3D-printerite ajalugu ja nende tööpõhimõte

Viimati uuendatud juuli 10, 2023

Sisu

Nüüd on tuttav sõna "printer" tõlgitud inglise keelest kui trükiseade. Nüüd on haruldane leida inimest, kes pole kunagi näinud tavalist printerit, millega saaks mõne teksti- või graafilise paberdokumendi.

Printeri välimuse ajalugu praeguses mõistes sai alguse eelmisel sajandil – esimene must-valge printer ilmus juba 1953. aastal ning 1976. aastal ilmus esimene värviline tindiprinter IBMilt. Tänapäeval võib mitmesuguseid printereid leida mitte ainult kontorites ja organisatsioonides, vaid ka koolides ja peaaegu igas kodus. Lõppude lõpuks on tänapäevane töö- ja õppimisprotsess muutunud mõeldamatuks ilma selle seadmeta.

Viimastel aastatel on aga ilmunud täiesti uus seade, mis ei suuda mitte ainult paberile printida mis tahes pilti. Räägime 3d printeri leiutamisest, millega saab juba luua kolmemõõtmelisi detaile, tooteid või mudeleid.

3D-printeri ajalugu

3D-printerite ajalugu on üllataval kombel üsna pikk ja selle seadme loomisel töötasid paljude maailma riikide teadlased, aidates järk-järgult kaasa kolmemõõtmeliste tehnoloogiate arendamisele.

1986 aastal leiutas ameeriklane Chuck Hull kolmemõõtmelise printimise põhimõtte, mida kasutati stereolitograafia seadistuses.
1988 aastal leidis teine ameeriklane Scott Crump täiesti teistsuguse lähenemise kolmemõõtmelise printimise rakendamisele – vormimise sulava materjali (FDM) lagunemise teel. Tänapäeval töötavad sellel põhimõttel kõik kolmemõõtmelised printerid, mis suudavad toota tooteid piiratud mahus.
Kuigi töö kolmemõõtmeliste printerite loomisega algas eelmise sajandi kaheksakümnendatel, ilmus termin "kolmemõõtmeline printimine" alles 1995. aastal Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi sügavustes. Ja juba järgmisel aastal nimetas 3D Systems oma esimest mudelit Actua 2100 3D-printeriks. 3D-printeril on lühidalt selline loomise ajalugu.

Esimesed kolmemõõtmelise printimise mudelid olid väga aeglased ja nende töö kiiruse suurendamise katse põhjustas alati toodetes vigu. Piisavalt kõrge kvaliteediga toodetega kolmemõõtmelised printerid ilmusid alles 2005. aastal. 2008 aastal ilmus Reprapi mudel, mis oli pooleldi võimeline end taaslooma, kuna suutis valmistada pooled oma osadest.

3D printimise tehnoloogiad

Kolmemõõtmeline printimine võib kasutada erinevaid tehnoloogiaid ja kulumaterjale, kuid igal juhul toimib see kolmemõõtmelise objekti kihtide järjestikuse ülesehitamise kaudu. Kihtide loomiseks saab kasutada erinevaid tehnoloogiaid.

Laserstereolitograafia, mille käigus ultraviolettlaser valgustab vedela fotopolümeeri pinda punkthaaval. Teises variandis valgustatakse ultraviolettlambiga läbi uue kihiga muutuva fotomaski. Seejärel vedel polümeer kõvastub, muutudes üsna vastupidavaks plastikuks.

Laserfusiooni kasutatakse plast- või metallipulbrite kihtide jaoks.
Lamineerimine – siin toimub ka materjali kihistamine, kõik kihid liimitakse kokku ja igas kihis lõigatakse laseriga välja lõigud, moodustades tulevase objekti osa.
Jet-tehnoloogia tagab jahutusmaterjali tahkumise: väljastusotsik viskab kuumutatud termoplasti tilgad jahutatud alusplatvormile. Seal need koheselt tahkuvad, kleepuvad naaberosadega kokku ja moodustavad valmistatava detaili kihi.

Pulbrilise materjali liimimine sarnaneb mõneti pulbri paagutamisega laserkiirega, kuid pulbriks võib siin olla jahvatatud tselluloos, mis ei sula, seega kasutatakse selle liimimiseks vedelat liimi või lahustit, mida toidetakse ette miniatuursest otsikust. Selle meetodi abil saate anda detailile soovitud värvi, kui kasutate mitmevärvilisi värvaineid. On isegi kolmemõõtmeliste printerite mudeleid, mis kasutavad tavaliste tindiprinterite päid.
Pakse keraamilisi segusid saab kasutada ka isekõvastuvate materjalidena. Selliste materjalide järele on nõudlus suurte arhitektuurimudelite 3D-printimiseks.
Viimane saavutus on bioprinterid. Seni on tegemist vaid eksperimentaalsete rajatistega, mis moodustavad siirdamiseks mõeldud elundi kolmemõõtmelise struktuuri. Nad kasutavad elusrakke sisaldavaid lahuseid. Seejärel rakud kasvavad, jagunevad ja spetsialiseeruvad, et moodustada elundi lõplik kuju.

3D-printerite toorained

Kõik mahuprinterid kuni 2008. aastani said kasutada ainult ühte tüüpi plastikut – ABC-d, mis oli kolmemõõtmelise printimise jaoks parim "tarvik". Object Geometries Ltd andis välja esimese mudeli "Connex500", mis võis kasutada korraga mitut tüüpi materjale. Nüüd on selliste materjalide nimekiri ületanud saja piiri. Nende hulgas on järgmised:

tselluloos;
hüdrogeel;
betoon;
akrüül;
vesi;
kips;
nailon;
metallipulber;
polülaktiid;
polükaprolaktoon;
madalsurve polüetüleen;
polüpropüleen;
šokolaadi.

Kolmemõõtmeliste printerite töö eripära on see, et kõik saadud objektid saavad olla ainult tahkis, kuna neid rakendatakse kiht-kihi haaval. Tavaprinteril saab teha vaid paberdokumendi ja kolmemõõtmelisel printeril saab “trükkida" laste mänguasja, õmbluseks sobivat kangast, plastnõusid, isegi meditsiinilisi implantaate või autot. Uue põlvkonna mahtprinteritel on väga suured võimalused.

Video 3D-printerite ajaloost

3D-printerite hämmastavad võimalused

Kolmemõõtmelised printerid on järk-järgult muutumas meie elus kasulikeks ja vajalikeks seadmeteks ning nende kasutusalad laienevad üha enam. Niisiis on väikesed kolmemõõtmelised printerid võimelised valmistama majapidamistarbeid, nagu nõusid, mänguasju, ehteid ja isegi mööblit.

2010 aastal demonstreeris kanadalane Jim Kor sõiduautot, mille kere valmistati täielikult kolmemõõtmelisel printeril, mis võttis 2500 töötundi. Unikaalse auto loojad võtsid koguni kokku, et jõuda paari päevaga New Yorgist San Franciscosse, kasutades selleks vaid 38 liitrit biokütust.
2010 aastal asus Organovo Inc. teatas, et on loonud kolmemõõtmelise tehnoloogia kunstlike veresoonte valmistamiseks. Varem ei tulnud selle tehnoloogia kasutamine meditsiinilistel eesmärkidel kõne allagi. Praeguseks on maailmas juba tehtud palju proteesioperatsioone, kus patsientidele on implanteeritud selle tehnoloogia abil valmistatud implantaate – kolju- ja ninaluud, hamba-, käeluud jne.
Märksa tagasihoidlikum on 2011. aastal brittide demonstratsioon printerist, millega saab šokolaadist teha mis tahes kuju. Kuna šokolaad suudab jahtudes üsna kiiresti taheneda, prindib printer sellistele toorainetele üsna kiiresti. Sellised printerid on restoranide ja kondiitritoodete tõeline leid.

Samal aastal valmistati Southamptoni ülikooli Briti inseneride jõupingutustega esimene lennuk kolmemõõtmelisel printeril. Nad tunnistasid, et suurimad raskused ei olnud trükiprotsessis, vaid kujunduses. Valmistatud mudel suutis lennata korraliku kiirusega.

Oxfordi teadlased on välja pakkunud printeri, mis suudab reprodutseerida materjali, millel on osaliselt eluskoe omadused. Itaalia robootik Enrico Dini õpetas 3D-printerit tegema kahekorruseliste hoonete mudeleid, millel on ruumid vaheseinte, torude ja treppidega. Kõik see on tehtud anorgaanilisest ühendist ja liivast. Saadud materjali tugevus on lähedane raudbetooni omale.

Insenerimõte sellega ei piirdunud, kuna tehti ettepanek kasutada seda tehnoloogiat Kuu uurimisbaaside ehitamisel. ISS-ile otsustati tarnida kolmemõõtmeline printer, kus astronaudid saavad kiiresti toota vajalikke osi, ootamata nende kohaletoomist Maalt.

Nüüd on 3D-printerid, mis alguses olid mahukad ja väga kallid, muutumas väiksemaks ja odavamaks. 2011 aastal demonstreerisid austerlased kõige kergemat, väikseimat ja odavaimat mahuprinterit. Siin kasutati aditiivset fotopolümerisatsiooni tehnoloogiat, töötades valgustundliku vaiguga.

Video 3D-printeri võimalustest

Varem arvati, et 3D-kuvarid on lihtsa võhiku jaoks kättesaamatu luksus, kuid tänapäeval saavad neid osta ka vaesed kodanikud. 3D-printeritega on sama lugu – need on juba lakanud olemast masinad ulmeraamatutest, kuid sisenevad üha enesekindlamalt reaalsusesse, tuues üha rohkem kasu. Nende väljavaated on väga head.