За последние 20-30 лет в индустрии печати произошел настоящий квантовый скачок и даже не один: от печати плоскостных материалов к созданию объемных моделей, расширение спектра запечатываемых материалов, увеличение ширины, толщины запечатываемых поверхностей.
И вот, наконец, создание донорских органов и тканей при помощи специальных печатных механизмов – сейчас это уже не сюжет из фантастики, а вполне ощутимая реальность. Более того, эта тенденция медицины будущего стала уже частью российской реальности – в 2014 году был представлен первый отечественный 3D биопринтер FABION.
Физико-биологическая сторона: в основе идеи биопринтинга лежит предположение о том, что самосборка клеточных структур может происходить и вне живого организма. В живом мире направленная самоорганизация клеточных конгломератов, управляемая силами поверхностного натяжения и межбелковыми взаимодействиями, встречается повсеместно: от формирования клеточных мембран до образования органов у эмбриона.
Сама способность клеток к самосборке случайно была открыта еще в XIX в. немецким профессором Густавом Борном во время препарирования головастика, в 1907 г. на была подтверждена Петером фон Вильсоном на примере тканей морских губок.
С точки зрения биологии способность клеток сращиваться не нова, технология печати тоже известна европейской цивилизации с XV благодаря немецкому ювелиру Иоганну Гуттенбергу, но только в XXI две эти идеи объединились в нечто принципиально новое благодаря появлению технологий струйной и 3D-печати.
Струйная печать: движение к возможности печати человеческими клетками со стороны печатно-полиграфической происходило более стремительными темпами, хотя концепция, легшая в основу струйной печати тоже уже «не молода»: идеальная однотипность капель жидкости, выпускаемой через узкое отверстие было открыто Феликсом Савартом еще в 1833 г.
1867 году Уильям Томпсон запатентовал способ печати с непрерывной подачей чернил. На основе этого принципа Томпсон разрабатывал самопишущие приборы для телеграфа. Управление распылением красителя в них происходило при помощи электростатических сил.
Печатная телеграфная машина Томпсона
Только спустя столетие, а именно в 1951 году, на основе этого открытия было создано первое устройство, запатентованное компанией Siemens. И это был отнюдь не «текстовый» принтер, а Mingograph – самописец для фиксации изменений значений напряжения. Для разработки полноценного струйного принтера способного к печати текста и изображений необходимо было решить проблему с избирательным выпуском капли.
Mingograph Siemens 12 B 1954
Окончательно технология drop-on-demand (капля по требованию) появилась в 1979 г., когда компания Canon представила «пузырьковую печать», решение, в котором капли чернил выходили на поверхности нагревательного элемента, располагавшегося рядом с соплом, распределение чернил регулировалось при помощи конденсации испарений красителя.
Первая в мире модель монохромного струйного принтера Canon BJ-80 на основе пузырьковой печати
Год спустя (в 80-м) компания Hewlett-Packard предложила схожий принцип печати, а уже через четыре года выпустила на рынок первый коммерчески успешный струйный принтер, дававший хорошее качество печати и разрешение. Затем появились принтеры, способные смешивать цвета и получать практически любой оттенок, а дальше процесс развития пошел семимильными шагами.
В 1969 г. сотрудникам компании XEROX пришла в голову блестящая идея применить технологию копировальных устройств для печати, что и дало начало лазерной печати, принцип которой сводится в общих чертах к следующему: луч лазера снимает часть заряда с отрицательно заряженного барабана именно в тех, местах, где должны быть напечатаны пиксели. Барабан переносит изображение на бумагу, затем тонер запекается под действием нагревательного элемента.
Прототип лазерного принтера появился в 1971 году, но на рынок первый лазерный принтер XEROX вышел только в 1977 г.
Xerox 9700 Electronic Printing System
Массовую популярность лазерные принтеры приобрели только в 1984 г., когда компания Hewlett-Packard выпустила серию доступных принтеров LaserJet, которые обеспечивали прекрасное для того времени разрешение в 300 dpi. Самое важное, что продукт HP был значительнее доступнее системы XEROX, которая хоть и включала в себя компьютер, графический и текстовый редакторы, программное обеспечение, но стоила 17 000 долларов.
В 1992 г. Hewlett-Packard выпустила принтер LaserJet 4, стоимостью немного меньше $1000 и разрешением 600 dpi., после этого лазерные принтеры прочно обосновались на рынке офисной печати.
LaserJet Classic
Прорыв в технологиях объемной печати произошел стремительно – буквально за три года (с 1985 по 1988) были предложены сразу несколько принципов и установок послойного создания объемных фигур.
В 1985 г. Михаил Фейген предложил принцип послойного формирования объемных моделей путем спекания таких листовых материалов как пленка, полиэстер, пластик, бумага, композиты. Очевидным недостатком этой технологии явилась шероховатость внешней поверхности и трудность удаления с нее лишнего материала из-за опасности расслоения модели.
Образец послойного склеивания
В 1986 г. Чарльз Халл запатентовал установку, использующую стереолитографию и фотополимеризующуюся основу, в 1988 г. усовершенствованная установка была запущена в серийное производство. STL-установки используются по сей день, однако высокая стоимость оборудования и расходных материалов ограничили области применения этого оборудования и не сделали технологию массово востребованной на рынке.
Чарльз Халл и STL установка
В 1986 г. Карл Декарт изобрел метод селективного лазерного спекания, суть метода недалека от идеи Фейгена, но послойному «скреплению» при помощи луча лазера подвергаются не листовые материалы, а слои порошка.
Модель, изготовленная методом селективного спекания
В 1987 г. израильская компания Cubital продолжила работу со слоями, однако стала их не склеивать или спекать, а уплотнять. Их идея состояла в послойном нанесении по шаблону фотополимера, затвердевающего под воздействием ультрафиолета. Пустоты объекта заполнялись воском и так послойно воспроизводился весь объект в объеме. Существенный недостаток технологии – токсичность расходных полимеров и высокая стоимость самого принтера.
Технология послойного уплотнения (SGC); установка компании Cubital
В 1988 г. Скотт Крамп запатентовал технологию послойной заливки экструдируемого расплава (FDM), при которой расплавленный пластик, металл, литейный воск подается через экструдер в виде нити. Эта нить укладывается послойно на рабочий стол, формируя объект.
3D-принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).
