Manufaktur aditif
Partikel Mikroskopik yang Dicetak 3D Dapat Mengubah Kedokteran dan Elektronik
Revolusi dalam dunia pencetakan 3D terjadi dengan cepat. Awal bulan ini, sebuah perusahaan di Jerman membuat Wave House menggunakan pencetakan 3D. Itu adalah bangunan tercetak 3D terbesar di Eropa, berukuran 600 m² (6.600 kaki persegi), dan memiliki penampilan yang tidak biasa karena desain gelombangnya yang tidak dapat diwujudkan melalui metode konstruksi konvensional. Teknologi pencetakan konstruksi 3D memberikan kebebasan desain dan memakan waktu sekitar 140 jam.
Minggu lalu, masjid tercetak 3D pertama di dunia, dengan luas area 5.600 m², dibuka di Jeddah, Arab Saudi. Dibutuhkan enam bulan untuk menyelesaikan konstruksi masjid tersebut.
Berbicara tentang teknologi pencetakan 3D, perusahaan berbasis Texas, ICON, baru-baru ini memperkenalkan printer 3D yang dipasang pada lengan robotik bernama Phoenix. Printer ini dapat membuat struktur bertingkat dengan sistem tertutup sepenuhnya dari campuran berkarbon rendah. Dengan tinggi 70 kaki, Phoenix memungkinkan konstruksi yang lebih tinggi (hingga 27 kaki) dibandingkan printer ICON saat ini, Vulcan, yang memiliki sistem gantri dengan sasis lebih dekat ke tanah.
Perusahaan tersebut juga mengumumkan pengembangan campuran material baru bernama CarbonX, yang merupakan “sistem bangunan residensial dengan jejak karbon terendah yang siap digunakan secara skala besar.” Selain itu, ICON telah mengintegrasikan AI ke dalam sistemnya sehingga siapa pun dapat merancang skema rumah yang dapat dicetak 3D melalui platform Vitruvius mereka.
Namun itu bukan semuanya. Bulan lalu, pencetakan 3D memungkinkan pembuatan mata prostetik yang sangat realistis dalam waktu hanya 90 menit, dibandingkan dengan 8 jam biasanya yang dibutuhkan teknisi terampil untuk memproduksinya secara manual. Selain itu ada pencetakan 3D drone, bahan bakar roket, dan bahan peledak.
Pencetakan 3D, seperti yang telah kami bahas di atas, jelas berkembang dengan cepat, yang masuk akal mengingat minat dalam bidang ini meningkat secara luar biasa. Minat yang berkembang disebabkan oleh kemampuan teknik ini untuk membuat bentuk khusus dan mencetak berbagai jenis material dalam satu bagian, menghemat biaya dan material sekaligus ramah lingkungan.
Juga disebut manufaktur aditif, pencetakan 3D melibatkan penumpukan material lapis demi lapis menggunakan printer untuk membangun sebuah objek. Namun, proses ini tidak lepas dari tantangan, terutama terkait keterbatasan material, pembentukan material tertentu, ukuran terbatas, ketidakakuratan desain, dan lain-lain.
Oleh karena itu, para ilmuwan sedang mencari cara untuk mengatasi tantangan ini dan membuat pencetakan 3D lebih efektif serta dapat diterapkan secara skala besar.
Baru-baru ini, sebuah studi merancang proses baru untuk pencetakan 3D pada skala mikro yang menghasilkan partikel, dengan kecepatan hingga 1 juta per hari, dalam hampir semua bentuk untuk digunakan dalam manufaktur, kedokteran, dan penelitian.
Partikel Mikroskopik yang Dicetak 3D
Diterbitkan di Nature, studi disebut “Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles” dan dilakukan oleh peneliti dari Universitas Stanford.
Peneliti yang terlibat dalam studi ini meliputi Jason M. Kronenfeld, mahasiswa Ph.D. dari Departemen Kimia Stanford, sementara Lukas Rother dan Maria T. Dulay bekerja di Departemen Radiologi. Max A. Saccone dan Joseph M. DeSimone juga tergabung di Departemen Radiologi serta Departemen Teknik Kimia.
Dalam studi tersebut, para peneliti mencatat bagaimana pembuatan partikel semakin populer berkat beragam aplikasinya dalam mikroelektronika, bahan abrasif, sistem granular, mikrofluida, bioengineering, serta pengiriman obat dan vaksin.
Meskipun partikel tercetak 3D yang sangat kecil ini memiliki beragam aplikasi, mereka memerlukan koordinasi yang tepat antara gerakan panggung, penyampaian cahaya, dan sifat resin (zat yang sangat lengket). Hal ini membuat fabrikasi skala besar partikel mikro khusus tersebut sulit dicapai.
Oleh karena itu, peneliti Stanford memperkenalkan teknik pencetakan 3D beresolusi tinggi, yang dapat diskalakan untuk pembuatan partikel dengan bentuk khusus. Teknik pemrosesan ini, yang berbasis pada roll-to-roll continuous liquid interface production (r2rCLIP), jauh lebih efisien dalam mencetak sejumlah besar partikel mikro yang dapat disesuaikan dan sangat detail per hari.
Menurut penulis utama studi, Kronenfeld, kandidat Ph.D. di laboratorium DeSimone, teknik ini memungkinkan pembuatan bentuk yang lebih kompleks pada skala mikroskopik, dari berbagai material, dan pada kecepatan yang belum pernah terlihat sebelumnya untuk fabrikasi partikel.
Penelitian ini membangun pada teknik pencetakan yang disebut continuous liquid interface production (CLIP), yang diperkenalkan hampir satu dekade lalu, pada tahun 2015, oleh DeSimone dan rekan-rekannya.
CLIP menggunakan cahaya UV dan memproyeksikannya dalam irisan untuk mengeraskan resin dengan cepat menjadi bentuk yang diinginkan. Yang membedakan teknik ini adalah adanya jendela di atas proyektor cahaya UV yang memungkinkan oksigen menembus. Jendela yang permeabel terhadap oksigen ini mencegah resin cair menempel padanya dengan menciptakan apa yang disebut “zona mati”. Dengan demikian, kami dapat mengeraskan fitur halus tanpa mengangkat setiap lapisan dari jendela, yang menghasilkan pencetakan partikel yang lebih cepat.
Co-author DeSimone, yang merupakan Sanjiv Sam Gambhir Professor of Translational Medicine di Stanford dan bertanggung jawab atas berbagai terobosan di bidang perangkat medis, nanomedisin, dan pencetakan 3D, berkata:
“Menggunakan cahaya untuk membuat objek tanpa cetakan membuka horizon baru seluruhnya dalam dunia partikel.”
Mewujudkannya pada tingkat yang dapat diskalakan dapat lebih lanjut memberikan peluang untuk menggunakan partikel ini “untuk mendorong industri masa depan,” tambahnya.
r2rCLIP untuk Memungkinkan Produksi Massal
Berdasarkan CLIP, para peneliti menciptakan proses baru untuk memproduksi massal partikel berskala nano dengan bentuk unik. Pertama, mereka dengan hati-hati menegangkan sebuah film dan mengirimkannya ke printer CLIP, di mana ratusan bentuk dicetak pada film secara bersamaan.
Kemudian, film tersebut dipindahkan ke proses pencucian, pengeringan, dan penghilangan bentuk. Semua langkah ini dapat disesuaikan tergantung pada material yang digunakan dan bentuk yang terlibat. Film kosong pada akhirnya digulung kembali, sehingga dinamakan roll-to-roll CLIP, atau r2rCLIP.
Penggunaan optik resolusi mikron satu digit, bersama dengan gulungan film kontinu alih-alih platform statis, memungkinkan peneliti mencapai fabrikasi cepat yang dapat dipertukarkan serta pelepasan partikel dari berbagai material dengan geometri yang lebih rumit.
Menurut studi, geometri tersebut mencakup bentuk-bentuk yang tidak dapat dicapai dengan teknik berbasis cetakan canggih, sehingga menampilkan kemampuan unik dari pendekatan tim.
Baik bentuk dapat dicetak maupun tidak dapat dicetak dari r2rCLIP ditampilkan dengan ukuran voxel (sampel tunggal pada grid 3D berjarak teratur) sebesar 2,0 × 2,0 µm² dalam pencetakan dan memiliki ketebalan tak didukung sebesar 1,1 ± 0,3 µm.
Sebelum roll-to-roll CLIP, sekumpulan partikel tercetak harus diproses secara manual, yang merupakan proses lambat dan memerlukan upaya fisik besar. Otomatisasi r2rCLIP kini memungkinkan fabrikasi pada tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya, yaitu hingga 1.000.000 partikel setiap hari.
Proses pencetakan partikel mencapai otomatisasi penuh dengan mengganti pelat bangunan statis printer CLIP dengan sistem roll-to-roll film kontinu yang modular. Hal ini memungkinkan pemrosesan pasca otomatis dalam jalur yang mencakup pembersihan, penyembuhan lanjutan, dan pelepasan partikel (panen).
Dalam makalahnya, tim mencatat bahwa keuntungan besar menggunakan teknik roll-to-roll CLIP untuk fabrikasi partikel adalah prosesnya yang tidak memerlukan cetakan. Hal ini memungkinkan produksi beragam geometri partikel tanpa harus mengubah tata letak.
Berbicara tentang fabrikasi partikel, berbagai pendekatan melibatkan pertukaran antara skalabilitas, kecepatan, keseragaman, sifat material, dan kontrol geometris. Misalnya, meskipun beberapa proses dapat mencetak pada skala nanometer, mereka cenderung lebih lambat.
“Kami menavigasi keseimbangan tepat antara kecepatan dan resolusi,” kata Kronenfeld. Teknik mereka, catatnya, “secara khas mampu” memproduksi output beresolusi tinggi, namun juga dapat mempertahankan kecepatan yang diperlukan untuk memenuhi volume produksi partikel yang dibutuhkan untuk berbagai aplikasi.
Dia menambahkan:
“Teknik dengan potensi dampak translasi harus dapat diadaptasi secara layak dari skala laboratorium penelitian ke produksi industri.”
Aplikasi Luas
Penelitian ini, yang didanai oleh National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program dan Bill & Melinda Gates Foundation, bertujuan untuk diadopsi secara luas oleh peneliti lain dan industri.
Dengan pencetakan 3D yang berkembang cepat, r2rCLIP di sini menjadi “teknologi dasar,” kata DeSimone, yang merupakan pendiri dan direktur fakultas Center for STEMM Mentorship Stanford, co-director Canary Center di Stanford untuk Deteksi Kanker Dini, dan faculty fellow Sarafan ChEM-H.
Namun, menurut DeSimone, industri mulai fokus pada produk 3D daripada proses ini, yang “semakin jelas bernilai dan berguna.” Jadi, pertanyaannya sekarang:
“Apa saja aplikasi bernilai tinggi?”
Menurut studi, partikel mikroskopik dengan desain rumit memungkinkan integrasi langsung dalam aplikasi analitik, biomedis, dan material canggih.
Para peneliti sendiri telah bereksperimen dengan produksi partikel lunak dan keras, terbuat dari hidrogel, yang dapat digunakan dalam pengiriman obat di dalam tubuh, serta keramik, yang dapat dipakai dalam manufaktur mikroelektronik.
Dengan menggunakannya dalam produksi partikel hidrogel, menjadi memungkinkan mengisi partikel tersebut untuk mencapai profil pelepasan yang dapat disesuaikan, gradien, atau pulsatif dalam satu injeksi. Banyak studi sebelumnya mengeksplorasi pembuatan sistem resin fotopolimer yang cocok dan memeriksa pengaruh bentuk, ukuran, dan biokompatibilitas material terhadap lokalisasi dan pengiriman. Hal ini menghasilkan pembuatan bioscaffold dan manifold pengiriman, yang membuka banyak prospek untuk memproduksi partikel hidrogel untuk pengiriman obat meskipun tidak melibatkan prosedur fabrikasi yang dapat diskalakan dan dapat dipertukarkan.
Di sini, tim memproduksi kubus hidrogel berukuran unit 400 µm dan secara manual mengisinya dengan sekitar delapan nl muatan representatif setelah pencetakan, kemudian menutupnya dengan tutup hidrogel. Studi ini menyoroti potensi palet pelepasan muatan yang dapat diprogram melalui penelitian masa depan dengan membangun pada studi sebelumnya tentang kinetika kendaraan pengiriman obat dan memanfaatkan sifat yang dapat disesuaikan dari berat molekul serta ketebalan dinding.
Keragaman material dan mekanik, dari keramik hingga hidrogel, juga dapat membantu dalam pembuatan material pintar. Jadi, dengan menunjukkan potensi fabrikasi pada rentang seluas itu, pendekatan produksi partikel yang dapat diskalakan ini juga memiliki potensi aplikasi dalam mikrot alat dan elektronik, tambahnya.
Sementara itu, throughput tinggi teknik (r2rCLIP) memiliki implikasi langsung untuk produksi skala industri perangkat mikro seperti mikrorobot dan sistem pengiriman muatan. Hal ini khususnya mendukung produksi material keramik.
Dengan memanfaatkan resin pra-keramik untuk memproduksi partikel keramik teknis secara massal, studi ini menyatakan, hal tersebut dapat memiliki aplikasi potensial dalam sistem mikroelektromekanik, teknik planarization mekanik sebagai komponen slurry, dan partikel konduktif yang memungkinkan aplikasi industri seperti telekomunikasi dan perawatan kesehatan.
Menurut Dulay, seorang ilmuwan riset senior:
“Ada beragam aplikasi, dan kami baru saja mulai menjelajahinya. Sangat luar biasa posisi kami dengan teknik ini.”
Perusahaan yang Menggunakan Pendekatan Inovatif pada Manufaktur Aditif
Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan yang memimpin dalam pencetakan 3D:
#1. HP Inc.
Nama yang terkenal dalam industri percetakan tradisional, HP Inc. telah melakukan banyak langkah dalam pencetakan 3D, yang melibatkan teknologi Multi Jet Fusion (MJF) mereka, yang dirancang untuk produksi industri. Teknologi ini menawarkan pencetakan 3D berkecepatan tinggi dan kemampuan mengontrol properti setiap voxel individu. Jet Fusion perusahaan untuk produksi industri dan prototipe mencakup Seri 5600 untuk mengoptimalkan aplikasi produksi fleksibel berskala, Seri 5400 untuk aplikasi putih berkualitas, Seri 5200 untuk memproduksi bagian 3D akhir bernilai tinggi, dan Seri 4200 untuk mengoptimalkan produktivitas dan biaya.
Minggu ini, HP berencana menampilkan bagian-bagian tercetak 3D yang memanfaatkan material baru mereka, PA 12 S, pada konferensi tahunan AM Forum di Berlin. Material ini dibuat khusus untuk solusi polimer 3D perusahaan yang digunakan di berbagai industri dan menawarkan manfaat seperti pengurangan biaya serta estetika permukaan yang luar biasa.
(HPQ )
Dengan kapitalisasi pasar $29,83 miliar, saham perusahaan diperdagangkan pada $30,66, naik 1,1% sejak awal tahun (YTD). Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $53,1 miliar, EPS (TTM) 3,41, dan P/E (TTM) 8,91. Perusahaan membayar dividen dengan hasil 3,62%..
#2. Materialise NV
Perusahaan berbasis Belgia ini menawarkan berbagai layanan pencetakan 3D, termasuk pencetakan logam dan polimer. Perusahaan ini khususnya dikenal karena keahliannya di sektor perawatan kesehatan, di mana mereka menggunakan pencetakan 3D untuk implan, panduan bedah, dan model anatomi.
Akhir tahun lalu, Ricoh, perusahaan imaging dan elektronik Jepang, bekerja sama dengan Materialise untuk membawa pencetakan 3D point-of-care ke rumah sakit AS, yang akan memungkinkan produksi model anatomi pasien. Dan bulan lalu, Materialise meluncurkan perawatan sendi temporomandibular (TMJ) yang dipersonalisasi dengan pencetakan 3D.
(MTLS )
Dengan kapitalisasi pasar $293,56 juta, saham perusahaan diperdagangkan pada $5,36, turun lebih dari 24% YTD. Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $278,69 juta, EPS (TTM) 0,13, dan P/E (TTM) 39,57.
Baru-baru ini, perusahaan mengumumkan hasil keuangan untuk Q4 dan seluruh tahun 2023, di mana pendapatannya meningkat masing-masing 4,1% menjadi €65,3 juta dan 10,4% menjadi €256,1 juta, meskipun ada “kondisi makroekonomi dan geopolitik yang bergejolak”.
Materialise juga melaporkan €128 juta dalam kas dan setara kas, yang menurut CEO-nya Brigitte de Vet-Veithen, bersama dengan pembiayaan tambahan yang diamankan, membuat perusahaan “posisi yang baik” untuk terus menawarkan solusi produk dan perangkat lunak 3D yang inovatif.
Kesimpulan
Seperti yang kami catat di atas, pencetakan 3D memiliki manfaat besar di berbagai industri, termasuk medis, otomotif, dirgantara, barang konsumen, perhiasan, serta pertahanan dan militer. Meskipun sudah menunjukkan minat dan penggunaan yang meningkat, adopsinya akan terus tumbuh dalam beberapa tahun mendatang seiring lebih banyak penelitian memungkinkan produksi objek secara skala. Masa depan pencetakan 3D jelas cerah, menampilkan janji untuk merevolusi manufaktur dan menciptakan masa depan yang lebih tangguh.
