TechFusion.ruСтатьиРазвитие 3D-печати: от фотоскульптур к живым органам

Развитие 3D-печати: от фотоскульптур к живым органам

Татьяна Капустина

Татьяна Капустина

Технологический активист. Дружественный резерв techfusion.ru
Татьяна Капустина

В фильме «Пятый элемент» ученые XXIII века воссоздали главную героиню фильма из клеток сохранившегося фрагмента ее руки. В 1997 году это казалось невероятным. Футуристическое устройство, похожее на многофункциональный промышленный принтер, слой за слоем «печатало» рыжеволосую Лилу.

В наше время с помощью технологий все еще невозможно оживить человека. Но уже сейчас благодаря 3D-печати мы можем создавать живые ткани и органы. И эта технология на наших глазах кардинально меняет все сферы жизни.

В медицине, тяжелой и легкой промышленности, архитектуре и искусстве активно используют 3D-печать. Напечатать сегодня можно не только шлем Дарта Вейдера для участия в Comic Cone. 3D-принтер создаст и дом, вполне пригодный для жилья, и более-менее приличную машину, и одежду, и горячий обед. И, судя по всему, это только начало.

Аналитики компании IDC рассчитали, что каждый год мировой рынок 3D-печати будет расти на 24,1% и к 2020 году достигнет объема в 35,4 млрд долларов. Почти половину от этой суммы составят продажи 3D-принтеров и расходных материалов, но расти будут и сопутствующие сегменты рынка: программное обеспечение и услуги. Так, по расчетам аналитиков, в 3 раза вырастут продажи систем автоматизированного проектирования и услуги по изготовлению заказных деталей на 3D-принтерах. На заказы от автомобильной, аэрокосмической, оборонной и других отраслей производства придется более половины объема рынка. Будет востребована 3D-печать и в медицине. А к 2020 году на четвертое место по объему заказов выйдет применение этой технологии в торговле.

От ножа к 3D-принтеру

Создание фотоскульптур Франсуа Уиллема. Фото: luminous-lint.com

Создание фотоскульптур Франсуа Уиллема. Фото: luminous-lint.com

Художник Франсуа Уиллем, наверное, и не думал, что откроет историю 3D-печати, когда в 1860-м году решил подзаработать на продаже состоятельным клиентам своего ноу-хау – «фотоскульптур». Клиенты Уиллема вставали в центр помещения — ротонды — по периметру которого через каждые 15 градусов были установлены алебастровые статуи. В них были встроены 24 фотокамеры (к слову сказать, самые современные для 1860-го года), которые попеременно делали снимки. Затем каждое изображение проецировалось на полупрозрачный экран, и оператор с помощью пантографа обрисовывал контур. К одной стороне этого пантографа был прикреплен нож, который удалял слои глины или древесины с заготовки в соответствии с контуром изображения. Полученную фигурку при необходимости шлифовали и красили. Технология позволяла делать, по желанию клиента, скульптуры разного размера. Результат, кстати, выглядел очень неплохо.

В 1890 году картограф Джозеф Блантер решил создавать трехмерные карты местности. И эта технология также была предвестником 3D-печати. В соответствии с линиями карты из воска вырезались тонкие пластины. Оператор укладывал одну такую пластину на другую в определенном порядке и склеивал. Так появлялся «послойный синтез» холма или оврага. Сейчас такая технология, когда послойно ламинируются или склеиваются тонкие листовые материалы, называется Lamination Object Manufacturing (LOM).

Спустя 15 лет Отто Джон Мюнц придумал производить 3D-объекты с помощью прозрачной фотоэмульсии. Это были первые пробы в современной стереолитографии (SLA или SL). Мюнц проецировал конур объекта на тонкий слой фотоэмульсии. Контур проецировался на поршень, который был установлен в цилиндре, и мог перемещаться. Его шаг за шагом сдвигали на определенную величину, сверху наносили слой эмульсии и проецировали на него изображение. После этого на засвеченные и незасвеченные участки наносили слой фиксирующего реагента. В результате получался цилиндр из затвердевшего прозрачного материала с образом трехмерного объекта.

Первый SLA. Фото: 3D Systems

Первый SLA-принтер. Фото: 3D Systems

В 1977 году датчанин Вин Келли Свенсон предложил получать трехмерные объекты с помощью засвечивания фотополимеров двумя лазерными лучами. Примерно в это же время начали появляться технологии послойной 3D-печати из порошковых материалов. Уже в 1981 году изобретатель Росс Хоушолдер подал заявку на патент, в котором описал систему и метод создания трехмерного изделия слой за слоем — здесь очевидно сходство с будущими технологиями лазерного спекания. Но из-за чрезвычайно высокой стоимости лазеров в то время, Хоушолдер смог только частично протестировать свой метод. В это же время Хидео Кодама из Государственного института промышленных исследований в Нагое публикует результаты работы о фотополимеризации с помощью ультрафиолетовой лампы и лазера.

Через пять лет Чарльз Хулл предложил способ послойной 3D-печати с помощью ультрафиолетового излучения, сфокусированного на тонкий слой фотополимерной смолы. Он же ввел в оборот термин «стереолитография» и основал компанию 3D Systems, которая занялась послойным 3D-синтезом. Первые SLA-принтеры 3D Systems стоили более 100 тысяч долларов. C этого момента 3D-печать стала активно развиваться, появлялось все больше способов создания трехмерных объектов, а технология захватывала все больше отраслей.

Напечатать что угодно 

Одними из первых 3D-печать стали использовать производители автомобилей. Porsche, Volkswagen, Ford, Audi и многие другие открыли специальные подразделения по работе с 3D-печатью и стали активно экспериментировать с этой технологией. Благодаря чему попали в списки самых инновационных компаний по мнению аналитиков Boston Consulting Group.

Ford GT. Фото: Norbert Aepli

Ford GT. Фото: Norbert Aepli

Так, Audi представила автомобиль R8, отдельные комплектующие которого были сделаны с использованием 3D-печати. Ford тестирует в своих лабораториях принтеры стартапа Carbon3D, которые создают детали из жидкой смолы, через которую пропускаются пучки света. Эти устройства работают в несколько раз быстрее, чем стандартные 3D-принтеры, а получившиеся детали не отличаются по качеству и прочности от тех, что выплавляют на заводах. Кстати, с помощью лазерной 3D-печати был создан и новейший суперкар Ford GT, который одержал победу в гоночном заезде «24 часа Ле-Мана» в рамках Чемпионата мира по гонкам на выносливость FIA 2016. На 3D-принтере было создано рулевое колесо с интегрированными кнопками водительского контроля и рычагом переключения скоростей, а также ключевые легковесные компоненты откидных дверей.

Стала ли 3D-печать причиной победы Ford GT — вопрос спорный. Но эта новость, несомненно, даст новый толчок к применению технологии в автомобилестроении. Вполне возможно, что скоро нам не придется искать детали в автосервисах или магазинах. Достаточно будет самостоятельно распечатать нужную запчасть на 3D-принтере, скачав ее образ на сайте производителя.

Беспилотник THOR. Фото: airbus.com

Беспилотник THOR. Фото: airbus.com

Технологию объемной печати уже применяют и в авиакосмической промышленности. Этим летом на выставке в Берлине Airbus представил беспилотный самолет THOR, полностью отпечатанный на 3D-принтере. Небольшой беспилотник оснащен двумя пропеллерами, весит вся конструкция 21 килограмм. Длина самолета составляет 4 метра, столько же — размах крыла. Первые полеты уже доказали состоятельность концепта, и сейчас команда разработчиков работает над созданием следующей версии THOR с цельным корпусом.

Разработки в этом направлении ведутся и в России. В июле Объединенная приборостроительная корпорация на выставке «Иннопром-2016» в Екатеринбурге продемонстрировала беспилотный летательный аппарат, полностью изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Вес беспилотника не превышает 4 килограммов, а размах крыла составляет 2,4 метра. Он способен вести работу на в радиусе до 50 км, нести на борту видеоаппаратуру и выполнять различные задачи, связанные с разведкой и мониторингом территорий.

Brilliant factory in Pune, India GE. Фото: gereports.com

Brilliant factory in Pune, India GE. Фото: gereports.com

Британская компания Rolls-Royce объявила о том, что будет использовать технологии 3D-печати для производства авиадвигателей. А ее конкурент — авиационное подразделение концерна General Electric — с 2016 года начал коммерческое производство топливных форсунок для нового двигателя LEAP самолетов Boeing 777X, Boeing 747 Max и Airbus A320neo. Концерн уже получил заказ более чем на 8 тысяч реактивных двигателей, каждый из которых оснащен двенадцатью такими форсунками. Общая сумма продаж составляет порядка 80 млрд долларов. А к 2020 году компания планирует «напечатать» уже 100 тысяч этих деталей. По расчетам GE, такие форсунки будут служить в пять раз дольше, а весить на 75% меньше деталей, произведенных традиционным способом. Судя по всему, GE не намерен останавливаться на достигнутом. Инженеры концерна уже напечатали на 3D-принтере рабочую модель целого реактивного двигателя, хотят распечатать еще около до 200 тысяч топливных пистолетов для своего авиационного бизнеса.

Первый 3D-принтер в космосе. Фото: madeinspace.us

Первый 3D-принтер в космосе. Фото: madeinspace.us

В апреле 2016 года на Международной космической станции был установлен первый коммерческий 3D-принтер Additive Manufacturing Facility (AMF) под названием «Made In Space». Он печатает из пластика вспомогательные инструменты и прототипы устройств. Над созданием принтера для МКС работают и российские компании «Спутникс» и «Анизопринт» в сотрудничестве с Московским политехническим университетом. Главное отличие российской разработки состоит в материале, которым печатает устройство. Разработчики намерены прямо на орбите печатать детали из прочного композита — усиленного непрерывного углеродного волокна.

Используют 3D-печать и производители игрушек. Таким образом Mattel, например, создает пластиковые прототипы новинок на 30 своих 3D-принтерах. В том числе, так печатаются будущие куклы Barbie и машинки Hot Wheels. Раньше образцы делали из воска и глины, а потом игрушки запускались в производство. Теперь же компания перешла к более современной и более эффективной технологии. Работает над 3D-печатью и Disney. Исследовательское подразделение компании разработало 3D-принтер, который умеет печатать гибкие и мягкие объекты — игрушки. Устройство печатает объекты слоями тонко срезанной лазером ткани.

Руки, ноги, органы…

Пожалуй, заметнее всего 3D-печать меняет медицину. Технология позволяет создавать различные приборы, брекеты, протезы, печатать живые ткани, препараты и даже органы.

Так, стартап Multiply Labs уже принимает предварительные заказы на витаминно-минеральные добавки в виде таблеток, напечатанных на 3D-принтере. Технология разработана в MIT и Миланском университете. Уже несколько лет медицинское подразделение Siemens производит на 3D-принтерах слуховые аппараты. А Limbitless Solutions делает недорогие бионические протезы, стоимость которых благодаря 3D-печати составляет всего 350 долларов.

Протезы кисти, напечатанные на 3D-принтере. Фото: "Моторика"

Протезы кисти, напечатанные на 3D-принтере. Фото: «Моторика»

На российском рынке ту же нишу старается занять резидент «Сколково» компания «Моторика». Стартап делает миоэлектрические протезы, которые улавливают сокращение мышц и передают сигнал для раскрытия и закрытия кисти. В рамках федеральной программы бесплатного обеспечения инвалидов техническими средствами российский стартап создает функциональные протезы кисти «Киби» для детей. Каркасный элемент протеза печатается по индивидуальным меркам ребенка на 3D-принтере. Это позволяет делать протезы яркими и стилизованными, сократив время выпуска и стоимость протеза. Помимо этого, «Моторика» работает над созданием бионических рук «Страдивари» — их детали команда также создает при помощи 3D-печати.

Пациентам уже имплантируют позвонки, суставы и тазовых кости, напечатанные с помощью 3D-принтера. В России первый такой титановый сустав, отпечатанный в Институте металлургии, машиностроения и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета, установлен пациентке Института травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена в Санкт-Петербурге.

Но одно из самых захватывающих направлений в медицинской 3D-печати — это создание живых тканей и органов на биопринтере (да-да, почти как в «Пятом элементе»). Возможности этой технологии активно исследуют медицинские центры по всему миру.

Калифорнийская компания Organovo уже печатает ткани печени и почек для исследования медикаментов. Такие ткани сохраняют свои функции до 42 дней, поэтому лучше подходят для длительных исследований, чем двухмерные образцы клеток печени.

Биопринтер Fabion Фото: 3D Bioprinting Solutions

Биопринтер Fabion
Фото: 3D Bioprinting Solutions

Разработчик российского биопринтера Fabion частная лаборатория 3D Bioprinting Solutions также экспериментируют с печатью тканей и органов. В прошлом году на биопринтере напечатали щитовидную железу мыши. Напечатанные конструкты были пересажены грызунам и прижились. В настоящее время компания готовится приступить к печати человеческих органов — щитовидных желез, а затем и почек.

Репродуктивный биолог Моника Ларонда и инженер-биохимик Александра Рутц из Северо-Западного университета США благодаря 3D-печати решили лечить женщин от бесплодия. Они сконструировали яичник из 3D-отпечатанного желатина. В нем содержатся фолликулы, которые выделяют необходимые гормоны и содержат структуры, способные развиваться в полноценные яйцеклетки. Это изобретение они успели протестировано на мышах, которые уже дали здоровое потомство. Теперь ученые планируют продолжить эксперименты на свиньях.

… еду, жилье, одежду

3D-печать в ресторанах. Фото: FOOD INK

3D-печать в ресторанах. Фото: FOOD INK

3D-принтер вполне справится и с приготовлением пищи. В ресторане «Энотека» отеля Arts в Барселоне уже можно попробовать блюдо «Морской коралл» — пюре из морского ежа, напечатанное на принтере в виде коралловых ветвей, с икрой, голландским соусом, яйцом и морковью. Подобный ресторан, но в формате Pop-up заведения, способного переезжать с места на место, открылся и в Лондоне. В нем не только подается еда, напечатанная на 3D-принтере, но и все предметы интерьера созданы при помощи 3D-печати.

Но немного отвлечемся от высокой кухни. Уже сегодня 3D-печать может улучшить ситуацию и с питанием в госпиталях и домах престарелых — там, где у пациентов есть проблемы с жеванием и глотанием. Для них принтер сможет печатать красивые и съедобные блюда с точно рассчитанной для каждого пациента пищевой ценностью. В прошлом году ученые датского исследовательского института TNO создали устройство, которое готовило по 100 таких индивидуальных блюд для 20 жителей дома престарелых в Германии.

С 3D-печатью связывают будущее индустрии моды. Фото: фото Rain Rabbit, flickr.com

С 3D-печатью связывают будущее индустрии моды. Фото: фото Rain Rabbit, flickr.com

3D-печать активно используется и в мире моды. Adidas, Nike, Reebok, New Balance уже представили модели кроссовок, созданных с помощью 3D-принтеров. Дита фон Тиз несколько лет назад продемонстрировала платье, напечатанное по проекту нью-йоркского дизайнера Майкла Шмидта и архитектора Франсиса Битонти. А на одном из ежегодных показов Victoria’s Secret модель Линдсей Эллингсон продемонстрировала напечатанное «снежное» бьюстье. На сайте Etsy.com можно легко найти украшения, созданные на 3D-принтерах. В начале сентября некоммерческая организация H&M Foundation, которую финансируют основатели сети H&M, объявила о гранте в 1 млн евро для инновационных проектов в области модной индустрии. Среди прочих, фонд ищет новые проекты в области 3D-печати одежды и обуви.

В архитектуре и строительстве технологии 3D-печати тоже завоевывают свою нишу. Недавно Уральский бизнесмен Ринат Брилин решил вместо проходной на территории Екатеринбургского цементного завода сделать сторожевую башню, как в крепости «Винтерфелл» из сериала «Игра престолов». И напечатал ее на самодельном 3D-принтере. Но это частный случай.

Напечатанный приют. Фото: dusarchitects.com

Напечатанный приют. Фото: dusarchitects.com

INNOprint из университета Нанта представил проект дома-приюта, который печатается за 30 минут. Это временное убежище из полиуретана для беженцев и пострадавших от стихийных бедствий. Над подобным быстрым и экономичным жильем работает голландская архитектурная студия DUS. Дом отпечатан на 3D-принтере черной нитью биопластика с добавлением льняного масла, разработанной компанией Henkel. Тем временем в Амстердаме с помощью 3D-печати строится стальной мост через канал. По планам его его строительство должно завершиться в 2017 году.

Активно завоевывает рынок 3D-строительства китайская компания WinSun. Летом 2014 года она за сутки напечатала 10 жилых домов площадью от 20 до 200 кв.м., а через полгода создала с помощью 3D-принтера пятиэтажный дом на 50 человек общей площадью этого 1100 кв.м. Огромный трехмерный принтер WinSun печатал здания из смеси бетона, стекловолокна, песка и отвердителя. Этот материал легко принимает нужную форму, быстро засыхает, а также хорошо выдерживает землетрясения, перепады температуры и влажности. По словам специалистов WinSun, эти технологии позволяют экономить при строительстве 60% материала, 70% времени и 80% рабочей силы. А стоимость постройки уменьшается примерно на две трети.

Напечатанный многоквартирный дом. Фото: Yingchuang - Winsun

Напечатанный многоквартирный дом. Фото: Yingchuang — Winsun

Достижения китайской WinSun впечатлили, в первую очередь, страны Персидского залива. Компания в течение пяти лет предоставит Саудовской Аравии 1,5 млн домов, напечатанных на 3D-принтере. А в Объединённых Арабских Эмиратах WinSun уже напечатала на принтере офисное здание площадью 250 кв.м. В отпечатанном на принтере здании расположилась временная штаб-квартира Дубайского фонда будущего — компании, которая организовала проект. Правительство ОАЭ заявляет, что к 2030 году 25% всех домов в стране будут напечатаны на 3D-принтере.

Во всем мире сегодня тратится около 1,5 млрд долларов на исследования в области 3D-печати — в 3 раза больше, чем в 2012 году. По оценкам аналитической компании Gartner, в 2017 году компании потратят около 4 млрд долларов на исследования в этой области.