Olet ehkä kuullut 3D-tulostamisen julistavan valmistuksen tulevaisuudeksi. Ja tekniikan edistymisen ja kaupallisen leviämisen myötä se voi hyvinkin hyödyntää sitä ympäröivää hypeä. Joten mikä on 3D-tulostus? Ja kuka keksi sen?
Paras esimerkki kuvaamaan 3D-tulostusta tulee TV-sarjoista Star Trek: Seuraava sukupolvi. Tuossa kuvitteellisessa futuristisessa maailmankaikkeudessa avaruusaluksen miehistö käyttää pientä laitetta, nimeltään replikaattori, luomaan käytännöllisesti katsoen mitä tahansa, kuten ruoasta ja juomista leluihin. Nyt vaikka molemmat kykenevät tuottamaan kolmiulotteisia esineitä, 3D-tulostus ei ole läheskään yhtä hienostunut. Kun replikaattori manipuloi alaatomisia hiukkasia tuottamaan mitä pienet esineet tulevat mieleen, 3D-tulostimet “tulostavat” materiaalit peräkkäisissä kerroksissa objektin muodostamiseksi.
Varhainen kehitys
Historiallisesti ottaen tekniikan kehitys alkoi 1980-luvun alkupuolella, edes edellä mainitun TV-sarjan edelle. Vuonna 1981 Hideo Kodama Nagoyan kunnallisesta teollisuustutkimuslaitoksesta julkaisi ensimmäisenä kertomuksen siitä Valopolymeereiksi kutsuttuja materiaaleja, jotka kovettuivat altistettaessa UV-valolle, voidaan käyttää kiinteiden aineiden nopeasti valmistukseen prototyyppejä. Vaikka hänen paperinsa perusti 3D-tulostuksen, hän ei ollut ensimmäinen, joka tosiasiallisesti rakensi 3D-tulostimen.
Tämä arvostettu kunnia menee insinöörille Chuck Hull, joka suunnitteli ja loi ensimmäisen 3D-tulostimen vuonna 1984. Hän oli työskennellyt yrityksessä, joka käytti UV-lamppuja muokkaamaan kestäviä, kestäviä pöytäpinnoitteita, kun hän ajatteli ideaa hyödyntää ultraviolettiteknologiaa pienten prototyyppien valmistamiseksi. Onneksi Hullilla oli laboratorio miettiä ideansa kanssa kuukausia.
Avain tällaisen tulostimen tekemiseen olivat fotopolymeerit, jotka pidettiin nestemäisessä tilassa, kunnes ne reagoivat ultraviolettivaloa. Järjestelmä, jonka Hull lopulta kehittää, joka tunnetaan nimellä stereolitografia, käytti UV-valonsäteenä luonnostelemaan esineen muotoa nestemäisen fotopolymeerin astiasta. Kun valonsäde kovetti jokaisen kerroksen pintaa pitkin, lava liikkui alas niin, että seuraava kerros voidaan kovettaa.
Hän haki patenttia teknologialle vuonna 1984, mutta se tapahtui kolme viikkoa sen jälkeen, kun ranskalaisten keksijöiden ryhmä Alain Le Méhauté, Olivier de Witte ja Jean Claude André jättivät patentin vastaavaa prosessia varten. Heidän työnantajansa kuitenkin luopuivat pyrkimyksistä kehittää tekniikkaa edelleen "liiketoiminnan näkökulman puuttumisen" vuoksi. Tämä antoi Hullille tekijänoikeuden termi “stereolitografia”. Hänen patentti, jonka otsikko oli ”Laite kolmiulotteisten esineiden tuottamiseksi stereolitografialla”, julkaistiin 11. maaliskuuta 1986. Samana vuonna Hull perusti 3D-järjestelmät myös Valenciassa, Kaliforniassa, jotta hän voisi aloittaa nopean prototyyppien kaupallisen suunnittelun.
Laajentaminen erilaisiin materiaaleihin ja tekniikoihin
Vaikka Hullin patentti kattoi monia 3D-tulostuksen näkökohtia, mukaan lukien suunnittelu- ja käyttöohjelmistot, tekniikoita ja erilaisia materiaaleja, muut keksijät rakentaisivat konseptia erilaisilla lähestymistapoja. Vuonna 1989, a patentti palkittiin Carl Deckardille, Texasin yliopiston jatko-opiskelijalle, joka kehitti menetelmän, jota kutsutaan selektiiviseksi lasersintraukseksi. SLS: n kanssa, a Laser-säde käytettiin jauhemaisten materiaalien, kuten metallin, sitomiseen mukautetulla tavalla yhdessä kerroksen muodostamiseksi esineestä. Tuoretta jauhetta lisättäisiin pintaan jokaisen peräkkäisen kerroksen jälkeen. Metalliesineiden muotoiluun käytetään myös muita variaatioita, kuten suora metallis lasersintraus ja selektiivinen lasersulatus.
3D-tulostuksen suosituinta ja tunnistettavinta muotoa kutsutaan sulatettujen kerrostumien mallinnukseksi. FDP, kehittäjä keksijä S. Scott Crump asettaa materiaalin kerroksittain suoraan alustalle. Materiaali, yleensä hartsi, annostellaan metallilangan läpi ja kun se on vapautettu suuttimen läpi, kovettuu välittömästi. Idea tuli Crumpille vuonna 1988, kun hän yritti tehdä lelu sammakko tyttärelleen jakamalla kynttilänvahaa liimapistoolin kautta.
Vuonna 1989 Crump patentoi tekniikan ja yhdessä vaimonsa kanssa perusti Stratasys Ltd. valmistaa ja myydä 3D-tulostuslaitteita nopeaa prototyyppien valmistusta tai kaupallista valmistusta varten. He veivät yrityksensä julkisuuteen vuonna 1994, ja vuoteen 2003 mennessä FDP: stä tuli myydyin nopea prototyyppitekniikka.