Nanoskala 3D-Printning er Parat til Kommercialisering

3D-printning er meget populært lige nu. Også kendt som additiv produktion, skabes et objekt i tre dimensioner eller 3D-printning, ved hjælp af en digital model i stedet for en form. I denne proces lægges flere tynde lag af materiale sammen.

Opfindere udviklede teknikken i 1984, men det er først for nylig begyndt at tage af, da teknologiske udviklinger har gjort denne proces til en livskraftig produktionsproces.

Producenter i mange brancher bruger denne teknik til at lave hurtige prototyper, før de producerer produkter i stor målestok. Ved at gøre prototypering hurtigere, lettere og billigere, fremmer 3D-printning mere innovation og eksperimentering.

I dag er 3D-printning-forretningen vokset massivt med konstant fremgang og forskning, der hjælper teknologien med at blive endnu bedre. Så stor er interessen for 3D-printning, at videnskabsmænd nu arbejder på fremstillingsmetoder på både mikro- og nanoskala.

Selvom 3D-printning er for langsom til at blive brugt i masseproduktion, kan nanoskala 3D-printning måske løse dette problem, og det er sandsynligt, at det snart er klar til at blive taget i brug.

Klik her for at lære alt om investering i 3D-printning-aktier.

Nanoskala 3D-Printning og dens Potentiale

Siden 3D-printningsteknologien blev introduceret, er produktionsproduktiviteten øget. Dette skyldes i høj grad, at 3D-printning giver betydelig designfrihed ved at fjerne strukturelle eller rumlige begrænsninger i traditionelle produktionsmetoder. Derudover er det kendt for at være materialeeffektivt og tilbyder potentialet for lav eller ingen affaldsproduktion. 3D-printning spiller også en afgørende rolle i reduktion af omkostninger og markedsførings tid for små producenter.

Dog er de fleste anvendelser af 3D-printning begrænset til centimeterskala. Ud over dette begrænser mekaniske og materialeudfordringer dets brug primært til forskningsformål. For at udvide 3D-printning til en masseproduktionsskala og udvikle sig ud over blot prototypering, må teknologien adressere visse udfordringer relateret til størrelse, materiale og omkostninger.

Derfor bruger mange forskere multiple materialer på multiple størrelsesniveauer, en udvikling, der bringer nanoskala 3D-printning i fokus. Nanoteknologi omfatter målinger på under 100 nanometer, en skala, der er så lille, at den er usynlig for det blotte øje.

I nanoskala 3D-printning er målet at 3D-printe objekter, der måles i nanometer. Denne teknologi er et lovende skridt i additiv produktion, der muliggør samlingen af objekter atom for atom.

Potentialet for nanoteknologi strækker sig til at forbedre effektivitet og produktivitet i forskellige brancher, såsom batterier, nanorobotik, mikroelektronik, medicinske enheder, halvlederteknologi og sensor-teknologi. Disse sektorer kan få betydelig gavn af præcisionen i nanoskala-skabelse uden at gå på kompromis med nøjagtigheden.

Dog er processen med 3D-printning, herunder på nanoskala, stadig langsom. Den møder også begrænsninger i typerne af materialer, der kan bruges, især i nanoskala-printning.

I 2022 udviklede forskere en ny nanoskala 3D-printmetode, der bruger et materiale, der excellerer i modstand over for kræfter, tilbyder beskyttelse og kan absorbere dobbelt så meget energi som andre materialer kunne på samme tæthed. Denne fremgang åbner op for talrige anvendelser i felter som droner, satellitter og mikroelektronik.

En anden stor udfordring ved at adoptere 3D-printningsteknologi er omkostningerne. Materialerne, der bruges, er dyre, og 3D-printmaskinerne selv, der afhænger af evnen til at producere produkter med bestemte specifikationer, er dyre.

Derudover øger omkostningerne til software, teknisk vedligeholdelse og systemintegration den samlede omkostning for denne teknik. På grund af disse høje omkostninger er 3D-printning stadig mere gennemførlig for småskala- og højtspecialiseret produktion.

Forskning på dette område har været i gang i nogen tid for at målrette forskellige problemer. For eksempel demonstrerede en gruppe af forskere for nogle år siden en 3D-printteknik, der producerer komplekse nanoskala 3D-objekter hurtigt med glatte træk.

Dog er det en kendsgerning, at på trods af dets potentiale for at fremme mange enheder, er nanoskala 3D-printning ekstremt omkostningsprohibiteret. Dette kan nu ændre sig, da ny forskning har fundet en tilgang, der dramatisk reducerer omkostninger og barrierer for indgang, og gør processen gennemførlig for kommercialisering.

En Hurtigere og Billigere Måde at Printe Små Metalliske Strukturer med Lys

Den seneste forskning har udviklet en ny måde at printe nano-størrelses metalstrukturer, der er baseret på lavintensitetslys. Denne nye lys-baserede tilgang er ekstremt hurtig, op til 480 gange hurtigere end de metoder, der er i brug i dag, og samtidig billig.

Denne nye studie kaldet “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)” blev udført for nylig af medforfatterne Sourabh K. Saha, en assistentprofessor på Georgia Tech’s mekaniske ingeniørprogram, og Jungho Choi, der er en ph.d.-studerende i Sahas laboratorium.

Ifølge Saha er omkostning og hastighed to faktorer, der er “meget underestimeret i den videnskabelige fællesskab” når det kommer til fremstilling og produktion af små strukturer. Selvom de overses i den videnskabelige verden, er disse målinger virkelig vigtige i den virkelige verden “når det kommer til at oversætte opdagelser fra laboratoriet til industrien.”

“Kun når vi har fremstillingsmetoder, der tager disse målinger i betragtning, vil vi være i stand til fuldt ud at udnytte nanoteknologi til samfundsfordele.”

– sagde Saha

Choi og Saha er også opfindere på en SLP-patentansøgning, for hvilken de intellektuelle ejendomsrettigheder er tildelt Georgia Tech Research Corporation.

Offentliggjort i Advanced Materials, en ugentlig peer-reviewed videnskabelig tidsskrift, afslørede den nye studie, at disse forskere har udviklet en lys-baseret måde at printe metalstrukturer på nanoskala, der er hurtigere, billigere og skalerbar.

Som sådan har denne teknologi potentialet til at transformere feltet additiv produktion, der er forbudt dyrt og langsomt. Denne gennembrud er 35 gange billigere end teknologier, der i dag er tilgængelige på markedet.

Der er faktisk mange teknologiske fremskridt i flere felter, der afhænger af evnen til at printe på nano-størrelses metalstrukturer, en teknik kendt som nanopatterning. Disse felter inkluderer sensorer, elektroniske enheder, fotonik, solenergiomvandling, biomedicin og diagnostik og andre systemer.

Når det kommer til nanoskala-printning, antages det, at processen kræver en højintensitets lyskilde. Et sådant værktøj er en femtosekundlaser, der giver ultrakorte laserpulser til et fokuspunkt.

Selvom dette værktøj er meget nyttigt, kan det være meget dyrt. På grund af omkostningerne på op til en halv million dollars er dette værktøj ikke gennemførligt for de fleste forskningslaboratorier og naturligvis ikke for små virksomheder.

Som Saha bemærkede, er det denne omkostning, der gør det svært for disse gennembrud at nogensinde se dagens lys, og de ender med at blive laboratorieprojekter. Han sagde:

“Som videnskabelig fællesskab har vi ikke evnen til at lave nok af disse nanomaterialer hurtigt og billigt, og det er derfor, at lovende teknologier ofte forbliver begrænset til laboratoriet og ikke bliver oversat til virkelige anvendelser.”

Så det næste åbenlyse spørgsmål er, er der virkelig behov for sådan et højintensitetsværktøj? Svaret var negativt, da Saha sagde:

“Vores hypotese var, at vi ikke har brug for den lyskilde for at få den type print, vi ønsker.”

Som resultat heraf begyndte forskerne at søge efter et lavomkostningslys med lav intensitet, der kan fokuseres meget ligesom femtosekundlasere. Og de fandt superluminescent lys-emitterende dioder (SLED’er), der blev valgt på grund af deres kommercielle tilgængelighed.

Klik her for at lære, hvorfor manglen på videnskabeligt udstyr ikke længere er et problem, takket være avanceret 3D-printningsteknologi.

Lavintensitets Lys-baseret Projection-stil Nano-størrelses Printning

Med denne forskning sigtede Choi og Saha på at udvikle den første projection-stil printteknologi. Dette system er designet til at fungere som en digital projector på den måde, at det ændrer billeder fra digital til optisk og derefter viser dem på en glasoverflade.

Dog er billederne, der produceres af denne printteknologi, mere skarpt fokuseret. Denne skarphed er resultatet af at udnytte de unikke egenskaber af superluminescent lys til at generere billeder med minimale fejl.

Denne SLP eller superluminescent lys-projektionsteknik printer hurtigt sub-diffractions (dimension kortere end den involverede lys’ diffraktionsgrænse) nanostrukturer med lavere intensitetslys. Forskerne udnyttede diode-baseret superluminescent lys’ rumlige og tidsmæssige koherens egenskaber.

Nu, til deres forskning, brugte de metal salt sammen med andre kemikalier til at udvikle en klar ink-løsning, der kan absorbere lys. Når lys fra deres projectionsystem ramte løsningen, forårsagede det en kemisk reaktion, der omdannede løsningen til metal. Disse metalnanopartikler blev fastgjort til glasoverfladens overflade, hvilket skabte nanostrukturerne.

At være en projection-stil printteknologi betyder, at den kan bruges til at printe hele strukturer på én gang. Det faktum, at i stedet for at gå punkt for punkt, gør denne teknik det hele på én gang, gør den hurtigere end andre konventionelle metoder.

Test af lys-baseret projection-stil nano-størrelses metalprintning afslørede, at den fungerer med lavintensitetslys, forudsat at billederne er skarpt fokuseret.

Ifølge Choi og Saha kan deres arbejde replikeres af andre forskere hurtigt ved hjælp af kommercielt tilgængelig hardware. Dette vil ikke koste meget, da typen af SLED, der blev brugt i deres forskning, kun koster cirka 3.000 dollars.

På denne måde gør forskningen det muligt for små virksomheder, forskningscentre og endda enkeltpersoner at udnytte teknologien og eksperimentere med den for at innovere. Ifølge Choi:

“I øjeblikket har kun topuniversiteteter adgang til disse dyre teknologier, og selv da er de placeret i fællesfaciliteter og er ikke altid tilgængelige.”

Tilføjer yderligere, sagde Choi:

“Vi ønsker at demokratisere evnen til nanoskala 3D-printning, og vi håber, at vores forskning åbner døren for større adgang til denne type proces til en lav omkostning.”

Dette gennembrud har et reelt potentiale til at hjælpe nye teknologier med at komme ud af forskningslaboratorier og ind i verden til brug.

Forskningen har bestemt et stort potentiale for anvendelse, da forskerne siger, at deres teknik vil være særligt nyttig i felterne optik og plasmonik, der kræver en række komplekse metalnanostukturer.

Andre potentielle områder, hvor den kan bruges i fremtiden, inkluderer mindre og mere effektive elektroniske komponenter til smartphones, computere og wearables. Derudover kan den hjælpe med avancerede sensorer, aktuatorer, miniaturekommunikationssystemer, biomedicinske enheder som implantater og diagnostikenheder, småskalaoptik til kameraer og billedsystemer, små enheder til energihøst og udviklingen af nye materialer med brugertilpassede egenskaber.

Nanoskala 3D-printning vil yderligere hjælpe med forskning og udvikling af endnu mere gennemførlige løsninger.

Virksomheder, der leder Additiv Produktion

Lad os nu kaste et blik på nogle virksomheder, der er med til at lede vejen i additiv produktion:

#1. Stratasys

Den USA-baserede 3D-printningsløsningssupplier er en international leder i additiv produktion. Stratasys leverer en række 3D-printere og materialer til bil, sundheds, uddannelses, luftfarts og andre brancher. Virksomheden har også mange additivteknologi-patent, der bruges til at skabe modeller, prototyper, produktionsværktøjer og produktionsdele.

Virksomhedens seneste 3D-printer, F3300, kommer med betydelige forbedringer i hastighed og omkostning. Den tilbyder øgede gantryhastigheder, hurtigere extrusionshastigheder og automatiseret kalibrering for at spare tid og øge gennemstrømningen. Maskinen er til end-brugsdelproduktion og kan også bruges til prototypering.

Med en markedsværdi på 902,6 millioner dollars er Stratasys-aktierne i øjeblikket handlet til 13,05 dollars, ned 8,61% år-til-dato. Virksomheden havde en omsætning på 630,52 millioner dollars og en EPS (TTM) på -1,61 og P/E (TTM) på -8,10.

#2. 3D Systems

Et velkendt navn i additiv produktion, tilbyder 3D Systems en bred vifte af 3D-printningsløsninger, der strækker sig fra hardware og software til materialer til brancher som sundheds, luftfart, forsvar, bil, forbrugsvarer og generel produktion.

3D Systems’ teknologier inkluderer Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithography (SLA) og SLA-baseret bioprinting.

For nylig annoncerede virksomheden en patient-specifik 3D-printet kranieimplant, der blev brugt med succes i en kranioplastik på University Hospital Basel. Brugen af 3D-printede kranieimplantater forventes at have en markedstørrelse på 2,1 milliarder dollars ved udgangen af dette årti.

Med en markedsværdi på 677,845 millioner dollars er 3D Systems-aktierne i øjeblikket handlet til 5,08 dollars, ned 20% år-til-dato. Virksomheden havde en omsætning på 505,95 millioner dollars og en EPS (TTM) på -0,74 og P/E (TTM) på -6,85.

#3. GE Additive

En afdeling af tech-giganten General Electric, har GE Additive en omfattende række af printere, forbrugsmaterialer og softwareløsninger til at låne virksomheder i forskellige markedssegmenter til at innovere.

For nylig udstillede virksomheden sin metal binder jet-teknologi på Europas største additiv produktion (AM) handelsmesse. For dette samarbejder GE Additive med en ny industri, medicin, for at udvide sin horisont beyond kun luftfart. Med binder jets sigter virksomheden på at give “en sekundær produktionsmetode i tilfælde af en forsyningskædeproblematik”.

Med en markedsværdi på 141,4 milliarder dollars er General Electric Co-aktierne i øjeblikket handlet til 129,93 dollars, op 1,8% år-til-dato. Virksomheden havde en omsætning på 67,95 milliarder dollars og en EPS (TTM) på 8 og P/E (TTM) på 16,24. GE betaler også en dividendudbytte på 0,25%.

Endelige Tanker

Selvom det stadig er i de tidlige stadier af forskning, er nanoskala 2D-printning og additiv produktionsteknologi under hurtig udvikling. Allerede, som vi så, udvikles hurtigere og billigere printteknikker, der gør nanoskala metalprintning skalerbar og kommercielt gennemførlig.

Da ny forskning fortsætter med at arbejde på problemer som omkostning og materialebegrænsninger, vil vi se nye løsninger dukke op, der fjerner barrierer for indgang og producerer personlige og bæredygtige produkt-designs. Dette vil føre til en bred anvendelse af teknikker i medicin, mode, forbrugsvarer, avanceret elektronik og meget mere, og øger muligheden for nano-aktiverede enheder, der kan bruges i den virkelige verden betydeligt, og gør 3D-printning markedsføringsklar.

Klik her for listen over de ti bedste additiv produktion og 3D-printning-aktier til at investere i.