3D-tulostetut mikroskooppiset osat voivat muuttaa lääketiedettä ja elektroniikkaa

3D-tulostuksen maailmassa tapahtuu nopeita mullistuksia. Tässä kuussa saksalainen yritys luonut aallonmuotoinen talo 3D-tulostuksella. Se on Euroopan suurin 3D-tulostettu rakennus, jonka koko on 600 neliömetriä, ja sen epätavallinen ulkonäkö johtuu aallokon muotoisesta suunnittelusta, jota ei voida toteuttaa perinteisin rakennusmenetelmin. 3D-rakennustulostusteknologia antoi suunnittelun vapauden ja kesti noin 140 tuntia.

Viime viikolla avattiin maailman ensimmäinen 3D-tulostettu moskeija, joka on 5 600 neliömetriä. Moskeijan rakentaminen kesti kuusi kuukautta.

Texasissa sijaitseva ICON on julkistanut robottikäsivarsilla varustetun 3D-tulostimen, joka on nimeltään Phoenix. Tämä tulostin voi luoda useita kerroksia ja täysin eristettyjä järjestelmiä alhaisen hiilidioksidipitoisuuden seoksesta. 21 metrin korkeudella Phoenix mahdollistaa korkeamman rakentamisen (jopa 8 metriä) verrattuna ICONin nykyiseen tulostimeen Vulcaniin, jossa on kannen lähellä oleva kansi.

Yritys on myös ilmoittanut uuden materiaaliseoksen kehittämisestä, joka on nimeltään CarbonX, ja se on “alhaisin hiilidioksidipitoisuus asuinrakennusjärjestelmä, joka on valmis käytettäväksi laajamittaisesti”. Lisäksi ICON on integroinut tekoälyjärjestelmänsä, jotta kuka tahansa voi suunnitella 3D-tulostettavia kotisuunnitelmia Vitruvius-alustalla.

Mutta tämä ei ole kaikki. Viime kuussa 3D-tulostus mahdollisti erittäin realististen näköisten proteesSilmien luomisen vain 90 minuutissa, verrattuna siihen, että taitava tekniikko valmistaa yhden silmän käsin 8 tunnissa. Sitten on 3D-tulostus drooneja, ajoaineita ja räjähteitä.

3D-tulostus, kuten yllä mainittiin, kehittyy nopeasti, mikä on luonnollista, koska kiinnostus tähän alaan kasvaa valtavasti. Kasvava kiinnostus johtuu tämän tekniikan kyvystä luoda mukautettuja muotoja ja tulostaa useita materiaaleja yhdessä osassa, mikä säästää rahaa ja materiaalia ja on ympäristöystävällinen.

3D-tulostusta kutsutaan myös lisäyksen valmistukseksi, ja se käyttää materiaalin kerroksittaisen pinottamista tulostimen avulla luodakseen esineen. Mutta se ei ole ilman haasteitaan, erityisesti rajoitettujen materiaalien, tiettyjen materiaalien muotoilun, koon rajoitusten, suunnitteluvirheiden ja muiden asioiden suhteen.

Joten tutkijat työskentelevät keinojen löytämiseksi näiden haasteiden voittamiseksi ja 3D-tulostuksen tehokkuuden ja toimivuuden parantamiseksi laajassa mittakaavassa.

Viime aikoina tutkimus kehitti uuden prosessin mikroskaalassa 3D-tulostamiseen, joka kehittää osia jopa miljoona kappaletta päivässä, lähes minkä tahansa muodon valmistukseen, lääketieteeseen ja tutkimukseen.

3D-tulostettujen mikroskooppisten osien tulostus

Nature-lehdessä julkaistu tutkimus on nimeltään “Rulla-rulla, korkearesoluutioinen 3D-tulostus muotoilukohtaisista osista” ja sitä on suorittanut Stanfordin yliopiston tutkijat.

Tutkimukseen osallistuneet tutkijat ovat mm. Jason M. Kronenfeld, joka on kemian laitoksen tohtorikoulutettava, kun taas Lukas Rother ja Maria T. Dulay työskentelevät radiologian laitoksella. Molemmat Max A. Saccone ja Joseph M. DeSimone kuuluvat sekä radiologian laitokseen että kemian laitokseen.

Tutkimuksessa tutkijat totesivat, kuinka osien valmistus on suosittu johtuen sen monista sovelluksista mikroelektroniikassa, hiekkakalustossa, rakeisissa järjestelmissä, mikrofluidiikassa, bioinsinööritieteessä ja lääke- ja rokotteen toimittamisessa.

Nämä erittäin pienet 3D-tulostetut osat ovat laajasti sovellettavissa, mutta ne vaativat tarkkaa koordinaatiota välillä, valon toimittamista ja resin (erittäin tahmea aine) ominaisuuksia. Tämä tekee skaalattavasta valmistuksesta näin tarkasti määritettyjä mikroskooppisia osia haastavaa.

Stanfordin tutkijat esittivät korkearesoluutioisen 3D-tulostustekniikan, joka on skaalattavissa muotoilukohtaisten osien valmistukseen. Tämä prosessi, joka perustuu rulla-rulla jatkuvaan neste-rajapinnan tuotantoon (r2rCLIP), on paljon tehokkaampi tulostamaan suuria määriä mukautettuja ja yksityiskohtaisia mikroskooppisia osia päivässä.

Tutkimuksen johtaja, Kronenfeld, joka on DeSimonen laboratorion tohtorikoulutettava, toteaa, että tämä tekniikka mahdollistaa monimutkaisempien muotojen luomisen mikroskooppisessa mittakaavassa, laajasta materiaalivalikoimasta, ja nopeuksilla, joita ei ole aiemmin nähty osien valmistuksessa.

Tutkimus perustuu tulostustekniikkaan, joka on nimeltään jatkuva neste-rajapinnan tuotanto (CLIP), jonka DeSimone ja kollegat esittivät lähes vuosikymmen sitten, vuonna 2015.

CLIP käyttää UV-valoa ja projisoi sitä viipaleina kovettaa haluttuun muotoon. Tämä tekniikka on erottuva siinä, että UV-valon projektorin yläpuolella on ikkuna, joka sallii hapen pääsyn. Tämä happipääsy estää nestemäisen resinin tarttumisen siihen luomalla “kuolemanvyöhykkeen”. Näin voidaan kovettaa herkkäpiirteisiä osia ilman, että jokainen kerros repäisee irti ikkunasta, mikä johtaa nopeampaan osien tulostukseen.

Yhteiskirjoittaja DeSimone, joka on Stanfordin yliopiston Sanjiv Sam Gambhirin professori translational lääketieteessä ja joka on vastuussa useista lääketieteellisten laitteiden, nanolääketieteellisten ja 3D-tulostuksen alojen läpimurroista, toteaa:

“Valon käyttäminen esineiden valmistukseen ilman muotteja avaa uuden horisontin osien maailmassa.”

Sen toteuttaminen skaalattavalla tasolla voi myös tarjota mahdollisuuksia käyttää näitä osia “tulevaisuuden teollisuuden ajamiseen”, hän lisäsi.

Klikkaa tästä, niin saat tietää, mikä tekee 3D-tulostuksesta 500 miljardin dollarin markkinan.

r2rCLIP mahdollistaa massatuotannon

CLIP:in pohjalta tutkijat loivat uuden prosessin yksilöllisten muotoilukohtaisten osien massatuotantoon. Ensinnäkin he jännittivät elokuvan ja lähettivät sen CLIP-tulostimeen, jossa satoja muotoja tulostettiin elokuvaan samanaikaisesti.

Sitten se siirrettiin pesuun, kovettamiseen ja muotojen poistamiseen. Kaikki nämä vaiheet voidaan mukauttaa käytetyn materiaalin ja mukana olevan muodon mukaan. Lopulta tyhjä elokuva rullataan takaisin, mistä nimitys rulla-rulla CLIP, eli r2rCLIP.

Yhden desimaalin, mikrometrien resoluution optiikka ja jatkuva elokuvan käyttäminen kiinteän alustan sijaan mahdollisti tutkijoille nopean muunneltavan valmistuksen sekä osien irrottamisen eri materiaaleista ja monimutkaisemmista geometrioista.

Tutkimuksen mukaan geometriat sisälsivät sellaisia, joita ei voida saavuttaa edistyneillä muotin perusteella tapahtuvilla menetelmillä, mikä osoittaa tutkijoiden lähestymistavan ainutlaatuiset ominaisuudet.

Molemmissa muotin muotoilukohtaisissa ja ei-muotin muotoilukohtaisissa r2rCLIP:issä havaittiin vokselikoot (yksittäinen näyte säännöllisesti aikaisessa 3D-ruskassa) 2,0 × 2,0 µm2 tulostuksessa ja tukemattoman paksuuden 1,1 ± 0,3 µm.

Ennen rulla-rulla CLIP:iä 3D-tulostettujen osien erä on käsiteltävä käsin, mikä on hidas prosessi, joka vaatii paljon fyysistä työtä. R2rCLIP:n automaatio mahdollistaa valmistuksen ennennäkemättömällä tasolla, eli jopa 1 000 000 osaa päivässä.

Osien tulostusprosessi saavutti täydellisen automaation korvaamalla CLIP-tulostimen kiinteän rakennuslevyn jatkuvaan, modulaariseen rulla-rulla-järjestelmään. Tämä mahdollistaa automaattisen valmistuksen, joka sisältää puhdistuksen, jälkikovettamisen ja osien irrottamisen.

Tutkimuksessa todettiin, että yksi suuri etu r2rCLIP-tekniikan käytöstä osien valmistukseen on sen sisäinen muotin vastainen prosessi. Se mahdollistaa laajan valikoiman osien geometrioiden tuotannon ilman tarvetta muuttaa asettelua.

Osien valmistuksessa eri lähestymistavat sisältävät kompromisseja skaalattavuuden, nopeuden, yhdenmukaisuuden, materiaalien ominaisuuksien ja geometrisen hallinnan välillä. Esimerkiksi jotkut prosessit voivat tulostaa nanometrin mittakaavassa, mutta ne ovat usein hitaampia.

“Me navigoimme tarkkaa tasapainoa nopeuden ja resoluution välillä”, sanoi Kronenfeld. Heidän tekniikkansa on “ominaisuudeltaan kykenevä” tuottamaan korkearesoluutioisia tuloksia, mutta se voi myös säilyttää nopeuden, joka tarvitaan osien tuotantomäärien täyttämiseen eri sovellusten vaatimusten mukaan.

Hän lisäsi:

“Tekniikoilla, joilla on mahdollisuus kääntää vaikutusta, on oltava toteutettavissa soveltamisesta tutkimuslaboratoriosta teolliseen tuotantoon.”

Laajat sovellukset

Tutkimus, jota rahoittivat National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program ja Bill ja Melinda Gates -säätiö, on tarkoitus ottaa laajasti käyttöön tutkijoille ja teollisuudelle.

Kun 3D-tulostus kehittyy nopeasti, r2rCLIP on “perustava tekniikka”, sanoi DeSimone, joka on myös Stanfordin yliopiston Center for STEMM Mentorshipin perustaja, Canary Centerin johtaja ja Sarafan ChEM-H:n tutkija.

Hän kuitenkin toteaa, että teollisuus on aloittamassa 3D-tuotteiden sijaan prosessien käytön, jotka “tulevat selvästi arvokkaiksi ja hyödyllisiksi”. Joten kysymys on nyt:

“Mitkä ovat korkean arvon sovellukset?”

Tutkimuksen mukaan mikroskooppiset osat, joilla on monimutkaiset suunnitelmat, mahdollistavat suoran integraation analyyttisiin, biolääketieteellisiin ja edistyneisiin materiaalien sovelluksiin.

Tutkijat itse ovat kokeilleet pehmeiden ja koven osien tuotantoa, jotka on valmistettu hydrogeeleistä, ja joilla on sovelluksia lääkeaineiden toimittamisessa kehossa, ja keramiikasta, jota voidaan käyttää mikroelektroniikan valmistuksessa.

Käyttämällä niitä hydrogeeli-osien tuotannossa voidaan saavuttaa säädettävissä, gradientti- tai pulsaattorin vapautusprofiileja yksittäisellä ruiskulla. Monet tutkimukset ovat aikaisemmin tutkineet sopivien valokovausresinjärjestelmien luomista ja tutkineet materiaalien muodon, koon ja biologisen yhteensopivuuden vaikutusta paikannukseen ja toimittamiseen. Tämä johti bioscaffoldien ja toimitusjärjestelmien luomiseen, mikä avasi monia mahdollisuuksia hydrogeeli-osien valmistamiseen lääkeaineiden toimittamiseksi, vaikka se ei sisältänyt skaalattavaa, muunneltavaa valmistusmenetelmää.

Tässä tutkimuksessa tiimi valmisti 400 µm:n kokoisia hydrogeeli-kuutioita ja täytti ne käsin noin 8 nl:n edustavalla kuormalla tulostuksen jälkeen, ja päällysti hydrogeeli-kannella. Tutkimus korosti ohjelmoidun rahtivapautumisen mahdollisuuden tulevaisuuden tutkimuksessa, joka perustuu aiempiin tutkimuksiin lääkeaineiden toimittamisvälineen kinetiikasta ja hyödyntää molekyylimassan ja seinän paksuuden sopeutettavissa ominaisuuksista.

Materiaalien ja mekaanisten ominaisuuksien monimuotoisuus, keramiikasta hydrogeeliin, voi myös auttaa älymateriaalien luomisessa. Näin osoittamalla valmistuspotentiaalia laajalla alueella, tämä skaalattava osien tuotantolähestymistapa voi myös olla sovellettavissa mikrotyökaluihin ja elektroniikkaan, se lisäsi.

Tekniikan (r2rCLIP) korkea tuotto on suoraan implikaatioita teollisen mittakaavan mikrolaitteiden, kuten mikrorobottien ja rahtitoimittamisjärjestelmien, tuotantoon. Tämä on erityisesti tuettavissa keramiikan valmistuksessa.

Käyttämällä esikeraamisia resiinejä teknisten keraamisten osien massatuotantoon, tutkimus toteaa, että se voi olla sovellettavissa mikroelektromekaanisiin järjestelmiin, mekaanisiin tasausmenetelmiin kuorina osina ja johtaviin osiin, jotka mahdollistavat teolliset sovellukset, kuten tietoliikennettä ja terveydenhuoltoa.

Dulayn, vanhemman tutkimussientifikaatin, mukaan:

“On laaja valikoima sovelluksia, ja olemme vasta aloittamassa niiden tutkimista. Se on melko poikkeuksellista, missä olemme tässä tekniikassa.”

Yritykset, jotka käyttävät innovatiivisia lähestymistapoja lisäyksen valmistukseen

Katsotaanpa muutamia yrityksiä, jotka johtavat 3D-tulostuksen kehitystä:

#1. HP Inc.

Tunnettu nimi perinteisessä tulostusalaassa, HP Inc. on tehnyt paljon liikkeitä 3D-tulostuksessa, mukaan lukien sen Multi Jet Fusion (MJF) -tekniikka, joka on suunniteltu teolliseen tuotantoon. Se tarjoaa korkean nopeuden 3D-tulostuksen ja mahdollisuuden hallita kunkin yksittäisen vokselin ominaisuuksia. Yrityksen Jet Fusion teolliseen tuotantoon ja prototyyppiin kuuluu 5600 Series sovellusten optimointiin joustavalle tuotannolle, 5400 Series laadukkaiden valkoisten sovellusten tuottamiseen, 5200 Series korkean arvon lopullisten 3D-osien tuotantoon ja 4200 tuottavuuden ja kustannusten optimointiin.

Tällä viikolla HP aikoo näyttää 3D-tulostettuja osia uuden PA 12 S -materiaalinsa avulla AM Forum -konferenssissa Berliinissä. Materiaali on räätälöity yrityksen 3D-polymeriratkaisuihin, joita käytetään teollisuudessa, ja se tarjoaa hyötyjä, kuten kustannusten laskua ja erinomaista pinnan estetiikkaa.

Markkina-arvolla 29,83 miljardia dollaria yrityksen osakkeet kaupataan 30,66 dollarilla, ja ne ovat nousseet 1,1 prosenttia vuoden alusta lähtien. Yritys on ilmoittanut 53,1 miljardin dollarin liikevaihdon (TTM), 3,41 dollarin osakekohtaisen tuloksen (TTM) ja 8,91 P/E-lukeman (TTM). Se maksaa 3,62 prosentin dividendin.

#2. Materialise NV

Belgialainen yritys tarjoaa laajan valikoiman 3D-tulostuspalveluita, mukaan lukien metalli- ja polymeritulostuksen. Yritys on erityisesti tunnettu asiantuntemuksestaan terveydenhuoltoalalla, jossa se käyttää 3D-tulostusta implantteihin, kirurgisiin oppaisiin ja anatomisiin malleihin.

Viime vuonna Ricoh, japanilainen kuvantamis- ja elektroniikkayritys, yhteistyössä Materialisen kanssa toi sairaaloihin point-of-care 3D-tulostuksen, joka mahdollistaa potilaan anatomian anatomisten mallien tuotannon. Viime kuussa Materialise julkaisi mukautettavan 3D-tulostetun leukaniveletyön.

293,56 miljoonan dollarin markkina-arvolla yrityksen osakkeet kaupataan 5,36 dollarilla, ja ne ovat laskeneet yli 24 prosenttia vuoden alusta lähtien. Yritys on ilmoittanut 278,69 miljoonan dollarin liikevaihdon (TTM), 0,13 dollarin osakekohtaisen tuloksen (TTM) ja 39,57 P/E-lukeman (TTM).

Viime aikoina yritys ilmoitti taloudelliset tuloksensa neljännelle neljännekselle ja koko vuodelle 2023, jolloin sen liikevaihto kasvoi 4,1 prosenttia 65,3 miljoonaan euroon ja 10,4 prosenttia 256,1 miljoonaan euroon. Yrityksellä on 128 miljoonan euron käteisvarat, mikä antaa sille hyvän aseman jatkaa innovatiivisten 3D-tuotteiden ja ohjelmistojen tarjoamista.

Johtopäätös

Kuten mainittiin aiemmin, 3D-tulostuksella on monia hyötyjä useilla aloilla, mukaan lukien lääketiede, autoala, ilmailu, kulutustavarat, korut, puolustus ja sotilasala. Vaikka siinä on jo kasvava kiinnostus ja käyttö, sen omaksuminen kasvaa vain tulevina vuosina, kun enemmän tutkimusta mahdollistaa esineiden tuotannon skaalassa. 3D-tulostuksen tulevaisuus on yksinkertaisesti kirkas, ja se luvaa mullistaa valmistuksen ja luoda kestävämmän tulevaisuuden.