Det næste spring i 3D-printning er at dyrke stærke metaller

Forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) har udviklet en ny 3D‑printningsmetode, der kan omdanne simple hydrogeler til højtydende metaller og keramik.

De har grundlæggende dyrket metal ved at muliggøre flere infusioner af metalsalte som danner ekstremt stærke og tætte strukturer uden den porøsitet, som tidligere metoder havde. Resultaterne viser, at metaller fremstillet med den nye teknik er 20 gange stærkere og har meget mindre krympning. 

Dette gennembrud lover effektiv produktion af næste generations energi‑, sensor‑ og biomedicinske enheder.

Hvorfor arkitekturerede materialer har brug for bedre metal‑3D‑printning

Som grundlag for fremstilling, konstruktion, ingeniørarbejde og teknologi påvirker materialer direkte funktionaliteten, holdbarheden og sikkerheden for alt fra bygninger til elektronik, transport og sundhedspleje. 

Dette gør det vigtigt at skabe nye materialer eller forbedre eksisterende for at opfylde specifikke behov, løse problemer og drive fremskridt på tværs af forskellige industrier.

En innovativ og afgørende tilgang til at opnå dette er gennem design af arkitekturerede materialer, en proces der forbedrer materialegenskaber sammenlignet med deres simple modparter ved at designe deres interne struktur på flere skalaer.

Denne nye klasse af materialer udnytter 3D‑strukturel geometri til at opnå funktionaliteter og egenskaber, som ellers er utilgængelige gennem kun sammensætning og/eller mikrostrukturoptimering.

Efterhånden som vores forståelse af arkitektur‑egenskabs‑relationer og fremstillingsværktøjer er avanceret, er udviklingen af disse 3D nano‑ og mikro‑arkitekturerede materialer med nye eller forbedrede egenskaber også skredet frem, fra ekstreme mekaniske adfærd til eksotiske optiske egenskaber, som simpelthen ikke kan opnås med traditionelt behandlede materialer. På den måde hjælper arkitekturerede materialer med at imødekomme den stigende efterspørgsel efter højtydende enheder og muliggør komplekse teknologier.

Disse materialer fremstilles i øjeblikket ved hjælp af additiv fremstilling (AM) teknologier på grund af deres evne til at producere komplekse 3D‑strukturer på et bredt spektrum af længdeskalaer. Blandt de forskellige AM‑processer er vat‑fotopolymerisation (VP) bredt anvendt, da den tillader små størrelser og hurtige hastigheder.

I denne 3D‑printningsmetode deponeres en lysfølsom harpiks i et kar, og derefter hærdes den selektivt med en laser eller UV‑lys til den ønskede form.

Denne proces anvendes dog kun med lysfølsomme polymerer og møder udfordringer ved fremstilling af ikke‑polymeriske materialer med den. Da polymerer har begrænsede strukturelle og funktionelle egenskaber, begrænser dette anvendelsesområderne for enheder fremstillet med VP.

Som følge heraf har forskere udviklet metoder til at muliggøre VP af ikke‑fotopolymeriserbare materialer som metaller og keramik. Dette omfatter brug af hybrid fotoharpiks (kombinerende både uorganiske og organiske komponenter) eller fotosensitiv slurry, men de har udfordringer med lys‑spredning, viskositeter og begrænsede materialekompositioner.

Som følge heraf er brugen af metalsalte‑løsninger dukket op som en lovende tilgang, som er alsidig og kommercielt tilgængelig. Men denne metode medfører en betydelig mængde krympning, hvilket forårsager porøsitet, deformation og strukturel skade.

For at løse disse udfordringer har EPFL‑forskerne udviklet en ny alsidig metode til at fremstille tætte arkitekturerede metaller og keramik med lave lineære krympninger ved konversion. 

Det de har gjort, er, at de har dyrket metaller i en hydrogel, hvilket resulterer i bemærkelsesværdigt tætte men komplekse konstruktioner for avanceret teknologi.

Hydrogeler er polymermaterialer, der primært består af vand. Når de er hydrerede, bliver de geléagtige. Da de er biokompatible, anvendes de i en bred vifte af medicinske og andre anvendelser. Disse materialer lider dog under gentagen mekanisk belastning og kan let deformeres. 

“Problemet med eksisterende hydrogeler er, at de kan være mekanisk svage og derfor har brug for forstærkning,” sagde lektor Koichi Mayumi fra Institute for Solid State Physics (ISSP) ved University of Tokyo, som har skabt¹ en hydrogel med gummiliknende sejhed og genoprettelighed, mens den bevarer fleksibilitet.

En seneste undersøgelse² brugte imidlertid hydrogeler til at demonstrere evnen hos ikke‑levende materialer til at bruge ‘hukommelse’ til at opdatere deres forståelse af miljøet. De viste, at \”hukommelse er emergent inden for hydrogeler\” ved at lade ikke‑levende hydrogeler (der kan reagere på elektrisk stimulering) spille videospillet Pong og forbedre deres præcision med op til 10 %, gennem øvelse.

Nu har EPFL‑forskerne transformeret disse bløde hydrogeler til usædvanligt stærke metaller og keramik ved hjælp af en kraftfuld ny 3D‑printningsmetode.

En ny måde at 3D‑printe stærke metaller på

Med andre 3D‑printningsmetoder, der er skabt for at omdanne printede polymerer til hårdere materialer, men som lider af alvorlige strukturelle tilbageslag, \”er disse materialer ofte porøse, hvilket markant reducerer deres styrke, og delene lider af overdreven krympning, som forårsager deformation,\” har forskerne udviklet en unik løsning på problemet.

EPFL‑forskerne har banet vejen for en 3D‑printningsmetode kaldet hydrogel infusion additive manufacturing (HIAM).

I den seneste undersøgelse, publiceret i Advanced Materials³, bemærkede forskerne, at på trods af dens fordele i forhold til alsidighed og tilgængelighed, er metodens anvendelighed begrænset af de 50 %‑90 % krympninger, der opstår under polymer‑til‑keramik‑konverteringsprocessen, hvilket forårsager stor porøsitet, revner og deformation i de endelige dele, som ofte gør dem for skrøbelige til praktisk brug. Derfor anvender de også en infusion‑præcipitationsstrategi efter fremstilling.

I stedet for at bruge lys til at hærde en harpiks, der på forhånd er gennemsyret med metal‑forløbere, byggede EPFL‑teamet først et 3D‑skellet af hydrogel.

Derefter infusioneres den ‘tomme’ hydrogel med forskellige metalsalte‑løsninger, før den termisk behandles for at omdanne den til nanopartikler indeholdende metaller, som gennemtrænger strukturen. Ved at gentage processen kan kompositter med meget høje metalindhold skabes.

Efter fem til ti sådanne ‘vækstcyklusser’ involverer det sidste trin opvarmning, der brænder den resterende hydrogel væk. Dette efterlader det færdige produkt, dvs. et keramisk eller metallisk objekt i formen af den oprindelige tomme polymer som er meget stærk og tæt. 

At infusionere metalsalte i hydrogeler kun efter fremstilling betyder, at kun én hydrogel kan modificeres til mange forskellige kompositter, metaller eller keramiker. 

Ikke kun kan en enkelt harpiks‑sammensætning bruges til at fremstille en næsten uendelig række af ikke‑polymeriske materialer, men denne undersøgelse fremhæver også et nyt paradigme inden for AM, hvor materialevalg ikke sker før, men snarere efter 3D‑printning.

Så den nye teknik \”muliggør fremstilling af højkvalitets metaller og keramiker med en tilgængelig, lav‑omkostnings 3D‑printningsproces,\” sagde Daryl Yee, leder af Laboratoriet for Materiale‑ og Fremstillingens Kemi (ALCHEMY) i EPFL’s Ingeniørskole. 

Fokus i ALCHEMY er på integration af materialvidenskab, molekylær design og avanceret fremstilling for at skabe avancerede funktionelle materialer, der kan tackle samfundsmæssige udfordringer inden for sundhedspleje, energi og klimaændringer.  

Ved at bruge deres metode har EPFL‑teamet med succes fremstillet en række indviklede 3D‑metal‑ og keramikstrukturer. De skabte komplekse matematiske gitterformer kaldet gyroider af kobber, sølv og jern.

Fremstillingen af Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu og Ag opnåede tætheder på omkring 88–89 % af den teoretiske og krympninger på 20–40 % (afhængigt af sammensætning), hvilket demonstrerer teknikkens evne til at skabe stærke og indviklede strukturer. En universal testmaskine blev også brugt til at teste materialernes styrke ved at påføre stigende tryk på gyroiderne.

“Vores materialer kunne modstå 20 gange mere tryk sammenlignet med dem, der blev produceret med tidligere metoder, mens de kun viste 20 % krympning i modsætning til 60‑90 %.”

– Ph.d.-studerende og første forfatter Yiming Ji

Ifølge forskerne har den nyudviklede infusion‑præcipitations‑baserede teknik potentiale til at fremstille avancerede arkitekturerede materialer og 3D‑strukturer, der skal være komplekse, lette og stærke på samme tid, såsom biomedicinske enheder, sensorer eller enheder til energikonvertering og -lagring. 

I de næste skridt vil teamet fokusere på at forbedre deres proces, specifikt på yderligere at øge materialernes tæthed, med henblik på kommercialisering. 

Hastighed er et andet mål. Selvom gentagne infusioner er vigtige for at producere stærkere materialer, gør disse trin metoden tidskrævende. \”Vi arbejder allerede på at reducere den samlede behandlingstid ved at bruge en robot til at automatisere disse trin,\” sagde Yee.
Swipe to scroll →

Hvor går additiv fremstilling hen næste?

Additiv fremstilling er en af de mest disruptive teknologier i vores tid, der bygger 3D‑objekter lag for lag ved hjælp af digitalt design og et bredt udvalg af materialer, såsom metal, plast, og beton.

Denne teknologi er bekvem, alsidig og i stand til hurtigt at fremstille indviklede geometriske strukturer. Den reducerer også materialespild, muliggør høj tilpasning og forbedrer ydeevnen for fleksible enheder.

Det globale AM‑marked estimeres til omkring $25 milliarder i 2025 og forventes at vokse til over $125 milliarder inden 2032. Samtidig var det samlede antal 3D‑printere, der blev sendt globalt, 2,2 millioner i 2021 og forventes at nå 21,5 millioner enheder ved udgangen af dette årti.

Disse tal afspejler en stigende adoption af teknologien, som ikke længere kun er begrænset til laboratorier. Den bliver i stigende grad brugt til at bygge huse, sko, VR‑headsets, selvhelende biologisk nedbrydelige materialer⁴, og meget mere.

Senest har Empa‑forskerne rapporteret udviklingen af et 3D‑printet biokompatibelt cornea‑implantat, der kan reparere øjenskader permanent. 

Med millioner af mennesker verden over berørt af cornea‑skader, kan kun en lille procentdel behandles med en cornea‑transplantation. Udviklingen af skræddersyede selvklæbende implantater gjort mulig gennem 3D‑ekstrudering bioprintning kan fuldstændigt ændre spillet.

Implantatet er fremstillet af en biokompatibel hydrogel, som senere vil blive indlæst med humane stamceller fra øjet for at understøtte vævsregenerering.

Mens AM‑applikationer fortsætter med at vokse, løser forskere også nogle af 3D‑printningens mest vedvarende tekniske udfordringer. Forskere fra Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har skabt en vakuum‑assisteret ekstruderingsteknik⁵, der kan reducere intern porøsitet i polymerkomponenter med 75 % og dermed tackle problemet, der hæmmer stor‑skala additiv fremstilling (LFAM).

Intern porøsitet svækker printede dele, og reduktion af denne er vigtigt for at øge den samlede ydeevne.

Det forskerne gjorde, var at de under ekstruderingsprocessen integrerede en vakuum‑hopper, som fjernede fangede gasser og minimerede dannelsen af hulrum i fiber‑forstærkede materialer som er udbredt i LFAM for deres stivhed såvel som lav termisk udvidelse, men har intra‑perle porøsitet, der påvirker deres kvalitet. 

“Ved at anvende denne innovative teknik adresserer vi ikke kun det kritiske problem med porøsitet i stor‑skala polymer‑print, men baner også vejen for stærkere kompositter. Dette er et betydeligt skridt fremad for LFAM‑industrien.”

– ORNL’s Vipin Kumar

I mellemtiden har forskere ved University of Colorado Boulder skabt software, OpenVCAD, for at hjælpe med at opnå mere komplekse designs. Den open‑source‑software kan anvende specifikke egenskaber på bestemte dele af gitterstrukturer, som normalt bruges til stødpåvirknings‑evner.

Det første multi‑materiale, kode‑baserede designværktøj \”giver brugerne mulighed for at ændre én lille variabel og se hele designet opdatere på en nem måde,\” sagde projektleder Robert MacCurdy. Det konverterer indviklede gradient‑designs til printer‑klar kode til moderne ingeniørapplikationer.

Udover at forbedre materialekvaliteten arbejder innovatører også på at bringe fremstillingskraften ind i håndfladen. Et papir af forskere fra UT Austin og MIT udforskede brugen af silicon‑photonics i en chip‑baseret 3D‑printer⁶, hvor en enkelt millimeter‑skala fotonisk enhed udfører størstedelen af printerens mekaniske funktionalitet, mens den erstatter lyskilden. Den resulterende printer er meget enklere og omkostningseffektiv.

Nuværende 3D‑printere er afhængige af store og komplekse mekaniske systemer, hvilket begrænser hastighed, bærbarhed, opløsning, formfaktor og materialekompleksitet. Mens forskere undersøger 3D‑printere, der er baseret på fotokuring, er de stadig afhængige af klodsede og komplekse mekaniske systemer. 

Så den seneste undersøgelse kombinerede silicon‑photonics og fotokemi for den første chip‑baserede 3D‑printer. De brugte en silicon‑photonics CMOS‑chip i et lille kammer, som både udsender lyset og styrer det, sammen med en væskekrystal‑bølgeguide til at arbejde med harpiksen. 

Systemet er et \”synligt‑lys integreret optisk fasearray‑system\”, der fungere som et vat‑polymeriseringssystem på en chip, med det ultimative mål at gøre hele systemet til at passe i håndfladen.

Investering i 3D‑printning

Berømt for traditionel trykning, HP (HPQ ) har aggressivt givet sig i 3D‑printningsmarkedet og kan prale af skala, kapital og infrastruktur til at adoptere banebrydende processer som hydrogel‑infusion.

Virksomheden gik først ind i additiv fremstilling for lidt over et årti siden, og siden da har den lanceret flere polymer‑3D‑printningssystemer og introduceret Metal Jet‑teknologi. Selvom HP ikke er den ældste aktør i 3D‑printningsbranchen, har de arbejdet på at blive markedslederen gennem innovation inden for teknologi, materialer og partnerskaber.

HP Inc. (HPQ )

Tidligere i år blev HP’s Multi Jet Fusion 3D‑printningsteknologi brugt af Blazin Rodz til at fremstille over 75 dele til en specialbygget bil. 

“Der er ingen måde, vi nogensinde kunne designe og konstruere køretøjer så ekstreme, præcise og kørbare som vi gør hos Blazin Rodz – på under et år – uden CAD‑design og 3D‑printning. HP’s Multi‑Jet Fusion (MJF) print er en game‑changer for hele industrien, og vi er forpligtet til at finde smarte og innovative anvendelser af den med hver signaturdel, vi udvikler, og hver specialbil, vi bygger fremover.”

– Waylon Jeffrey, 3D Design & Engineering Lead hos Blazin Rodz

For et par måneder siden sikrede drone‑producenten Firestorm Labs eksklusive distributionsrettigheder fra HP til deres mobile Multi Jet Fusion 3D‑printningsteknologi for at muliggøre on‑site produktion i medicinske, humanitære og kommercielle sammenhænge.

HP er den globale leverandør af personlige computere og andre digitale adgangsenheder, og de opererer gennem tre nøglesegmenter.

Personlige systemer‑segmentet tilbyder kommercielle og forbruger‑desktop‑computere, notebooks, workstations, POS‑systemer, skærme, hybride systemer og software; tryk‑segmentet tilbyder forbruger‑ og kommerciel printer‑hardware samt grafik‑ og 3D‑printning og personalisering på de kommercielle og industrielle markeder; og Corporate Investments‑segmentet omfatter visse forretnings‑inkubations‑ og investeringsprojekter.

Med en markedsværdi på $25,5 milliarder handles HPQ‑aktier i øjeblikket til $27,22, ned 16,18 % i år indtil videre. Deres 52‑ugers interval har været $21,21 og $39,80, mens den højeste kurs nogensinde var i midten af 2022, da HPQ nåede et top‑niveau på omkring $41,50.

Virksomheden har en EPS (TTM) på 2,75 og en P/E (TTM) på 9,96. Udbytteafkastet, som HP tilbyder sine aktionærer, er et attraktivt 4,23 %.

Når det gælder HP’s finansielle position, rapporterede de en nettoomsætning på $13,9 milliarder, en stigning på 3,1 % i forhold til foregående år, for tredje kvartal af regnskabsåret 2025. 

Dette inkluderer $4 milliarder i omsætning fra tryk‑forretningen, som var ned 4 % år‑over‑år (YoY) med en driftsmargin på 17,3 %. Nettoomsætning fra Consumer Printing var ned 8 %, Commercial Printing ned 3 % og Supplies ned 4 %. Samtidig faldt det samlede hardware‑antal med 9 %, hvor Commercial Printing‑enheder faldt 12 % og Consumer Printing‑enheder med 8 %.

HP’s GAAP‑fortyndede nettoresultat pr. aktie steg 23,1 % til $0,80, og non‑GAAP‑fortyndet netto‑EPS faldt 10,7 % til $0,75.

“I Q3 leverede vi et femte kvartal i træk med omsætningsvækst, drevet af styrken i Personlige Systemer og stærk momentum i vores nøgle‑vækstområder. Disse resultater demonstrerer vores smidighed og fokuserede eksekvering i kvartalet, forstærker styrken i vores strategi og vores forpligtelse til at være en leder i fremtidens arbejde.”

– CEO Enrique Lores

I løbet af dette kvartal rapporterede virksomheden $1,7 milliarder i netto‑kontanter fra driftsaktiviteter, mens fri cash‑flow var $1,5 milliarder. Den returnerede også $400 millioner til aktionærerne gennem udbyttebetalinger på $0,2894 pr. aktie og aktietilbagekøb på $150 millioner. HP afsluttede kvartalet med $2,9 milliarder i kontanter og kontantekvivalenter.

Klik her for en liste over de bedste aktier inden for additiv fremstilling & 3d‑printning.

Seneste HP Inc. (HPQ) aktienyheder og udviklinger

Et nyt kapitel for materialvidenskab

Med 3D‑printning er fremstillingen trådt ind i en ny æra, der muliggør hurtig prototyping, hurtigere udvikling, designfleksibilitet, omkostningsbesparelser og forbedringer i forsyningskæden.

Ved at udnytte denne teknologi og kombinere den med hydrogel‑infusion og en infusion‑præcipitationsstrategi har EPFL‑forskerne produceret stærkere metaller, hvilket redefinerer hvornår og hvordan materialidentitet bestemmes i produktionskæden. Desuden kan den fleksibilitet, den tilbyder, potentielt transformere industrier fra energi til biomedicinsk ingeniørkunst.

Efterhånden som disse metoder modnes, skaleres og kommercialiseres, kan de indlede et nyt industrielt landskab, hvor styrke ikke længere bliver fremstillet, men dyrket.

Referencer:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Tough hydrogels with rapid self-reinforcement. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). Electro-active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embedded in a feedback-driven environment. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, September 24). Hydrogel-based vat photopolymerization of ceramics and metals with low shrinkages via repeated infusion precipitation. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, June 25). 3D-printed self-healing, biodegradable materials and their applications. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, January). Vacuum-assisted extrusion to reduce internal porosity in large-format additive manufacturing. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
6. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, June 6). Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2