Additiivinen valmistus
Nanoskaalainen 3D-tulostus näyttää valmiina kaupallistamiseen
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
3D-tulostus on tällä hetkellä kaikkien huulilla. Tunnetaan myös lisävalmistusprosessina; kolmiulotteisessa tai 3D-tulostuksessa esine luodaan digitaalisen mallin avulla sen sijaan, että käytettäisiin muottia. Tässä prosessissa useita ohuita materiaalikerroksia lisätään yhteen.
Keksijät kehittivät tekniikan vuonna 1984, mutta se on vasta äskettäin alkanut yleistyä, kun teknologinen kehitys on tehnyt siitä käyttökelpoisen valmistusprosessin.
Monien alojen valmistajat käyttävät tätä tekniikkaa nopeaan prototypointiin ennen tuotteiden massatuotantoa. Tekemällä prototypoinnista nopeampaa, helpompaa ja halvempaa, 3D-tulostus edistää enemmän innovaatiota ja kokeilua.
Nykyään 3D-tulostusliiketoiminta on kasvanut valtavasti, jatkuva kehitys ja tutkimus auttavat teknologiaa kehittymään entisestään. Kiinnostus 3D-tulostukseen on niin suuri, että tutkijat työskentelevät nyt valmistustekniikoiden parissa sekä mikro- että nanoskaalassa.
Vaikka 3D-tulostus on liian hidas massatuotantoon, nanoskaalainen 3D-tulostus saattaa ratkaista tämän ongelman, ja sen on todennäköisesti pian valmis käyttöön otettavaksi.
Klikkaa tästä saadaksesi kaikki tiedot 3D-tulostusosakkeisiin sijoittamisesta.
Nanoskaalainen 3D-tulostus ja sen potentiaali
Siitä lähtien kun 3D-tulostusteknologia otettiin käyttöön, valmistustuottavuus on kasvanut. Tämä kasvu johtuu pitkälti siitä, että 3D-tulostus mahdollistaa merkittävän suunnitteluvapauden poistamalla perinteisten valmistusmenetelmien rakenteelliset tai tilalliset rajoitukset. Lisäksi sitä pidetään materiaalitehokkaana, tarjoten mahdollisuuden vähä- tai jäteettömään valmistukseen. 3D-tulostus näyttelee myös keskeistä roolia kustannusten ja markkinoille pääsyn ajan vähentämisessä pienille valmistajille.
Kuitenkin suurin osa 3D-tulostuksen sovelluksista rajoittuu senttimetri-asteen kokoon. Tämän jälkeen mekaaniset ja materiaaliongelmat rajoittavat sen käyttöä pääasiassa tutkimussovelluksiin. Jotta 3D-tulostusta voitaisiin laajentaa massatuotannon mittakaavaan ja kehittyä pelkän prototypoinnin yli, teknologian on ratkaistava tietyt haasteet, jotka liittyvät kokoon, materiaaliin ja kustannuksiin.
Tästä syystä monet tutkijat käyttävät useita materiaaleja eri kokoluokissa, mikä tuo nanoskaalaisen 3D-tulostuksen tarkennukseen. Nanoteknologia käsittelee alle 100 nanometrin mittauksia, mittakaavaa, joka on niin pieni, ettei sitä näe paljaalla silmällä.
Nanoskaalaisessa 3D-tulostuksessa tavoitteena on 3D-tulostaa nanometreinä mitattuja esineitä. Tämä teknologia on lupaava harppaus lisävalmistuksessa, mahdollistaen esineiden kokoamisen atomi kerrallaan.
Nanoskaalaisen teknologian potentiaali ulottuu tehokkuuden ja tuottavuuden parantamiseen eri teollisuudenaloilla, kuten akkujen, nanorobotiiikan, mikroelektroniikan, lääketieteellisten laitteiden, puolijohteiden ja anturiteknologioiden alalla. Nämä sektorit voivat hyötyä merkittävästi nanoskaalaisen luomisen tarkkuudesta vaarantamatta tarkkuutta.
Kuitenkin 3D-tulostusprosessi, myös nanoskaalassa, on edelleen hidas. Se kohtaa myös rajoituksia käytettävissä olevien materiaalien tyypeissä, erityisesti nanoskaalaisessa tulostuksessa.
Vuonna 2022 tutkijat kehittivät uuden nanoskaalaisen 3D-tulostusmenetelmän käyttäen materiaalia, joka erottuu erinomaisesta voimankestävyyden, suojan ja kaksinkertaisen energian absorptio-kyvyn suhteen verrattuna muihin saman tiheyden materiaaleihin. Tämä edistys avaa lukuisia sovelluksia aloilla kuten droonit, satelliitit ja mikroelektroniikka.
Toinen merkittävä haaste 3D-tulostusteknologian (3D printing) omaksumisessa on kustannus. Käytetyt materiaalit ovat kalliita, ja itse 3D-tulostuskoneet, jotka riippuvat kyvystä tuottaa tuotteita tietyillä ominaisuuksilla, ovat kalliita.
Lisäksi ohjelmistojen, teknologian ylläpidon ja järjestelmäintegraation kulut nostavat tämän tekniikan kokonaiskustannuksia entisestään. Tämän korkean kustannuksen vuoksi 3D-tulostus on edelleen toteuttamiskelpoisempi pienimuotoiseen ja erittäin erikoistuneeseen tuotantoon.
Tutkimus tällä alalla on jatkunut jonkin aikaa eri ongelmien ratkaisemiseksi. Esimerkiksi muutama vuosi sitten tutkijaryhmä näytti kehitti 3D-tulostustekniikan, joka tuottaa monimutkaisia nanoskaalaisia 3D-objekteja nopeasti sileillä ominaisuuksilla.
Kuitenkin tosiasia on, että huolimatta sen potentiaalista monien laitteiden kehittämisessä, nanoskaalainen 3D-tulostus on äärimmäisen kustannusintensiivinen. Tämä saattaa vihdoin muuttua, sillä uusi tutkimus on löytänyt lähestymistavan, joka vähentää kustannuksia ja sisäänpäästökynnystä dramaattisesti, tehden prosessista kaupallistamiskelpoisen.
Nopeampi ja halvempi tapa tulostaa pieniä metallirakenteita valolla
Viimeisin tutkimus on kehittänyt uuden tavan tulostaa nanoskaalaisia metallirakenteita, jotka perustuvat matalan intensiteetin valoon. Tämä uusi valoon perustuva lähestymistapa on äärimmäisen nopea, jopa 480 kertaa nopeampi kuin nykyiset menetelmät, ja samalla edullinen.
Tätä uutta tutkimusta, jonka nimi on “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)”, toteuttivat äskettäin yhteiskirjoittajat Sourabh K. Saha, Georgia Techin konetekniikan apulaisprofessori, ja Jungho Choi, joka on Sahan laboratoriossa tohtoriopiskelija.
Sahan mukaan kustannus ja nopeus ovat kaksi tekijää, joita “arvostetaan suuresti liian vähän tiedeyhteisössä” pienten rakenteiden valmistuksessa ja tuotannossa. Vaikka ne jäävät tiedeyhteisössä huomiotta, nämä mittarit ovat todella tärkeitä todellisessa maailmassa “kun siirretään löydöksiä laboratoriosta teollisuuteen”.
“Vasta kun meillä on valmistustekniikoita, jotka ottavat nämä mittarit huomioon, pystymme täysin hyödyntämään nanoteknologiaa yhteiskunnan eduksi.”
– sanoi Saha
Choi ja Saha ovat myös keksijöinä SLP-patenttihakemuksessa, jonka immateriaalioikeudet on siirretty Georgia Tech Research Corporatioille.
Julkaistu Advanced Materials -lehdessä, viikoittaisessa vertaisarvioidussa tieteellisessä julkaisussa, uusi tutkimus paljasti, että nämä tutkijat ovat kehittäneet valoon perustuvan tavan tulostaa nanoskaalaisia metallirakenteita, mikä on nopeampaa, halvempaa ja skaalautuvaa.
Tämän seurauksena tällä teknologialla on potentiaalia mullistaa lisävalmistuksen ala, joka on kohtuuttoman kallista ja hidasta. Tämä läpimurto on 35 kertaa edullisempi kuin markkinoilla tällä hetkellä saatavilla olevat teknologiat.
Itse asiassa on monia teknologisia edistysaskeleita useilla aloilla, jotka perustuvat kykyyn tulostaa nanoskaalisia metallirakenteita, tekniikkaa, jota kutsutaan nanopatterningiksi. Näitä aloja ovat anturit, elektroniset laitteet, fotoniikka, aurinkoenergian muuntaminen, biolääketiede ja diagnostiikka sekä muut järjestelmät.
Kun puhutaan nanoskaalaisesta tulostuksesta, uskotaan, että prosessi vaatii korkean intensiteetin valonlähteen. Yksi tällainen väline on femtosekuntilaser, joka tuottaa erittäin lyhyitä laserpulssia tarkennuspisteeseen.
Vaikka se on todella hyödyllinen, tämä väline voi olla erittäin kallis. Koska sen hinta voi olla jopa puoli miljoonaa dollaria, se ei ole realistinen useimmille tutkimuslaboratorioille eikä tietysti pienyrityksille.
Sahan mukaan juuri tämä kustannus tekee vaikeaksi, että nämä läpimurrot näkevät koskaan todellisen maailman, ja ne päätyvät pelkästään laboratorioprojekteiksi. Hän sanoi:
“Tiedeyhteisönä meillä ei ole kykyä tuottaa riittävästi näitä nanomateriaaleja nopeasti ja edullisesti, ja siksi lupaavat teknologiat pysyvät usein rajoittuneina laboratorioon eivätkä siirry todellisiin sovelluksiin.”
Joten seuraava ilmeinen kysymys on, onko todella tarvetta näin korkean intensiteetin välineelle? Vastaus oli negatiivinen, kuten Saha sanoi:
“Hypoteesimme oli, että emme tarvitse sitä valonlähdettä saadaksemme haluamamme tulostustyypin.”
Tämän seurauksena tutkijat alkoivat etsiä edullista valoa, jolla on alhainen intensiteetti mutta joka voidaan tarkentaa samalla tavalla kuin femtosekuntilasereilla. He löysivät superluminescenttiä (SLED) -valoaemittoivia diodeja, jotka valittiin niiden kaupallisen saatavuuden vuoksi.
SLED on superluminesenssiin perustuva reunasta säteilevä puolijohdevalonlähde, joka yhdistää laser-diodesien kirkkauden ja korkean tehon perinteisten LEDien alhaiseen koherenssiin. SLEDien lähettämä valo on merkittävästi vähemmän intensiivinen kuin femtosekuntilasereiden.
Alhaisen intensiteetin valoon perustuva projektiotyylinen nanoskaalainen tulostus
Tämän tutkimuksen avulla Choi ja Saha pyrkivät kehittämään ensimmäisen projektiotyylisen tulostusteknologian. Järjestelmä on suunniteltu toimimaan kuin digitaalinen projektori, muuttaen kuvat digitaalisesta optiseksi ja esittäen ne lasipinnalla.
Kuitenkin tämän tulostusteknologian tuottamat kuvat ovat tarkemmin tarkennettuja. Tämä tarkkuus johtuu superluminescentin valon ainutlaatuisten ominaisuuksien hyödyntämisestä kuvien luomisessa minimaalisilla virheillä.
Tämä SLP- tai superluminescent-valon projektiotekniikka tulostaa nopeasti alidiiffraktiivisia (mitat lyhyemmät kuin käytetyn valon diffraktioraja) nanorakenteita vähemmän intensiivisellä valolla. Tutkijat hyödynsivät diode-pohjaisten superluminescent -valojen spatiaalista ja temporaalista koherenssia.
Nyt tutkimuksessaan he käyttivät metallisuolaa yhdessä muiden kemikaalien kanssa kehittääkseen läpinäkyvän musteaineseoksen, joka voi absorboida valoa. Kun heidän projektiijärjestelmänsä valo osui liuokseen, se aiheutti kemiallisen reaktion, muuttaen liuoksen metalliksi. Nämä metallin nanopartikkelit tarttuivat lasin pinnalle, luoden nanorakenteet.
Projektiotyylinen tulostusteknologia tarkoittaa, että sitä voidaan käyttää tulostamaan kokonaisia rakenteita kerralla. Se, että sen sijaan että mennään pisteestä pisteeseen, tämä tekniikka tekee kaiken yhdellä kertaa, tekee siitä nopeamman kuin muut perinteiset menetelmät.
Valoon perustuvan projektiotyylisen nanoskaalaisen metallitulostuksen testaus paljasti, että se toimii myös alhaisella intensiteetillä, kunhan kuvat ovat tarkasti tarkennettuja.
Choin ja Sahen mukaan heidän työnsä voidaan toistaa nopeasti muiden tutkijoiden toimesta kaupallisesti saatavilla olevalla laitteistolla. Tämä ei myöskään maksa paljon, sillä heidän tutkimuksessaan käytetty SLED-tyyppi maksaa noin 3 000 dollaria.
Tällä tavalla tutkimus mahdollistaa pienten yritysten, tutkimuskeskusten ja jopa yksityishenkilöiden hyödyntää teknologiaa ja kokeilla sitä innovoidakseen. Choin mukaan:
“Tällä hetkellä vain huippuyliopistoilla on pääsy näihin kalliisiin teknologioihin, ja vaikka heilläkin on, ne sijaitsevat jaetuissa tiloissa eivätkä ole aina saatavilla.”
Lisäksi Choi sanoi:
“Haluamme demokratisoida nanoskaalaisen 3D-tulostuksen kyvyn, ja toivomme, että tutkimuksemme avaa oven laajemmalle pääsylle tähän prosessiin alhaisella kustannuksella.”
Tällä läpimurrolla on todellinen potentiaali auttaa uusia teknologioita pääsemään lopulta pois tutkimuslaboratorioista ja maailmaan käyttöön.
Tutkimuksella on varmasti laaja sovelluspotentiaali, ja tutkijat sanovat, että heidän tekniikkansa on erityisen hyödyllinen optiikan ja plasmoniikan aloilla, jotka vaativat monenlaisia monimutkaisia metallisia nanorakenteita.
Muita mahdollisia alueita, joilla sitä voidaan tulevaisuudessa käyttää, ovat pienemmät ja tehokkaammat elektroniset komponentit älypuhelimille, tietokoneille ja kannettaville laitteille. Lisäksi se voi auttaa kehittyneissä antureissa, toimilaitteissa, pienikokoisissa viestintäjärjestelmissä, biolääketieteellisissä laitteissa kuten implanteissa ja diagnostiikkalaitteissa, pienikokoisessa optiikassa kameroille ja kuvantamisjärjestelmille, pienissä energiankeräyslaitteissa sekä uusien, räätälöityjen ominaisuuksien omaavien materiaalien kehittämisessä.
Nanoskaalainen 3D-tulostus auttaa edelleen tutkimuksessa ja entistä toteuttamiskelpoisempiin ratkaisuihin.
Yritykset, jotka johtavat lisävalmistusta
Katsotaanpa nyt muutamia yrityksiä, jotka johtavat lisävalmistuksen alalla:
#1. Stratasys
Yhdysvalloissa toimiva 3D-tulostusratkaisujen tarjoaja on kansainvälinen johtaja lisävalmistusteollisuudessa. Stratasys toimittaa valikoiman 3D-tulostimia ja materiaaleja auto-, terveydenhuolto-, koulutus-, avaruus- ja monille muille aloille. Yrityksellä on myös lukuisia lisävalmistusteknologian patentteja, joita käytetään mallien, prototyyppien, valmistustyökalujen ja tuotanto-osien luomiseen.
Yrityksen uusin 3D-tulostin, F3300, sisältää merkittäviä parannuksia nopeudessa ja kustannuksissa. Se tarjoaa suuremmat gantrinopeudet, nopeammat suulakepituudet ja automaattisen kalibroinnin, mikä säästää aikaa ja lisää läpimenoa. Kone on tarkoitettu lopputuotteiden valmistukseen, mutta sitä voidaan käyttää myös prototypointiin.
SSYS Hintakaavio
Markkina-arvolla 902,6 miljoonaa dollaria Stratasysin osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 13,05 dollaria, mikä on 8,61 % laskua kuluvan vuoden alusta (YTD). Yritys ilmoitti 12 kuukauden (TTM) liikevaihdoksi 630,52 miljoonaa dollaria, EPS (TTM) -1,61 ja P/E (TTM) -8,10.
#2. 3D Systems
Tunnettu nimi lisävalmistusteollisuudessa, 3D Systems (DDD ) tarjoaa laajan valikoiman 3D-tulostusratkaisuja, jotka kattavat laitteiston ja ohjelmistot sekä materiaalit eri aloille, kuten terveydenhuolto, avaruus, puolustus, auto-, kuluttajatuotteet ja yleisvalmistus.
3D Systemsin teknologioihin kuuluvat Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, stereolitografia (SLA) ja SLA-pohjainen biotulostus.
Viime vuonna yritys ilmoitti potilaskohtaisesta 3D-tulostetusta kallon implantista, jota käytettiin menestyksekkäästi kranioplastiaan Baselin yliopistollisessa sairaalassa. 3D-tulostettujen kallon implanttien odotetaan saavuttavan 2,1 miljardin dollarin markkina-alueen tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.
DDD Hintakaavio
Markkina-arvolla 677,845 miljoonaa dollaria 3D Systems Corp:n osake käy tällä hetkellä hintaan 5,08 dollaria, mikä on 20 % laskua kuluvan vuoden alusta (YTD). Yritys ilmoitti liikevaihdoksi (TTM) 505,95 miljoonaa dollaria, EPS (TTM) -0,74 ja P/E (TTM) -6,85.
#3. GE Additive
General Electricin teknologiajättiläisen osasto, GE Additive, tarjoaa kattavan valikoiman tulostimia, kulutustarvikkeita ja ohjelmistoratkaisuja, joiden avulla eri markkinasegmenttien yritykset voivat innovoida.
Viime kuussa yritys esitteli metallibinder-jet -teknologiaansa Euroopan suurimmassa lisävalmistuksen (AM) messussa. Tämän vuoksi GE Additive tekee yhteistyötä uuden teollisuuden, lääketieteen, kanssa laajentaakseen näkökulmiaan pelkän avaruusteknologian ulkopuolelle. Binder-jet -tekniikalla yritys pyrkii tarjoamaan “toissijaisen valmistusmenetelmän, jos toimitusketjussa ilmenee ongelmia”.
GE Hintakaavio
Markkina-arvolla 141,4 miljardia dollaria General Electric (GE.TO ) Co:n osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 129,93 dollaria, mikä on 1,8 % nousu kuluvan vuoden alusta (YTD). Yritys ilmoitti liikevaihdoksi (TTM) 67,95 miljardia dollaria, EPS (TTM) 8 ja P/E (TTM) 16,24. GE maksaa myös osinkotuoton 0,25 %.
Lopulliset ajatukset
Vaikka tutkimus on vielä varhaisessa vaiheessa, nanoskaalainen 2D-tulostus ja lisävalmistusmaailma kehittyvät nopeasti. Kuten näimme, nopeampia ja halvempia tulostustekniikoita kehitetään, jotka tekevät nanoskaalaisesta metallitulostuksesta skaalautuvan ja kaupallisesti kannattavan.
Kun uutta tutkimusta jatketaan kustannus- ja materiaalirajoitteiden ratkaisemiseksi, näemme uusia ratkaisuja, jotka poistavat sisäänpäästökynnykset ja tuottavat räätälöityjä ja kestäviä tuotesuunnitelmia. Tämä johtaa tekniikoiden laajamittaiseen käyttöön lääketieteessä, muotialalla, kuluttajatuotteissa, kehittyneessä elektroniikassa ja monessa muussa, lopulta lisäten merkittävästi nano-ominaisten laitteiden käyttömahdollisuuksia todellisessa maailmassa ja tehden 3D-tulostuksesta markkinakelpoisen.
