3D-prints alsidighed: Vækstprint, robotteknologi og mere

Additiv fremstilling har udviklet sig meget, siden Dr. Hideo Kodama først introducerede ideen om print via lag i stedet for sprøjtestøbning i 1981. Siden da har der været en konstant strøm af banebrydende fremskridt, der har ført til udviklingen af ​​denne nye tidsalders fremstillingsproces. Nu forventes 3D-printningens alsidighed at blive yderligere udvidet takket være nogle innovative koncepter, der er ved at komme på markedet. Her er, hvad du behøver at vide.

Ud over tilpasning: 3D-udskrivnings udvidede muligheder

3D-printere kan meget mere end blot at skabe brugerdefinerede former. Dagens 3D-printere kan printe metal, moderne kompositmaterialer, fungerende elektronik og endda menneskelige organer. Alle disse udviklinger fører fortsat til yderligere innovationer i sektoren, der skubber teknologien yderligere. Her er nogle nylige fremskridt inden for 3D-printning, der kan tage branchen til det næste niveau.

3D-print i robotteknologi: En ny æra af aktuatorer

Når du tænker på 3D-printet robotteknologi, forestiller du dig sandsynligvis en 3D-printer af metal, der skærer robotdele ud, der samles yderligere, før de er funktionelle. Selvom denne tilgang er fuldt ud mulig, ville det kun give mening, hvis den udskrevne robotteknologi skulle være i lille produktionsskala eller en enestående tilpasning.

En bedre brug for 3D-print i robotteknologi er at skabe aktuatorer. Aktuatorer er de systemer, der fungerer, når du flytter dele på en robot. De er normalt lavet af en eller anden form for elektrisk servo, der fungerer, når der påføres strøm. Ulempen ved denne tilgang er, at servoer er tunge, stive og tilføjer kompleksitet til enhederne.

I erkendelse af disse begrænsninger har et team fra Empas laboratorium for funktionelle polymerer netop udgivet Hurtig fremstilling af dielektriske elastomer-aktuatorfibre med høj permittivitet¹ studere. Denne rapport fremhæver en ny tilgang til at skabe kunstige muskler, der fungerer som aktuatorer for robotter. Undersøgelsen forklarer, hvordan den nye metode eliminerer behovet for lag-for-lag batch-produktion.

Dielektriske elastomeraktuatorer: Bløde robotteknologiske fremskridt

Brugen af ​​kontinuerlig co-ekstruderingsbaseret fremstilling gør det muligt for 3D-printeren at skabe aktuatorer, der fungerer, mens de bibeholder kerneprincipperne, såsom blødhed og elasticitet, som findes i deres menneskelige modstykker. Specifikt trækker disse enheder sig sammen, når der påføres spænding, og slapper af til en udvidet tilstand, når de ikke oplades. Denne handling ligner, hvordan dine muskler fungerer.

Kilde – Empa

Innovative materialer: Dual-Ink-tilgangen

Nøglen til deres udvikling var skabelsen af ​​en særlig type printer og blæk. Blækket skulle let blive flydende under visse forhold, men bevare sin form, elasticitet og kontraktilitet, når det er færdigt. Ingeniørerne integrerede to forskellige silikonebaserede materialer.

Et af materialerne var et ledende elektrodemateriale. Det andet lag bestod af et ikke-ledende dielektrikum. De to blev trykt sammen på samme tid. Det er bemærkelsesværdigt, at materialerne ikke blandede sig og i stedet blev trykt i et tværbindingsmønster svarende til, hvis du havde fingrene i lås. Derudover blev der udviklet en speciel dyse til at levere materialerne.

Resultatet var en ultra-responsiv aktuator, der vejer mindre end sine forgængere og har ingen bevægelige dele. Ingeniørerne bemærkede, at deres aktuatorer kan laves i næsten ethvert design, så de passer til en lang række applikationer. Derudover koster de mindre at printe og har en længere forventet levetid end deres servo-modstykker.

Potentielle anvendelser: Fra robotteknologi til medicin

Der er flere applikationer til denne teknologi, der spænder over mange forskellige sektorer. Ingeniørerne har allerede diskuteret at bruge teknologien til at skabe tynde, fuldt funktionelle fibre med høj permittivitet, der kan fungere som erstatninger for dine menneskelige muskelfibre, hvis de bliver skadet.

I fremtiden vil du muligvis se disse billige og pålidelige aktuatorer, der bruges i biler, maskiner og andre sektorer, der i øjeblikket er afhængige af forældede og ineffektive alternativer. Nu søger teamet at sænke produktionsomkostningerne og opdage nye applikationer til denne avancerede 3D-printteknologi.

Growth Printing: En naturinspireret 3D-printmetode

Ingeniører fra Beckman Institute for Advanced Science and Technology introducerede for nylig en naturinspireret 3D-printmetode, der eliminerer behovet for specialudstyr eller forme. Forskningspapiret Morfogen vækst 3D Trykning² lover at sænke omkostningerne til 3D-print og muliggør hurtigere fremstilling af tilpassede dele ved hjælp af avancerede polymerer.

Væksttryk er en spændende udvikling, der henter inspiration fra den måde, træer vokser på over tid. Når du ser på et træ, er du måske ikke klar over, at dets vækst er en kombination af dets genetik og miljø. Træer foretager konstant små justeringer i deres vækst for at optimere deres placering.

Kilde – Beckman Institute

Hvert lag af trævækst er en beregnet tilføjelse, der hjælper med at kompensere for eventuelle begrænsninger i dets placering og forbedre dets gavnlige aspekter. Denne tilgang tillader træet at kompensere under væksten og opnå en højere grad af stabilitet og holdbarhed.

Reaktions-diffusionsprocessen: En ny tilgang til 3D-printning

Den nyoprettede 3D-printmetode fungerer ved at bruge reaktion-diffusionsprocessen. I denne fremgangsmåde anbringes 100 g flydende harpiks kaldet dicyclopentadien i en åben glasbeholder, der måler 65 × 65 × 65 mm3. Beholderen nedsænkes derefter i et 110 × 110 × 110 mm3 bægerglas fyldt med isvand, og harpiksens midtpunkt opvarmes til 70 °C ved hjælp af en patronvarmer med 1/8 tomme diameter og 2 inch længde.

AI og Computational Modeling in Growth Printing

En avanceret computermodel hjælper med at bestemme, hvordan man langsomt løfter harpiksen ud af den opvarmede krukke på en måde, så den kan afkøles til bestemte former lag for lag. Softwaren tager højde for forskellige faktorer og foretager justeringer af løfteprocessen for at opnå den tilsigtede form.

Dernæst manipulerer en robotarm ekstruderingshovedet, bringer det ud af den opvarmede tilstand til de kølige omgivelser og lader det hærde i lag. Disse lag tager hensyn til tyngdekraften og andre faktorer under hvert trin af deres tilføjelse. Som sådan kan denne metode til 3D-print skabe stærkere designs, der kan modstå mere pres.

Især bruger ingeniørerne computeralgoritmen til at bestemme det ideelle tværsnitsdesign af ekstruderingsspidsen, de nøjagtige baner med vinkelbevægelse af spidsen, hvis der kræves flere spidser med sammensmeltende fronter, og harpiksviskositeten.

Forbedret præcision i 3D-print gennem reaktionsdiffusion

Interessant nok tillader reaktionsdiffusionsmodellen ingeniører at forudsige delens form præcist baseret på bevægelsen af ​​den opvarmede spids. Det giver også ingeniører mulighed for at bestemme den nemmeste måde at lave en form på med minimale bevægelser. Tilsammen giver disse fremskridt mulighed for hurtigere 3D-print af visse designs.

Ved hjælp af et DSLR-kamera tog ingeniørerne sidebilleder af processen. Dette trin hjalp holdet med at finjustere temperaturen og andre faktorer. Navnlig brugte gruppen alle glasbægre og et glasstativ, der tillod fuldstændig 360-graders overvågning. De fandt ud af, at deres tilgang gav stærkere udskrifter hurtigere.

Industrielle og videnskabelige anvendelser af væksttryk

Der er stor efterspørgsel efter hurtigere 3D-printteknologi. 3D-printere er fantastiske til at lave specialfremstillede dele og små produktioner, men de tager tid at færdiggøre. Selv de bedste metoder tager timer at betjene og hærde. Muligheden for hurtigt at printe holdbare former og komponenter vil være en stor fordel for mange brancher.

3D-print i partikelfysik: Et gennembrud i scintillatordetektorer

Additiv fremstilling er nu klar til at dykke ned i kvanteverdenen takket være et hold af opfindsomme forskere fra ETH Zürich. Gruppen har for nylig offentliggjort en undersøgelse med titlen "Additiv fremstilling af en 3D-segmenteret plastscintillatordetektor til sporing og kalorimetri af elementære partikler"³ der introducerer en ny måde at skabe storskala plastikscintillatordetektorer, der kan sænke forskningsomkostningerne for forskere i fremtiden.

Hvad er en scintillator, og hvordan forbedrer 3D-print det?

Scintillationsmateriale bruges almindeligvis i partikelfysik til at skabe design, der kan overvåge neutronbevægelser. Disse systemer er en af ​​de primære måder, hvorpå forskere kan detektere ioniserende stråling. Disse enheder kan især spore neutroner og bestemme tilstedeværelsen af ​​røntgenstråler, beta- og gammastråler. Som sådan forbliver de en vital komponent for forskere, der søger at spore disse stråler,

SuperFGD og fremtiden for partikeldetektion

SuperFGD er den nuværende standard for scintillatorer. SuperFGD'er er meget komplekse enheder, der kan omfatte millioner af kuber, specielt designet til at detektere og spore ladede partikler. Disse enheder fungerer ved at måle energitab, når ladede partikler bevæger sig gennem enheden. For at udføre denne opgave har hver terning optisk fiber indlejret.

Problemet er, at det er utroligt dyrt og tidskrævende at fremstille disse afgørende enheder. Disse omkostninger fortsætter med at hindre adoption og begrænse adgangen til disse enheder. En ny fused injection modeling (FIM) kombinerer fused deposition modeling (FDM) og sprøjtestøbning for at skabe et mere overkommeligt alternativ. Det mangler dog stadig sammenlignet med nyere 3D-printede versioner.

Introduktion af SuperCube: Et omkostningseffektivt scintillatoralternativ

For at demonstrere deres nye design skabte ingeniørerne SuperCube-scintillatoren. Denne opgraderede enhed har 125 optisk isolerede voxels, der kan spore partikelenergiveje. Enheden er arrangeret i en 5 × 5 × 5 konfiguration, hvor hver voxel er designet til at holde to ortogonale bølgelængde-forskydende fibre.

Især gav denne tilgang ydeevne på niveau med SuperFGD, men til en brøkdel af omkostningerne. Især blev fremstillingstiden for en voxel anslået til at være omkring 6 minutter, hvilket er langt mindre end de nuværende muligheder. Derudover søger holdet at reducere denne tid til det halve i de kommende måneder.

Videnskabelige anvendelser: Fra CERN til rumudforskning

Ansøgningen om disse enheder omfatter videnskabelig forskning på nogle af de mest prestigefyldte steder i verden. En dag kunne disse enheder fungere i CERN og på satellitter, hvor de vil hjælpe med at opdage kosmiske stråler og andre ladede partikler i realtid.

Hvad er det næste for 3D-print? Nye innovationer

Der sker så meget i 3D-printsektoren i øjeblikket. I år har vi set additiv fremstilling i rummet, hvor vi bruger flere materialer og endda har skabt funktionelle dele ved hjælp af komplekse materialekombinationer. I fremtiden kan endnu mere komplekse materialeinteraktioner blive udviklet, hvilket gør det muligt at printe fungerende produkter i én omgang. Her er et par flere udviklinger, der vil omforme markedet i de kommende måneder.

Holografisk direkte lydudskrivning (HDSP)

Ingeniører har skabt en metode til udskrivning gennem vægge ved hjælp af ultralydsholografi. Enheden bruger disse bølger til at organisere former og hærde dem uden fysisk kontakt. Denne tilgang giver en metode til at udskrive indviklede designs og har nogle meget imponerende brugsscenarier.

Forestil dig en astronaut, der udskifter eller reparerer en aldrende del, der er placeret i et område, der ville være næsten umuligt at nå uden dages arbejde. Selvom dette kan virke imponerende, er det ikke så imponerende som tanken om at gå til lægen og få et organ repareret uden nogensinde at skulle opereres. Alle disse scenarier kan blive mulige takket være gennembrud inden for holografisk 3D-printning.

3D-printede hjem: Fremtiden for billige boliger og rumkolonisering

Der bliver lagt mange kræfter i at skabe levedygtige 3D-printede boliger. Denne teknologi vil sænke boligomkostningerne her og indvarsle muligheden for at kolonisere rummet. Ingeniører forestiller sig brugen af ​​disse printere til at skabe levesteder ved at bruge materiale, der er hjemmehørende på planeten, hvilket reducerer omkostningerne yderligere.

Denne strategi giver mening, når man tænker på, at det er dyrt at bringe byggematerialer ud i rummet. Den bedste løsning er at bruge en specialbygget 3D-printer til byggeri i disse scenarier. En anden 3D-printer kan også skabe specialværktøjer og andre krav for at strømline processen.

The Rise of 4D Printing: Shape-Morphing Structures

Vækstprint og anden udvikling åbner døren for 4D-printrevolutionen. 4D-print refererer til udskrivning af form-morphing dele. Tænk på 4D-printede dele som et print, der gør det muligt for 1D-strenge at forvandle sig til 3D-former. 4D-print ses som fremtiden for mange analytikere, der ser det en dag at kunne skabe proteser, der vokser med bæreren eller opløses, efter at de ikke længere er nødvendige.

Den uovertrufne alsidighed ved 3D-print

I takt med at 3D-printning udvikler sig, er det blevet den bedste løsning for mange af nutidens produkter. 3D-printernes fleksibilitet og alsidighed giver ingeniører mulighed for løbende at finde nye og spændende måder at skabe på ved hjælp af lag-for-lag-metoder. Disse seneste udviklinger vil helt sikkert flytte grænserne yderligere og indvarsle en ny æra inden for bekvemmelighed inden for 3D-printning.

Lær om andre spændende 3D-printprojekter Nu.

Referencer til undersøgelser:

^{1. Danner, PM, Pleij, T., Liechti, F., Wolf, J., Bayles, AV, Vermant, J., & Opris, DM (2025). Hurtig fremstilling af dielektriske elastomer-aktuatorfibre med høj permittivitet. Avancerede materialeteknologier. https://doi.org/10.1002/admt.202500190}

^{2. Kim, YS, Zhu, M., Hossain, MT, Sanders, D., Shah, R., Gao, Y., Geubelle, PH, Ewoldt, RH, & Tawfick, SH (2025). Morfogen vækst 3D-print. Advanced Materials, 37(12), artikel 2406265. https://doi.org/10.1002/adma.202406265}

^{3. Kieseler, J., & Canelli, F. (2025). Additiv fremstilling af en 3D-segmenteret plastscintillatordetektor til sporing og kalorimetri af elementære partikler. Kommunikationsteknologi, 4(1), artikel 371. https://doi.org/10.1038/s44172-025-00371-z}