Nanoskala 3D-print ser ud til at være klar til kommercialisering

3D-print er i øjeblikket meget populært. Også kendt som den additive fremstillingsproces, i tredimensionel eller 3D-print skabes et objekt ved hjælp af en digital model i stedet for at bruge en form. I denne proces lægges flere tynde lag af materiale sammen.

Opfindere udviklede teknikken i 1984, men den begyndte først for nylig at tage fart, da teknologiske fremskridt gjorde den til en levedygtig fremstillingsproces.

Producenter i mange industrier bruger denne teknik til hurtigt at lave prototyper inden masseproduktion af produkter. Ved at gøre prototyping hurtigere, lettere og billigere fremmer 3D-print mere innovation og eksperimentering.

I dag har 3D-printbranchen vokset enormt med konstant fremdrift og forskning, der hjælper teknologien med at blive endnu bedre. Så stor er interessen for 3D-print, at forskere nu arbejder på fremstillingsteknikker både på mikro- og nanoskalering.

Selvom 3D-print er for langsom til masseproduktion, kan nanoskalering 3D-print muligvis løse dette problem, og den er sandsynligvis snart klar til brug. 

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

Nanoskala 3D-print & dets potentiale

Lige siden 3D-printteknologien blev introduceret, er produktiviteten i fremstillingen steget. Denne stigning skyldes i høj grad, at 3D-print muliggør betydelig designfrihed ved at fjerne strukturelle eller rumlige begrænsninger i traditionelle fremstillingsmetoder. Derudover er den kendt for at være materialeeffektiv og giver potentiale for lav- eller ingen-affaldsproduktion. 3D-print spiller også en afgørende rolle i at reducere omkostninger og time-to-market for små producenter.

Dog er de fleste anvendelser af 3D-print begrænset til centimeterstørrelse. Ud over dette begrænser mekaniske og materialemæssige udfordringer dens brug primært til forskningsapplikationer. Så for at udvide 3D-print til masseproduktionsskala og udvikle sig ud over blot prototyper, skal teknologien tackle visse udfordringer relateret til størrelse, materiale og omkostninger.

Af denne grund bruger mange forskere flere materialer i flere størrelsesskalaer, en udvikling der bringer nanoskalering 3D-print i fokus. Nanoteknologi involverer målinger på mindre end 100 nanometer, en skala så lille, at den er usynlig for det blotte øje. 

Inden for nanoskalering 3D-print er målet at 3D-printe objekter målt i nanometer. Denne teknologi er et lovende spring i additiv fremstilling, som muliggør samling af objekter atom for atom.

Potentialet for nanoskaleringsteknologi strækker sig til at forbedre effektivitet og produktivitet i forskellige industrier, såsom batterier, nanorobotik, mikroelektronik, medicinsk udstyr, halvledere og sensorteknologier. Disse sektorer kan drage betydelig fordel af præcisionen i nanoskalering uden at gå på kompromis med nøjagtigheden.

Alligevel forbliver processen med 3D-print, også på nanoskalering, langsom. Den står også over for begrænsninger i de typer af materialer, der kan anvendes, især ved nanoskalering.

I 2022 udviklede forskere en ny nanoskalering 3D-printmetode ved brug af et materiale, der udmærker sig i modstand mod kræfter, giver beskyttelse og kan absorbere dobbelt så meget energi som andre materialer ved samme densitet. Denne fremgang åbner op for talrige anvendelser inden for områder som droner, satellitter og mikroelektronik.

En anden stor udfordring ved at adoptere 3D-print-teknologi er omkostningerne. De anvendte materialer er dyre, og selve 3D-printerne, som er afhængige af evnen til at producere produkter med specifikke specifikationer, er kostbare. 

Derudover øger udgifterne til software, teknologisk vedligeholdelse og systemintegration den samlede omkostning ved denne teknik yderligere. På grund af så høje omkostninger er 3D-print mere gennemførligt for småskala og højt specialiseret produktion.

Forskning inden for dette område har pågået i nogen tid for at adressere forskellige problemstillinger. For eksempel demonstrerede et forskerteam for et par år siden demonstrerede en 3D-printteknik, der hurtigt producerer komplekse nanoskalering 3D-objekter med glatte egenskaber.

Dog er faktum, at på trods af dets potentiale for at fremme mange enheder, er nanoskalering 3D-print ekstremt omkostningsprohibitivt. Dette kan endelig ændre sig nu, da ny forskning har fundet en tilgang, der drastisk reducerer omkostninger og adgangsbarrierer, hvilket gør processen gennemførlig for kommercialisering.

Hurtigere & billigere måde at printe små metalstrukturer med lys

Den seneste forskning har udviklet en ny metode til at printe nano-størrelse metalstrukturer baseret på lavintensitetslys. Denne nye lysbaserede tilgang er ekstremt hurtig, op til 480 gange hurtigere end de metoder, der i øjeblikket anvendes, samtidig med at den er billig.

Denne nye undersøgelse kaldet “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)” blev for nylig udført af medforfatterne Sourabh K. Saha, assisterende professor i Georgia Tech’s maskinteknikprogram, og Jungho Choi, som er Ph.D.-studerende i Sahas laboratorium.

Ifølge Saha er omkostninger og hastighed to faktorer, der er “stort undervurderet i det videnskabelige samfund” ved arbejde med fremstilling og produktion af små strukturer. Selvom de overses i den videnskabelige verden, er disse målinger virkelig vigtige i den virkelige verden “når det gælder om at omsætte opdagelser fra laboratoriet til industrien”.

“Kun når vi har fremstillingsteknikker, der tager disse målinger i betragtning, vil vi kunne udnytte nanoteknologi fuldt ud til samfundets fordel.”

– sagde Saha

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

Udgivet i Advanced Materials, et ugentligt fagfællebedømt videnskabeligt tidsskrift, afslørede den nye undersøgelse, at disse forskere har udviklet en lysbaseret metode til at printe metalstrukturer i nanoskalering, som er hurtigere, billigere og skalerbar. 

Som sådan har denne teknologi potentiale til at transformere området for additiv fremstilling, som er uforholdsmæssigt dyrt og langsomt. Dette gennembrud er 35 gange billigere end de teknologier, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet.

Der er faktisk mange teknologiske fremskridt inden for flere felter, der er afhængige af evnen til at printe på nano-størrelse metalstrukturer, en teknik kendt som nanopatterning. Disse felter omfatter sensorer, elektroniske enheder, fotonik, solenergiomdannelse, biomedicin og diagnostik samt andre systemer.

Når det gælder nanoskalering print, menes proceduren at kræve en højintensitetslyskilde. Et sådant værktøj er en femtosekundlaser, som leverer ultrakorte laserpulser til et fokalt punkt.

Selvom den er meget gavnlig, kan dette værktøj være meget dyrt. Da det kan koste op til en halv million dollars, er det i praksis ikke gennemførligt for de fleste forskningslaboratorier og naturligvis små virksomheder.

Som bemærket af Saha er det denne omkostning, der gør det svært for disse gennembrud at nå den virkelige verden, og de ender blot som laboratorieprojekter. Han sagde:

“Som videnskabeligt fællesskab har vi ikke evnen til hurtigt og overkommeligt at producere nok af disse nanomaterialer, og det er derfor, lovende teknologier ofte forbliver begrænset til laboratoriet og ikke bliver omsat til virkelige anvendelser.”

Så det næste åbenlyse spørgsmål er, om der virkelig er behov for et så højintensivt værktøj? Svaret var negativt, som Saha sagde:

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

Som et resultat begyndte forskerne at lede efter en lavprislyskilde, der har lav intensitet, men kan fokuseres på samme måde som femtosekundlasere. De stødte på superluminescente lysdioder (SLEDs), som blev valgt på grund af deres kommercielle tilgængelighed. 

En SLED er en superluminescens-baseret kantudsendende halvlederlyskilde, der kombinerer lysstyrken og den høje effekt fra laserdiode med den lave koherens fra konventionelle lysdioder. Lyset, der udsendes af SLEDs, er betydeligt mindre intenst end det fra femtosekundlasere.

Klik her for at lære, hvorfor manglen på videnskabelige bekymringer ikke længere vil være et problem, takket være avancerede 3D-printteknologier.

Lavintensitets lysbaseret projektionstilpasset nano-størrelse print

Med denne forskning havde Choi og Saha til formål at udvikle den første projektionstilpassede printteknologi. Systemet er designet til at fungere som en digital projektor ved at omdanne billeder fra digitalt til optisk og derefter vise dem på en glasoverflade. 

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

Denne SLP- eller superluminescent lysprojektionsteknik printer hurtigt sub-diffraktions (dimension kortere end lysets diffraktionsgrænse) nanostrukturer med mindre intens lys. Forskerne udnyttede diode-baseret superluminescent lys’ rumlige og tidsmæssige koherensegenskaber.

Nu brugte de i deres forskning metalsalte sammen med andre kemikalier for at udvikle en klar blækningsopløsning, der kan absorbere lys. Når lys fra deres projektionssystem rammer opløsningen, udløser det en kemisk reaktion, der omdanner opløsningen til metal. Disse metalnanopartikler hænger fast på glasoverfladen, hvilket skaber nanostrukturerne.

At være en projektionstilpasset printteknologi betyder, at den kan bruges til at printe hele strukturer på én gang. Det faktum, at den i stedet for at gå punkt for punkt udfører alt på én gang, gør den hurtigere end andre konventionelle metoder.

Test af den lysbaserede projektionstilpassede nano-størrelse metalprint viste, at den fungerer selv med lavintensitetslys, forudsat at billederne er skarpt fokuserede.

Ifølge Choi og Saha kan deres arbejde hurtigt replikeres af andre forskere ved brug af kommercielt tilgængeligt hardware. Det vil heller ikke koste meget, da den type SLED, der blev brugt i deres forskning, kun koster omkring $3k.

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 de bedste universiteter adgang til disse dyre teknologier, og selv da er de placeret i fælles faciliteter og er ikke altid tilgængelige.”

Yderligere sagde Choi:

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

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

Forskningen har bestemt et bredt anvendelsespotentiale, hvor forskerne siger, at deres teknik vil være særlig nyttig inden for optik og plasmonik, som kræver en række komplekse metalliske nanostrukturer.

Andre potentielle områder, hvor den kan anvendes i fremtiden, omfatter mindre og mere effektive elektroniske komponenter til smartphones, computere og wearables. Desuden kan den hjælpe med avancerede sensorer, aktuatorer, miniature kommunikationssystemer, biomedicinske enheder som implantater & diagnostiske enheder, småskala optik til kameraer og billedsystemer, små enheder til energihøstning og udvikling af nye materialer med skræddersyede egenskaber. 

Nanoskala 3D-print vil yderligere hjælpe i forskning og med at finde endnu mere gennemførlige løsninger.

Virksomheder der fører inden for additiv fremstilling

Lad os nu se på nogle få virksomheder, der fører vejen inden for additiv fremstilling:

#1. Stratasys

Den amerikanske 3D-printløsningsudbyder er en international leder inden for additiv fremstillingsindustri. Stratasys leverer en række 3D-printere og materialer til bilindustrien, sundhedssektoren, uddannelse, rumfart og diverse andre industrier. Virksomheden har også mange patenter inden for additiv teknologi, der bruges til at skabe modeller, prototyper, fremstillingsværktøjer og produktionsdele.

Virksomhedens seneste 3D-printer, F3300, kommer med betydelige forbedringer i hastighed og omkostninger. Den tilbyder øgede gantry-hastigheder, hurtigere ekstruderingsrater og automatiseret kalibrering for at spare tid og øge gennemløbet. Maskinen er beregnet til produktion af slutbrugsdele og kan også bruges til prototyper.

Med en markedsværdi på $902,6 millioner handles Stratasys-aktierne i øjeblikket til $13,05, ned 8,61% år-til-dato (YTD). Virksomheden rapporterede en omsætning for de seneste tolv måneder (TTM) på $630,52 mio., mens EPS (TTM) var -1,61 og P/E (TTM) -8,10.

#2. 3D Systems

Et velkendt navn inden for additiv fremstillingsindustri, 3D Systems (DDD ) tilbyder en bred vifte af 3D-printløsninger, fra hardware og software til materialer til industrier som sundhedssektoren, rumfart, forsvar, bilindustrien, forbrugsvarer og generel fremstilling. 

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

Sent på årsskiftet annoncerede virksomheden et patient-specifikt 3D-printet kranialimplant, der med succes blev brugt i en kranioplastik på University Hospital Basel. Anvendelsen af 3D-printede kranialimplantater forventes at have en markedsstørrelse på $2,1 mia. ved slutningen af dette årti.

Med en markedsværdi på $677,845 millioner handles 3D Systems Corp-aktien i øjeblikket til $5,08, ned 20% YTD. Virksomheden rapporterede en omsætning (TTM) på $505,95 mio., mens EPS (TTM) var -0,74 og P/E (TTM) -6,85.

#3. GE Additive

En division af teknologigiganten General Electric (GE.TO ), GE Additive har en omfattende produktlinje af printere, forbrugsmaterialer og softwareløsninger, der gør det muligt for virksomheder i forskellige markedssegmenter at innovere.

I sidste måned fremviste virksomheden sin metal binder jet-teknologi på Europas største additiv fremstillingsmesse (AM). Til dette arbejder GE Additive med en ny industri, medicinsk, for at udvide sine horisonter ud over blot rumfart. Med binder jets sigter virksomheden mod at levere “en sekundær fremstillingsmetode i tilfælde af et forsyningskædeproblem”.

Med en markedsværdi på $141,4 milliarder handles General Electric Co-aktierne i øjeblikket til $129,93, op 1,8% YTD. Virksomheden rapporterede en omsætning (TTM) på $67,95 mia., mens EPS (TTM) var 8 og P/E (TTM) 16,24. GE betaler også et udbytte på 0,25%.

Afsluttende tanker

Selvom den stadig er i de tidlige forskningsstadier, udvikler nanoskalering 2D-print og landskabet for additiv fremstilling sig i et hurtigt tempo. Allerede, som vi har set, udvikles hurtigere og billigere printteknikker, der gør nanoskalering metalprint skalerbar og kommercielt levedygtig. 

Efterhånden som ny forskning fortsætter med at arbejde på problemer som omkostninger og materialebegrænsninger, vil vi se nye løsninger opstå, der fjerner adgangsbarrierer og producerer personlige og bæredygtige produktdesigns. Dette vil føre til udbredt brug af teknikker inden for medicin, mode, forbrugsvarer, avanceret elektronik og meget mere, endelig øge muligheden for, at nano-aktiverede enheder anvendes i den virkelige verden betydeligt og gøre 3D-print kommercielt attraktivt.

Klik her for listen over de ti bedste aktier inden for additiv fremstilling og 3D-print, som du kan investere i.