Kein Zugang zu spezifischer wissenschaftlicher Ausrüstung? Keine Sorge – Drucken Sie sie mit additiver Fertigung

Der Bedarf an wissenschaftlicher Ausrüstung steigt weltweit. Laut einer Schätzung soll die globale Marktgröße für wissenschaftliche Instrumente von etwas mehr als US$28 Milliarden im Jahr 2022 auf über US$34 Milliarden im Jahr 2028 wachsen, bei einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 3,2 %.

Verschiedene Arten von wissenschaftlicher Ausrüstung beschleunigen die wissenschaftliche Entwicklung, indem sie das Risiko menschlicher Fehler verringern und iterative Prozesse automatisieren. Sie ermöglichen es Wissenschaftlern, mehr Zeit für die Ideenfindung zu haben.

Laut Mikael Hagstroem, dem Chief Executive Officer von Technology Networks, können bis zu 70 % der Arbeitszeit eines Laboranten durch administrative Aufgaben, Vorbereitungsarbeiten, das Finden und Bereinigen von Daten oder das Erstellen von Berichten verschwendet werden.

Da wissenschaftliche Instrumente viel Zeit sparen und Prozesse effektiv vereinfachen, kann es frustrierend sein, wenn man nicht rechtzeitig Zugang zu einem bestimmten wissenschaftlichen Gerät erhält. Heutzutage gibt es jedoch kaum Grund, sich über diese Verfügbarkeit zu beschweren.

Additive Fertigung, allgemein bekannt als 3D-Druck, ist zur Rettung gekommen. Wie additive Fertigung den Zugang zu spezifischer wissenschaftlicher Ausrüstung ermöglicht, werden wir in den kommenden Abschnitten genauer betrachten. Doch bevor wir tiefer einsteigen, geben wir einen kurzen Überblick darüber, was additive Fertigung bzw. 3D-Druck ist!

Was ist additive Fertigung?

Ein relevanter Erklärungsbeitrag zur additiven Fertigung, veröffentlicht von der MIT Sloan School of Management, definiert sie als ‘der Prozess, ein Objekt Schicht für Schicht zu erstellen. Es ist das Gegenstück zur subtraktiven Fertigung, bei der ein Objekt durch Abschneiden eines festen Materialblocks entsteht, bis das Endprodukt fertig ist.’

Im Allgemeinen folgt der Prozess der additiven Fertigung einer dreistufigen Abfolge, die wie folgt aussieht:

• Zuerst wird im Labor ein Design erstellt. Dies kann mit Computer‑Aided Design (CAD) und ähnlicher Software geschehen. Alternativ kann man ein Objekt, das man drucken möchte, direkt scannen.
• Der zweite Schritt beinhaltet, dass die Software das Design Schritt für Schritt in ein schichtweises Gerüst umwandelt, dem die additive Fertigungs‑ bzw. 3D‑Druckmaschine folgt.
• Der letzte Schritt, der auch der Grund dafür ist, dass der Prozess 3D‑Druck genannt wird, besteht darin, das schichtweise Gerüst an einen 3‑D‑Drucker zu senden, der dann sofort mit der Herstellung des Objekts beginnt.

Additive Fertigung bzw. 3D‑Druck ist mit einer Vielzahl verschiedener Materialarten kompatibel, darunter Polymere, Metalle, Keramiken, Schäume, Gele, Biomaterialien und mehr.

Laut Arvind Kalidindi, einem Doktoranden der Materialwissenschaft und -technik am MIT:

„Solange Sie einen Weg finden, zwei Teile lokal zu verbinden, können Sie sie 3‑D drucken.“

Diese Vielseitigkeit und nahezu universelle Kompatibilität machen 3D‑Druck bzw. additive Fertigung geeignet für die Herstellung spezifischer wissenschaftlicher Ausrüstung. Im Folgenden betrachten wir einige Beispiele:

3D‑gedruckte tragbare Massenspektrometer‑Komponenten und mehr

Ein Massenspektrometer ist ein Gerät, das chemische Substanzen identifizieren kann. Massenspektrometer werden in vielfältigen Anwendungsbereichen eingesetzt, von Tatorten bis zu geologischen Untersuchungen; sie erfüllen zahlreiche Zwecke.

Eine Forschergruppe des MIT hat einen 3D‑gedruckten Massenfilter entwickelt, der als Kernkomponente eines Massenspektrometers fungiert. Bekannt als Quadrupol, ist dieser miniaturisierte Filter wesentlich leichter und günstiger als herkömmliche Gegenstücke. Während kommerzielle Massenfilter aus hitzebeständigem Glaskeramik, Harz, mehr als 100.000 US‑Dollar kosten, kosten diese aus additiver Fertigung stammenden Massenfilter nur wenige Dollar und können in Stunden hergestellt werden.

Laut Velasquez‑Garcia, leitender Forschungswissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories des MIT, „Es gibt andere miniaturisierte Quadrupol‑Filter, aber sie sind nicht mit professionellen Massenfiltern vergleichbar. Es gibt viele Möglichkeiten für diese Hardware, wenn Größe und Kosten kleiner sein könnten, ohne die Leistung negativ zu beeinflussen.“

Während das oben genannte Beispiel einer der neuesten Errungenschaften in diesem Feld ist, wurden ähnliche Beispiele bereits in der Wissenschafts‑ und Technologie‑F&E registriert. Beispielsweise haben Forscher der McGill University eine Lab‑on‑a‑Chip-Diagnostiktechnologie entwickelt, die den Einsatz vieler Laborinstrumente ersetzt und als Miniaturtechnologie fungiert. Der Chip kann in 30 Minuten mittels 3D‑Druck hergestellt werden. Berichten zufolge befähigt die Lösung Fachkräfte im Gesundheitswesen, „maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Bedürfnisse direkt am Ort der Versorgung“ zu erstellen.

Ein weiteres MIT‑Team nutzte Multi‑Material‑3D‑Druck, um selbstheizende fluidische Geräte mit integrierten Heizelementen zu erstellen. Diese sind miniaturisierte Maschinen, die Flüssigkeiten manipulieren und chemische Reaktionen ermöglichen. Anstatt mehrerer großer, hochentwickelter Geräte, die gleichzeitig arbeiten, kann diese Technologie Krankheiten in winzigen Blut‑ oder Flüssigkeitsproben erkennen.

Zugriff auf wissenschaftliche Ausrüstung aus der Ferne

Der 3D‑Druck von wissenschaftlichen und Laborgeräten hat zudem geholfen, die Beschränkungen durch physische/geografische Distanz zu überwinden. Früher musste ein geschulter 3D‑Druck‑Operator vor Ort sein. Mit dem Ausbruch der COVID‑19‑Pandemie entstanden jedoch Lösungen, die Remote‑Arbeit im Bereich der additiven Fertigung ermöglichten.

Zum Beispiel hat MakerBot CloudPrint eine Lösung entwickelt, mit der Engineering‑Teams effektiv remote oder von unterschiedlichen Standorten aus arbeiten können. Seine cloud‑basierte 3D‑Druckplattform bietet einen nahtlosen Workflow für Teams, die an mehreren Standorten präsent sind. Ingenieure können direkt aus dem Browser ihre 3D‑Drucke slicen und vorbereiten.

Das Gerät verfügt über integrierte Warteschlangen‑ und Überwachungsfunktionen und ermöglicht es Nutzern, Druckaufträge hinzuzufügen, zu überwachen und den Zugriff auf verbundene MakerBot‑Drucker von überall aus zu steuern. Es bietet zudem ein Dashboard für zentrales Tracking und Monitoring des Druckfortschritts. Live‑Kamerafeeds liefern aktuelle Statusupdates zu den Druckaufträgen.

Lösungen wie diese und weitere haben den Workflow für viele Hersteller wissenschaftlicher Geräte reibungslos, nahtlos und kosteneffizient gestaltet.

Arten von Herstellern wissenschaftlicher Ausrüstung, die von additiver Fertigung/3D‑Druck profitieren

Hersteller von Raumfahrt‑Forschungsgeräten sind ein Segment, das erheblich von additiver Fertigung bzw. 3D‑Druck profitieren wird. Wissenschaftliche Forschung hat gezeigt, wie man 3D‑gedruckte Laborausrüstung zur Messung von Schüttgütern unter extremen Bedingungen, die Raumfahrtprojekte mit sich bringen, herstellen kann.

Im Jahr 2022 erwähnte das Nature Journal eine Studie, in der ein 3D‑gedrucktes Gerät zur Messung der Oberflächenspannung von Nanoflüssigkeiten entwickelt wurde. Das Messergebnis war mit kommerziellen Geräten vergleichbar.

Die Studie untersuchte zudem die Möglichkeiten, Messinstrumente mittels des Material‑Extrusions‑3D‑Druckverfahrens zu verwenden, um ausgewählte mechanisch‑physikalische Eigenschaften von Schüttgütern unter extremen Bedingungen zu messen.

Ein weiterer Typ von Herstellern wissenschaftlicher Ausrüstung, der von additiver Fertigung bzw. 3D‑Druck profitiert, gehört zum Bereich Elektronik. Die Präzision von laserbasierter additiver Fertigung‑Prozessen hilft bei der Erstellung von Mikroelektromechanischen Systemen. In diesem Prozess können komplexe Komponenten wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope entwickelt werden.

Die Herstellung von Bildungsinstrumenten ist ein weiteres Feld, das additive Fertigung effizient nutzen kann. Es gibt 3D‑Drucker, die es Studierenden ermöglichen, mit präzise entwickelter Hardware und industriellen Materialien zu experimentieren.

Einige gemeinsame Merkmale dieser Einrichtungen umfassen die Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Ausgangsmaterialien auf einer einzigen Plattform zu arbeiten. Sie sind sicher in der Anwendung und erfordern wenig bis keine persönliche Schutzausrüstung. Die additiven Fertigungsgeräte verfügen über integrierte Software für einfache und nahtlose Steuerung und Überwachung.

Viele Unternehmen machen additive Fertigung bzw. 3D‑Druck für verschiedene Branchen einfach. Im Folgenden betrachten wir einige dieser Unternehmen.

#1. Markforged

Markforged bietet ein komplettes Spektrum an additiven Fertigungslösungen, darunter industrielle 3D‑Drucker, Hochleistungsmaterialien wie Metalle, kontinuierliche Fasern und Verbundstoffe sowie Unternehmenssoftware, die den Workflow verbessert.

Markforged verfügt über drei Arten von 3D‑Druckern, darunter Metall‑3D‑Drucker, industrielle Verbund‑3D‑Drucker und Desktop‑Verbund‑3D‑Drucker. Die Branchen, in denen diese Lösungen eingesetzt werden, umfassen Luft‑ und Raumfahrt, Automobilindustrie, Konsumgüter, Bildung und Forschung, Elektronikfertigung, Energie, Bundes‑ und Verteidigungssektor, Industrieausrüstung, Medizin usw.

Eines der beliebtesten Produkte von Markforged ist der FX10, der nächste Generation industrieller Verbund‑3D‑Drucker des Unternehmens. Das Gerät ist ausgestattet mit einem Vision‑Modul und Laser‑Mikrometer, einer fortschrittlichen Materialkammer für schnelles Laden und reduzierte Benutzereingriffe, einem 7‑Zoll‑Touchscreen und einer beheizten Baukammer, die bis zu 60 °C erwärmt.

Markforged gab im März 2023 seine Ergebnisse für das vierte Quartal und das Gesamtjahr 2022 bekannt. Das Unternehmen verzeichnete im vierten Quartal 2022 einen Umsatzanstieg von 11 % auf 29,7 Millionen US‑Dollar gegenüber 26,6 Millionen US‑Dollar im vierten Quartal 2021. Der Jahresumsatz stieg 2022 um 11 % auf 101,0 Millionen US‑Dollar im Vergleich zu 91,2 Millionen US‑Dollar im Jahr 2021. Der Bruttogewinn sank jedoch um 4 % auf 50,7 Millionen US‑Dollar im Jahr 2022 gegenüber 52,9 Millionen US‑Dollar im Jahr 2021.

#2. Hewlett Packard

Ein weiteres groß angelegtes Technologieunternehmen, das stark in die Bereitstellung von 3D‑Druck für alle investiert, ist Hewlett‑Packard bzw. HP. HP‑3D‑Drucklösungen finden in einer Reihe von Branchen Anwendung, darunter Luft‑ und Raumfahrt, Konsumgüter und Elektronik, Bildung, Gesundheitswesen und Medizin, Industrie, Fertigungsdienstleistungen, geformte Fasern, Orthopädie und Prothetik, Transport und Automobilindustrie und mehr. Einer dieser Anwendungsbereiche, der Zugang zu spezifischer wissenschaftlicher Ausrüstung erfordert, ist die Bildung. HPs Multi‑Jet‑Fusion‑Technologie hilft beim Aufbau von Bauteilen und funktionalen Prototypen in verschiedenen Disziplinen innerhalb einer Bildungs‑/Forschungseinrichtung, von Ingenieurwesen bis Architektur.

HPs Jet‑Fusion‑3D‑Drucklösungen unterstützen sowohl grundlegende als auch fortgeschrittene 3D‑Laborforschung, einschließlich solcher, die in Entwicklungslabors, additiven Fertigungslabors, universitären Servicebüros und Krankenhaus‑/Medizin‑3D‑Labors durchgeführt werden.

HP veröffentlichte am 21. November 2023 seine Ergebnisse für das Geschäftsjahr 2023 sowie das vierte Quartal. HP Inc. (HPQ ) und seine Tochtergesellschaften („HP“) verzeichneten einen Nettoumsatz von 53,7 Milliarden US‑Dollar, ein Rückgang von 15 % (12 % in konstanter Währung) gegenüber dem Vorjahr. Der Nettoumsatz im vierten Quartal betrug 13,8 Milliarden US‑Dollar, ein Rückgang von 6 % (5 % in konstanter Währung) gegenüber dem Vorjahr.

#3. Formlabs

Formlabs wurde 2011 von drei MIT‑Absolventen gegründet, die das Ziel verfolgten, den ersten 3D‑Drucker zu bauen, der industrielle, professionelle Bauteilqualität zu einem erschwinglichen Preis erreichen kann. Seitdem hat sich das Unternehmen zu einem der größten Anbieter von professionellen Stereolithografie‑ und selektiven Lasersintern‑3D‑Druckern weltweit entwickelt.

Das Formlabs‑Portfolio bietet eine Mischung aus erschwinglichen, industriellen Desktop‑3D‑Druckern, großformatigen 3D‑Druckern und fortschrittlichen Desktop‑3D‑Druckern für das Gesundheitswesen. Die Drucker können mit mehr als 20 funktionalen Harzen für Prototypen und Endbauteile arbeiten. Sie sind zudem mit mindestens sechs Hochleistungs‑Industrie‑Materialien kompatibel, darunter Nylon 11, Nylon 12, TPU, Polypropylen, Glas und kohlenstoffgefüllte Nylon‑Verbunde. Die Drucker eignen sich für den Betrieb unter normalen Bedingungen, wobei nur PU‑Harze ein Trockenlager für Feuchtigkeitskontrolle benötigen. Sie funktionieren auch gut in Luftumgebungen und in einer Stickstoffatmosphäre für verbesserte Materialeigenschaften und niedrigere Nachbearbeitungsraten.

Laut Berichten, die 2021 veröffentlicht wurden verdoppelte das Unternehmen seine Bewertung auf 2 Milliarden US‑Dollar nach einer Finanzierungsrunde von 150 Millionen US‑Dollar, angeführt vom Vision Fund 2 der SoftBank Group. Zuvor wurde das Unternehmen im August 2018 mit über 1 Milliarde US‑Dollar bewertet, nachdem es 15 Millionen US‑Dollar von New Enterprise Associates (NEA) erhalten hatte.

Additive Fertigung: Ein Wendepunkt im Bereich der wissenschaftlichen Forschung

Wissenschaftliche Forschung erfordert hochmoderne Geräte, die jedoch kostspielige Anschaffungen darstellen und oft die Reichweite von Forschungseinrichtungen und unabhängigen Forschern übersteigen. In diesem Kontext ist 3D‑Druck bzw. additive Fertigung ein Segen, da sie leicht zu entwickeln und kostengünstig sind. Zudem bieten sie Ergebnisse, die in ihrer Präzision mit kommerziellen Geräten vergleichbar sind, die deutlich teurer und typischerweise nur von Großunternehmen und Institutionen erschwinglich sind.

Darüber hinaus löst additive Fertigung auch die durch Logistik entstehenden Herausforderungen. Dies ist entscheidend, weil das Bereitstellen der genauen wissenschaftlichen Ausrüstung zum genauen Zeitpunkt kosten- und zeitintensiv sein kann. In dieser Hinsicht hilft 3D‑Druck ebenfalls, dieses Problem zu bewältigen.

Zusätzlich wird, wenn man die physischen Aspekte wissenschaftlicher Geräte berücksichtigt, die oft schwer und komplex sind und sich nicht für den Transport an entlegene Orte eignen, der Nutzen noch deutlicher. Wie wir bereits in Szenarien der Weltraumforschung und geologischen Erkundungen gesehen haben, ist das Mitführen von tragbaren 3D‑Druckern und Rohmaterialien zu diesen Orten nützlich, um die Geräte vor Ort zu entwickeln.

Insgesamt zeigen diese Faktoren, dass additive Fertigung einen neuen Horizont eröffnet, in dem der Zugriff auf wissenschaftliche Ausrüstung nicht nur erschwinglicher, sondern auch mühelos wird.

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