De Volgende Sprong in 3D‑printen is het Groeien van Sterke Metalen

Wetenschappers van École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hebben een nieuwe 3D‑printmethode ontwikkeld die eenvoudige hydrogels kan omzetten in hoogwaardige metalen en keramiek.

Ze hebben in wezen metaal gekweekt door meerdere infusies van metaalzouten die extreem sterke en dichte structuren vormen zonder de porositeit van eerdere methoden. Resultaten tonen aan dat metalen die met de nieuwe techniek zijn gemaakt 20 keer sterker zijn en veel minder krimp vertonen. 

Deze doorbraak belooft een efficiënte productie van volgende‑generatie energie‑, sensor‑ en biomedische apparaten.

Waarom Gearchitecteerde Materialen Betere Metaal‑3D‑Print nodig Hebben

Als basis van productie, constructie, engineering en technologie beïnvloeden materialen direct de functionaliteit, duurzaamheid en veiligheid van alles, van gebouwen tot elektronica, transport en gezondheidszorg. 

Dit maakt het belangrijk om nieuwe materialen te creëren of bestaande te verbeteren om te voldoen aan specifieke behoeften, problemen op te lossen en vooruitgang te stimuleren in diverse sectoren.

Een innovatieve en cruciale benadering om dit te bereiken is via het ontwerp van gearchitecteerde materialen, een proces dat de materiaaleigenschappen verbetert ten opzichte van hun eenvoudige tegenhangers door hun interne structuur op meerdere schalen te ontwerpen.

Deze opkomende klasse van materialen maakt gebruik van 3D‑structuurgeometrie om functionaliteiten en eigenschappen te bereiken die anders onbereikbaar zijn via alleen samenstellings‑ en/of microstructuuroptimalisatie.

Naarmate ons begrip van architectuur‑eigenschap relaties en productietools vordert, ontwikkelden zich deze 3D nano‑ en micro‑gearchitecteerde materialen met nieuwe of verbeterde eigenschappen, variërend van extreme mechanische gedragingen tot exotische optische eigenschappen die simpelweg niet kunnen worden gerealiseerd met traditioneel verwerkte materialen. Hiermee helpen gearchitecteerde materialen de groeiende vraag naar high‑performance apparaten aan te pakken en complexe technologieën mogelijk te maken.

Deze materialen worden momenteel vervaardigd met behulp van additieve fabricagetechnologieën (AM) vanwege hun vermogen om complexe 3D‑structuren te produceren op een breed scala aan lengteschalen. Onder de verschillende AM‑processen wordt vatfotopolymerisatie (VP) veel gebruikt omdat het kleine afmetingen en hoge snelheden mogelijk maakt.

In deze 3D‑printmethode wordt een lichtgevoelige hars in een vat gedeponeerd en vervolgens met een laser of UV‑licht selectief uitgehard tot de gewenste vorm.

Dit proces wordt echter alleen gebruikt met lichtgevoelige polymeren en ondervindt uitdagingen bij het vervaardigen van niet‑polymerische materialen ermee. Aangezien polymeren beperkte structurele en functionele eigenschappen hebben, beperkt dit de toepassingsmogelijkheden van met VP gefabriceerde apparaten.

Als gevolg hiervan hebben wetenschappers methoden ontwikkeld om VP mogelijk te maken voor niet‑fotopolymeerbare materialen zoals metalen en keramiek. Dit omvat het gebruik van hybride fotohars (combinatie van zowel anorganische als organische componenten) of fotosensitieve slurry, maar deze hebben problemen met lichtverstrooiing, viscositeit en beperkte materiaalcomposities.

Daarom is het gebruik van metaalzoutoplossingen naar voren gekomen als een veelbelovende benadering, die veelzijdig en commercieel beschikbaar is. Maar deze brengt een aanzienlijke krimp met zich mee, wat leidt tot porositeit, vervorming en structurele schade.

Om deze uitdagingen aan te pakken hebben EPFL‑onderzoekers een nieuwe veelzijdige methode ontwikkeld om dichte gearchitecteerde metalen en keramiek te vervaardigen met lage lineaire krimp bij conversie. 

Wat ze hebben gedaan, is metalen gekweekt in een hydrogel, wat resulteert in opmerkelijk dichte maar complexe constructies voor geavanceerde technologie.

Hydrogels zijn polymeer materialen die voornamelijk uit water bestaan. Wanneer ze gehydrateerd zijn, worden ze gelachtig. Omdat ze biocompatibel zijn, worden ze gebruikt in een breed scala aan medische en andere toepassingen. Deze materialen lijden echter onder herhaalde mechanische stress en kunnen gemakkelijk vervormen. 

“Het probleem met bestaande hydrogels is dat ze mechanisch zwak kunnen zijn en dus versterking nodig hebben,\” zei universitair hoofddocent Koichi Mayumi van het Institute for Solid State Physics (ISSP) aan de Universiteit van Tokio, die creëerde¹ een hydrogel met rubberachtige taaiheid en herstelvermogen terwijl het flexibiliteit behoudt.

Een recente studie² gebruikte ondertussen hydrogels om het vermogen van niet‑levende materialen te demonstreren om ‘geheugen’ te gebruiken om hun begrip van de omgeving bij te werken. Ze toonden aan dat \”geheugen ontstaat binnen de hydrogels\” door niet‑levende hydrogels (die kunnen reageren op elektrische stimulatie) het videospel Pong te laten spelen en hun nauwkeurigheid met tot 10 % te verbeteren door oefening.

Nu hebben EPFL‑onderzoekers deze zachte hydrogels omgevormd tot uitzonderlijk sterke metalen en keramiek met behulp van een krachtige nieuwe 3D‑printmethode.

Een Nieuwe Manier om Sterke Metalen te 3D‑Printen

Met andere 3D‑printmethoden die zijn ontwikkeld om geprinte polymeren om te zetten in sterkere materialen, die lijden onder ernstige structurele tekortkomingen, “deze materialen neigen naar porositeit, wat hun sterkte aanzienlijk vermindert, en de onderdelen lijden onder overmatige krimp, wat vervorming veroorzaakt,” hebben de onderzoekers een unieke oplossing voor het probleem gecreëerd.

EPFL‑onderzoekers hebben een 3D‑printmethode ontwikkeld genaamd hydrogelinfusie‑additieve fabricage (HIAM).

In de nieuwste studie, gepubliceerd in Advanced Materials³, merkten onderzoekers op dat ondanks de voordelen op het gebied van veelzijdigheid en toegankelijkheid, het nut van de nieuwe methode beperkt wordt door de 50‑%‑90 % krimp die optreedt tijdens het polymer‑naar‑keramiek conversieproces, wat leidt tot veel porositeit, barsten en vervorming in de uiteindelijke onderdelen, waardoor ze vaak te fragiel zijn voor praktisch gebruik. Daarom gebruiken ze ook een infusie‑precipitatie‑strategie na de fabricage.

In plaats van licht te gebruiken om een hars die vooraf is geïnfuseerd met metaalprecursoren te verharden, bouwde het EPFL‑team eerst een 3D‑scaffold van hydrogel.

Vervolgens wordt de ‘lege’ hydrogel geïnfuseerd met verschillende metaalzoutoplossingen voordat deze thermisch wordt behandeld om het om te zetten in nanodeeltjes die metalen bevatten en door de structuur doordringen. Door het proces te herhalen, kunnen composieten met zeer hoge metaalconcentraties worden gecreëerd.

Na vijf tot tien van zulke ‘groeicycli’ omvat de laatste stap het verhitten waardoor de resterende hydrogel wordt verbrand. Dit laat het eindproduct achter, d.w.z. een keramisch of metalen object in de vorm van de oorspronkelijke lege polymeer, dat zeer sterk en dicht is.

Het infuseren van metaalzouten in hydrogels alleen na de fabricage betekent dat één hydrogel kan worden aangepast tot vele verschillende composieten, metalen of keramiek.

Niet alleen kan een enkele harscompositie worden gebruikt om een bijna oneindige reeks niet‑polymerische materialen te vervaardigen, maar deze studie benadrukt ook een nieuw paradigma van AM waarbij materiaalkeuze niet vóór, maar na het 3D‑printen plaatsvindt.

Dus, de nieuwe techniek “maakt de fabricage van hoogwaardige metalen en keramiek mogelijk met een toegankelijke, goedkope 3D‑printprocedure,” zei Daryl Yee, hoofd van het Laboratorium voor de Chemie van Materialen en Fabricage (ALCHEMY) aan de School of Engineering van EPFL.

De focus bij ALCHEMY ligt op het integreren van materiaalkunde, moleculair ontwerp en geavanceerde fabricage om geavanceerde functionele materialen te creëren die maatschappelijke uitdagingen op het gebied van gezondheidszorg, energie en klimaatverandering kunnen aanpakken.

Met hun methode heeft het EPFL‑team met succes een verscheidenheid aan ingewikkelde 3D‑metaal- en keramische structuren gefabriceerd. Ze creëerden complexe wiskundige rastervormen, gyroiden genaamd, van koper, zilver en ijzer.

De fabricage van Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu en Ag bereikte dichtheden die 88‑89 % van de theoretische waarde benaderden en krimp van 20‑40 % (afhankelijk van de samenstelling), wat de mogelijkheid van de techniek aantoont om sterke en ingewikkelde structuren te creëren. Een universele testmachine werd ook gebruikt om de sterkte van de materialen te testen door toenemende druk op de gyroïden uit te oefenen.

“Onze materialen konden 20 keer meer druk weerstaan vergeleken met die geproduceerd met eerdere methoden, terwijl ze slechts 20 % krimp vertoonden versus 60‑90 %.”

– PhD‑student en eerste auteur Yiming Ji

Volgens de wetenschappers biedt de nieuw ontwikkelde infusie‑precipitatie‑gebaseerde techniek veelbelovend potentieel voor het vervaardigen van geavanceerde gearchitecteerde materialen en 3D‑structuren die tegelijk complex, lichtgewicht en sterk moeten zijn, zoals biomedische apparaten, sensoren of apparaten voor energieomzetting en -opslag.

In de volgende stappen zal het team zich richten op het verbeteren van hun proces, specifiek op het verder verhogen van de dichtheid van hun materialen, voor commercialisatie.

Snelheid is een ander doel. Hoewel herhaalde infusies belangrijk zijn voor het produceren van sterkere materialen, maken deze stappen de methode tijdrovend. “We werken al aan het verkorten van de totale verwerkingstijd door een robot te gebruiken om deze stappen te automatiseren,” zei Yee.
Veeg om te scrollen →

Waar gaat Additieve Fabricage Volgende Naartoe?

Additieve fabricage is een van de meest ontwrichtende technologieën van ons tijdperk, die 3D‑objecten laag voor laag bouwt met behulp van digitaal ontwerp en een breed scala aan materialen, zoals metaal, plastic en beton.

Deze technologie is handig, veelzijdig en in staat om snel ingewikkelde geometrische structuren te vervaardigen. Het vermindert ook materiaalverspilling, maakt hoge maatwerk mogelijk en verbetert de prestaties van flexibele apparaten.

De wereldwijde AM‑marktgrootte wordt geschat op ongeveer $25 miljard in 2025 en wordt verwacht te groeien tot meer dan $125 miljard tegen 2032. Ondertussen werden wereldwijd in 2021 in totaal 2,2 miljoen 3D‑printers verzonden en wordt verwacht dat dit tegen het einde van dit decennium 21,5 miljoen eenheden zal bereiken.

Deze cijfers weerspiegelen een groeiende adoptie van de technologie, die niet beperkt is tot alleen laboratoria. Het wordt steeds vaker gebruikt om huizen, schoenen, VR‑headsets, zelfherstellende biologisch afbreekbare materialen⁴, en nog veel meer.

Recentelijk meldden Empa‑onderzoekers de ontwikkeling van een 3D‑geprinte biocompatibele corneale implantaat dat permanente oogschade kan herstellen.

Met miljoenen mensen wereldwijd die lijden aan corneale schade, kan slechts een klein percentage worden behandeld met een corneatransplantatie. De ontwikkeling van op maat gemaakte zelfklevende implantaten mogelijk gemaakt door 3D‑extrusie‑bioprinting kan het speelveld volledig veranderen.

Het implantaat is gemaakt van een biocompatibel hydrogel, dat later zal worden geladen met menselijke stamcellen uit het oog om weefselregeneratie te ondersteunen.

Terwijl AM‑toepassingen blijven groeien, lossen wetenschappers ook enkele van de meest hardnekkige technische uitdagingen van 3D‑printen op. Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) creeerden een vacuüm‑ondersteunde extrusietechniek⁵ die de interne porositeit van polymeeronderdelen met 75 % kan verminderen, waardoor het probleem dat grootschalige additieve fabricage (LFAM) belemmert, wordt aangepakt.

Interne porositeit verzwakt geprinte onderdelen, en het verminderen hiervan is belangrijk om de algehele prestaties te verbeteren.

Wat de onderzoekers deden, was dat ze tijdens het extrusieproces een vacuüm‑hopper integreerden, die opgesloten gassen verwijderde en de vorming van holtes in vezelversterkte materialen minimaliseerde, die veel voorkomen in LFAM vanwege hun stevigheid en lage thermische uitzetting, maar intra‑kraalporositeit hebben die hun kwaliteit beïnvloedt.

“Met deze innovatieve techniek pakken we niet alleen het kritieke probleem van porositeit in grootschalige polymeerprints aan, maar banen we ook de weg voor sterkere composieten. Dit is een significante sprong voorwaarts voor de LFAM‑industrie.”

– ORNL’s Vipin Kumar

Ondertussen hebben onderzoekers aan de University of Colorado Boulder software ontwikkeld, OpenVCAD, om meer complexe ontwerpen te realiseren. De open‑source software kan specifieke eigenschappen toepassen op bepaalde delen van rasterstructuren, die gewoonlijk worden gebruikt voor impact‑absorberende mogelijkheden.

De eerste multi‑materialen, code‑gebaseerde ontwerptool “maakt het mogelijk voor gebruikers om één kleine variabele te wijzigen en de volledige ontwerpupdate op een eenvoudige manier te zien,” zei projectleider Robert MacCurdy. Het zet ingewikkelde gradiëntontwerpen om in printer‑klare code voor moderne engineeringtoepassingen.

Naast het verbeteren van de materiaalkwaliteit werken innovators ook aan het brengen van de kracht van fabricage in de palm van de hand. Een paper van UT Austin en MIT‑onderzoekers onderzocht het gebruik van silicon photonics in een chip‑gebaseerde 3D‑printer⁶, waarbij een enkel millimeter‑schaal fotonisch apparaat het grootste deel van de mechanische functionaliteit van de printer overneemt terwijl het de lichtbron vervangt. De resulterende printer is veel eenvoudiger en kosteneffectiever.

Huidige 3D‑printers zijn afhankelijk van grote en complexe mechanische systemen, wat snelheid, draagbaarheid, resolutie, vormfactor en materiaalcomplexiteit beperkt. Terwijl onderzoekers kijken naar 3D‑printers die gebaseerd zijn op fotoharding, blijven ze toch afhankelijk van omvangrijke en complexe mechanische systemen.

Dus, de nieuwste studie combineerde silicon‑photonics en fotochemie voor de eerste chip‑gebaseerde 3D‑printer. Ze gebruikten een silicon‑photonics CMOS‑chip in een kleine kamer, die zowel het licht uitzendt als stuurt, samen met een vloeibaar‑kristal‑golfgeleider om met de hars te werken.

Het systeem is een “zichtbaar‑licht geïntegreerd optisch fase‑array‑systeem” dat fungeert als een vat‑polymerisatiesysteem op een chip, met het uiteindelijke idee om het gehele systeem in de palm van een hand te passen.

Investeren in 3D‑Printen

Beroemd om traditioneel printen, HP (HPQ ) is agressief een intrede gemaakt in de 3D‑printmarkt en beschikt over schaal, kapitaal en infrastructuur om geavanceerde processen zoals hydrogelinfusie te adopteren.

Het bedrijf betrad de additieve fabricage voor het eerst iets meer dan een decennium geleden, en sindsdien heeft het meerdere polymeren‑3D‑printsystemen gelanceerd en de Metal Jet‑technologie geïntroduceerd. Hoewel het niet de oudste speler in de 3D‑printindustrie is, werkt HP eraan om marktleider te worden door innovatie in technologie, materialen en partnerschappen.

HP Inc. (HPQ )

Eerder dit jaar werd HP’s Multi Jet Fusion 3D‑printtechnologie gebruikt door Blazin Rodz om meer dan 75 onderdelen te vervaardigen voor een op maat gebouwd auto.

“Er is geen manier waarop we ooit voertuigen kunnen ontwerpen en engineereren die zo extreem, precies en rijdbaar zijn als we doen bij Blazin Rodz – in minder dan een jaar – zonder CAD‑ontwerp en 3D‑printen. HP’s Multi‑Jet Fusion (MJF) printen is een game‑changer voor de hele industrie, en we zijn toegewijd aan het vinden van slimme en innovatieve toepassingen ervan met elk kenmerkend onderdeel dat we ontwikkelen en elke op maat gemaakte auto die we in de toekomst bouwen.“

– Waylon Jeffrey, 3D Design & Engineering Lead bij Blazin Rodz

Een paar maanden geleden verkreeg het mobiele drone‑fabricagebedrijf Firestorm Labs exclusieve distributierechten van HP voor zijn mobiele Multi Jet Fusion 3D‑printtechnologie om productie ter plaatse mogelijk te maken in medische, humanitaire en commerciële contexten.

HP is de wereldwijde leverancier van personal computing en andere digitale toegangsapparaten, en opereert via drie belangrijke segmenten.

De Personal Systems‑segment biedt commerciële en consumenten‑desktops, notebooks, workstations, POS‑systemen, displays, hybride systemen en software; het Printing‑segment biedt consumenten‑ en commerciële printerhardware, samen met graphics en 3D‑printen en personalisatie in de commerciële en industriële markten; en het Corporate Investments‑segment omvat bepaalde bedrijfsincubatie‑ en investeringsprojecten.

Met een marktkapitalisatie van $25,5 miljard worden HPQ‑aandelen momenteel verhandeld tegen $27,22, een daling van 16,18 % dit jaar tot nu toe. Hun 52‑week bereik lag tussen $21,21 en $39,80, terwijl de hoogste koers die deze aandelen ooit bereikten in het midden van 2022 was, toen HPQ een piek van ongeveer $41,50 bereikte.

Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van 2,75 en een P/E (TTM) van 9,96. Het dividendrendement dat HP aan haar aandeelhouders biedt is een aantrekkelijke 4,23 %.

Wat betreft HP’s financiële positie rapporteerde het een netto‑omzet van $13,9 miljard, een stijging van 3,1 % ten opzichte van de voorgaande periode, voor het derde kwartaal van het fiscale jaar 2025.

Dit omvat $4 miljard aan omzet uit de Printing‑business, die 4 % lager lag jaar‑over‑jaar (YoY) met een operationele marge van 17,3 %. De netto‑omzet van Consumer Printing daalde met 8 %, Commercial Printing met 3 % en Supplies met 4 %. Het totale aantal hardware‑eenheden zag ondertussen een daling van 9 %, waarbij Commercial Printing‑eenheden met 12 % daalden en Consumer Printing‑eenheden met 8 %.

HP’s GAAP verwaterde netto winst per aandeel steeg met 23,1 % naar $0,80, en non‑GAAP verwaterde netto EPS daalde met 10,7 % naar $0,75.

“In Q3 leverden we een vijfde opeenvolgend kwartaal van omzetgroei, gedreven door sterkte in Personal Systems en sterke momentum in onze belangrijkste groeigebieden. Deze resultaten tonen onze wendbaarheid en gerichte uitvoering in het kwartaal, bevestigen de sterkte van onze strategie, en onze toewijding om een leider te zijn in de toekomst van werk.”

– CEO Enrique Lores

Tijdens dit kwartaal rapporteerde het bedrijf $1,7 miljard aan netto cash uit operationele activiteiten terwijl de vrije cashflow $1,5 miljard bedroeg. Het keerde ook $400 miljard terug aan aandeelhouders via dividendbetalingen van $0,2894 per aandeel en aandeleninkoop van $150 miljard. HP eindigde het kwartaal met $2,9 miljard aan cash en cash‑equivalenten.

Klik hier voor een lijst van de top additieve fabricage‑ en 3D‑printaandelen.

Laatste HP Inc. (HPQ) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Een Nieuw Hoofdstuk voor Materiaalwetenschap

Met 3D‑printen is de productie een nieuw tijdperk ingegaan, waardoor snelle prototyping, snellere ontwikkeling, ontwerpflexibiliteit, kostenbesparingen en verbeteringen in de toeleveringsketen mogelijk zijn.

Door deze technologie te benutten en te combineren met hydrogelinfusie en een infusie‑precipitatie‑strategie, hebben EPFL‑onderzoekers sterkere metalen geproduceerd, waardoor de bepaling van materiaaleigenschappen in de productieketen wordt hergedefinieerd. Bovendien kan de flexibiliteit die het biedt potentieel transformatief zijn voor industrieën variërend van energie tot biomedische engineering.

Naarmate deze methoden rijpen, opschalen en commercialiseren, kunnen ze een nieuw industrieel landschap inluiden waar sterkte niet wordt gemaakt maar gekweekt.

Referenties:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Stevige hydrogels met snelle zelfversterking. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, 23 augustus). Elektro‑actieve polymeerhydrogels vertonen emergent geheugen wanneer ingebed in een feedback‑gedreven omgeving. Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, 24 september). Hydrogel‑gebaseerde vatfotopolymerisatie van keramiek en metalen met lage krimp via herhaalde infusie‑precipitatie. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, 25 juni). 3D‑geprinte zelfherstellende, biologisch afbreekbare materialen en hun toepassingen. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, januari). Vacuüm‑ondersteunde extrusie om interne porositeit te verminderen in grootschalige additieve fabricage. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
6. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, 6 juni). Silicon‑photonics‑geactiveerde chip‑gebaseerde 3D‑printer. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2