущего производителя — компании 3D Systems, которая была одним из спонсоров выставки. В спектре ее продукции принтеры самого разного уровня, многие из которых можно было увидеть вживую: от персональных «малышей» популярной серии Cube, работу с которыми можно доверить даже детям, поскольку потенциально опасные узлы закрыты, до профессиональных серий ProJet и ZPrinter, среди которых есть полноцветные принтеры, способные передавать до 390.000 цветов.
Еще одно направление, представленное на выставке — объемное сканирование. Сканеры также были представлены в широком ассортименте: ручные, настольные персонального уровня, а также профессиональные, портативные и стационарные.
Предлагалась и продукция, без которой ни один принтер работать не сможет: расходные материалы, прежде всего пластики. В основном предлагался материал ABS, зато в широкой гамме расцветок и в разной расфасовке, причем посетители могли купить его по специальным ценам. Вновь с удовлетворением отметим: помимо китайских, на выставке были и отечественные производители, которые уже готовы представить российским потребителям качественную продукцию в ассортименте, включая сопла различных диаметров, экструдеры и нагревательные блоки.
Большой популярностью пользовались и смежные услуги: всем желающим (правда, небезвозмездно, а за довольно приличную сумму) предлагалось встать «под светлы очи» 3D-сканера и постараться 5–10 минут сохранять неподвижность; особо мнительных уверяли в абсолютной безвредности и безболезненности данной процедуры. После чего гарантировались изготовление и доставка полноцветной фигурки-копии высотой от 11 до 23 см, в зависимости от оплаты. Надо сказать, что выставленные в качестве образцов фигурки людей были вполне впечатляющими и вовсе не напоминали абстрактных кукол; жаль только, что рядом не было «оригиналов» для сравнения. Конечно, данный сервис не ограничен рамками выставки: услуги предоставляются постоянно и всем желающим, в студии и на выезде, ведь это один из вариантов бизнеса, связанного с 3D-печатью.
Другой похожий сервис — создание копий людей по высылаемым ими фотографиям. Результатом будет либо фигурка на подставке, либо красочный объемный барельеф.
Предлагались услуги российских «3D-типографий»: на выставке были представители фирм, готовых не только с помощью разных технологий и из разных материалов напечатать образцы по электронным 3D-моделям, предоставленным заказчиком, но и помочь в создании самих моделей. В спектре их услуг есть и финишная обработка: шлифовка, нанесение красок, лаков и воска. Таким образом, для воплощения любых идей как частным лицам, так и предпринимателям вовсе не обязательно покупать дорогой профессиональный принтер и осваивать программы трехмерного моделирования.
Сладкоежек притягивал стенд шоколадной печати, а точнее — целый фестиваль шоколада. В его рамках были заявлены принтер британской компании, позволяющий создавать собственные плоские и объемные миниатюры из шоколада, а также первый «шоколадный» принтер российской сборки; правда, нам удалось увидеть только процесс создания плоских фигур. Участие приняли производители и поставщики шоколада, как в качестве расходных материалов для таких принтеров, так и в виде обычных плиток из марочного бельгийского шоколада с разным содержанием какао-бобов и с разнообразными начинками, причем ручной работы и по уникальным рецептурам. Не обошлось и без специальных предложений: можно было купить и плитки, и фигурки (порой внушительного размера) из белого и темного шоколада.
Как водится, первый блин получился немножко комом: видимо, организаторы не сумели спрогнозировать степень заинтересованности и потенциальное количество посетителей, поэтому конференц-зал зачастую напоминал бочку с селедкой — не только все сидячие места были заняты, но даже по краям рядами выстраивались слушатели. Да и в зале с экспозицией было не протолкнуться, причем настолько, что мы даже не смогли в достаточном количестве сделать фотографии, пригодные для использования в данной публикации, и много интересного осталось «за кадром».
Надеемся, что выставка станет регулярной, и в последующие годы ее масштаб будет лучше соответствовать интересу к 3D-печати и профессионалов, и предпринимателей, и частных энтузиастов.
Как Чак Халл изобрел 3D-печать
3D-печать зародилась в 1983 году – гораздо раньше, чем люди начали массово пользоваться всемирной паутиной. Но интернет уже давно стал обыденной частью жизни, а аддитивные технологии до сих пор нельзя назвать широко распространенными.
При этом изобретатель 3D-печати Чак Халл полагает, что мы уже прошли период хайпа и только сейчас начинаем понимать настоящее поле применения технологии. Этот пост о том, как Чак (Чарльз) Халл изобрел и запатентовал лазерную стереолитографию в маленькой подсобной комнатушке и о том, как он сейчас оценивает свое изобретение.
Спойлер: как и промышленным роботам, развитию 3D-печати сильно помог автопром.
Столешницы и прототипирование
Все началось в 80-е. Тогда Чак работал технологом в калифорнийском Ultra Violet Products. Компания производила смолу ультрафиолетового отверждения для столешниц. О высокой скорости работы не могло идти и речи — на разработку и тестирование даже небольших деталей требовались месяцы. В обязанности Чака как ответственного за организацию производственного процесса входило и прототипирование. Изобретатель искал метод, который позволил бы ему ускорить процесс.
Одной из его идей было наложить несколько сотен слоев пластика и придать им определенную форму с помощью ультрафиолета. Так бы получился относительно дешевый и быстрый в создании прототип. С этой идеей он пошел к руководству UVP. Чаку, конечно, не разрешили заниматься изобретением в рабочее время – но выделили помещение и оборудование.
Спустя год сверхурочной работы изобретатель создал первый прототип электролитного 3D-принтера. Он работал с фотополимером – веществом, которое может переходить из жидкого состояния в твердое под действием ультрафиолетовых лучей. Халл научился писать код, чтобы запрограммировать принтер на создание прототипа определенной геометрической фигуры. Первым 3D-печатным объектом стал небольшой пластиковый стаканчик.
Первый 3D-принтер SLA-1
«Одевайся и приезжай в лабораторию прямо сейчас»
Ночь, когда было совершено открытие, навсегда отпечаталась в памяти жены Чака – Антуанетты Халл. В интервью для The Telegraph она даже называет точное время – 20:39 в среду, 9 марта 1983 года.
«В ту ночь я была дома, и мне пришлось посмотреть на часы, когда зазвонил телефон», – сказала она. «Я уже была в пижаме и готовилась ко сну, но Чак все еще работал».
«Одевайся и приезжай в лабораторию прямо сейчас», – сказал по телефону Чак. Она села в машину и прибыла в лабораторию – маленькую комнатушку, которую Ultra Violet Products выделили Халлу для исследований.
В ней Антуанетта увидела первый 3D-печатный объект в мире. «Держа эту странную деталь в руке, он сказал, что сделал это и мир никогда не будет прежним. В ту ночь я знала, что он достиг чего-то грандиозного».
У компании, где Чак работал, не было средств для финансирования разработки. Он вспоминает: «Я получил патент на 3D-принтер в 86 году. И вот я прихожу к руководителю компании и говорю: “Нам нужно найти этому коммерческое применение”. На что он отвечает: “Конечно, но мы не можем себе этого позволить”. У меня не было выбора, поэтому я решил создать свою собственную компанию. Это и стало началом 3D Systems». Первыми клиентами его компании стали General Motors и Mercedes-Benz.
Компания работает до сих пор. Чак, которому сейчас 79 лет, тоже. «Моя работа слишком интересна, чтобы бросить ее», – сказал он как-то в интервью для CNN. В другом он сообщал больше подробностей: «В конце 90-х я действительно ушел на пенсию. На мое место пришел новый руководитель, и где-то три месяца спустя он позвонил мне и сказал: “Чак, все плохо. Можешь вернуться и помочь с решением некоторых технических проблем?” С тех пор я снова там, продолжаю заниматься интересными вещами».
Сейчас 3D Systems сосредоточена на программируемых системах для литья под давлением, которые позволят печатать объекты без предварительного конструирования форм. Помимо работы в 3D Systems, Чак дает лекции и выступает на конференциях. Например, он стал одним из главных спикеров на прошлогоднем ASME – международном конгрессе машиностроения.
Чак Халл остается очень скромным человеком. В 2014 году Европейское патентное ведомство вручило ему приз как лучшему изобретателю, работающему за пределами Европы. На это он ответил лишь: «Мне приятно получить признание моих заслуг. Я много и упорно работал, чем я и собираюсь заниматься дальше».
Со СМИ он общается редко. Ниже – одно из его немногих интервью, данное Industry Week. Оно 2013 года, но полностью на русский язык не переводилось. В нем Чак Халл рассказал, как сам долго не верил в коммерческий успех своего изобретения и о том, сможет ли оно когда-нибудь конкурировать с традиционным производством.
Вы изобрели стереолитографию в 1983-м. Спустя 30 лет рынок аддитивного производства начал бурно расти. Людям кажется, что это какое-то новое явление. Что вы думаете по поводу этого бума? Не поздно ли он начался?
Когда мы только начали заниматься 3D-печатью, я долго не мог представить, что это станет настолько популярным.
Мне казалось, этот путь займет лет 25, если не больше. Такова история всех изобретений. Не бывает такого, чтобы вы изобрели вещь вроде 3D-принтера, и толпа покупателей сразу начала ломиться в вашу дверь. Нужно много времени, чтобы понять, что ты изобрел и как это можно усовершенствовать.
3D-печать — это непросто. Вы видите готовое устройство. Думаете, что использовать его очень легко, но это не так. Мы в 3D Systems совершенствовали первый принтер на протяжении 10 лет. За это время удалось пройти путь от идеи до воплощения готового устройства в промышленной сфере.
Но последние несколько лет меня удивили. То, что люди признали 3D-печать как распространенное направление, безусловно, стало сюрпризом.
Когда у вас появилась идея создать 3D-печать? Как вы придумали метод стереолитографии?
Я начинал как инженер-проектировщик. Разработка новых литьевых деталей из пластмассы, которой мы занимались, была очень трудоемким и дорогостоящим процессом. Вначале ты разрабатывал внешний вид детали, делал чертежи, обсуждал все с инструментальщиком, который делал форму для пластиковой части. Затем эта форма отправлялась к литейщику, который изготавливал запчасть. Весь процесс занимал 6-8 недель.
Изготовление занимало много времени, к тому же первая получившаяся деталь никогда не была идеальной. Ее приходилось переделывать и снова запускать цикл производства. Многие месяцы проходили, прежде чем ты получал деталь, которую можно тестировать.
Естественно, мы пытались что-то с этим сделать.
Я решил проверить, смогу ли придумать способ быстрее получить эту первую деталь, чтобы все повторные циклы проходили быстро, а затем быстро получать финальную версию для производства.
Я перебрал кучу идей, которые не сработали, а затем пришел к тому, что в итоге стало стереолитографией. 9 марта 1983 года я произвел этим методом первую деталь.
Потом вы подали заявку на патент, полученный в 1986-м и стали сооснователем 3D Systems. Но кто был вашими клиентами? Какая-нибудь из индустрий видела потенциал на столь ранней стадии?
Когда мы только запустили компанию, сразу отправили «разведчиков» – чтобы понять, есть ли интерес со стороны промышленности. И он был. На самом деле, интерес к прототипированию был огромным, в основном со стороны автоконцернов.
Автокомпании в то время пытались выпускать автомобили высокого качества. Американские концерны в то время были довольно неповоротливы. Они не могли быстро выпускать новые модели, а качество производства проигрывало в мировой конкуренции.
Поэтому у них была огромная заинтересованность в любой технологии, которая могла бы улучшить ситуацию. Мы сразу стали двигаться в этом направлении, развивать технологию для автомобилестроения. Вскоре после этого множество производителей пошли по тому же пути.
Также в те годы мы разрабатывали методы прототипирования металлических деталей. Наша технология должна была предложить альтернативу традиционному литью методом потерянного воска, и это было первым серьезным ответвлением от прототипирования пластиковых деталей.
Разработанный метод мы назвали Quick Cast. Он позволял быстро лить металлические детали из разнообразных сплавов, и его все еще используют. Главным образом в аэрокосмической и смежных с ней отраслях.
Теперь, когда производители и покупатели осознали всю ценность 3D-печати, что будет дальше? Сможет ли она когда-нибудь конкурировать с традиционным производством?
Я не футурист и у меня нет хрустального шара предсказателя – я не знаю, что произойдет дальше. Но я знаю, что когда достаточное количество умных людей работает над чем-то, это что-то всегда становится лучше.
Главные достоинства аддитивных технологий сейчас — тонкие настройки и возможность работать со сложными конструкциями. Если в вашем производственном процессе нужно множество деталей или нужны детали со множеством отличающихся параметров, 3D-печать может вам пригодиться.
Медицинское применение — естественное для 3D-печати, ведь все тела разные. Когда вы пытаетесь сделать что-то для зубов, например, эта вещь будет разной для разных пациентов. То же касается коленей и других суставов.
Если вы смотрите в будущее 3D-печати, то это, вероятно, детали со сложными формами и узорами, даже при большом объеме производства. Скорость и экономическая выгода от 3D-печати постоянно возрастают. А значит, у нее становится все больше шансов конкурировать с традиционным производством.
Оглядываясь на эти 30 лет — что бы вы назвали самым большим своим достижением, не учитывая саму технологию?
Еще в 80-90-е годы было понятно, что производство будет постепенно уходить из страны. Это касалось не только США — все уходили в страны с дешевой рабочей силой. Я всегда считал, что это плохо. По-моему, производство должно быть ключевой способностью, особенно для США. Сегодня возвращение к производству на территории страны связано с более высокими технологическими возможностями. Мне нравится, что 3D-печать и цифровое производство этому способствуют.
12-13 октября мы проведем в Москве выставку аддитивных технологий и 3D-сканирования – 3D Print Expo. Она станет уже шестой по счету.
На этот раз мы изменили формат и сконцентрировались на практике. Конференции в этом году не будет — будут выставка и лекторий. Конечно, останутся мастер-классы, галерея 3D-печатных объектов и рисование 3D-ручками.
Подробности и программу ищите на официальном сайте.