Monimateriaalinen lisävalmistus avaa ovet sisäiseen prototyyppien valmistukseen

Tämä viikolla University of Missouri -tutkijoiden tiimi julkaisi tutkimuksen tieteellisessä lehdessä Nature Communications, jossa esiteltiin uusi menetelmä monimutkaisten monimateriaalisten laitteiden 3D-tulostukseen. Tämä menetelmä hyödyntää laseria ja suoraa musteen kirjoitusta tarjoten uuden tason joustavuutta uusille tuotesuunnittelijoille. Tässä on, mitä tutkijat havaitsivat ja miten se voi mullistaa useita teollisuudenaloja tulevina vuosina.

Monimateriaalisen lisävalmistuksen merkittävät ongelmat

Erilaisten materiaalien ja prosessien käyttöä vaativien tuotteiden valmistus on ollut yksi suurimmista haasteista, joita insinöörit ovat yrittäneet ratkaista jo teollisen vallankumouksen varhaisista päivistä lähtien. Nykyään tehtävä on edelleen aikaa vievä, kallis ja vaatii useiden kolmansien osapuolten käyttöä.

Tällä hetkellä 3D-tulostusteollisuus on mullistuksen keskellä. Uudet tekniikat, menetelmät ja materiaalit ovat parantaneet näiden laitteiden käytettävyyttä. Kuitenkin näiden yksiköiden materiaalien risteyskyky ja ominaisuudet ovat rajoitettuja. Tutkijoiden esittelemä menetelmä voi virtaviivaistaa tämän tehtävän yhdeksi tulostimeksi, joka pystyy tarkasti tulostamaan muoveja, metalleja ja puolijohteita.

Hukka

Monimutkaisten monimateriaalisten tuotteiden valmistus on erittäin hukkaavaa. Jos se tehdään sisäisesti, prosesseja on mukautettava paikallisten ja rahoituksen rajoitteiden mukaan. Jos tehtävä ulkoistetaan, syntyy lisäkustannuksia tuotteen lähettämisestä eri valmistajille. Tutkijoiden ehdottama kaikki-yhdessä 3D-tulostusprosessi poistaa nämä huolenaiheet ja tarjoaa virtaviivaisen sisäisen menetelmän, joka voi maksimoida tehokkuuden.

Monimateriaalisen lisävalmistuksen tutkimus

Tutkimus esittelee vapaan muodon monimateriaalisen kokoonpanoprosessin (FMAP). FMAP yhdistää yhden koneen suorittamaan tehtäviä, jotka ennen vaativat useita valmistajia. Tehtävän toteuttamiseksi tulostin käyttää sulatettua filamenttivalmistusta (FFF), suoraa musteen kirjoitusta (DIW) ja vapaan muodon laserinduktioita (FLI), mikä parantaa tulostuskykyä eri materiaaleissa.
Raportin mukaan rakennettiin erityisesti suunniteltu 3-suutin 3D-tulostin. Ensimmäinen suutin lisäsi filamentin. Toinen suutin käytti vapaan muodon laserinduktiota (FLI) muuttaakseen materiaalia avossa tilassa. Viimeinen suutin puolestaan lisäsi lisäaineita ja muita toiminnallisia materiaaleja, jotka tarvittiin kohteen valmistamiseen.

Testi

Testaus sisälsi polykarbonaattivariantin käyttöä monimutkaisten laitteiden luomiseen. Yksiköissä oli toiminnallisia materiaaleja, jotka oli ennalta suunniteltu ja sovellettu autonomisesti suurella tarkkuudella. Yhteensä tutkijat loivat toimivan UV-anturin, 3D-magneettikooderin, ristikko-LED-piirin, jännitesensorin monitoimisiin jousiin ja kapasitanssisensorit. Heidän viimeinen tehtävänsä oli vaikein: integroitu mikrofluidinen reaktori, jossa on sisäänrakennettu Joule-lämmitin, jota käytetään tyypillisesti nanomateriaalien synteesissä.

Tutkijat

Tutkimus toteutettiin University of Missourissa. Sitä johti tohtorikoulutuksen opiskelija Bujingda Zheng. Lisäksi Jian “Javen” Lin, kone- ja avaruustekniikan apulaisprofessori, johti projektia yhdessä. Tutkimuksen rahoitus saatiin National Science Foundationin (NSF) Advanced Manufacturing -ohjelmasta ja NSF I-Corps -ohjelmasta.

Inspiraatiot

Kun heitä haastateltiin projektistaan, tutkijat vastasivat, että he saivat inspiraationsa luonnosta. He selittivät, että luonto ei tuhlaa. Se kehittyy integroidakseen jokaisen solun tarkoitukseen ja rakenteeseen. Heidän tavoitteensa on soveltaa tätä tehokkuuden tasoa nykypäivän valmistusprosesseihin, vähentäen jätettä samalla edistäen innovaatiota.

Monimateriaalisen lisävalmistuksen hyödyt

Tutkijoiden uusi 3D-tulostusmenetelmä tuo mukanaan useita etuja. Ensinnäkin se vähentää tuotteiden valmistuskustannuksia. Yksi kone, joka pystyy valmistamaan monimateriaalisia, monikerroksisia antureita, piirilevyjä ja tekstiilejä, voisi mullistaa alan. Kun lisäät kyvyn integroida elektronisia komponentteja, avaat oven seuraavan sukupolven insinööreille luoda vapaasti.

Parempi prototyyppien valmistus

Nämä kaikki-yhdessä tulostuslaitteet mahdollistavat insinööreille prototyyppien luomisen ja testaamisen paljon nopeammin kuin nykyiset menetelmät. 3D-tulostettu laite voidaan valmistaa tunneissa tai päivissä sen sijaan, että nykyisin uusien laitteiden prototypointi vaatisi viikkoja. Tulevaisuudessa suunnittelijat voivat luoda ilman huolta prototyyppiprosesseista.
Laite parantaisi monien yritysten sisäisiä T&K-kykyjä maailmanlaajuisesti. Se lyhentää valmistusaikoja, kustannuksia ja parantaa uusien tuotteiden markkinoille saattamista. Tästä syystä tutkijoiden pyrkimykset saavat paljon huomiota.

Monimateriaalisen lisävalmistuksen sovellukset

Integroituja 3D-tulostettuja laitteita on monia sovelluksia. Näiden yksiköiden luominen on helpompaa. Ne hyödyntävät automatisoituja järjestelmiä, jotka voivat integroida tekoälyä laadunvalvonnan parantamiseksi. Tässä on muutamia lupaavia sovelluksia tälle tekniikalle, jotka voivat tulla markkinoille tulevina vuosina.

Huippuluokan luonnolliset anturit

Luonnon seuranta on tarkkaa tiedettä, joka vaatii kykyä kerätä jatkuvasti dataa häiritsemättä ekosysteemiä. Tämän tehtävän toteuttamiseksi tutkijat ovat kehittäneet älykkäitä tapoja piilottaa mittauslaitteensa. Tämä uusi 3D-tulostusmenetelmä mahdollistaisi luonnollisen näköisten esineiden valmistamisen, jotka sulautuvat täydellisesti ympäristöön samalla kun ne tarjoavat reaaliaikaista dataa.

Älykkäämmät koneet

Toinen sovellus on koneiden valmistaminen, jotka voivat tuntea. Lämpö- ja paineantureiden integrointi laitteisiin tarjoaisi lisäkerroksen havaitsemiseen näissä yksiköissä. Tulevaisuudessa robotit voitaisiin tehdä pienemmiksi ja ketterämmiksi tämän teknologian avulla.

Kannettavat anturit

Kannettavien laitteiden markkinat ovat kasvussa. Merkittäviä investointeja on fitness-, sotilas- ja terveydenhuoltosektoreilla. Kannettavat laitteet auttavat ihmisiä toipumaan terveysongelmista. Ne tarjoavat reaaliaikaista seurantaa ja ovat erittäin suosittuja. 3D-tulostusominaisuuden integrointi tekisi näistä laitteista pienempiä ja mukavampia. Tästä syystä ne voitaisiin valmistaa pitkäaikaiseen tai jopa pysyvään käyttöön.
Kannettavien laitteiden markkinat ovat nopeasti kasvava sektori, ja raporttien mukaan niiden odotetaan saavuttavan 186,48 miljardia dollaria tänä vuonna. Lisäksi analyytikot ennustavat, että ala kasvaa 17,60 %:n vuotuisella kasvuvauhdilla (CAGR) ja saavuttaa 493,26 miljardia dollaria vuoteen 2029 mennessä. Näiden laitteiden 3D-tulostus voisi tehdä niistä helpommin saatavilla olevia ja halvempia valmistaa, mikä edistää käyttöönottoa.

Robotit

Robotiikalla on eniten hyödynnettävänä näistä innovaatioista. 3D-tulostetut piirit ja monimutkaiset laitteet voivat vähentää robottien painoa. Painon väheneminen lisää tehoa ja akun kestoa näissä laitteissa. Tästä syystä tulevaisuuden robotit ovat kevyempiä, nopeampia, älykkäämpiä ja ketterämpiä kuin edeltäjänsä. Lisäksi ne voisivat integroida 3D-tulostimia suorittaakseen itsekorjauksia syrjäisissä paikoissa.

Yritykset, jotka voisivat hyötyä näistä havainnoista

3D-tulostusteollisuus jatkaa laajentumistaan innovaatioiden ohjaamana useisiin suuntiin. Erityisesti 3D-tulostettu mikrosiruteollisuus on yksi nopeimmin kasvavista ja menestyneimmistä. Tässä on muutamia yrityksiä, jotka voisivat integroida uusia 3D-tulostusmenetelmiä parantaakseen tuotteitaan ja tehokkuuttaan.

1. Qualcomm Incorporated

QCOM Hintakaavio

Qualcomm Incorporated (QCOM ) on ollut telekommunikaatio- ja teknologiasektorin edelläkävijä vuodesta 1985, jolloin se aloitti toimintansa. Valmistaja on tunnettu edistyneiden telekommunikaatiolaitteiden ja puolijohteiden kehittämisestä. Sen tunnetuimpia tuotteita ovat CDMA/WCDMA- ja Snapdragon-prosessorit.
Qualcomm on edelleen markkinoiden hallitseva toimija. Tämä San Diegosta kotoisin oleva yritys ansaitsi 35,82 miljardia dollaria voittoa vuonna 2023. Yritystä pidetään vahvana “hold“-sijoituksena sen markkina-aseman ja tulevien innovatiivisten tuotteiden vuoksi. Suosittujen sirupakettien integrointi tähän kaikki-yhdessä 3D-tulostusprosessiin nostaisi liikevaihtoa ja vähentäisi hukkaa.

2. Monolithic Power Systems

MPWR Hintakaavio

Monolithic Power Systems, Inc. (MPWR ) on toinen julkisesti noteerattu puolijohdevalmistaja, jota pidetään markkinoiden edelläkävijänä. Yritys sijaitsee Washingtonissa, Yhdysvalloissa, ja se perustettiin vuonna 1997. Nykyään sen tuotteita käytetään eri toimialoilla, kuten autoteollisuudessa, teollisuudessa, viestinnässä, tietojenkäsittelyssä ja tallennuksessa.
Monolithic Power Systems Inc. raportoi 1,82 miljardin dollarin liikevaihdon vuonna 2023. On syytä huomata, että puolijohteiden kysyntä on kasvussa, mikä on saanut monet pitämään tätä valmistajaa älykkäänä lisäyksenä salkkuunsa. Uuden 3D-tulostusprosessin integrointi voisi edelleen parantaa heidän liiketoimintamalliaan, edistäen innovaatiota ja voittoja.

Monimateriaalisen lisävalmistuksen tulevaisuus

3D-tulostusmarkkinan tulevaisuus on valoisa. Nämä laitteet ovat suosituimpia koskaan, ja ne on suunniteltu tulostamaan kaikkea metallista lääketieteeseen. Tässä on muutama muu mielenkiintoinen 3D-tulostusprojekti, jotka kannattaa huomioida.

Avaruustulostus

Laitteen tulostaminen maassa on yksi asia. Kuitenkin matalan painovoiman olosuhteissa se on täysin erilainen tehtävä. Tutkijat testasivat äskettäin uutta 3D-tulostusprosessia, jonka on suunniteltu mahdollistamaan näiden yksiköiden toiminta avaruudessa. Heidän tutkimuksensa avaa oven pidemmälle avaruusmatkailulle ja tulevaisuudelle, jossa kestävyys on keskeinen huolenaihe.

Lääketieteellinen tulostus

Tulevaisuudessa lääkkeet tulostetaan 3D-tulostuksella paikallisessa apteekissa. Näiden laitteiden laadunvalvontamekanismeissa on tapahtunut viimeaikaisia läpimurtoja. Pian 3D-tulostetut lääkkeet ovat tarkempia ja täsmällisempiä kuin ihmisen sekoittamat vaihtoehdot, avaten oven tehokkaampaan jakeluun ja henkilökohtaiseen hoitoon.

Monimateriaalinen lisävalmistus – Lähestyy scifiä

Tämä kehitys tuo teollisuuden lähemmäs scifiä, sillä se mahdollistaa täydellisten elektronisten toimivien laitteiden tulostamisen, jotka yhdistävät metalleja, muoveja ja elektroniikkaa. Tämä kyky tarjoaa markkinoille uuden tason kekseliäisyyttä ja antaa tekijöille vapauden innovoida. Tästä syystä voit odottaa näkeväsi enemmän kattavuutta tästä laitteesta, kun tutkijat jatkavat sen ominaisuuksien tutkimista.

Lue muista hienoista valmistus projekteista nyt.