Ei pääsyä tiettyyn tieteelliseen laitteistoon? Älä huoli – tulosta se lisävalmistuksella

Tieteellisten laitteiden tarve kasvaa kaikkialla maailmassa. Yhden arvion mukaan globaali tieteellisten instrumenttien markkinakoko kasvaa hieman yli 28 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuonna 2022 yli 34 miljardiin Yhdysvaltain dollaria vuoteen 2028, 3,2 %:n CAGR:lla. 

Erilaiset tieteelliset laitteet nopeuttavat tieteellistä kehitystä vähentämällä inhimillisen virheen riskiä ja automatisoimalla toistuvia prosesseja. Ne vapauttavat aikaa tutkijoille ideoida konsepteja ja ratkaisuja.

Mikael Hagstroemin, Technology Networksin toimitusjohtajan, mukaan jopa 70 % laboratoriotyöntekijän ajasta voi mennä hukkaan hallinnollisiin tehtäviin, valmistelutyöhön, datan etsimiseen ja puhdistamiseen tai raportointiin.

Koska tieteelliset instrumentit säästävät paljon aikaa ja helpottavat prosesseja tehokkaasti, voi olla turhauttavaa, jos ei saa tiettyä tieteellistä laitteistoa oikeaan aikaan. Mutta nykyään on tuskin syytä valittaa tällaisesta saatavuudesta.

Lisävalmistus, yleisesti tunnettu nimellä 3D printing, on tullut pelastajaksi. Kuinka lisävalmistus auttaa pääsemään käsiksi tiettyihin tieteellisiin laitteisiin, tarkastelemme tarkemmin seuraavissa osioissa. Ennen kuin syvennymme, katsotaan lyhyt yleiskatsaus siitä, mitä lisävalmistus tai 3D‑tulostus on!

Mitä on lisävalmistus?

MIT Sloan School of Managementin julkaisema relevantti selostus lisävalmistuksesta määrittelee sen ‘prosessi, jossa kohde luodaan rakentamalla se kerros kerrokselta. Se on päinvastainen kuin poistava valmistus, jossa kohde luodaan poistamalla materiaalia kiinteästä lohkosta, kunnes lopullinen tuote on valmis.’

Yleisesti ottaen lisävalmistusprosessi noudattaa kolmen askeleen sarjaa, joka on seuraava: 

• Ensinnäkin suunnitelma luodaan laboratoriossa. Se voidaan tehdä käyttämällä tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) ja vastaavaa ohjelmistoa. Tai voidaan suoraan skannata tulostettava kohde.
• Toinen vaihe sisältää sen, että ohjelmisto muuntaa suunnitelman vaihe vaiheelta kerroksiseksi rakenteeksi, jota lisävalmistus- tai 3D‑tulostuslaitteisto seuraa.
• Viimeinen vaihe, joka on myös syy siihen, että prosessia kutsutaan 3D‑tulostukseksi, sisältää kerroksellisen rakenteen lähettämisen 3‑D‑tulostimelle, joka alkaa välittömästi luoda kohdetta. 

Lisävalmistus tai 3D‑tulostus on yhteensopiva monien eri materiaalityyppien kanssa, mukaan lukien polymeerit, metallit, keraamit, vaahdot, geelit, biomateriaalit ja muut. 

MIT:n materiaalitieteen ja -tekniikan tohtorikandidaatin Arvind Kalidindin mukaan:

“Kunhan löydät tavan paikallisesti liittää kaksi osaa yhteen, voit 3‑D‑tulostaa sen.”

Tämä monipuolisuus ja lähes universaali yhteensopivuus tekevät 3D‑tulostuksesta tai lisävalmistuksesta sopivan tiettyjen tieteellisten laitteiden valmistukseen. Tarkastelemme nyt joitakin tällaisia esimerkkejä alla: 

3D‑tulostetut kannettavat massaspektrometrin komponentit ja muuta

Massaspektrometri on laite, joka pystyy tunnistamaan kemiallisia aineita. Massaspektrometreja käytetään monilla eri sovellusalueilla, rikospaikoista geologisiin kartoituksiin; ne palvelevat monia tarkoituksia. 

MIT:n tutkijaryhmä on kehittänyt 3D‑tulostetun massasuodattimen, joka toimii massaspektrometrin ydinosana. Quadrupolina tunnettu tämä miniaturisoitu suodatin on merkittävästi kevyempi ja halvempi kuin perinteiset vastineet. Vaikka kaupalliset massasuodattimet, jotka on valmistettu lämpöä kestävästä lasikeraamisesta ja hartsista, maksavat yli 100 000 USD, nämä lisävalmistuksesta peräisin olevat massasuodattimet maksavat muutaman dollarin ja voidaan valmistaa tunteina. 

MIT:n Microsystems Technology Laboratoriesin pääasiallinen tutkimustieteilijä Velasquez‑Garcia:n mukaan: “On olemassa muita miniaturisoituja quadrupoli‑suodattimia, mutta ne eivät ole vertailukelpoisia ammattilaisluokan massasuodattimien kanssa. Tälle laitteistolle on paljon mahdollisuuksia, jos koko ja hinta voisivat olla pienempiä vaikuttamatta haitallisesti suorituskykyyn.”

Vaikka yllä mainittu esimerkki on yksi alan viimeisimmistä saavutuksista, vastaavia esimerkkejä on aiemmin rekisteröity tieteellisen ja teknologisen T&K:n alalla. Esimerkiksi McGill-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet lab‑on‑a‑chip -diagnostiikkateknologian, joka korvaa monien laboratoriolaitteiden käytön ja toimii miniaturisoituina teknologioina. Sirua voidaan valmistaa 30 minuutissa 3D‑tulostusta käyttäen. Raporttien mukaan ratkaisu voi antaa terveydenhuollon ammattilaisille mahdollisuuden luoda “räätälöityjä ratkaisuja erityistarpeisiin juuri hoitopisteessä.” 

Toinen MIT:n tutkijaryhmä käytti monimateriaalista 3D‑tulostusta luodakseen itsekuumenevia fluidisia laitteita, joissa on sisäänrakennetut lämmityselementit. Nämä ovat miniaturisoituja koneita, jotka voivat manipuloida nesteitä ja helpottaa kemiallisia reaktioita. Sen sijaan, että useat huippuluokan suuret koneet toimisivat samanaikaisesti, tämä teknologia pystyy havaitsemaan sairauksia pienissä verinäytteissä tai nesteissä. 

Tieteellisten laitteiden käyttö etäyhteyden kautta

3D‑tulostus tieteellisissä ja laboratoriolaitteissa on myös auttanut poistamaan fyysisen/geografisen etäisyyden asettamia rajoitteita. Aikaisemmin 3D‑tulostimet vaativat koulutetun 3D‑tulostusoperaattorin läsnäolon paikalla. COVID‑19‑pandemian alkamisen myötä kuitenkin syntyi ratkaisuja, jotka mahdollistivat etätyön lisävalmistuksen alalla.

Esimerkiksi MakerBot CloudPrint kehitti ratkaisun, jonka avulla insinööritiimit voivat työskennellä tehokkaasti etänä tai eri paikoista. Sen pilvipohjainen 3D‑tulostusalusta tarjoaa saumattoman työnkulun tiimeille, joilla on läsnäolo useissa paikoissa. Useissa paikoissa työskentelevät insinöörit voivat tehdä yhteistyötä näiden 3D‑tulostimien kanssa viipaloimalla ja valmistamalla 3D‑tulosteensa suoraan selaimesta. 

Laitteessa on sisäänrakennettu jonotus- ja valvontatoiminnot, ja se mahdollistaa käyttäjien lisätä, valvoa ja hallita pääsyä yhdistettyihin MakerBot‑tulostimiin mistä tahansa. Siinä on myös hallintapaneeli keskitettyyn tulostuksen edistymisen seurantaan ja valvontaan. Live‑kamerasyötteet auttavat saamaan viimeisimmät tilapäivitykset tulostustöistä. 

Tällaiset ja muut ratkaisut ovat tehneet työnkulun sujuvaksi, saumattomaksi ja kustannustehokkaaksi monille tieteellisten laitteiden valmistajille. 

Tieteellisten laitteiden valmistajien tyypit, jotka hyötyvät lisävalmistuksesta/3D‑tulostuksesta

Avaruustutkimuslaitteiden valmistajat ovat yksi segmentti, joka hyötyy merkittävästi lisävalmistuksesta tai 3D‑tulostuksesta. Tieteellinen tutkimus on osoittanut tavan rakentaa 3D‑tulostettuja laboratoriolaitteita mittaamaan massamateriaaleja äärimmäisissä olosuhteissa, joita avaruustutkimusprojektit asettavat tutkijoille.

Vuonna 2022 Nature-lehti mainitsi tutkimuksen, jossa kehitettiin 3D‑tulostettu laite mittaamaan nanofluidien pinnajännitystä. Mittaustulos oli verrattavissa kaupallisiin laitteisiin. 

Tutkimus tutki myös mahdollisuuksia käyttää mittausinstrumentteja materiaalin pursotuksen 3D‑tulostusmenetelmällä mittaamaan valittuja mekaanisia ja fysikaalisia ominaisuuksia massamateriaaleissa äärimmäisissä olosuhteissa.

Toinen tieteellisten laitteiden valmistajien tyyppi, joka hyötyy lisävalmistuksesta tai 3D‑tulostuksesta, kuuluu elektroniikan alaan. Laseripohjaisten lisävalmistusprosessien tarkkuus auttaa luomaan mikroelektromekaanisia järjestelmiä. Tässä prosessissa voidaan kehittää monimutkaisia komponentteja, kuten kiihtyvyysmittareita ja gyroskooppeja.

Koulutuslaitteiden valmistus on jälleen yksi ala, joka voi hyödyntää lisävalmistusta tehokkaasti. On olemassa 3D‑tulostimia, jotka auttavat opiskelijoita kokeilemaan tarkasti suunniteltua laitteistoa ja teollisuuden luokan materiaaleja.

Näiden laitosten joitakin yhteisiä ominaisuuksia ovat kyky työskennellä monenlaisilla lähtömateriaaleilla yhdellä alustalla. Ne ovat turvallisia käyttää, eivätkä vaadi lainkaan tai vaativat vain hyvin vähän henkilökohtaisia suojavarusteita. Lisävalmistuslaitteet sisältävät sisäänrakennetun ohjelmiston helppoon ja saumattomaan ohjaukseen ja valvontaan.

Monet yritykset tekevät lisävalmistuksesta tai 3D‑tulostuksesta helppoa eri toimialoille. Tarkastelemme nyt joitakin tällaisia yrityksiä.

#1. Markforged

Markforged tarjoaa täydellisen valikoiman lisävalmistusratkaisuja, mukaan lukien teolliset 3D‑tulostinkoneet, suorituskykyiset materiaalit kuten metallit, jatkuvat kuidut ja komposiitit, sekä yritysohjelmiston, joka parantaa työnkulkua.

Markforgedilla on kolme 3D‑tulostintyypiä: metallitulostimet, teolliset komposiittitulostimet ja pöytätason komposiittitulostimet. Näiden ratkaisujen käyttötarkoitusalueita ovat ilmailu, autoala, kuluttajatuotteet, koulutus ja tutkimus, elektroniikkavalmistus, energia, liittovaltion ja puolustussektori, teollisuuslaitteet, terveydenhuolto ym.

Yksi Markforgedin suosituimmista tuotteista on FX10, yhtiön seuraavan sukupolven teollinen komposiittitulostin. Laitteessa on vision-moduuli ja laser-mikrometri, edistynyt materiaalikammio nopeaa latausta ja vähäistä käyttäjän puuttumista varten, 7‑tuuman kosketusnäyttö sekä lämmitetty rakennuskammi, joka lämpenee 60 °C:een.

Markforged ilmoitti neljänneksen ja koko vuoden 2022 tuloksensa maaliskuussa 2023. Yhtiö koki liikevaihdon kasvun 11 %:iin, 29,7 miljoonaan dollariin neljänneksellä 2022 verrattuna 26,6 miljoonaan dollariin neljänneksellä 2021. Koko vuoden liikevaihto kasvoi 11 %:iin, 101,0 miljoonaan dollariin vuonna 2022 verrattuna 91,2 miljoonaan dollariin vuonna 2021. Kuitenkin bruttokate laski 4 %:iin, 50,7 miljoonaan dollariin vuonna 2022 verrattuna 52,9 miljoonaan dollariin vuonna 2021.

#2. Hewlett Packard

Toinen laajamittainen teknologiayritys, joka on vahvasti panostanut 3D‑tulostuksen saatavuuteen kaikille, on Hewlett‑Packard eli HP. HP:n 3D‑tulostusratkaisuja käytetään monilla toimialoilla, kuten ilmailussa, kuluttajatuotteissa ja elektroniikassa, koulutuksessa, terveydenhuollossa ja lääketieteessä, teollisuudessa, valmistuspalveluissa, muovatussa kuidussa, ortoosissa ja proteeseissa, kuljetuksessa ja autoteollisuudessa sekä muissa. Yksi näistä sovellusalueista, joka vaatii pääsyn tiettyihin tieteellisiin laitteisiin, on koulutus. HP:n multi‑jet‑fusion‑teknologia auttaa rakentamaan osia ja toiminnallisia prototyyppejä useilla eri aloilla koulutus‑/tutkimuslaitoksessa, insinöörityöstä arkkitehtuuriin.

HP:n Jet Fusion – 3D‑tulostusratkaisut tukevat sekä perus- että edistynyttä 3D‑laboratoriotutkimusta, mukaan lukien kehitys­laboratorioissa, lisävalmistus­laboratorioissa, yliopistojen palvelukeskuksissa sekä sairaaloiden/terveydenhuollon 3D‑laboratorioissa tehtävät tutkimukset.

HP raportoi tilikauden 2023 koko vuoden ja neljänneksen tulokset 21. marraskuuta 2023. HP Inc. (HPQ ) ja sen tytäryhtiöt (“HP”) rekisteröivät nettoliikevaihdon 53,7 miljardia dollaria, 15 % (12 % vakiovaluutassa) vähemmän kuin edellisvuonna. Neljänneksen nettoliikevaihto oli 13,8 miljardia dollaria, 6 % (5 % vakiovaluutassa) vähemmän kuin edellisvuonna.

#3. Formlabs

Formlabs perustettiin vuonna 2011 kolmen MIT:n jatko-opiskelijan toimesta, joiden tavoitteena oli rakentaa ensimmäinen 3D‑tulostin, joka pystyy saavuttamaan teollisen, ammattilaislaadun osia kohtuulliseen hintaan. Siitä lähtien yhtiö on noussut yhdeksi maailman suurimmista ammattilais‑stereolitografia- ja valikoivan laser‑sinteröinnin 3D‑tulostimien toimittajista.

Formlabsin valikoima sisältää edullisia, teollisen laadun pöytätason 3D‑tulostimia, suurikokoisia 3D‑tulostimia ja kehittyneitä pöytätason 3D‑tulostimia terveydenhuoltoon. Sen tulostimet voivat käyttää yli 20 toiminnallista hartseaineita prototyyppien ja lopullisten osien valmistukseen. Ne ovat yhteensopivia vähintään kuuden korkean suorituskyvyn teollisuusluokan materiaalin kanssa, mukaan lukien nailon 11, nailon 12, TPU, polypropeeni, lasi ja hiilitäytteiset nailonkomposiitit. Tulostimet soveltuvat toimimaan ympäristön lämpötilassa, ja vain PU‑hartseaineet vaativat kuivakaapin kosteuden hallintaan. Ne toimivat myös hyvin ilmassa ja typpiatmosfäärissä parantaen materiaalien ominaisuuksia ja alentaen virkistysnopeuksia.

Raporttien mukaan, jotka julkaistiin vuonna 2021, yhtiön arvostus kaksinkertaistui 2 miljardiin dollariin sen jälkeen, kun SoftBank Groupin Vision Fund 2 johti 150 miljoonan dollarin rahoituskierrosta. Ennen tätä yhtiön arvostus oli yli 1 miljardi dollaria, kun se keräsi 15 miljoonaa dollaria rahoitusta New Enterprise Associates (NEA) -yhtiöltä elokuussa 2018.

Lisävalmistus: Pelinmuuttaja tieteellisen tutkimuksen alalla

Tieteellinen tutkimus vaatii huipputason koneita, mutta ne ovat kalliita laitteita, jotka usein ylittävät tutkimuslaitosten ja itsenäisten tutkijoiden taloudelliset mahdollisuudet. Tästä syystä 3D‑tulostus tai lisävalmistus on näissä tapauksissa siunaus, sillä ne ovat helppoja kehittää ja edullisia. Lisäksi ne tarjoavat tarkkuudeltaan kaupallisiin laitteisiin verrattavia tuloksia, jotka ovat paljon kalliimpia ja tyypillisesti vain suurten yritysten ja instituutioiden varassa.

Lisäksi lisävalmistus ratkaisee myös logistiikasta aiheutuvat haasteet. Tämä on tärkeää, koska tarkan tieteellisen laitteiston toimittaminen juuri oikeaan aikaan voi olla kallista ja aikaa vievää. Tässä suhteessa 3D‑tulostus auttaa ratkaisemaan myös tämän haasteen.

Lisäksi, kun otetaan huomioon tieteellisten laitteiden fyysiset ominaisuudet, jotka ovat usein raskaita ja monimutkaisia eikä niitä ole helppo kuljettaa vaikeisiin paikkoihin, hyödyt korostuvat entisestään. Kuten olemme jo nähneet avaruustutkimuksen ja geologisten kartoitusten skenaarioissa, kannettavien 3D‑tulostimien ja raaka-aineiden kuljettaminen näihin paikkoihin on hyödyllistä laitteiden paikalliseen kehittämiseen.

Kaiken kaikkiaan nämä tekijät osoittavat, että lisävalmistus avaa uuden horisontin, jossa tieteellisten laitteiden hankkiminen on paitsi edullisempaa myös vaivaton prosessi.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista 3D‑tulostus- ja lisävalmistusosakkeista.