Pencetakan 3D Skala Nano Tampak Siap untuk Komersialisasi

Pencetakan 3D sedang menjadi tren saat ini. Juga dikenal sebagai proses manufaktur aditif, dalam pencetakan tiga dimensi atau 3D, sebuah objek dibuat menggunakan model digital alih-alih menggunakan cetakan. Dalam proses ini, beberapa lapisan tipis material ditambahkan bersama.

Penemu mengembangkan teknik ini pada tahun 1984, namun baru-baru ini mulai melesat karena perkembangan teknologi menjadikannya proses manufaktur yang layak.

Produsen di banyak industri menggunakan teknik ini untuk membuat prototipe dengan cepat sebelum memproduksi produk secara massal. Dengan membuat prototipe lebih cepat, lebih mudah, dan lebih murah, pencetakan 3D mendorong lebih banyak inovasi dan eksperimen.

Saat ini, bisnis pencetakan 3D telah tumbuh secara pesat dengan kemajuan dan penelitian yang terus-menerus membantu teknologi menjadi lebih baik. Ketertarikan terhadap pencetakan 3D begitu besar sehingga para ilmuwan kini bekerja pada teknik manufaktur pada skala mikro dan nano.

Meskipun pencetakan 3D terlalu lambat untuk digunakan dalam produksi massal, pencetakan 3D skala nano mungkin dapat menyelesaikan masalah ini, dan diperkirakan akan segera siap untuk diterapkan. 

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang berinvestasi pada saham pencetakan 3D.

Pencetakan 3D Skala Nano & Potensinya

Sejak teknologi pencetakan 3D diperkenalkan, produktivitas manufaktur telah meningkat. Peningkatan ini sebagian besar disebabkan oleh fakta bahwa pencetakan 3D memungkinkan kebebasan desain yang signifikan dengan menghilangkan batasan struktural atau ruang dari metode manufaktur tradisional. Selain itu, pencetakan 3D dikenal efisien dalam penggunaan material, menawarkan potensi produksi dengan sedikit atau tanpa limbah. Pencetakan 3D juga berperan penting dalam mengurangi biaya dan waktu pemasaran bagi produsen kecil.

Namun, sebagian besar aplikasi pencetakan 3D terbatas pada ukuran skala sentimeter. Di luar itu, tantangan mekanik dan material membatasi penggunaannya terutama dalam aplikasi penelitian. Jadi, untuk memperluas pencetakan 3D ke skala produksi massal dan berkembang melampaui sekadar prototipe, teknologi ini harus mengatasi tantangan tertentu terkait ukuran, material, dan biaya.

Untuk alasan ini, banyak peneliti menggunakan berbagai material pada berbagai skala ukuran, sebuah perkembangan yang menempatkan pencetakan 3D skala nano ke dalam fokus. Nanoteknologi melibatkan pengukuran kurang dari 100 nanometer, skala yang begitu kecil sehingga tidak terlihat oleh mata telanjang. 

Dalam ranah pencetakan 3D skala nano, tujuannya adalah mencetak objek yang diukur dalam nanometer. Teknologi ini merupakan lompatan menjanjikan dalam manufaktur aditif, memungkinkan perakitan objek atom demi atom.

Potensi teknologi skala nano meluas ke peningkatan efisiensi dan produktivitas di berbagai industri, seperti baterai, nanorobotika, mikroelektronik, perangkat medis, semikonduktor, dan teknologi sensor. Sektor-sektor ini dapat memperoleh manfaat signifikan dari presisi penciptaan skala nano tanpa mengorbankan akurasi.

Namun, proses pencetakan 3D, termasuk pada skala nano, tetap lambat. Ia juga menghadapi keterbatasan dalam jenis material yang dapat digunakan, terutama dalam pencetakan skala nano.

Pada tahun 2022, peneliti mengembangkan metode pencetakan 3D skala nano baru menggunakan material yang unggul dalam ketahanan terhadap gaya, memberikan perlindungan, dan dapat menyerap dua kali energi yang dapat diserap material lain pada kepadatan yang sama. Kemajuan ini membuka banyak aplikasi di bidang seperti drone, satelit, dan mikroelektronik.

Tantangan utama lainnya dalam mengadopsi teknologi pencetakan 3D adalah biaya. Material yang digunakan mahal, dan mesin pencetakan 3D itu sendiri, yang bergantung pada kemampuan menghasilkan produk dengan spesifikasi tertentu, juga mahal.

Selain itu, biaya untuk perangkat lunak, pemeliharaan teknologi, dan integrasi sistem lebih meningkatkan total biaya teknik ini. Karena biaya yang tinggi, pencetakan 3D tetap lebih layak untuk produksi skala kecil dan sangat khusus.

Penelitian di bidang ini telah berlangsung cukup lama untuk mengatasi berbagai masalah. Misalnya, beberapa tahun lalu, sebuah tim peneliti menunjukkan teknik pencetakan 3D yang menghasilkan objek 3D skala nano kompleks secara cepat dengan fitur yang halus.

Namun, faktanya tetap bahwa meskipun memiliki potensi untuk mengembangkan banyak perangkat, pencetakan 3D skala nano sangat mahal. Hal ini mungkin akhirnya berubah sekarang karena penelitian baru telah menemukan pendekatan yang secara drastis mengurangi biaya dan hambatan masuk, menjadikan proses ini layak untuk komersialisasi.

Cara Lebih Cepat & Lebih Murah untuk Mencetak Struktur Logam Kecil dengan Cahaya

Penelitian terbaru telah mengembangkan cara baru mencetak struktur logam berukuran nano yang berbasis cahaya berintensitas rendah. Pendekatan berbasis cahaya baru ini sangat cepat, hingga 480 kali lebih cepat dibandingkan metode yang saat ini digunakan sekaligus murah. 

Studi baru ini yang disebut “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)” baru-baru ini dilakukan oleh co-penulis Sourabh K. Saha, seorang asisten profesor di program teknik mesin Georgia Tech, dan Jungho Choi, yang merupakan mahasiswa Ph.D. di laboratorium Saha.

Menurut Saha, biaya dan kecepatan adalah dua faktor yang “sangat diremehkan dalam komunitas ilmiah” ketika bekerja pada fabrikasi dan manufaktur struktur kecil. Meskipun diabaikan dalam dunia ilmiah, metrik ini sangat penting dalam dunia nyata “ketika menerjemahkan penemuan dari laboratorium ke industri.”

“Hanya ketika kita memiliki teknik manufaktur yang memperhitungkan metrik-metrik ini, kita akan dapat memanfaatkan nanoteknologi sepenuhnya untuk manfaat masyarakat.”

– kata Saha

Choi dan Saha juga merupakan penemu pada aplikasi paten SLP yang hak kekayaan intelektualnya diberikan kepada Georgia Tech Research Corporation.

Dipublikasikan dalam Advanced Materials, jurnal ilmiah peer-reviewed mingguan, studi baru ini mengungkapkan bahwa para peneliti telah mengembangkan cara berbasis cahaya untuk mencetak struktur logam skala nano, yang lebih cepat, lebih murah, dan dapat diskalakan.

Dengan demikian, teknologi ini berpotensi mengubah bidang manufaktur aditif, yang saat ini sangat mahal dan lambat. Terobosan ini 35 kali lebih murah dibandingkan teknologi yang saat ini tersedia di pasar.

Sebenarnya ada banyak kemajuan teknologi di berbagai bidang yang bergantung pada kemampuan mencetak struktur logam berukuran nano, sebuah teknik yang dikenal sebagai nanopatterning. Bidang-bidang ini meliputi sensor, perangkat elektronik, fotonik, konversi energi surya, biomedis dan diagnostik, serta sistem lainnya.

Ketika berbicara tentang pencetakan skala nano, diyakini prosedurnya membutuhkan sumber cahaya berintensitas tinggi. Salah satu alat tersebut adalah laser femtosekon, yang memberikan pulsa laser ultrashort ke titik fokus.

Meskipun sangat bermanfaat, alat ini dapat sangat mahal. Karena harganya mencapai setengah juta dolar, alat ini tidak realistis untuk kebanyakan laboratorium penelitian dan tentu saja bisnis kecil.

Seperti yang dicatat oleh Saha, biaya inilah yang membuat terobosan ini sulit untuk pernah melihat kehidupan di dunia nyata, dan mereka berakhir hanya sebagai proyek laboratorium. Ia berkata:

“Sebagai komunitas ilmiah, kami tidak memiliki kemampuan untuk memproduksi cukup nanomaterial ini secara cepat dan terjangkau, dan itulah mengapa teknologi yang menjanjikan sering tetap terbatas pada laboratorium dan tidak diterjemahkan ke aplikasi dunia nyata.”

Jadi, pertanyaan jelas berikutnya adalah, apakah memang diperlukan alat berintensitas tinggi seperti itu? Jawabannya negatif, seperti yang dikatakan Saha:

“Hipotesis kami adalah bahwa kami tidak membutuhkan sumber cahaya tersebut untuk mendapatkan jenis pencetakan yang kami inginkan.”

Sebagai hasilnya, para peneliti mulai mencari cahaya berbiaya rendah yang memiliki intensitas rendah namun dapat difokuskan seperti laser femtosekon. Mereka menemukan diode pemancar cahaya superluminescent (SLED), yang dipilih karena ketersediaannya secara komersial.

SLED adalah sumber cahaya semikonduktor berbasis superluminescence yang memancarkan cahaya dari tepi, menggabungkan kecerahan dan daya tinggi diode laser dengan koherensi rendah diode pemancar cahaya konvensional. Cahaya yang dipancarkan oleh SLED jauh kurang intens dibandingkan laser femtosekon.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa kekurangan ketakutan ilmiah tidak akan menjadi masalah lagi, berkat teknologi pencetakan 3D canggih.

Pencetakan Nano-berukuran dengan Proyeksi Berbasis Cahaya Berintensitas Rendah

Dengan penelitian ini, Choi dan Saha bertujuan mengembangkan teknologi pencetakan gaya proyeksi pertama. Sistem ini dirancang beroperasi seperti proyektor digital yang mengubah gambar dari digital menjadi optik dan kemudian menampilkannya pada permukaan kaca. 

Namun, gambar yang dihasilkan oleh teknologi pencetakan ini lebih terfokus tajam. Ketajaman ini merupakan hasil pemanfaatan sifat unik cahaya superluminescent untuk menghasilkan gambar dengan cacat minimal.

Teknik SLP atau proyeksi cahaya superluminescent ini mencetak secara cepat nanostruktur sub-difraksi (dimensi lebih pendek dari batas difraksi cahaya yang terlibat) dengan cahaya berintensitas rendah. Para peneliti memanfaatkan sifat koherensi spasial dan temporal cahaya superluminescent berbasis diode.

Sekarang, untuk penelitian mereka, mereka menggunakan garam logam bersama bahan kimia lain untuk mengembangkan larutan tinta jernih yang dapat menyerap cahaya. Ketika cahaya dari sistem proyeksi mereka mengenai larutan, terjadi reaksi kimia yang mengubah larutan menjadi logam. Nanopartikel logam ini menempel pada permukaan kaca, menciptakan nanostruktur.

Menjadi teknologi pencetakan gaya proyeksi berarti dapat digunakan untuk mencetak seluruh struktur sekaligus. Fakta bahwa alih-alih mencetak titik per titik, teknik ini melakukannya dalam satu kali proses membuatnya lebih cepat dibandingkan metode konvensional lainnya.

Pengujian pencetakan logam nano-berukuran dengan proyeksi berbasis cahaya mengungkapkan bahwa ia berfungsi bahkan dengan cahaya berintensitas rendah, asalkan gambar terfokus tajam.

Menurut Choi dan Saha, pekerjaan mereka dapat direplikasi oleh peneliti lain dengan cepat menggunakan perangkat keras yang tersedia secara komersial. Biayanya juga tidak mahal, karena tipe SLED yang digunakan dalam penelitian mereka hanya sekitar $3k.

Dengan cara ini, penelitian memungkinkan bisnis kecil, pusat penelitian, bahkan individu untuk memanfaatkan teknologi ini dan bereksperimen dengannya untuk berinovasi. Menurut Choi:

“Saat ini, hanya universitas terkemuka yang memiliki akses ke teknologi mahal ini, dan bahkan begitu, mereka berada di fasilitas bersama dan tidak selalu tersedia.”

Selain itu, Choi mengatakan:

“Kami ingin mendemokratisasikan kemampuan pencetakan 3D skala nano, dan kami berharap penelitian kami membuka pintu untuk akses yang lebih luas ke proses jenis ini dengan biaya rendah.”

Terobosan ini memiliki potensi nyata untuk membantu teknologi baru akhirnya keluar dari laboratorium penelitian dan masuk ke dunia untuk digunakan. 

Penelitian ini tentu memiliki potensi aplikasi yang luas, dengan para peneliti mengatakan teknik mereka akan sangat berguna dalam bidang optik dan plasmonik, yang memerlukan berbagai nanostruktur logam kompleks.

Bidang potensial lain yang dapat digunakannya di masa depan meliputi komponen elektronik yang lebih kecil dan lebih efisien untuk smartphone, komputer, dan perangkat wearable. Selain itu, dapat membantu dengan sensor canggih, aktuator, sistem komunikasi miniatur, perangkat biomedis seperti implan & perangkat diagnostik, optik skala kecil untuk kamera dan sistem pencitraan, perangkat kecil untuk memanen energi, dan pengembangan material baru dengan sifat khusus.

Pencetakan 3D skala nano akan lebih membantu dalam penelitian dan menghasilkan solusi yang lebih layak.

Perusahaan-Peran Pemimpin Manufaktur Aditif

Sekarang, mari kita lihat beberapa perusahaan yang memimpin dalam Manufaktur Aditif:

#1. Stratasys

Penyedia solusi pencetakan 3D berbasis AS ini merupakan pemimpin internasional dalam industri manufaktur aditif. Stratasys menyediakan berbagai printer 3D dan material untuk otomotif, perawatan kesehatan, pendidikan, dirgantara, dan berbagai industri lainnya. Perusahaan ini juga memiliki banyak paten teknologi aditif yang digunakan untuk membuat model, prototipe, alat manufaktur, dan bagian produksi.

Printer 3D terbaru perusahaan, F3300, hadir dengan peningkatan signifikan dalam kecepatan dan biaya. Ia menawarkan kecepatan gantri yang lebih tinggi, laju ekstrusi yang lebih cepat, dan kalibrasi otomatis untuk menghemat waktu serta meningkatkan throughput. Mesin ini untuk produksi bagian akhir dan juga dapat digunakan untuk prototipe.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $902,6 juta, saham Stratasys saat ini diperdagangkan pada $13,05, turun 8,61% year-to-date (YTD). Perusahaan mencatat pendapatan selama dua belas bulan terakhir (TTM) sebesar $630,52 juta dengan EPS (TTM) -1,61 dan P/E (TTM) -8,10.

#2. 3D Systems

Nama terkenal dalam industri manufaktur aditif, 3D Systems (DDD ) menawarkan beragam solusi pencetakan 3D, mulai dari perangkat keras dan perangkat lunak hingga material untuk industri seperti perawatan kesehatan, dirgantara, pertahanan, otomotif, barang konsumen, dan manufaktur umum. 

Teknologi 3D Systems meliputi Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithography (SLA), dan bioprinting berbasis SLA.

Akhir tahun lalu, perusahaan mengumumkan implan kranial 3D-printed khusus pasien yang berhasil digunakan dalam kranioplasti di University Hospital Basel. Penggunaan implan kranial 3D-printed diperkirakan akan memiliki ukuran pasar sebesar $2,1 miliar pada akhir dekade ini.

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $677,845 juta, saham 3D Systems Corp saat ini diperdagangkan pada $5,08, turun 20% YTD. Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $505,95 juta dengan EPS (TTM) -0,74 dan P/E (TTM) -6,85.

#3. GE Additive

Divisi dari raksasa teknologi General Electric (GE.TO ), GE Additive memiliki rangkaian lengkap printer, material konsumen, dan solusi perangkat lunak untuk memungkinkan perusahaan di berbagai segmen pasar berinovasi.

Bulan lalu, perusahaan memamerkan teknologi metal binder jet-nya di pameran manufaktur aditif (AM) terbesar di Eropa. Untuk ini, GE Additive bekerja dengan industri baru, medis, untuk memperluas cakupannya di luar dirgantara. Dengan binder jet, perusahaan bertujuan menyediakan “metode manufaktur sekunder jika Anda mengalami masalah rantai pasokan.”

Dengan kapitalisasi pasar sebesar $141,4 miliar, saham General Electric Co saat ini diperdagangkan pada $129,93, naik 1,8% YTD. Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $67,95 miliar dengan EPS (TTM) 8 dan P/E (TTM) 16,24. GE juga membayar dividen sebesar 0,25%.

Pemikiran Akhir

Meskipun masih berada pada tahap awal penelitian, pencetakan 2D skala nano dan lanskap manufaktur aditif berkembang dengan cepat. Sudah, seperti yang kami lihat, teknik pencetakan yang lebih cepat dan lebih murah sedang dikembangkan yang membuat pencetakan logam skala nano dapat diskalakan dan layak secara komersial. 

Seiring penelitian baru terus mengatasi masalah seperti biaya dan keterbatasan material, kita akan melihat solusi baru muncul, menghilangkan hambatan masuk dan menghasilkan desain produk yang dipersonalisasi serta berkelanjutan. Hal ini akan mengarah pada penggunaan luas teknik ini dalam bidang kedokteran, mode, produk konsumen, elektronik canggih, dan banyak lagi, akhirnya meningkatkan kemungkinan perangkat berbasis nano digunakan secara signifikan di dunia nyata dan membuat pencetakan 3D lebih dapat dipasarkan.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham manufaktur aditif dan pencetakan 3D terbaik untuk diinvestasikan.