Ingen adgang til specifikt videnskabeligt udstyr? Bare rolig – print det med additiv fremstilling

Behovet for videnskabeligt udstyr stiger over hele verden. Ifølge et estimat vil det globale marked for videnskabelige instrumenter vokse fra lidt over US$28 milliarder i 2022 til mere end US$34 milliarder i 2028, med en CAGR på 3,2%. 

Forskellige typer af videnskabeligt udstyr hjælper med at fremskynde videnskabelig udvikling ved at reducere risikoen for menneskelige fejl og automatisere iterative processer. Det frigør tid for forskere til at udtænke koncepter og løsninger.

Ifølge Mikael Hagstroem, administrerende direktør for Technology Networks, kan så meget som 70 % af en laboratoriearbejders tid gå til spilde på administrative opgaver, forberedelsesarbejde, indsamling og rensning af data eller rapportering.

Da videnskabelige instrumenter sparer meget tid og effektivt forenkler processer, kan det være frustrerende, hvis man ikke får adgang til et specifikt videnskabeligt udstyr på det rette tidspunkt. Men der er næsten ingen grund til at klage over sådan tilgængelighed i dag.

Additiv fremstilling, populært kendt som 3D printing, er kommet til undsætning. Hvordan additiv fremstilling hjælper med at få adgang til specifikt videnskabeligt udstyr, vil vi se nærmere på i de kommende afsnit. Men før vi dykker dybere, lad os få en hurtig oversigt over, hvad additiv fremstilling eller 3D printing er!

Hvad er additiv fremstilling?

En relevant forklaring på additiv fremstilling, udgivet af MIT Sloan School of Management, definerer den som ‘processen med at skabe et objekt ved at bygge det lag for lag. Det er det modsatte af subtraktiv fremstilling, hvor et objekt skabes ved at skære væk fra en solid blok af materiale, indtil det endelige produkt er færdigt.’

Generelt følger additiv fremstillingsprocessen en tretrinssekvens, som er som følger: 

• Først oprettes et design i laboratoriet. Det kan gøres ved hjælp af Computer-Aided Design (CAD) og lignende software. Eller man kan direkte scanne et objekt, man ønsker at printe.
• Det andet trin involverer, at softwaren konverterer designet trin for trin til en lagdelt ramme, som additiv fremstillings- eller 3D‑printmaskinen vil følge.
• Det sidste trin, som også er grunden til, at processen kaldes 3D‑printning, indebærer at sende den lagdelte ramme til en 3‑D‑printer, som derefter straks begynder at skabe objektet.

Additiv fremstilling eller 3D printing er kompatibel med en lang række materialetyper, herunder polymerer, metaller, keramik, skum, gel, biomaterialer og mere. 

Ifølge Arvind Kalidindi, ph.d.-kandidat i materialvidenskab og -teknik ved MIT:

“Så længe du finder en måde at lokalt sammenføje to dele, kan du 3‑D‑printe det.”

Denne alsidighed og næsten universelle kompatibilitet gør 3D printing eller additive manufacturing egnet til fremstilling af specifikt videnskabeligt udstyr. Vi vil nu se på nogle sådanne eksempler nedenfor: 

3D‑printede bærbare masse‑spektrometerkomponenter og mere

Et massespektrometer er en enhed, der kan identificere kemiske stoffer. Massespektrometre anvendes i forskellige områder, fra gerningssteder til geologiske undersøgelser; de tjener mange formål. 

En gruppe forskere fra MIT har udviklet et 3D‑printet massefilter, som fungerer som kernekomponenten i et massespektrometer. Kendt som kvadrupol, er dette miniaturiserede filter betydeligt lettere og billigere end de traditionelle modparter. Mens kommercielle massefiltre af høj kvalitet, fremstillet af varmebestandigt glas‑keramik og harpiks, koster mere end US$100,000, koster disse additivt fremstillede massefiltre kun få dollars og kan produceres på timer. 

Ifølge Velasquez‑Garcia, hovedforsker i MIT’s Microsystems Technology Laboratories, “Der findes andre miniaturiserede kvadrupolfiltre, men de er ikke sammenlignelige med professionelle massefiltre. Der er mange muligheder for dette hardware, hvis størrelse og omkostninger kan reduceres uden at påvirke ydeevnen negativt.”

Selvom eksemplet ovenfor er en af de seneste resultater inden for området, er lignende eksempler blevet registreret i videnskabs‑ og teknologisk R&D før. For eksempel har forskere fra McGill University udviklet en lab‑on‑a‑chip diagnostisk teknologi , der erstatter brugen af mange laboratorieinstrumenter og fungerer som miniatureteknologier. Chippen kan produceres på 30 minutter ved hjælp af 3D printing. Rapporter antyder, at løsningen kan give sundhedsprofessionelle mulighed for at skabe “tilpassede løsninger til specifikke behov direkte ved pleje‑stedet.” 

Et andet team af MIT‑forsknere brugte multi‑materiale 3D‑printning til at skabe selv‑varmende fluidiske enheder, der har indbyggede varmeelementer. Disse er miniaturemaskiner, der kan manipulere væsker og lette kemiske reaktioner. I stedet for flere store high‑end maskiner, der arbejder samtidigt, er denne teknologi i stand til at opdage sygdomme i små prøver af blod eller væsker. 

Få adgang til videnskabeligt udstyr fra en fjern placering

3D‑printning af videnskabeligt og laboratorieudstyr har også hjulpet med at fjerne de begrænsninger, der opstår som følge af fysisk/geografisk afstand. Tidligere krævede 3D‑printere, at en trænet 3D‑printoperatør var til stede på stedet. Men med udbruddet af COVID‑19‑pandemien opstod der løsninger, der gjorde fjernarbejde muligt inden for additiv fremstilling.

For eksempel kom MakerBot CloudPrint med en løsning, så ingeniørteams kan arbejde effektivt på afstand eller fra forskellige lokationer. Dens cloud‑baserede 3D‑printplatform tilbyder en problemfri arbejdsproces for teams, der har tilstedeværelse på flere steder. Ingeniører, der arbejder på flere lokationer, kan samarbejde effektivt med disse 3D‑printere ved at slice og forberede deres 3D‑print direkte fra en browser. 

Enheden leveres med indbygget kø‑ og overvågningsfunktionalitet og giver brugerne mulighed for at tilføje, overvåge og kontrollere adgang til tilsluttede MakerBot‑printere fra hvor som helst. Den har også et dashboard til centraliseret sporing og overvågning af udskrivningsfremskridt. De live kamera‑feeds hjælper med at få de seneste statusopdateringer på udskrivningsopgaver. 

Løsninger som disse og flere har gjort arbejdsprocessen glat, problemfri og omkostningseffektiv for mange producenter af videnskabeligt udstyr. 

Typer af producenter af videnskabeligt udstyr, der drager fordel af additiv fremstilling/3D printing

Producenter af rumforskningsudstyr er et segment, der vil drage betydelig fordel af additiv fremstilling eller 3D printing. Videnskabelig forskning har vist en metode til at bygge 3D‑printet laboratorieudstyr til at måle bulkmaterialer under ekstreme forhold, som rumforskningsprojekter præsenterer forskere for. 

I 2022 nævnte Nature Journal en undersøgelse, hvor der blev udviklet en 3D‑printet enhed til at måle overfladespændingen af nanofluider. Resultatet af målingen var sammenligneligt med kommercielle enheder. 

Undersøgelsen undersøgte også mulighederne for at bruge måleinstrumenter via material extrusion 3D‑printmetoden til at måle udvalgte mekanisk‑fysiske egenskaber af bulkmaterialer under ekstreme forhold. 

En anden type producent af videnskabeligt udstyr, der drager fordel af additiv fremstilling eller 3D printing, tilhører elektronikområdet. Præcisionen i laserbaserede additive fremstillingsprocesser hjælper med at skabe mikro‑elektromekaniske systemer. Man kan udvikle indviklede komponenter såsom accelerometre og gyroskoper i denne proces. 

Fremstilling af uddannelsesinstrumenter er endnu et område, der effektivt kan udnytte additiv fremstilling. Der findes 3D‑printere, der hjælper studerende med at eksperimentere med præcisionskonstrueret hardware og industrielle materialer. 

Nogle fælles træk ved disse faciliteter inkluderer deres evne til at arbejde med en række forskellige råmaterialer på én platform. De er sikre at bruge og kræver ingen eller meget lidt personligt beskyttelsesudstyr. De additive fremstillingsinstrumenter leveres med indbygget software til nem og problemfri kontrol og overvågning. 

Mange virksomheder gør additiv fremstilling eller 3D Printing let tilgængelig for en række industrier. Vi vil nu se på nogle af disse virksomheder.

#1. Markforged

Markforged tilbyder et komplet spektrum af additive manufacturing solutions, herunder industrielle 3D‑printermaskiner, højtydende materialer som metaller, kontinuerlige fibre og kompositter samt virksomhedssoftware, der hjælper med at forbedre arbejdsprocessen. 

Markforged har tre typer af 3D‑printere, herunder metal‑3D‑printere, industrielle komposit‑3D‑printere og desktop‑komposit‑3D‑printere. De industrier, som disse løsninger anvendes i, omfatter luftfart, bilindustri, forbrugeremballage, uddannelse og forskning, elektronikproduktion, energi, føderale og forsvarssektoren, industrielt udstyr, medicin osv. 

Et af de mest populære produkter fra Markforged er FX10, virksomhedens næste generations industrielle komposit‑3D‑printer. Enheden er udstyret med en vision‑modul og laser‑mikrometer, et avanceret materialekammer for hurtig indlæsning og reduceret brugerindgriben, en 7‑tommers touchscreen og et opvarmet byggekammer, der kan nå op til 60 °C. 

Markforged annoncerede sine resultater for fjerde kvartal og full-year 2022 results i marts 2023. Virksomheden oplevede en omsætningsstigning på 11 % til $29,7 millioner i fjerde kvartal 2022 fra $26,6 millioner i fjerde kvartal 2021. Årsomsætningen steg 11 % til US$101,0 millioner i 2022 sammenlignet med $91,2 millioner i 2021. Dog faldt bruttofortjenesten med 4 % til $50,7 millioner i 2022 fra $52,9 millioner i 2021.

#2. Hewlett Packard

En anden stor teknologivirksomhed, der er stærkt investeret i at gøre 3D‑printning tilgængelig for alle, er Hewlett‑Packard eller HP. HP’s 3D printing solutions anvendes i en række industrier, herunder luftfart, forbrugsvarer og elektronik, uddannelse, sundheds‑ og medicinsk sektor, industri, fremstillingstjenester, formet fiber, ortopædi og proteser, transport og bilindustri og mere. Et af disse anvendelsesområder, der kræver adgang til specifikt videnskabeligt udstyr, er uddannelse. HP’s multi‑jet fusion‑teknologi hjælper med at bygge dele og funktionelle prototyper på tværs af flere discipliner inden for en uddannelses‑/forskningsinstitution, fra ingeniørvidenskab til arkitektur. 

HP’s Jet Fusion‑3D printing solutions hjælper både grundlæggende og avanceret 3D‑labforskning, herunder den, der udføres i udviklingslaboratorier, additive fremstillingslaboratorier, universitetsservicebureauer og hospital‑/medicinske 3D‑laboratorier.

HP rapporterede sine full-year and fourth-quarter results den 21. november 2023. HP Inc. (HPQ ) og dets datterselskaber (“HP”) registrerede en nettoomsætning på $53,7 milliarder, ned 15 % (ned 12 % i konstant valuta) i forhold til året før. Nettoomsætningen i fjerde kvartal var $13,8 milliarder, ned 6 % (ned 5 % i konstant valuta) i forhold til året før.

#3. Formlabs

Formlabs blev grundlagt af tre MIT‑dimittender i 2011 med missionen om at bygge den første 3D‑printer, der kunne opnå industriel, professionel delkvalitet til en overkommelig pris. Siden da er virksomheden vokset til at blive en af de største leverandører af professionelle stereolitografi‑ og selektiv laser‑sinterings‑3D‑printere i verden. 

Formlabs‑porteføljen indeholder en blanding af prisvenlige, industrielt kvalitets‑desktop‑3D‑printere, store format‑3D‑printere og avancerede desktop‑3D‑printere til sundhedssektoren. Dens printere kan arbejde med mere end 20 funktionelle harpiks til prototyper og fremstilling af slutprodukter. De er også kompatible med mindst seks højtydende industrielle materialer, herunder nylon 11, nylon 12, TPU, polypropylen, glas og kulstoffyldte nylonkompositter. Printerne er egnet til at arbejde under normale forhold, hvor kun PU‑harpikser kræver et tørt kabinet til fugtkontrol. De fungerer også godt i luftmiljøer og i en nitrogenatmosfære for forbedrede materialegenskaber og lavere opfriskningshastigheder.

Ifølge rapporter offentliggjort i 2021, fordoblede virksomheden sin værdiansættelse til US$2 milliarder efter en finansieringsrunde på US$150 millioner ledet af SoftBank Groups Vision Fund 2. Før dette var virksomheden værdiansat til over $1 milliard, da den i august 2018 rejste $15 millioner fra New Enterprise Associates (NEA).

Additiv fremstilling: En game changer inden for videnskabelig forskning

Videnskabelig forskning kræver topmoderne maskiner, men disse er dyre enheder, som ofte er uden for rækkevidde for forskningsinstitutioner og uafhængige forskere. I lyset af dette er 3D‑printning eller additiv fremstilling en velsignelse, da de er nemme at udvikle og har lave omkostninger. Derudover leverer de resultater, der kan sammenlignes med kommercielle enheder i deres præcision, som er meget dyrere og typisk kun kan affordes af store virksomheder og institutioner.

Desuden løser additiv fremstilling også de logistiske udfordringer. Dette er vigtigt, fordi det kan være dyrt og tidskrævende at levere det præcise videnskabelige udstyr på det specifikke tidspunkt, hvor det er nødvendigt. I denne henseende hjælper 3D‑printning også med at løse denne udfordring.

Derudover, når man overvejer de fysiske aspekter af videnskabeligt udstyr, som ofte er tungt og indviklet og ikke egnet til transport til vanskelige steder, bliver fordelene endnu tydeligere. Som vi allerede har set i rumforskning og geologiske undersøgelses‑scenarier, er det nyttigt at medbringe bærbare 3D‑printere og råmaterialer til disse steder for at udvikle udstyret på stedet.

Samlet set viser disse faktorer, at additiv fremstilling åbner en ny horisont, hvor adgang til videnskabeligt udstyr ikke kun bliver mere overkommelig, men også en problemfri proces.

Klik her for listen over de bedste 3D printing og additive manufacturing aktier.