Δεν έχετε πρόσβαση σε συγκεκριμένο επιστημονικό εξοπλισμό; Μην ανησυχείτε – Εκτυπώστε το με την προσθετική κατασκευή

Η ανάγκη για επιστημονικό εξοπλισμό αυξάνεται παγκοσμίως. Σύμφωνα με μια εκτίμηση, το παγκόσμιο scientific instrument market size προβλέπεται να αυξηθεί από λίγο πάνω από US$28 δισεκατομμύρια το 2022 σε πάνω από US$34 δισεκατομμύρια το 2028, με CAGR 3,2%.

Διάφοροι τύποι επιστημονικού εξοπλισμού βοηθούν στην επιτάχυνση της επιστημονικής ανάπτυξης μειώνοντας τον κίνδυνο ανθρώπινου λάθους και αυτοματοποιώντας επαναληπτικές διαδικασίες. Αυτό ελευθερώνει χρόνο για τους επιστήμονες ώστε να δημιουργούν ιδέες για έννοιες και λύσεις.

Σύμφωνα με τον Mikael Hagstroem, Διευθύνοντα Σύμβουλο της Technology Networks, έως και 70% του χρόνου ενός εργαζόμενου στο εργαστήριο μπορεί να χαθεί στην εκτέλεση διοικητικών εργασιών, προετοιμαστικών εργασιών, εύρεσης και καθαρισμού δεδομένων ή αναφορών.

Καθώς τα επιστημονικά όργανα εξοικονομούν πολύ χρόνο και διευκολύνουν αποτελεσματικά μια διαδικασία, μπορεί να είναι απογοητευτικό αν δεν υπάρχει πρόσβαση σε συγκεκριμένο επιστημονικό εξοπλισμό τη σωστή στιγμή. Ωστόσο, αυτές τις μέρες δύσκολα υπάρχει λόγος να παραπονιόμαστε για τέτοια διαθεσιμότητα.

Η προσθετική κατασκευή, γνωστή ευρέως ως 3D printing, ήρθε στη βοήθεια. Πώς η προσθετική κατασκευή βοηθά στην πρόσβαση σε συγκεκριμένα επιστημονικά εξαρτήματα είναι κάτι που θα εξετάσουμε λεπτομερώς στα επόμενα τμήματα. Αλλά, πριν εμβαθύνουμε, ας κάνουμε μια σύντομη επισκόπηση του τι είναι η προσθετική κατασκευή ή το 3D printing!

Τι είναι η προσθετική κατασκευή;

Μια σχετική εξήγηση για την προσθετική κατασκευή, δημοσιευμένη από το MIT Sloan School of Management, την ορίζει ως «τη διαδικασία δημιουργίας ενός αντικειμένου κατασκευάζοντάς το στρώμα προς στρώμα. Είναι το αντίστροφο της αφαιρετικής κατασκευής, όπου ένα αντικείμενο δημιουργείται κόβοντας ένα στερεό μπλοκ υλικού μέχρι να ολοκληρωθεί το τελικό προϊόν».

Γενικά, η διαδικασία της προσθετικής κατασκευής ακολουθεί μια τριπλή ακολουθία βημάτων, η οποία είναι η εξής:

• Πρώτον, δημιουργείται ένα σχέδιο στο εργαστήριο. Μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας λογισμικό Σχεδίασης Υποβοηθούμενης από Υπολογιστή (CAD) ή παρόμοιο. Ή μπορεί κανείς να σαρώσει απευθείας ένα αντικείμενο που θέλει να εκτυπώσει.
• Το δεύτερο βήμα περιλαμβάνει το λογισμικό να μετατρέπει το σχέδιο, βήμα προς βήμα, σε ένα στρωματοποιημένο πλαίσιο, το οποίο η μηχανή προσθετικής κατασκευής ή 3D printing θα ακολουθήσει.
• Το τελικό βήμα, που είναι επίσης ο λόγος που η διαδικασία ονομάζεται 3D printing, περιλαμβάνει την αποστολή του στρωματοποιημένου πλαισίου σε έναν 3D εκτυπωτή, ο οποίος στη συνέχεια ξεκινά αμέσως τη δημιουργία του αντικειμένου.

Η προσθετική κατασκευή ή 3D printing είναι συμβατή με μια πληθώρα διαφορετικών τύπων υλικών, συμπεριλαμβανομένων πολυμερών, μετάλλων, κεραμικών, αφρών, gels, βιοϋλικών και άλλων.

Σύμφωνα με τον Arvind Kalidindi, υποψήφιο διδάκτορας επιστήμης και μηχανικής υλικών στο MIT:

«Όσο βρείτε έναν τρόπο να ενώσετε τοπικά δύο μέρη, μπορείτε να το εκτυπώσετε σε 3D».

Αυτή η ευελιξία και η σχεδόν καθολική συμβατότητα καθιστούν το 3D printing ή την προσθετική κατασκευή κατάλληλα για την κατασκευή συγκεκριμένων επιστημονικών εξαρτημάτων. Θα δούμε τώρα μερικά τέτοια παραδείγματα παρακάτω:

3D Εκτυπωμένα Φορητά Συστατικά του Φασματομέτρου Μάζας και Άλλα

Το Φασματομετρητής Μάζας είναι μια συσκευή που μπορεί να αναγνωρίσει χημικές ουσίες. Τα φασματομετρητές μάζας χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς εφαρμογής, από σκηνές εγκλήματος μέχρι γεωλογικές έρευνες· εξυπηρετούν πολλούς σκοπούς.

Μια ομάδα ερευνητών από το MIT ανέπτυξε ένα 3D-εκτυπωμένο φίλτρο μάζας που λειτουργεί ως βασικό στοιχείο ενός φασματομέτρου μάζας. Γνωστό ως τετραπλό, αυτό το μικροποιημένο φίλτρο είναι σημαντικά ελαφρύτερο και φθηνότερο από τα παραδοσιακά του αντίστοιχα. Ενώ τα εμπορικά φίλτρα μάζας υψηλής ποιότητας, κατασκευασμένα από ανθεκτικό σε θερμότητα γυαλο-κεραμικό, ρητίνη, κοστίζουν πάνω από 100.000 δολάρια, αυτά τα φίλτρα μάζας που προέρχονται από προσθετική κατασκευή κοστίζουν λίγα δολάρια και μπορούν να παραχθούν σε λίγες ώρες.

Σύμφωνα με τον Velasquez-Garcia, κύριο ερευνητικό επιστήμονα στα Microsystems Technology Laboratories του MIT, «Υπάρχουν άλλα μικροποιημένα φίλτρα τετραπλού, αλλά δεν είναι συγκρίσιμα με επαγγελματικής ποιότητας φίλτρα μάζας. Υπάρχουν πολλές δυνατότητες για αυτό το υλικό εάν το μέγεθος και το κόστος μπορούν να είναι μικρότερα χωρίς να επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση».

Ενώ το παραπάνω παράδειγμα είναι ένα από τα πιο πρόσφατα επιτεύγματα στον τομέα, τέτοια παραδείγματα έχουν καταγραφεί στο πεδίο της έρευνας επιστήμης και τεχνολογίας R&D νωρίτερα. Για παράδειγμα, ερευνητές του Πανεπιστημίου McGill ανέπτυξαν μια lab-on-a-chip diagnostic technology που αντικαθιστά τη χρήση πολλών εργαστηριακών οργάνων και λειτουργεί ως μικροτεχνολογίες. Το chip μπορεί να παραχθεί σε 30 λεπτά με χρήση 3D printing. Οι αναφορές υποδεικνύουν ότι η λύση μπορεί να ενδυναμώσει τους επαγγελματίες υγείας με τη δυνατότητα δημιουργίας «προσαρμοσμένων λύσεων για συγκεκριμένες ανάγκες ακριβώς στο σημείο φροντίδας».

Μια άλλη ομάδα ερευνητών του MIT χρησιμοποίησε πολυ-υλικό 3D printing για να δημιουργήσει self-heating fluidic devices που διαθέτουν ενσωματωμένα στοιχεία θέρμανσης. Πρόκειται για μικρομηχανές που μπορούν να χειρίζονται υγρά και να διευκολύνουν χημικές αντιδράσεις. Αντί σε πολλές μεγάλες υψηλής τεχνολογίας μηχανές που λειτουργούν ταυτόχρονα, αυτή η τεχνολογία είναι ικανή να ανιχνεύει ασθένειες σε μικροσκοπικά δείγματα αίματος ή υγρών.

Πρόσβαση σε Επιστημονικό Εξοπλισμό από Απομακρυσμένη Τοποθεσία

Το 3D printing επιστημονικού και εργαστηριακού εξοπλισμού έχει επίσης βοηθήσει στην άρση των περιορισμών που προέρχονται από τη φυσική/γεωγραφική απόσταση. Παλαιότερα, οι 3D εκτυπωτές απαιτούσαν την παρουσία ενός εκπαιδευμένου τεχνικού 3D printing στον χώρο. Ωστόσο, με την έναρξη της πανδημίας COVID-19, εμφανίστηκαν λύσεις που έκαναν δυνατή την απομακρυσμένη εργασία στον τομέα της προσθετικής κατασκευής.

Για παράδειγμα, το MakerBot CloudPrint παρουσίασε μια λύση για τις ομάδες μηχανικών να εργάζονται αποτελεσματικά απομακρυσμένα ή από διαφορετικές τοποθεσίες. Η πλατφόρμα 3D printing βασισμένη στο cloud προσφέρει μια απρόσκοπτη ροή εργασίας σε ομάδες που έχουν παρουσία σε πολλές τοποθεσίες. Οι μηχανικοί που εργάζονται σε πολλαπλές τοποθεσίες μπορούν να συνεργάζονται αποτελεσματικά με αυτούς τους 3D εκτυπωτές, κάνοντας slicing και προετοιμάζοντας τις εκτυπώσεις τους απευθείας από έναν φυλλομετρητή.

Η συσκευή διαθέτει ενσωματωμένες δυνατότητες ουράς και παρακολούθησης και επιτρέπει στους χρήστες να προσθέτουν, να παρακολουθούν και να ελέγχουν την πρόσβαση σε συνδεδεμένους εκτυπωτές MakerBot από οπουδήποτε. Διαθέτει επίσης πίνακα ελέγχου για κεντρική παρακολούθηση της προόδου των εκτυπώσεων. Οι ζωντανές ροές κάμερας βοηθούν στην λήψη των τελευταίων ενημερώσεων κατάστασης των εργασιών εκτύπωσης.

Λύσεις όπως αυτές και άλλες έχουν κάνει τη ροή εργασίας ομαλή, απρόσκοπτη και οικονομική για πολλούς κατασκευαστές επιστημονικού εξοπλισμού.

Τύποι Κατασκευαστών Επιστημονικού Εξοπλισμού που Ωφελούνται από την Προσθετική Κατασκευή/3D Printing

Οι κατασκευαστές εξοπλισμού διαστημικής έρευνας είναι ένα τμήμα που θα ωφεληθεί σημαντικά από την προσθετική κατασκευή ή το 3D printing. Η επιστημονική έρευνα έχει δείξει έναν τρόπο κατασκευής 3D-εκτυπωμένου εργαστηριακού εξοπλισμού για τη μέτρηση μαζικών υλικών σε ακραίες συνθήκες που παρουσιάζουν τα προγράμματα διαστημικής εξερεύνησης.

Το 2022, το Nature Journal mentioned a study όπου αναπτύχθηκε μια 3D-εκτυπωμένη συσκευή για τη μέτρηση της επιφανειακής τάσης νανορευστών. Το αποτέλεσμα της μέτρησης ήταν συγκρίσιμο με εμπορικές συσκευές.

Η μελέτη επίσης διερεύνησε τις δυνατότητες χρήσης μετρητικών οργάνων μέσω της μεθόδου εξώθησης υλικού 3D printing για τη μέτρηση επιλεγμένων μηχανικών-φυσικών ιδιοτήτων μαζικών υλικών σε ακραίες συνθήκες.

Ένας άλλος τύπος κατασκευαστών επιστημονικού εξοπλισμού που ωφελείται από την προσθετική κατασκευή ή το 3D printing ανήκει στον τομέα της ηλεκτρονικής. Η ακρίβεια των διαδικασιών προσθετικής κατασκευής με βάση το laser-based additive manufacturing βοηθά στη δημιουργία μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Σε αυτή τη διαδικασία μπορεί να αναπτυχθούν πολύπλοκα εξαρτήματα όπως επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια.

Η κατασκευή εκπαιδευτικών οργάνων είναι ξανά ένας τομέας που μπορεί να αξιοποιήσει αποδοτικά την προσθετική κατασκευή. Υπάρχουν 3D εκτυπωτές που βοηθούν τους μαθητές να πειραματιστούν με ακριβώς κατασκευασμένο υλικό και βιομηχανικής ποιότητας υλικά.

Κάποια κοινά χαρακτηριστικά αυτών των εγκαταστάσεων περιλαμβάνουν την ικανότητά τους να εργάζονται με ποικιλία αρχικών υλικών σε μια ενιαία πλατφόρμα. Είναι ασφαλή στη χρήση και δεν απαιτούν ή απαιτούν πολύ λίγο ατομικό προστατευτικό εξοπλισμό. Τα όργανα προσθετικής κατασκευής διαθέτουν ενσωματωμένο λογισμικό για εύκολο και απρόσκοπτο έλεγχο και παρακολούθηση.

Πολλές εταιρείες καθιστούν την προσθετική κατασκευή ή το 3D Printing εύκολο για μια σειρά βιομηχανιών. Θα δούμε τώρα μερικές τέτοιες εταιρείες.

#1. Markforged

Η Markforged προσφέρει ένα πλήρες φάσμα λύσεων προσθετικής κατασκευής, συμπεριλαμβανομένων βιομηχανικών μηχανών 3D εκτύπωσης, υλικών υψηλών επιδόσεων όπως μέταλλα, συνεχείς ίνες και σύνθετα υλικά, καθώς και λογισμικού επιχειρήσεων που βελτιώνει τη ροή εργασίας.

Η Markforged διαθέτει τρεις τύπους 3D εκτυπωτών, συμπεριλαμβανομένων εκτυπωτών μετάλλου, βιομηχανικών σύνθετων εκτυπωτών και επιτραπέζιων σύνθετων εκτυπωτών. Οι βιομηχανίες που χρησιμοποιούν αυτές τις λύσεις περιλαμβάνουν αεροδιαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία, καταναλωτικά προϊόνα συσκευασίας, εκπαίδευση και έρευνα, κατασκευή ηλεκτρονικών, ενέργεια, ομοσπονδιακό και αμυντικό τομέα, βιομηχανικό εξοπλισμό, ιατρικό κ.λπ.

Ένα από τα πιο δημοφιλή προϊόντα της Markforged είναι το FX10, ο επόμενης γενιάς βιομηχανικός σύνθετος 3D εκτυπωτής της εταιρείας. Η συσκευή είναι εξοπλισμένη με μονάδα όρασης και λέιζερ μικρόμετρο, προχωρημένο θάλαμο υλικού για γρήγορη φόρτωση και μειωμένη παρέμβαση χρήστη, οθόνη αφής 7 ιντσών και θέρμαντο θάλαμο κατασκευής που φτάνει τους 60°C.

Η Markforged ανακοίνωσε τα αποτελέσματα του τέταρτου τριμήνου και του πλήρους έτους 2022 τον Μάρτιο του 2023. Η εταιρεία παρουσίασε αύξηση εσόδων κατά 11% σε 29,7 εκατομμύρια δολάρια το τέταρτο τρίμηνο του 2022, σε σύγκριση με 26,6 εκατομμύρια δολάρια το τέταρτο τρίμηνο του 2021. Τα ετήσια έσοδα αυξήθηκαν κατά 11% σε 101,0 εκατομμύρια δολάρια το 2022 σε σύγκριση με 91,2 εκατομμύρια δολάρια το 2021. Ωστόσο, το ακαθάριστο κέρδος μειώθηκε κατά 4% σε 50,7 εκατομμύρια δολάρια το 2022, από 52,9 εκατομμύρια δολάρια το 2021.

#2. Hewlett Packard

Μια άλλη τεχνολογική εταιρεία μεγάλης κλίμακας που επενδύει έντονα στο να κάνει το 3D printing διαθέσιμο σε όλους είναι η Hewlett-Packard ή HP. Οι λύσεις 3D printing της HP βρίσκουν εφαρμογή σε μια σειρά βιομηχανιών, όπως αεροδιαστημική, καταναλωτικά αγαθά και ηλεκτρονικά, εκπαίδευση, υγειονομική περίθαλψη και ιατρική, βιομηχανία, υπηρεσίες κατασκευής, μορφοποιημένα ίνες, ορθοτικά και προθέματα, μεταφορές και αυτοκινητοβιομηχανία, κ.ά. Ένα από αυτά τα πεδία εφαρμογής που απαιτούν πρόσβαση σε συγκεκριμένο επιστημονικό εξοπλισμό είναι η Εκπαίδευση. Η τεχνολογία multi-jet fusion της HP βοηθά στην κατασκευή εξαρτημάτων και λειτουργικών πρωτοτύπων σε πολλαπλούς κλάδους εντός ενός εκπαιδευτικού/ερευνητικού ιδρύματος, από τη μηχανική μέχρι την αρχιτεκτονική.

Οι λύσεις 3D printing Jet Fusion της HP βοηθούν τόσο την βασική όσο και την προχωρημένη έρευνα 3D σε εργαστήρια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που διεξάγονται σε εργαστήρια ανάπτυξης, εργαστήρια προσθετικής κατασκευής, υπηρεσιακά γραφεία πανεπιστημίων και 3D εργαστήρια νοσοκομείων/ιατρικής.

Η HP ανακοίνωσε τα οικονομικά αποτελέσματα του Φυσικού Έτους 2023 (Fiscal 2023) για το πλήρες έτος και το τέταρτο τρίμηνο στις 21 Νοεμβρίου 2023. Η HP Inc. (HPQ ) και οι θυγατρικές της (“HP”) κατέγραψαν καθαρά έσοδα 53,7 δισεκατομμυρίων δολαρίων, μειωμένα κατά 15% (μειωμένα κατά 12% σε σταθερό νόμισμα) σε σχέση με την προηγούμενη περίοδο. Τα καθαρά έσοδα του τέταρτου τριμήνου ήταν 13,8 δισεκατομμύρια δολάρια, μειωμένα κατά 6% (μειωμένα κατά 5% σε σταθερό νόμισμα) σε σχέση με το προηγούμενο έτος.

#3. Formlabs

Η Formlabs ιδρύθηκε από τρεις αποφοίτους του MIT το 2011 με την αποστολή να δημιουργήσει τον πρώτο 3D εκτυπωτή που θα μπορούσε να επιτύχει βιομηχανική, επαγγελματική ποιότητα εξαρτημάτων σε προσιτή τιμή. Από τότε, η εταιρεία έχει εξελιχθεί ώστε να γίνει ένας από τους μεγαλύτερους προμηθευτές επαγγελματικών 3D εκτυπωτών στερεολιθογραφίας και επιλεκτικής συγκόλλησης με laser παγκοσμίως.

Το χαρτοφυλάκιο της Formlabs περιλαμβάνει ένα μείγμα προσιτών, επιτραπέζιων 3D εκτυπωτών βιομηχανικής ποιότητας, μεγάλου φορμάτ 3D εκτυπωτών και προχωρημένων επιτραπέζιων 3D εκτυπωτών για την υγειονομική περίθαλψη. Οι εκτυπωτές της μπορούν να λειτουργούν με περισσότερα από 20 λειτουργικά ρητίνες για πρωτοτυποποίηση και παραγωγή τελικών εξαρτημάτων. Είναι επίσης συμβατοί με τουλάχιστον έξι υλικά υψηλής απόδοσης βιομηχανικής ποιότητας, όπως νάιλον 11, νάιλον 12, TPU, πολυπροπυλένιο, γυαλί και σύνθετα νάιλον γεμισμένα με άνθρακα. Οι εκτυπωτές είναι κατάλληλοι για λειτουργία σε περιβάλλοντα δωματίου, με μόνο τις PU ρητίνες να απαιτούν ξηρό ντουλάπι για έλεγχο υγρασίας. Λειτουργούν επίσης καλά σε ατμοσφαιρικές συνθήκες αέρα και αζώτου για βελτιωμένες ιδιότητες υλικού και χαμηλότερους χρόνους ανανέωσης.

Σύμφωνα με reports published in 2021, η εταιρεία διπλασίασε την αποτίμησή της στα 2 δισεκατομμύρια δολάρια, μετά από γύρο χρηματοδότησης 150 εκατομμυρίων δολαρίων υπό την ηγεσία του Vision Fund 2 του SoftBank Group. Πριν από αυτό, η εταιρεία είχε αποτιμηθεί σε πάνω από 1 δισεκατομμύριο δολάρια όταν συγκέντρωσε 15 εκατομμύρια δολάρια χρηματοδότησης από τη New Enterprise Associates (NEA) τον Αύγουστο του 2018.

Προσθετική Κατασκευή: Μια Αλλαγή Παιχνιδιού στον Τομέα της Επιστημονικής Έρευνας

Η επιστημονική έρευνα απαιτεί υπερσύγχρονες μηχανές, ωστόσο αυτές είναι ακριβές συσκευές που συχνά ξεπερνούν τις δυνατότητες των ερευνητικών ιδρυμάτων και ανεξάρτητων ερευνητών. Σε αυτό το πλαίσιο, το 3D printing ή η προσθετική κατασκευή είναι μια ευλογία, καθώς είναι εύκολα αναπτυξιμό και χαμηλού κόστους. Επιπλέον, προσφέρουν αποτελέσματα συγκρίσιμα με τα εμπορικά όργανα σε ακρίβεια, τα οποία είναι πολύ πιο ακριβά και συνήθως προσιτά μόνο σε μεγάλες εταιρείες και ιδρύματα.

Επιπλέον, η προσθετική κατασκευή λύνει επίσης τις προκλήσεις που θέτει η εφοδιαστική αλυσίδα. Αυτό είναι κρίσιμο, καθώς η παροχή του ακριβούς επιστημονικού εξοπλισμού τη συγκεκριμένη στιγμή μπορεί να είναι δαπανηρή και χρονοβόρα. Σε αυτό το πλαίσιο, το 3D printing βοηθά επίσης στην επίλυση αυτής της πρόκλησης.

Επιπλέον, όταν λαμβάνουμε υπόψη τις φυσικές πτυχές του επιστημονικού εξοπλισμού, ο οποίος είναι συχνά βαρύς και πολύπλοκος και δεν είναι κατάλληλος για μεταφορά σε δύσκολα μέρη, τα οφέλη γίνονται ακόμη πιο σαφή. Όπως έχουμε ήδη δει σε σενάρια διαστημικής εξερεύνησης και γεωλογικών ερευνών, η μεταφορά φορητών 3D εκτυπωτών και ακατέργαστων υλικών σε αυτά τα μέρη είναι χρήσιμη για την ανάπτυξη του εξοπλισμού επί τόπου.

Συνολικά, αυτοί οι παράγοντες δείχνουν ότι η προσθετική κατασκευή ανοίγει έναν νέο ορίζοντα όπου η πρόσβαση σε επιστημονικό εξοπλισμό γίνεται όχι μόνο πιο προσιτή αλλά και χωρίς κόπο.

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των καλύτερων μετοχών 3D printing και προσθετικής κατασκευής.