3D-принтер — история создания, принцип действия и возможности
Биотехнологическая компания Organovo продекларировала весьма масштабные цели на 2014 год. Ученые этой организации собираются получить человеческую печень методом 3Д-печати. Подобные образцы ткани печени уже были получены в 2011 году. Однако они не содержали сосудов, реализовать наличие которых оказалось непреодолимой задачей. Теперь же работники Organovo намереваются воссоздать полноценный орган. Конечно, до успешной пересадки человеку 3Д-копии еще далеко, но перед исследовательской деятельностью открываются широкие возможности. Наблюдение за реакциями на лекарства и другими функциями напечатанной печени должны продвинуть на следующий уровень фармакологию и медицину. Особо воспаленные умы уже заговорили о бессмертии человека.
История создания
Медицинское применение 3Д-принтеров не стояло у основы их появления. Начальной идейной базой инновационной технологии было удешевление производства. Мелкосерийное производство, которое набрало серьезные обороты в 90-х годах, требовало приличные затраты на разработку внешнего вида и начинки каждого товара. Расходы на эскизы, лекала, прототипы, макеты начали выливаться в приличную сумму. Тогда на предприятиях стали появляться аппараты, которые быстро и точно создавали требуемые модели. Конструктивной основой этих машин было числовое программное управление. Они с успехом применяются на различных предприятиях и сейчас. 3Д-принтер является эволюционным наследником этих агрегатов.
В 1986 году Чарльз Халл создал установку, которая, используя метод стереолитографии, могла создавать 3Д-прототипы. В 1990 году семья ученых Крамп впервые использовала метод наплавления в 3Д-воссоздании. Переломным в объемной печати можно считать 1995 год, когда компания Solidscape разработала специальный струйный принтер, который создал трехмерное изображение. С этой отправной точки стартуют понятия «3Д-печать» и «3Д-принтер». Технологию стали развивать по всему миру. Появилось множество компаний, которые привносили новые возможности и улучшения. Прорывом в молодой технологии стало появление метода печати PolyJet, использующий для объемной модели фотополимерный жидкий пластик. Вариант такой 3Д-печати был более дешевым и точным. Это позволило делать не только макеты и прототипы, а и готовые к использованию объекты.
Принцип действия
Основой работы 3Д-принтера служит запрограммированное послойное воссоздание модели. Технологии реализации могут быть различными. Существует два основных подхода печати: лазерный и струйный. Эти варианты в свою очередь делятся на более узкие подразделения.
В лазерной методике это: стереолитография, сплавление, ламинирование. Лазерная стереолитография основана на воздействии излучения лазера к фотополимеру. Фотополимер – это вещество, которое меняет свои свойства под действием светового потока. В данном способе используется платформа, погружаемая в фотополимер на высоту слоя печати (0.1-0.2 мм). На вещество оказывают запрограммированное излучение, которое приводит к затвердеванию слоя. Дальше платформа опускается пошагово, воссоздавая весь объект послойно. На качество полученного 3Д-объекта влияют характеристики используемого фотополимера и уровень облучения.
Лазерное сплавление предусматривает влияние излучения на порошковое состояние металла или пластика. Послойно материал плавится в требуемый контур детали. Метод ламинирования использует набор слоев рабочего материала. Из каждого слоя вырезается заданное сечение, формируя при складывании всю 3Д-модель. Слои подвергаются склеиванию.
Струйный подход к 3Д-печати тоже имеет немало ответвлений. Головка принтера может выдавливать частицы разогретого термопластика на охлажденную платформу. При этом происходит быстрое остывание и отвердение слоя воссоздаваемого объекта. В другом похожем способе для затвердения материала используют ультрафиолет. Есть и аналог лазерному сплавлению. Для формирования модели из порошкообразного вещества используется жидкость, поступающая из струйной головки. На струйной основе работают и биопринтеры, создающие образцы органов. Материалом таких приборов являются стволовые клетки, которые, взаимодействуя и развиваясь, образуют искомый экземпляр.
Достижения и перспективы
Развитие 3Д-принтеров может произвести переворот в производстве. Уже сейчас распространены примеры трехмерной печати различных готовых изделий. Создано даже работающее огнестрельное оружие, а в Филадельфии уже успели принять закон, запрещающий такую опасную 3Д-печать.
Ну а макетное применение уже давно используется множеством разработчиков. Модели из прозрачного материала значительно упрощают изучение внутреннего функционирования сложных механизмов. Уже существуют самовоссоздаваемые 3Д-принтеры. Модель RepRap может произвести более половины собственных деталей.
Но более впечатляющими кажутся успехи в медицинской плоскости. Уже сейчас хирурги пользуются 3Д-моделями для более точного диагностирования и вмешательства. Такой подход неимоверно повысил качество операционных и профилактических действий. Зубное протезирование тоже рассыпалось в благодарностях 3Д-принтеру.
Ученые Великобритании смогли создать образец глазной сетчатки, что в перспективе может уничтожить само понятие «плохое зрение». А искусственные донорские органы помогут бороться с неизлечимыми болезнями и глобально упростят операции по пересадке. Перед 3Д-печатью ставятся немыслимые цели и задания, которые не кажутся невыполнимыми.
Появились энтузиасты, которые хотят сделать 3Д-принтер массовым ресурсом. Был создан прототип уличного автомата для 3Д-печати. Проект получил название Dreambox. Через интернет передается образец требуемой модели, а результат можно забрать в месте установки автомата. Возможно, в ближайшем будущем такой аппарат будет стоять в каждом доме, печатая владельцу любые предметы.
