3D‑gedruckte mikroskopische Partikel könnten Medizin und Elektronik verändern

Revolutionen in der 3D‑Druckwelt geschehen in rasantem Tempo. Anfang dieses Monats hat ein Unternehmen in Deutschland erstellt das Wave House mit 3D‑Druck. Es ist das größte 3D‑gedruckte Gebäude Europas, misst 600 m² (6.600 ft²) und hat ein ungewöhnliches Aussehen, da es ein Wellendesign besitzt, das mit herkömmlichen Baumethoden nicht realisierbar war. Die 3D‑Konstruktions‑Drucktechnologie bot Gestaltungsfreiheit und dauerte etwa 140 Stunden.

Erst letzte Woche wurde die weltweit erste 3D‑gedruckte Moschee, mit einer Fläche von 5.600 m², in Dschidda, Saudi‑Arabien eröffnet. Der Bau der Moschee dauerte sechs Monate.

Wenn es um 3D‑Drucktechnologie geht, hat das in Texas ansässige Unternehmen ICON kürzlich enthüllt seinen robotergestützten 3D‑Drucker namens Phoenix. Dieser Drucker kann mehrstöckige Strukturen mit vollständig geschlossenen Systemen aus einer kohlenstoffarmen Mischung erzeugen. Mit einer Höhe von 70 Fuß ermöglicht Phoenix höhere Bauhöhen (bis zu 27 Fuß) als der aktuelle Drucker von ICON, der Vulcan, der ein Portalsystem mit dem Chassis näher am Boden hat.

Das Unternehmen hat zudem die Entwicklung einer neuen Materialmischung namens CarbonX angekündigt, die „das kohlenstoffärmste Wohnbausystem ist, das bereit ist, in großem Maßstab eingesetzt zu werden.“ Darüber hinaus hat ICON KI in seine Systeme integriert, sodass jeder über die Vitruvius‑Plattform druckbare Hauspläne entwerfen kann.

Aber das ist noch nicht alles. Im letzten Monat ermöglichte 3D‑Druck die Herstellung äußerst realistisch aussehender Prothesenaugen in nur 90 Minuten, im Gegensatz zu den üblichen 8 Stunden, die ein erfahrener Techniker für die manuelle Herstellung benötigt. Außerdem gibt es 3D‑Druck von Drohnen, Treibstoffen und Sprengstoffen.

3D‑Druck, wie oben beschrieben, entwickelt sich eindeutig in rasantem Tempo, was angesichts des enorm steigenden Interesses an diesem Gebiet verständlich ist. Das wachsende Interesse beruht auf der Fähigkeit dieser Technik, kundenspezifische Formen zu erzeugen und mehrere Materialarten in einem Bauteil zu drucken, wodurch Geld und Material gespart und gleichzeitig umweltfreundlich gearbeitet wird.

Auch als additive Fertigung bezeichnet, beinhaltet 3D‑Druck das schichtweise Auftragen eines Materials mittels eines Druckers, um ein Objekt zu erstellen. Allerdings ist die Methode nicht ohne Herausforderungen, insbesondere hinsichtlich begrenzter Materialien, der Formgebung bestimmter Werkstoffe, Größenbeschränkungen, Designungenauigkeiten und mehr.

Daher arbeiten Wissenschaftler daran, Wege zu finden, diese Herausforderungen zu überwinden und 3D‑Druck noch effektiver und skalierbarer zu machen.

Kürzlich hat eine Studie ein neues Verfahren für den 3D‑Druck im Mikromaßstab entwickelt, das Partikel mit einer Rate von bis zu 1 Million pro Tag erzeugt, in fast jeder Form für den Einsatz in der Fertigung, Medizin und Forschung. 

3D‑Druck mikroskopischer Partikel

Veröffentlicht in Nature, ist die Studie mit dem Titel „Roll-to-roll, hochauflösender 3D‑Druck von form‑spezifischen Partikeln“ und wurde von Forschern der Stanford University durchgeführt.

An der Studie beteiligt sind Jason M. Kronenfeld, ein Ph‑D‑Promotionsstudent der Chemieabteilung von Stanford, sowie Lukas Rother und Maria T. Dulay, die beide in der Radiologieabteilung arbeiten. Max A. Saccone und Joseph M. DeSimone gehören sowohl zur Radiologieabteilung als auch zur Abteilung für Chemie‑Ingenieurwesen.

In der Studie stellten die Forscher fest, dass die Partikelherstellung dank ihrer vielfältigen Anwendungen in Mikroelektronik, Schleifmitteln, Granulatsystemen, Mikrofluidik, Bioengineering sowie der Abgabe von Medikamenten und Impfstoffen immer populärer wird.

Obwohl diese extrem kleinen 3D‑gedruckten Partikel ein breites Anwendungsspektrum haben, erfordern sie eine präzise Koordination zwischen Bühnenbewegung, Lichtabgabe und den Eigenschaften des Harzes (einer hoch klebrigen Substanz). Dies erschwert die skalierbare Fertigung solcher kundenspezifischer Mikromaß‑Partikel.

Daher stellten die Stanford‑Forscher eine hochauflösende 3D‑Drucktechnik vor, die für die Fertigung form‑spezifischer Partikel skalierbar ist. Diese Verarbeitungstechnik, die auf dem roll‑to‑roll kontinuierlichen Liquid‑Interface‑Production (r2rCLIP) basiert, ist weitaus effizienter beim täglichen Druck großer Mengen an anpassbaren und hochdetaillierten Mikromaß‑Partikeln.

Laut dem Hauptautor der Studie, Kronenfeld, einem Ph‑D‑Kandidaten im DeSimone‑Labor, ermöglicht diese Technik die Erstellung komplexerer Formen im mikroskopischen Maßstab, aus einer breiten Palette von Materialien und mit Geschwindigkeiten, die es bei der Partikelherstellung bislang nicht gab.

Die Forschung baut auf der Drucktechnik namens Continuous Liquid Interface Production (CLIP) auf, die vor fast einem Jahrzehnt, 2015, von DeSimone und Kollegen eingeführt wurde.

CLIP verwendet UV‑Licht, das in Schichten projiziert wird, um das Harz schnell in die gewünschte Form zu härten. Was diese Technik auszeichnet, ist, dass über dem UV‑Projektor ein Fenster liegt, das Sauerstoff durchlässt. Dieses sauerstoffdurchlässige Fenster verhindert, dass das flüssige Harz daran haftet, indem es eine sogenannte „tote Zone“ erzeugt. Dadurch können wir empfindliche Strukturen härten, ohne jede Schicht vom Fenster abzuziehen, was zu einem schnelleren Partikeldruck führt.

Der Mitautor DeSimone, der Sanjiv Sam Gambhir Professor für translationale Medizin an der Stanford ist und für verschiedene Durchbrüche in den Bereichen Medizingeräte, Nanomedizin und 3D‑Druck verantwortlich war, sagte:

„Durch die Nutzung von Licht zur Herstellung von Objekten ohne Formen eröffnet sich eine völlig neue Perspektive in der Partikelwelt.“ 

Wenn dies auf skalierbare Ebene gelingt, können weitere Möglichkeiten entstehen, diese Partikel zu nutzen, „um die Industrien der Zukunft voranzutreiben“, fügte er hinzu.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, was den 3D‑Druck zu einem potenziellen Markt von 500 Milliarden Dollar macht.

r2rCLIP zur Ermöglichung der Massenproduktion

Auf Basis von CLIP entwickelten die Forscher einen neuen Prozess zur Massenproduktion einzigartig geformter Nanopartikel. Zunächst spannten sie einen Film sorgfältig und führten ihn zum CLIP‑Drucker, wo gleichzeitig Hunderte von Formen auf den Film gedruckt wurden.

Anschließend wird er zu Waschen, Aushärten und Entfernen der Formen weitergeleitet. All diese Schritte können je nach verwendetem Material und Form angepasst werden. Der leere Film wird schließlich wieder aufgerollt, daher der Name Roll‑to‑Roll‑CLIP oder r2rCLIP.

Der Einsatz einstelliger, mikronauflösender Optiken in Kombination mit einer kontinuierlichen Filmrolle anstelle einer statischen Plattform ermöglichte es den Forschern, eine schnelle, austauschbare Fertigung sowie das Ablösen von Partikeln aus verschiedenen Materialien und mit komplexeren Geometrien zu erreichen.

Laut der Studie umfassten die Geometrien solche, die mit fortschrittlichen, formbasierten Techniken nicht realisierbar waren, und zeigten damit die einzigartigen Fähigkeiten des Ansatzes des Teams.

Sowohl die formbaren als auch die nicht‑formbaren Formen von r2rCLIP wurden mit Voxel‑Größen (ein einzelnes Sample auf einem regelmäßig räumlich angeordneten 3D‑Gitter) von 2,0 × 2,0 µm² im Druck und einer nicht unterstützten Dicke von 1,1 ± 0,3 µm gezeigt.

Vor Roll‑to‑Roll‑CLIP musste ein Stapel gedruckter Partikel manuell bearbeitet werden, ein langsamer Prozess, der großen körperlichen Aufwand erfordert. Die Automatisierung von r2rCLIP ermöglicht nun eine Fertigung auf beispiellosem Niveau, d. h. bis zu 1 000 000 Partikel pro Tag.

Der Partikeldruckprozess erreichte vollständige Automatisierung durch den Austausch der statischen Bauplattform des CLIP‑Druckers gegen ein kontinuierliches Film‑, modulares Roll‑to‑Roll‑System. Dies ermöglicht eine automatisierte Inline‑Nachbearbeitung, die Reinigung, Nachhärtung und das Ablösen (Ernten) der Partikel umfasst.

Im Papier stellte das Team fest, dass ein großer Vorteil der Verwendung der Roll‑to‑Roll‑CLIP‑Technik für die Partikelfertigung ihr inhärenter formfreier Prozess ist. Dies ermöglicht die Produktion einer breiten Palette von Partikelgeometrien, ohne das Layout ändern zu müssen.

Bei der Partikelfertigung beinhalten verschiedene Ansätze Kompromisse zwischen Skalierbarkeit, Geschwindigkeit, Gleichmäßigkeit, Materialeigenschaften und geometrischer Kontrolle. Beispielsweise können einige Prozesse zwar im Nanometerskala drucken, sind jedoch tendenziell langsamer.

„Wir navigieren ein präzises Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Auflösung“, sagte Kronenfeld. Ihre Technik sei, wie er bemerkte, „ausgezeichnet fähig“, hochauflösende Ergebnisse zu fertigen, könne jedoch auch die für die jeweiligen Anwendungsbereiche erforderliche Produktionsgeschwindigkeit beibehalten.

Er fügte hinzu:

„Techniken mit Potenzial für translationalen Einfluss müssen praktikabel von der Laborskala bis zur industriellen Produktion skalierbar sein.“ 

Umfangreiche Anwendungen

Die Forschung, die vom National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program und der Bill‑&‑Melinda‑Gates‑Stiftung finanziert wurde, soll von anderen Forschern und der Industrie breit übernommen werden.

Mit der rasanten Entwicklung des 3D‑Drucks gilt r2rCLIP hier als „eine grundlegende Technologie“, sagte DeSimone, der Gründungsdirektor des Stanford Center for STEMM Mentorship, Co‑Direktor des Canary Center an Stanford für Früherkennung von Krebs und Fakultätsmitglied von Sarafan ChEM‑H.

Allerdings konzentriert sich die Industrie laut DeSimone zunehmend auf 3D‑Produkte statt auf diese Prozesse, die „deutlich wertvoll und nützlich werden“. Die Frage lautet also:

„Was sind die hochwertigen Anwendungen?“

Laut der Studie ermöglichen mikroskopische Partikel mit komplexen Designs die direkte Integration in analytische, biomedizinische und fortschrittliche Materialanwendungen.

Die Forscher selbst experimentieren mit der Herstellung sowohl weicher als auch harter Partikel aus Hydrogel, die in der Medikamentenabgabe im Körper Anwendung finden können, sowie Keramiken, die in der Mikroelektronikfertigung eingesetzt werden können.

Durch den Einsatz bei der Herstellung von Hydrogel‑Partikeln wird es möglich, diese Partikel zu füllen, um einstellbare, gradienten‑ oder pulsierende Freisetzungsprofile bei einer einzigen Injektion zu erreichen. Viele frühere Studien untersuchten die Erstellung geeigneter Photopolymer‑Harzsysteme und die Auswirkung von Form, Größe und Biokompatibilität der Materialien auf Lokalisierung und Abgabe. Dies führte zur Schaffung von Bioscaffolds und Liefermanifolds, die zahlreiche Perspektiven für die Fertigung von Hydrogel‑Partikeln zur Medikamentenabgabe eröffneten, obwohl kein skalierbares, austauschbares Fertigungsverfahren beteiligt war.

Hier fertigte das Team Hydrogel‑Würfel mit einer Einheitengröße von 400 µm und füllte sie nach dem Druck manuell mit etwa acht nl repräsentativer Ladung, gefolgt von einem Hydrogel‑Deckel. Die Studie hob das Potenzial für ein programmierbares Paletten‑Freigabesystem durch zukünftige Forschung hervor, indem sie auf früheren Studien zur Kinetik von Medikamenten‑Transportern aufbaut und die einstellbaren Eigenschaften von Molekulargewicht und Wanddicke nutzt.

Die Material‑ und Mechanik‑Vielseitigkeit, von Keramik bis Hydrogel, kann zudem bei der Herstellung intelligenter Materialien helfen. Durch die Demonstration des Fertigungspotenzials über ein so breites Spektrum hinweg hat dieser skalierbare Partikelproduktionsansatz ebenfalls potenzielle Anwendungen in Mikrowerkzeugen und Elektronik, fügte er hinzu.

Der hohe Durchsatz der Technik (r2rCLIP) hat gleichzeitig direkte Auswirkungen auf die industrielle Massenproduktion von Mikrogeräten wie Mikrorobotern und Transport‑Systemen. Dies ist besonders förderlich für die Herstellung keramischer Materialien.

Durch die Nutzung von Vor‑Keramik‑Harzen zur Herstellung technischer Keramik‑Partikel im Massenmaßstab, so die Studie, können mögliche Anwendungen in mikroelektromechanischen Systemen, mechanischen Planarisierungstechniken als Schlamm‑Komponenten und leitfähigen Partikeln entstehen, die industrielle Anwendungen wie Telekommunikation und Gesundheitswesen ermöglichen.

Laut Dulay, Senior Research Scientist:

„Es gibt ein breites Spektrum an Anwendungen, und wir fangen gerade erst an, sie zu erforschen. Es ist ziemlich außergewöhnlich, wo wir mit dieser Technik stehen.“

Unternehmen, die innovative Ansätze in der additiven Fertigung nutzen

Werfen wir nun einen Blick auf einige Unternehmen, die im 3D‑Druck führend sind:

#1. HP Inc.

Ein bekannter Name in der traditionellen Druckindustrie, HP Inc. (HPQ ), hat zahlreiche Aktivitäten im 3D‑Druck unternommen, die seine Multi Jet Fusion (MJF) Technologie betreffen, die für die industrielle Produktion konzipiert ist. Sie bietet schnellen 3D‑Druck und die Möglichkeit, die Eigenschaften jedes einzelnen Voxels zu steuern. Die Jet Fusion des Unternehmens für industrielle Produktion und Prototyping umfasst die 5600 Series zur Optimierung von Anwendungen für flexible Produktion im großen Maßstab, die 5400 Series für hochwertige weiße Anwendungen, die 5200 Series zur Herstellung von hochwertigen End‑3D‑Teilen und die 4200 zur Optimierung von Produktivität und Kosten.

In dieser Woche plant HP, 3D‑gedruckte Teile, die sein neues Material PA 12 S nutzen, auf der jährlichen AM‑Forum‑Konferenz in Berlin zu präsentieren. Das Material ist speziell für die 3D‑Polymer‑Lösungen des Unternehmens für die Industrie gefertigt und bietet Vorteile wie Kostenreduktion und hervorragende Oberflächenästhetik.

Mit einer Marktkapitalisierung von 29,83 Mrd. $, handeln die Aktien des Unternehmens bei 30,66 $, ein Anstieg von 1,1 % seit Jahresbeginn (YTD). Das Unternehmen hat einen Umsatz (TTM) von 53,1 Mrd. $, ein EPS (TTM) von 3,41 und ein KGV (TTM) von 8,91 gemeldet. Es zahlt eine Dividendenrendite von 3,62 %..

#2. Materialise NV

Dieses in Belgien ansässige Unternehmen bietet ein breites Spektrum an 3D‑Druck‑Dienstleistungen, einschließlich Metall‑ und Polymer‑Druck. Das Unternehmen ist besonders für seine Expertise im Gesundheitssektor bekannt, wo es 3D‑Druck für Implantate, chirurgische Führungen und anatomische Modelle einsetzt.

Ende letzten Jahres ging Ricoh, ein japanisches Unternehmen für Bildgebung und Elektronik, eine Partnerschaft mit Materialise ein, um Point‑of‑Care‑3D‑Druck in US‑Krankenhäuser zu bringen, was die Produktion anatomischer Modelle der Patientenanatomie ermöglicht. Und im letzten Monat führte Materialise eine personalisierte 3D‑gedruckte Behandlung des Kiefergelenks (TMJ) ein.

Mit einer Marktkapitalisierung von 293,56 Mio. $, handeln die Aktien des Unternehmens bei 5,36 $, ein Rückgang von über 24 % seit Jahresbeginn (YTD). Das Unternehmen hat einen Umsatz (TTM) von 278,69 Mio. $, ein EPS (TTM) von 0,13 und ein KGV (TTM) von 39,57 gemeldet.

Kürzlich gab das Unternehmen seine Finanzergebnisse für das vierte Quartal und das gesamte Jahr 2023 bekannt, wobei der Umsatz trotz der „turbulenten makroökonomischen und geopolitischen Bedingungen“ um 4,1 % auf 65,3 Mio. € bzw. um 10,4 % auf 256,1 Mio. € stieg.

Materialise berichtete außerdem über 128 Mio. € an liquiden Mitteln, was laut CEO Brigitte de Vet‑Veithen zusammen mit zusätzlicher gesicherter Finanzierung das Unternehmen „gut positioniert“ macht, weiterhin innovative 3D‑Produkt‑ und Software‑Lösungen anzubieten.

Fazit

Wie oben erwähnt, bietet 3D‑Druck zahlreiche Vorteile in verschiedenen Branchen, darunter Medizin, Automobil, Luft‑ und Raumfahrt, Konsumgüter, Schmuck sowie Verteidigung und Militär. Während bereits ein wachsendes Interesse und eine zunehmende Nutzung zu beobachten sind, wird die Verbreitung in den kommenden Jahren weiter zunehmen, da weitere Forschungen die Massenproduktion von Objekten ermöglichen. Die Zukunft des 3D‑Drucks ist einfach vielversprechend und zeigt das Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren und eine widerstandsfähigere Zukunft zu schaffen.