3D-tulostetut mikroskooppiset hiukkaset voivat muuttaa lääketiedettä ja elektroniikkaa

3D-tulostuksen maailmassa tapahtuu vallankumouksellisia muutoksia nopealla tahdilla. Tämän kuukauden alussa Saksan yritys luoti Wave Housen 3D-tulostuksella. Se on Euroopan suurin 3D-tulostettu rakennus, jonka koko on 600 m² (6 600 ft²), ja sillä on epätavallinen ulkonäkö, sillä siinä on aaltomainen muotoilu, jota ei voitu toteuttaa perinteisillä rakennusmenetelmillä. 3D-rakennustulostusteknologia antoi suunnitteluvapautta ja kesti noin 140 tuntia.

Vain viime viikolla avattiin maailman ensimmäinen koskaan 3D-tulostettu moskeija, jonka pinta-ala on 5 600 m², Jeddahissa, Saudi-Arabiassa. Moskeijan rakentamiseen kului kuusi kuukautta.

Kun puhutaan 3D-tulostusteknologiasta, Texasissa toimiva ICON esitteli robottikäsivarressa olevan 3D-tulostimensa nimeltä Phoenix. Tämä tulostin pystyy luomaan monikerroksisia rakenteita täysin suljetuilla järjestelmillä alhaisen hiilidioksidipäästön seoksesta. 70 jalkaa (noin 21,3 metriä) korkea Phoenix mahdollistaa korkeampia rakennuksia (jopa 27 jalkaa, noin 8,2 metriä) kuin ICONin nykyinen tulostin, Vulcan, jonka kantava rakenne on lähempänä maata.

Yritys on myös ilmoittanut uuden materiaaliseoksen nimeltä CarbonX kehittämisestä, joka on “alhaisin hiilidioksidipäästöinen asuinrakennusjärjestelmä, valmis käytettäväksi mittakaavassa”. Lisäksi ICON on integroinut tekoälyn järjestelmiinsä, jotta kuka tahansa voi suunnitella 3D-tulostettavia kodin kaavioita Vitruvius-alustansa kautta.

Mutta se ei ole kaikki. Viime kuussa 3D-tulostus mahdollisti äärimmäisen realististen proteesisilmien valmistamisen vain 90 minuutissa, verrattuna tavalliseen kahdeksan tunnin työhön, jonka taitava teknikko tarvitsee manuaaliseen valmistukseen. Lisäksi on 3D-tulostusta droneille, propelliantteille ja räjähteille.

Kuten yllä kerroimme, 3D-tulostus kehittyy selvästi nopeassa tahdissa, mikä on järkevää, kun otetaan huomioon, että kiinnostus alaa kohtaan kasvaa valtavasti. Kasvava kiinnostus johtuu tekniikan kyvystä luoda räätälöityjä muotoja ja tulostaa useita materiaalilajeja yhdessä osassa, mikä säästää rahaa ja materiaalia sekä on ympäristöystävällistä.

Myös lisävalmistuksena kutsuttu 3D-tulostus koostuu materiaalin kerrostamisesta kerros kerrokselta tulostimen avulla objektin rakentamiseksi. Kuitenkin se ei ole ilman haasteita, erityisesti rajoitettujen materiaalien, tiettyjen materiaalien muotoilun, koon rajoitusten, suunnitteluvirheiden ja muiden seikkojen osalta.

Siksi tutkijat työskentelevät löytääkseen keinoja näiden haasteiden voittamiseksi ja tehdäkseen 3D-tulostuksesta entistä tehokkaampaa ja skaalautuvampaa.

Äskettäin tutkimus kehitti uuden prosessin mikroskaalan 3D-tulostukseen, joka tuottaa hiukkasia jopa miljoonaa päivässä lähes missä tahansa muodossa valmistukseen, lääketieteeseen ja tutkimukseen. 

3D-tulostus mikroskooppiset hiukkaset

Nature-lehdessä julkaistu tutkimus nimeltä “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” toteutettiin Stanfordin yliopiston tutkijoiden toimesta. 

Tutkimukseen osallistuvat Jason M. Kronenfeld, Stanfordin kemian laitoksen tohtorikoulutuksen opiskelija, sekä Lukas Rother ja Maria T. Dulay, jotka työskentelevät radiologian laitoksessa. Max A. Saccone ja Joseph M. DeSimone kuuluvat sekä radiologian että kemiantekniikan laitokseen.

Tutkimuksessa tutkijat totesivat, että hiukkasten valmistus on yleistymässä sen monipuolisten sovellusten, kuten mikroelektroniikan, hiontatarvikkeiden, rakejärjestelmien, mikrofluidiikan, bioinsinöörin ja lääkkeiden sekä rokotteiden jakelun, ansiosta.

Vaikka nämä äärimmäisen pienet 3D-tulostetut hiukkaset tarjoavat laajan sovellusalueen, niiden valmistus vaatii tarkkaa koordinaatiota lavan liikkeen, valon jakelun ja hartsin (erittäin tahmean aineen) ominaisuuksien välillä. Tämä tekee räätälöityjen mikroskaalaisten hiukkasten skaalautuvan valmistuksen vaikeaksi.

Tämän vuoksi Stanfordin tutkijat esittelivät korkean tarkkuuden 3D-tulostustekniikan, joka on skaalautuva muotoihin perustuvien hiukkasten valmistukseen. Tämä prosessitekniikka, joka perustuu roll-to-roll -jatkuvaan nestemäiseen rajapintatuotantoon (r2rCLIP), on huomattavasti tehokkaampi tulostamaan suuria määriä räätälöitäviä ja erittäin yksityiskohtaisia mikroskaalaisia hiukkasia päivittäin.

Tutkimuksen pääkirjoittajan, Kronenfeldin, DeSimone‑laboratorion tohtorikandidaatin mukaan, tämä tekniikka mahdollistaa monimutkaisempien muotojen luomisen mikroskooppisessa mittakaavassa, laajasta materiaalivalikoimasta, ja nopeuksilla, joita ei ole aiemmin nähty hiukkasten valmistuksessa.

Tutkimus perustuu tulostustekniikkaan nimeltä jatkuva nestemäinen rajapintatuotanto (CLIP), jonka DeSimone ja hänen kollegansa esittelivät lähes vuosikymmen sitten, vuonna 2015.

CLIP käyttää UV-valoa ja projisoi sen viipaleina kovettaakseen hartsin nopeasti haluttuun muotoon. Tämä tekniikka erottaa muista siinä, että UV-valon projektorin yläpuolella on ikkuna, jonka kautta happi pääsee läpäisemään. Tämä happiä läpäisevä ikkuna estää nestemäisen hartsin tarttumisen siihen luomalla niin sanotun “kuolleen alueen”. Näin voimme kovettaa herkkiä piirteitä irrottamatta kerrosta ikkunasta, mikä johtaa nopeampaan hiukkasten tulostukseen.

Yhteiskirjoittaja DeSimone, joka on Stanfordin Sanjiv Sam Gambhir -professori translatiivisessa lääketieteessä ja on vastuussa useista läpimurroista lääketieteellisten laitteiden, nanolääketieteen ja 3D-tulostuksen aloilla, sanoi:

“Valon käyttäminen objektien valmistamiseen ilman muotteja avaa aivan uuden horisontin hiukkasmaailmassa.” 

Skaalautuvassa tasossa toteuttaminen voi edelleen tarjota mahdollisuuksia käyttää näitä hiukkasia “ohjaamaan tulevaisuuden teollisuuksia”, hän lisäsi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, mikä tekee 3D-tulostuksesta potentiaalisen 500 miljardin dollarin markkinan.

r2rCLIP mahdollistaa massatuotannon

CLIP-pohjalta tutkijat loivat uuden prosessin ainutlaatuisten nanoskaalaisten hiukkasten massatuotantoon. Ensin he jännittivät huolellisesti kalvon ja lähettivät sen CLIP-tulostimeen, jossa satoja muotoja tulostettiin kalvolle samanaikaisesti.

Sitten se siirretään pesuun, kovettamiseen ja muotojen poistoon. Kaikki nämä vaiheet voidaan räätälöidä käytetyn materiaalin ja muodon mukaan. Lopuksi tyhjä kalvo rullataan takaisin, mistä nimi roll-to-roll CLIP tai r2rCLIP tulee.

Yhden numeron mikron tarkkuuden optiikan käyttö yhdessä jatkuvan kalvorullan kanssa staattisen alustan sijaan mahdollisti tutkijoille nopean muunneltavan valmistuksen sekä hiukkasten irrottamisen eri materiaaleista monimutkaisemmilla geometrioilla.

Tutkimuksen mukaan geometrioihin kuului sellaisia, joita ei voitu saavuttaa kehittyneillä muottipohjaisilla tekniikoilla, mikä korostaa tiimin lähestymistavan ainutlaatuisia kykyjä.

Sekä muotokelpoiset että muottia käyttämättömät r2rCLIP-muodot esitettiin voxelien (yksittäinen näyte säännöllisesti sijoitetulla 3D-ruudukolla) koossa 2,0 × 2,0 µm² tulostuksessa ja tukemattomalla paksuudella 1,1 ± 0,3 µm.

Ennen roll-to-roll CLIP -menetelmää tulostettuja hiukkasia on käsin käsiteltävä erä, mikä on hidas prosessi ja vaatii suurta fyysistä ponnistusta. r2rCLIP:n automaatio mahdollistaa nyt valmistuksen ennennäkemättömällä tasolla, eli jopa 1 000 000 hiukkasta päivittäin.

Hiukkasten tulostusprosessi saavutti täyden automaation korvaamalla CLIP-tulostimen staattisen rakennusalustan jatkuvalla kalvolla, modulaarisella roll-to-roll -järjestelmällä. Tämä mahdollistaa automatisoidun linjaprosessoinnin, joka sisältää puhdistuksen, jälkikovettamisen ja hiukkasten irrottamisen (keräämisen).

Julkaisussaan tiimi totesi, että suuri etu roll-to-roll CLIP -tekniikan käytössä hiukkasten valmistukseen on sen sisäänrakennettu muottiton prosessi. Tämä mahdollistaa laajan valikoiman hiukkasgeometrioiden tuotannon ilman asettelun vaihtamista.

Kun puhutaan hiukkasten valmistuksesta, eri lähestymistavat sisältävät kompromisseja skaalautuvuuden, nopeuden, tasaisuuden, materiaalien ominaisuuksien ja geometrisen hallinnan välillä. Esimerkiksi jotkut prosessit voivat tulostaa nanometrin mittakaavassa, mutta ne ovat hitaampia.

“Navigoimme tarkassa tasapainossa nopeuden ja resoluution välillä,” sanoi Kronenfeld. Hän totesi, että heidän tekniikkansa on “erityisen kykenevä” valmistamaan korkean resoluution tuloksia, mutta se pystyy myös säilyttämään tarvittavan nopeuden täyttääkseen eri sovellusten hiukkasvalmistusmäärät.

Hän lisäsi:

“Tekniikoiden, joilla on potentiaalia translatiiviseen vaikutukseen, on oltava toteuttamiskelpoisesti sovellettavissa tutkimuslaboratorion mittakaavasta teolliseen tuotantoon.” 

Laajat sovellukset

Tutkimus, jota rahoittivat National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program ja Bill & Melinda Gates -säätiö, pyrkii laajasti omaksuttavaksi muiden tutkijoiden ja teollisuuden toimesta.

Kun 3D-tulostus kehittyy nopeasti, r2rCLIP toimii täällä “perusteknologiana”, sanoi DeSimone, joka on Stanfordin Center for STEMM Mentorship -keskuksen perustava tiedekunnan johtaja, Canary Centerin, Stanfordin syöpävarhaisdiagnostiikan keskuksen, yhteisjohtaja, ja Sarafan ChEM-H:n tiedekunnan jäsen.

Kuitenkin DeSimonen mukaan teollisuus alkaa keskittyä 3D-tuotteisiin näiden prosessien sijaan, jotka “tulevat selvästi arvokkaiksi ja hyödyllisiksi”. Joten kysymys nyt on:

“Mitkä ovat korkean arvon sovellukset?”

Tutkimuksen mukaan monimutkaisesti suunnitellut mikroskooppiset hiukkaset mahdollistavat suoran integroinnin analyyttisiin, biolääketieteellisiin ja kehittyneiden materiaalien sovelluksiin.

Tutkijat itse ovat kokeilleet sekä pehmeiden että kovien hiukkasten tuotantoa, jotka on valmistettu hydrogeeleistä ja voivat soveltua lääkkeiden jakeluun kehossa, sekä keramiikasta, jota voidaan käyttää mikroelektroniikan valmistuksessa.

Käyttämällä niitä hydrogeelihiukkasten tuotannossa on mahdollista täyttää nämä hiukkaset saavuttaakseen säädettävät, gradienttiset tai pulssimaiset vapautusprofiilit yhdellä injektiolla. Monet aiemmat tutkimukset ovat tutkineet sopivien fotopolymeerihartsijärjestelmien luomista ja tarkastelleet materiaalien muodon, koon ja biokompatibiliteetin vaikutusta paikantumiseen ja jakeluun. Tämä johti bioskaffoldien ja jakelujärjestelmien luomiseen, mikä avasi lukuisia mahdollisuuksia hydrogeelihiukkasten valmistukseen lääkkeiden jakeluun, vaikka se ei sisällä skaalautuvaa, muunneltavaa valmistusmenetelmää.

Tässä tiimi valmisti 400 µm:n yksikkökokoisia hydrogeelikuutioita ja täytti ne manuaalisesti noin kahdeksalla nl edustavasta lastista tulostuksen jälkeen, jonka jälkeen ne päällystettiin hydrogeelikupilla. Tutkimus korosti mahdollisuutta ohjelmoitavaan lastin vapautuspalettiin tulevaisuuden tutkimuksissa, perustuen aiempiin tutkimuksiin lääkkeiden jakelukuljetusnopeuksista ja hyödyntäen molekyylipainon ja seinämän paksuuden säädettäviä ominaisuuksia.

Materiaalinen ja mekaaninen monipuolisuus, keramiikasta hydrogeeliin, voi myös auttaa älykkäiden materiaalien luomisessa. Näin ollen osoittamalla valmistusmahdollisuuksia näin laajalla alueella, tämä skaalautuva hiukkasvalmistusmenetelmä tarjoaa myös potentiaalisia sovelluksia mikrolaitteisiin ja elektroniikkaan, lisättiin.

Tekniikan (r2rCLIP) korkea läpimenoaika vaikuttaa suoraan teollisen mittakaavan mikrolaitteiden, kuten mikrorobottien ja lastinjakelujärjestelmien, tuotantoon. Tämä on erityisen hyödyllistä keramiikkamateriaalien tuotannossa.

Käyttämällä esikeramiikkahartseja teknisten keramiikkahiukkasten massatuotantoon, tutkimuksen mukaan, sillä voi olla mahdollisia sovelluksia mikroelektromekaanisissa järjestelmissä, mekaanisissa tasoitustekniikoissa liuottimena sekä johtavissa hiukkasissa, jotka mahdollistavat teolliset sovellukset, kuten telekommunikaatio ja terveydenhuolto.

Dulayin, vanhemman tutkimustieteilijän, mukaan:

“Sovelluksia on laaja kirjo, ja olemme vasta alkaneet tutkia niitä. On melko poikkeuksellista, missä olemme tällä tekniikalla.”

Yritykset, jotka käyttävät innovatiivisia lähestymistapoja lisävalmistukseen

Katsotaanpa nyt muutamaa yritystä, jotka johtavat 3D-tulostuksen alalla:

#1. HP Inc.

Perinteisen painoteollisuuden tunnettu nimi, HP Inc. (HPQ ) on tehnyt paljon edistysaskeleita 3D-tulostuksessa, jossa hyödynnetään sen Multi Jet Fusion (MJF) -teknologiaa, joka on suunniteltu teolliseen tuotantoon. Se tarjoaa nopeaa 3D-tulostusta ja mahdollisuuden hallita jokaisen yksittäisen voxelin ominaisuuksia. Yrityksen Jet Fusion -ratkaisut teolliseen tuotantoon ja prototyyppien valmistukseen sisältävät 5600-sarjan, joka optimoi sovelluksia joustavaan massatuotantoon, 5400-sarjan laadukkaisiin valkoisiin sovelluksiin, 5200-sarjan korkean arvon lopullisten 3D-osien tuotantoon, ja 4200-sarjan tuottavuuden ja kustannusten optimointiin.

Tällä viikolla HP suunnittelee esittelevänsä 3D-tulostettuja osia, jotka hyödyntävät sen uutta materiaalia PA 12 S, vuosittaisessa AM Forum -konferenssissa Berliinissä. Materiaali on räätälöity yrityksen teollisuudessa käytettäville 3D-polymeeriratkaisuille ja tarjoaa etuja, kuten kustannusten vähentämisen ja erinomaisen pinnanestetiikan.

Markkina-arvolla 29,83 miljardia dollaria yrityksen osakkeet käyvät 30,66 dollaria, nousua 1,1 % kuluvan vuoden alusta (YTD). Yritys on raportoinut liikevaihdon (TTM) 53,1 miljardia dollaria, osakekohtaisen tuloksen (EPS, TTM) 3,41 ja P/E-luvun (TTM) 8,91. Se maksaa osinkotuoton 3,62 %..

#2. Materialise NV

Tämä Belgialainen yritys tarjoaa laajan valikoiman 3D-tulostuspalveluita, mukaan lukien metallin ja polymerin tulostus. Yritys on erityisen tunnettu asiantuntemuksestaan terveydenhuoltosektorilla, jossa se käyttää 3D-tulostusta implanteissa, kirurgisissa ohjeissa ja anatomisissa malleissa.

Viime vuoden lopulla japanilainen kuvantamis- ja elektroniikkayritys Ricoh solmi kumppanuuden Materialisen kanssa tuodakseen potilaan lähellä tapahtuvan 3D-tulostuksen Yhdysvaltain sairaaloihin, mikä mahdollistaa potilaan anatomisten mallien tuotannon. Ja viime kuussa Materialise lanseerasi räätälöidyn 3D-tulostetun temporomandibulaarisen nivelten (TMJ) hoidon.

Markkina-arvolla 293,56 miljoonaa dollaria yrityksen osakkeet käyvät 5,36 dollaria, laskua yli 24 % kuluvan vuoden alusta (YTD). Yritys on raportoinut liikevaihdon (TTM) 278,69 miljoonaa dollaria, osakekohtaisen tuloksen (EPS, TTM) 0,13 ja P/E-luvun (TTM) 39,57.

Äskettäin yritys ilmoitti taloudellisista tuloksistaan neljännekselle 4 ja koko vuodelle 2023, jolloin sen liikevaihto kasvoi 4,1 % 65,3 miljoonaan euroon ja 10,4 % 256,1 miljoonaan euroon, vastaavasti, huolimatta “epävakaista makrotaloudellisista ja geopoliittisista olosuhteista”.

Materialise raportoi myös 128 miljoonaa euroa käteistä ja käteisvastaavia, mikä sen toimitusjohtaja Brigitte de Vet-Veithen mukaan, yhdessä hankitun lisärahoituksen kanssa, tekee siitä “hyvin asemoituneen” jatkamaan innovatiivisten 3D-tuotteiden ja -ohjelmistoratkaisujen tarjoamista.

Yhteenveto

Kuten yllä totesimme, 3D-tulostuksella on merkittäviä etuja useilla toimialoilla, mukaan lukien lääketiede, autoteollisuus, avaruusteollisuus, kuluttajatuotteet, korut sekä puolustus- ja sotilasteollisuus. Vaikka se jo nyt herättää kasvavaa kiinnostusta ja käyttöä, sen omaksuminen tulee vain lisääntymään tulevina vuosina, kun yhä enemmän tutkimusta mahdollistaa objektien massatuotannon. 3D-tulostuksen tulevaisuus on yksinkertaisesti valoisa, mikä osoittaa lupauksen mullistaa valmistus ja luoda kestävämpi tulevaisuus.