Nessun accesso a strumenti scientifici specifici? Non preoccuparti – Stampali con la manifattura additiva

La necessità di strumenti scientifici sta aumentando in tutto il mondo. Secondo una stima, la dimensione del mercato globale degli strumenti scientifici dovrebbe crescere da poco più di US$28 miliardi nel 2022 a oltre US$34 miliardi nel 2028, con un CAGR del 3,2%. scientific instrument market size

Gli strumenti scientifici di diversi tipi aiutano ad accelerare lo sviluppo scientifico riducendo il rischio di errori umani e automatizzando i processi iterativi. Consentono di liberare tempo per gli scienziati per ideare concetti e soluzioni.

Secondo Mikael Hagstroem, amministratore delegato di Technology Networks, fino al 70% del tempo di un operatore di laboratorio può andare sprecato nell’esecuzione di compiti amministrativi, lavori di preparazione, ricerca e pulizia dei dati o nella redazione di report.

Poiché gli strumenti scientifici fanno risparmiare molto tempo e semplificano efficacemente i processi, può essere frustrante non avere accesso a uno strumento scientifico specifico al momento giusto. Tuttavia, al giorno d’oggi è difficile lamentarsi della disponibilità di tali strumenti.

La manifattura additiva, comunemente nota come stampa 3D, è venuta in soccorso. Come la manifattura additiva aiuta ad accedere a strumenti scientifici specifici è ciò che approfondiremo nei segmenti successivi. Ma, prima di approfondire, diamo una rapida panoramica su cosa sia la manifattura additiva o stampa 3D!

Che cos’è la manifattura additiva?

Una spiegazione pertinente sulla manifattura additiva, pubblicata dalla MIT Sloan School of Management, la definisce come ‘il processo di creazione di un oggetto costruendolo strato per strato. È l’opposto della manifattura sottrattiva, in cui un oggetto viene creato rimuovendo materiale da un blocco solido fino al completamento del prodotto finale.’

In generale, il processo di manifattura additiva segue una sequenza in tre fasi, che è la seguente: 

• Prima, viene creato un progetto in laboratorio. Può essere realizzato utilizzando software di progettazione assistita da computer (CAD) o simili. Oppure si può scansionare direttamente l’oggetto che si desidera stampare.
• Il secondo passo prevede che il software converta il progetto, passo dopo passo, in una struttura a strati, che la macchina di manifattura additiva o stampa 3D seguirà.
• L’ultimo passo, che è anche il motivo per cui il processo è chiamato stampa 3D, consiste nell’inviare la struttura a strati a una stampante 3D, che inizia immediatamente a creare l’oggetto.

La manifattura additiva o stampa 3D è compatibile con una vasta gamma di materiali, tra cui polimeri, metalli, ceramiche, schiume, gel, biomateriali e altro.

Secondo Arvind Kalidindi, dottorando in scienza e ingegneria dei materiali al MIT:

“Finché trovi un modo per unire localmente due parti, puoi stamparlo in 3D.”

Questa versatilità e quasi universale compatibilità rendono la stampa 3D o la manifattura additiva adatte alla produzione di strumenti scientifici specifici. Ora vedremo alcuni esempi di seguito: 

Componenti di spettrometro di massa portatile stampati in 3D e altro

Uno spettrometro di massa è un dispositivo che può identificare sostanze chimiche. Gli spettrometri di massa trovano impiego in diversi ambiti, dalle scene del crimine alle indagini geologiche; servono a molteplici scopi. 

Un gruppo di ricercatori del MIT ha ideato un filtro di massa stampato in 3D che funge da componente centrale di uno spettrometro di massa. Conosciuto come quadrupolo, questo filtro miniaturizzato è notevolmente più leggero e più economico rispetto ai suoi equivalenti tradizionali. Mentre i filtri di massa di grado commerciale, realizzati in vetro-ceramica resistente al calore e resina, costano più di US$100 000, questi filtri di massa derivati dalla manifattura additiva costano pochi dollari e possono essere prodotti in poche ore. 

Secondo Velasquez‑Garcia, scienziato di ricerca principale nei Microsystems Technology Laboratories del MIT, “Esistono altri filtri quadrupolo miniaturizzati, ma non sono comparabili con i filtri di massa di grado professionale. Ci sono molte possibilità per questo hardware se dimensioni e costi potessero essere ridotti senza influire negativamente sulle prestazioni.”

Mentre l’esempio citato sopra è uno dei più recenti risultati nel settore, esempi simili sono stati registrati in precedenza nella ricerca scientifica e tecnologica. Per esempio, ricercatori dell’Università McGill hanno sviluppato una tecnologia diagnostica lab‑on‑a‑chip che sostituisce l’uso di molti strumenti di laboratorio e funziona come tecnologie miniaturizzate. Il chip può essere prodotto in 30 minuti usando la stampa 3D. I rapporti suggeriscono che la soluzione può consentire ai professionisti sanitari di creare “soluzioni su misura per esigenze specifiche direttamente al punto di cura.” 

Un altro team di ricercatori del MIT ha utilizzato la stampa 3D multimediale per creare dispositivi fluidici auto‑riscaldanti dotati di elementi riscaldanti integrati. Si tratta di macchine miniaturizzate che possono manipolare fluidi e facilitare reazioni chimiche. Invece di diverse macchine di alto livello che lavorano simultaneamente, questa tecnologia è in grado di rilevare malattie in minuscoli campioni di sangue o fluidi. 

Accedere a strumenti scientifici da una posizione remota

La stampa 3D di strumenti scientifici e di laboratorio ha anche contribuito a rimuovere le limitazioni dovute alla distanza fisica/geografica. In passato, le stampanti 3D richiedevano la presenza di un operatore esperto sul sito. Tuttavia, con l’avvento della pandemia di COVID‑19, sono emerse soluzioni che hanno reso possibile il lavoro remoto nel campo della manifattura additiva.

Ad esempio, il MakerBot CloudPrint ha proposto una soluzione per i team di ingegneria per lavorare efficacemente da remoto o da sedi disparate. La sua piattaforma di stampa 3D basata su cloud offre un flusso di lavoro senza interruzioni ai team presenti in più sedi. Gli ingegneri che lavorano in diverse location possono collaborare efficacemente con queste stampanti 3D effettuando il slicing e la preparazione delle stampe direttamente dal browser. 

Il dispositivo è dotato di funzionalità integrate di accodamento e monitoraggio e consente agli utenti di aggiungere, monitorare e controllare l’accesso alle stampanti MakerBot collegate da qualsiasi luogo. Dispone anche di una dashboard per il tracciamento e il monitoraggio centralizzato dell’avanzamento delle stampe. I feed video in tempo reale aiutano a ottenere gli ultimi aggiornamenti sullo stato dei lavori di stampa. 

Soluzioni come queste e altre hanno reso il flusso di lavoro fluido, senza interruzioni e conveniente per molti produttori di attrezzature scientifiche. 

Tipi di produttori di strumenti scientifici che beneficiano della manifattura additiva/3D Printing

I produttori di attrezzature per la ricerca spaziale sono un segmento che trarrà notevoli benefici dalla manifattura additiva o stampa 3D. La ricerca scientifica ha dimostrato la possibilità di costruire apparecchiature di laboratorio stampate in 3D per misurare materiali sfusi in condizioni estreme presentate dai progetti di esplorazione spaziale. 

Nel 2022, la Nature Journal ha citato uno studio in cui è stato sviluppato un dispositivo stampato in 3D per misurare la tensione superficiale dei nanofluidi. Il risultato della misurazione era comparabile con quello dei dispositivi commerciali. 

Lo studio ha anche indagato le possibilità di utilizzare strumenti di misura tramite il metodo di stampa 3D a estrusione di materiale per misurare proprietà meccanico‑fisiche selezionate di materiali sfusi in condizioni estreme. 

Un altro tipo di produttore di strumenti scientifici che beneficia della manifattura additiva o stampa 3D appartiene al settore dell’elettronica. La precisione dei processi di manifattura additiva basata su laser consente di creare sistemi microelettromeccanici. In questo processo è possibile sviluppare componenti complessi come accelerometri e giroscopi.

La produzione di strumenti per l’educazione è un altro campo che può sfruttare efficacemente la manifattura additiva. Esistono stampanti 3D che aiutano gli studenti a sperimentare con hardware di precisione e materiali di grado industriale. 

Alcune caratteristiche comuni di queste strutture includono la capacità di lavorare con una varietà di materiali di base su un’unica piattaforma. Sono sicure da usare e richiedono poco o nessun equipaggiamento di protezione personale. Gli strumenti di manifattura additiva sono dotati di software integrato per un controllo e monitoraggio facili e senza interruzioni. 

Molte aziende stanno rendendo la manifattura additiva o la stampa 3D facile per una vasta gamma di settori. Ora esamineremo alcune di queste aziende.

#1. Markforged

Markforged offre un’ampia gamma di soluzioni di manifattura additiva, includendo macchine stampanti 3D industriali, materiali ad alte prestazioni come metalli, fibre continue e compositi, e software aziendali che migliorano il flusso di lavoro. 

Markforged dispone di tre tipologie di stampanti 3D, includendo stampanti 3D metalliche, stampanti 3D composite industriali e stampanti 3D composite da tavolo. Le industrie che utilizzano queste soluzioni includono aerospaziale, automotive, beni di consumo confezionati, istruzione e ricerca, produzione elettronica, energia, settore federale e difesa, attrezzature industriali, medico, ecc. 

Uno dei prodotti più popolari di Markforged è l’FX10, la stampante 3D composite industriale di nuova generazione dell’azienda. Il dispositivo è dotato di un modulo di visione e un micrometro laser, una camera di materiale avanzata per un caricamento rapido e una ridotta interferenza dell’utente, un touchscreen da 7”, e una camera di costruzione riscaldata che raggiunge i 60 gradi Celsius. 

Markforged ha annunciato i risultati del quarto trimestre e del pieno anno 2022 a marzo 2023. L’azienda ha registrato un aumento dei ricavi dell’11% a $29.7 million nel quarto trimestre del 2022 rispetto a $26.6 million nel quarto trimestre del 2021. I ricavi dell’intero anno sono aumentati dell’11% a US$101.0 million nel 2022 rispetto a $91.2 million nel 2021. Tuttavia, il profitto lordo è diminuito del 4%, a $50.7 million, nel 2022 rispetto a $52.9 million nel 2021.

#2. Hewlett Packard

Un’altra grande azienda tecnologica fortemente impegnata a rendere la stampa 3D disponibile a tutti è Hewlett‑Packard o HP. Le soluzioni di stampa 3D di HP trovano impiego in una vasta gamma di settori, tra cui aerospaziale, beni di consumo ed elettronica, istruzione, sanità e medico, industriale, servizi di produzione, fibra stampata, ortopedia e protesi, trasporti e automotive, e altro. Uno di questi ambiti applicativi che richiede l’accesso a strumenti scientifici specifici è l’Istruzione. La tecnologia multi‑jet fusion di HP aiuta a costruire parti e prototipi funzionali in molteplici discipline all’interno di istituzioni educative/di ricerca, dall’ingegneria all’architettura. 

Le soluzioni di stampa 3D Jet Fusion di HP supportano sia la ricerca di base che avanzata nei laboratori 3D, includendo quelle svolte nei laboratori di sviluppo, nei laboratori di manifattura additiva, nei servizi universitari e nei laboratori 3D ospedalieri/medici.

HP ha riportato i risultati del suo anno fiscale 2023 per l’intero anno e il quarto trimestre il 21 novembre 2023. HP Inc. (HPQ ) e le sue filiali (“HP”) hanno registrato un fatturato netto di $53.7 billion, in calo del 15% (del 12% in valuta costante) rispetto al periodo dell’anno precedente. Il fatturato netto del quarto trimestre è stato di $13.8 billion, in calo del 6% (del 5% in valuta costante) rispetto all’anno precedente.

#3. Formlabs

Formlabs è stata fondata da tre laureati del MIT nel 2011 con la missione di costruire la prima stampante 3D capace di raggiungere una qualità di parti industriale e professionale a un prezzo accessibile. Da allora, l’azienda è diventata uno dei maggiori fornitori al mondo di stampanti 3D professionali a stereolitografia e sinterizzazione laser selettiva.

Il portafoglio Formlabs comprende una combinazione di stampanti 3D da tavolo economiche e di qualità industriale, stampanti 3D di grande formato e stampanti 3D da tavolo avanzate per il settore sanitario. Le sue stampanti possono lavorare con più di 20 resine funzionali per prototipazione e produzione di parti finali. Sono anche compatibili con almeno sei materiali industriali ad alte prestazioni, tra cui nylon 11, nylon 12, TPU, polipropilene, vetro e compositi di nylon riempiti di carbonio. Le stampanti sono adatte a funzionare in condizioni ambientali, con solo le resine PU che richiedono un armadio asciutto per il controllo dell’umidità. Funzionano bene anche in ambienti d’aria e in atmosfera di azoto per migliorare le proprietà dei materiali e ridurre i tempi di solidificazione.

Secondo rapporti pubblicati nel 2021, l’azienda ha raddoppiato la sua valutazione a US$2 billion, a seguito di un round di finanziamento da US$150 million guidato dal Vision Fund 2 di SoftBank Group. Prima di ciò, l’azienda era valutata oltre $1 billion quando ha raccolto $15 million in finanziamenti da New Enterprise Associates (NEA) nell’agosto 2018.

Manifattura additiva: un punto di svolta nel campo della ricerca scientifica

La ricerca scientifica richiede macchine all’avanguardia, tuttavia questi sono dispositivi ad alto costo che spesso superano le possibilità di istituzioni di ricerca e ricercatori indipendenti. In questo contesto, la stampa 3D o la manifattura additiva rappresentano una benedizione, poiché sono facili da sviluppare e a basso costo. Inoltre, offrono risultati comparabili con i dispositivi commerciali in termini di precisione, i quali sono molto più costosi e tipicamente accessibili solo a grandi aziende e istituzioni.

Inoltre, la manifattura additiva risolve anche le sfide poste dalla logistica. Questo è cruciale perché fornire lo strumento scientifico esatto al momento specifico di necessità può essere un’operazione costosa e dispendiosa in termini di tempo. In questo senso, la stampa 3D contribuisce a risolvere tale problema.

Inoltre, considerando gli aspetti fisici delle attrezzature scientifiche, spesso pesanti e complesse e non adatte al trasporto in luoghi difficili, i vantaggi diventano ancora più evidenti. Come abbiamo già osservato nei casi di esplorazione spaziale e indagini geologiche, trasportare stampanti 3D portatili e materie prime in questi luoghi è utile per sviluppare l’attrezzatura in loco.

Nel complesso, questi fattori dimostrano che la manifattura additiva apre un nuovo orizzonte in cui l’accesso a strumenti scientifici diventa non solo più conveniente, ma anche un’operazione senza problemi.

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