Nanoschaal 3D-printen lijkt klaar voor commercialisatie

3D-printen is nu overal in de mode. Ook bekend als het additive manufacturing-proces, wordt bij driedimensionaal of 3D-printen een object gecreëerd met behulp van een digitaal model in plaats van een mal. In dit proces worden verschillende dunne lagen materiaal aan elkaar toegevoegd.

Uitvinders ontwikkelden de techniek in 1984, maar pas recentelijk begon deze op gang te komen doordat technologische ontwikkelingen dit tot een levensvatbaar productieproces maakten.

Fabrikanten in veel sectoren gebruiken deze techniek om snel prototypes te maken voordat ze producten massaal produceren. Door prototyping sneller, eenvoudiger en goedkoper te maken, stimuleert 3D-printen meer innovatie en experimentatie.

Tegenwoordig is de 3D-printindustrie enorm gegroeid, met voortdurende vooruitgang en onderzoek die de technologie steeds beter maken. De interesse in 3D-printen is zo groot dat wetenschappers nu werken aan productietechnieken op zowel micro- als nanoschaal.

Hoewel 3D-printen te traag is voor massaproductie, zou nanoschaal 3D-printen dit probleem kunnen oplossen en zal het waarschijnlijk binnenkort klaar zijn voor gebruik.

Klik hier om alles te leren over investeren in 3D-print aandelen.

Nanoschaal 3D-printen & het potentieel

Sinds de introductie van 3D-printtechnologie is de productiviteit in de productie gestegen. Deze stijging is grotendeels te danken aan het feit dat 3D-printen aanzienlijke ontwerpvrijheid mogelijk maakt door structurele of ruimtelijke beperkingen van traditionele productiemethoden weg te nemen. Bovendien staat het bekend om materiaal efficiëntie, met het potentieel voor productie met weinig of geen afval. 3D-printen speelt ook een cruciale rol bij het verlagen van kosten en de time-to-market voor kleine fabrikanten.

Echter, de meeste toepassingen van 3D-printen zijn beperkt tot een grootte op centimeter schaal. Daarbuiten beperken mechanische en materiaalkwesties het gebruik voornamelijk tot onderzoeksapplicaties. Om 3D-printen uit te breiden naar een massaproductieschaal en verder te gaan dan alleen prototyping, moet de technologie bepaalde uitdagingen op het gebied van grootte, materiaal en kosten aanpakken.

Om deze reden gebruiken veel onderzoekers meerdere materialen op verschillende schaalgroottes, een ontwikkeling die nanoschaal 3D-printen in de schijnwerpers zet. Nanotechnologie omvat metingen van minder dan 100 nanometer, een schaal zo klein dat hij onzichtbaar is voor het blote oog.

In het domein van nanoschaal 3D-printen is het doel om objecten te 3D-printen die worden gemeten in nanometers. Deze technologie is een veelbelovende sprong in additive manufacturing, die de assemblage van objecten atoom voor atoom mogelijk maakt.

Het potentieel van nanoschaaltechnologie reikt tot het verbeteren van efficiëntie en productiviteit in diverse sectoren, zoals batterijen, nanorobotica, micro-elektronica, medische apparaten, halfgeleiders en sensortechnologieën. Deze sectoren kunnen aanzienlijk profiteren van de precisie van nanoschaalcreatie zonder concessies te doen aan nauwkeurigheid.

Toch blijft het 3D-printproces, ook op nanoschaal, traag. Het ondervindt ook beperkingen in de soorten materialen die kunnen worden gebruikt, vooral bij nanoschaalprinten.

In 2022 ontwikkelden onderzoekers een nieuwe nanoschaal 3D-printmethode met een materiaal dat uitblinkt in weerstand tegen krachten, bescherming biedt en twee keer zoveel energie kan absorberen als andere materialen bij dezelfde dichtheid. Deze vooruitgang opent tal van toepassingen in gebieden zoals drones, satellieten en micro-elektronica.

Een andere grote uitdaging bij het adopteren van 3D printing-technologie is de kostprijs. De gebruikte materialen zijn duur, en de 3D-printermachines zelf, die afhankelijk zijn van het vermogen om producten met specifieke specificaties te produceren, zijn kostbaar.

Bovendien verhogen de uitgaven voor software, technologische onderhoud en systeemintegratie de totale kosten van deze techniek verder. Door zulke hoge kosten blijft 3D-printen meer haalbaar voor kleinschalige en sterk gespecialiseerde productie.

Onderzoek op dit gebied loopt al een tijd om verschillende problemen aan te pakken. Bijvoorbeeld, een paar jaar geleden toonde een team van onderzoekers toonde een 3D-printtechniek die complexe nanoschaal 3D-objecten snel produceert met gladde kenmerken.

Echter, het feit blijft dat ondanks het potentieel om vele apparaten te verbeteren, nanoschaal 3D-printen extreem kostbaar is. Dit zou nu eindelijk kunnen veranderen, aangezien nieuw onderzoek een aanpak heeft gevonden die de kosten en toetredingsdrempels drastisch verlaagt, waardoor het proces haalbaar wordt voor commercialisatie.

Snellere & Goedkopere Manier om Kleine Metalen Structuren te Printen met Licht

Het nieuwste onderzoek heeft een nieuwe manier ontwikkeld om nano‑grootte metalen structuren te printen die gebaseerd zijn op licht met lage intensiteit. Deze nieuwe lichtgebaseerde aanpak is extreem snel, tot wel 480 keer sneller dan de momenteel gebruikte methoden, terwijl hij goedkoop is.

Deze nieuwe studie, getiteld “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)”, werd recent uitgevoerd door co‑auteurs Sourabh K. Saha, assistent‑professor in het mechanische engineeringprogramma van Georgia Tech, en Jungho Choi, een Ph.D.-student in Saha’s laboratorium.

Volgens Saha zijn kosten en snelheid twee factoren die “sterk ondergewaardeerd worden in de wetenschappelijke gemeenschap” bij het werken aan de fabricage en productie van kleine structuren. Terwijl ze in de wetenschappelijke wereld over het hoofd worden gezien, zijn deze metriek echt belangrijk in de echte wereld “wanneer het gaat om het vertalen van ontdekkingen van het laboratorium naar de industrie.”

“Alleen wanneer we productietechnieken hebben die deze metriek in overweging nemen, zullen we nanotechnologie volledig kunnen benutten ten behoeve van de samenleving.”

– zei Saha

Choi en Saha zijn ook uitvinders op een SLP-patentaanvraag waarvoor de intellectuele eigendomsrechten zijn toegewezen aan de Georgia Tech Research Corporation.

Gepubliceerd in Advanced Materials, een wekelijks peer‑review wetenschappelijk tijdschrift, onthulde de nieuwe studie dat deze onderzoekers een lichtgebaseerde manier hebben ontwikkeld om metalen structuren op nanoschaal te printen, die sneller, goedkoper en schaalbaar is.

Daardoor heeft deze technologie het potentieel om het veld van additive manufacturing te transformeren, dat momenteel onbetaalbaar en traag is. Deze doorbraak is 35 keer goedkoper dan de momenteel op de markt beschikbare technologieën.

Er zijn eigenlijk veel technologische vooruitgangen in verschillende vakgebieden die afhankelijk zijn van het vermogen om op nano‑grote metalen structuren te printen, een techniek die bekend staat als nanopatterning. Deze vakgebieden omvatten sensoren, elektronische apparaten, fotonica, zonne‑energieconversie, biomedicine en diagnostiek, en andere systemen.

Voor nanoschaalprinten wordt verondersteld dat de procedure een lichtbron met hoge intensiteit nodig heeft. Een dergelijk instrument is een femtosecondenlaser, die ultrakorte laserpulsen naar een brandpunt levert.

Hoewel zeer nuttig, kan dit instrument erg duur zijn. Met een prijs tot een half miljoen dollar is dit instrument niet haalbaar voor de meeste onderzoekslaboratoria en uiteraard voor kleine bedrijven.

Zoals Saha opmerkt, is het deze kost die het moeilijk maakt voor deze doorbraken om ooit in de echte wereld te komen, en blijven ze laboratoriumprojecten. Hij zei:

“Als wetenschappelijke gemeenschap hebben we niet de mogelijkheid om voldoende van deze nanomaterialen snel en betaalbaar te produceren, en daarom blijven veelbelovende technologieën vaak beperkt tot het laboratorium en worden ze niet vertaald naar toepassingen in de echte wereld.”

Dus, de volgende voor de hand liggende vraag is, is er echt een behoefte aan zo’n high‑intensity tool? Het antwoord was negatief, zoals Saha zei:

“Onze hypothese was dat we die lichtbron niet nodig hebben om het type printen te krijgen dat we willen.”

Als gevolg hiervan begonnen de onderzoekers te zoeken naar een goedkope lichtbron met lage intensiteit die toch kan worden gefocust, vergelijkbaar met femtosecondenlasers. Ze kwamen uit bij superluminescente lichtemitterende diodes (SLED’s), die werden gekozen vanwege hun commerciële beschikbaarheid.

Een SLED is een op superluminescentie gebaseerde rand‑emitterende halfgeleiderlichtbron die de helderheid en hoge vermogen van laserdiodes combineert met de lage coherentie van conventionele lichtemitterende diodes. Het licht dat door SLED’s wordt uitgezonden is aanzienlijk minder intens dan dat van femtosecondenlasers.

Klik hier om te leren waarom het ontbreken van wetenschappelijke angsten geen probleem meer zal zijn, dankzij geavanceerde 3D-printtechnologieën.

Lichtgebaseerde Projectie‑stijl Nano‑grootte Printen met Lage Intensiteit

Met dit onderzoek wilden Choi en Saha de eerste projectie‑stijl printtechnologie ontwikkelen. Dit systeem is ontworpen om te functioneren als een digitale projector, waarbij het beelden van digitaal naar optisch omzet en vervolgens op een glazen oppervlak projecteert.

Echter, de beelden die door deze printtechnologie worden geproduceerd zijn scherper gefocust. Deze scherpte is het resultaat van het benutten van de unieke eigenschappen van superluminescent licht om beelden met minimale defecten te genereren.

Deze SLP‑ of superluminescent lichtprojectietechniek print snel sub‑diffraction (dimensie korter dan de diffractiegrens van het betrokken licht) nanostructuren met minder intens licht. De onderzoekers maakten gebruik van de ruimtelijke en temporele coherentie‑eigenschappen van diode‑gebaseerd superluminescent licht.

Voor hun onderzoek maakten ze gebruik van metaalzout samen met andere chemicaliën om een heldere inktoplossing te ontwikkelen die licht kan absorberen. Wanneer licht van hun projectiesysteem de oplossing raakt, veroorzaakt dit een chemische reactie die de oplossing in metaal omzet. Deze metaalnanodeeltjes blijven aan het glazen oppervlak kleven, waardoor de nanostructuren ontstaan.

Het feit dat het een projectie‑stijl printtechnologie is, betekent dat het hele structuren in één keer kan printen. Het feit dat het, in plaats van punt voor punt te gaan, alles in één keer doet, maakt het sneller dan andere conventionele methoden.

Het testen van de lichtgebaseerde projectie‑stijl nano‑grote metaalprint toonde aan dat het zelfs werkt met licht van lage intensiteit, mits de beelden scherp gefocust zijn.

Volgens Choi en Saha kan hun werk snel door andere onderzoekers worden gerepliceerd met commercieel beschikbare hardware. Dit zal ook niet veel kosten, aangezien het type SLED dat in hun onderzoek werd gebruikt ongeveer $3k kost.

Op deze manier maakt het onderzoek het mogelijk voor kleine bedrijven, onderzoekscentra en zelfs individuen om van de technologie te profiteren en ermee te experimenteren om te innoveren. Volgens Choi:

“Momenteel hebben alleen topuniversiteiten toegang tot deze dure technologieën, en zelfs dan bevinden ze zich in gedeelde faciliteiten en zijn ze niet altijd beschikbaar.”

Voorts zei Choi:

“We willen de mogelijkheid van nanoschaal 3D-printen democratiseren, en we hopen dat ons onderzoek de deur opent voor bredere toegang tot dit type proces tegen lage kosten.”

Deze doorbraak heeft een reëel potentieel om nieuwe technologieën eindelijk uit onderzoeks‑laboratoria te brengen en in de wereld te gebruiken.

Het onderzoek heeft zeker een breed toepassingspotentieel, waarbij de onderzoekers zeggen dat hun techniek bijzonder nuttig zal zijn op het gebied van optica en plasmons, die een verscheidenheid aan complexe metalen nanostructuren vereisen.

Andere potentiële gebieden waar het in de toekomst kan worden gebruikt, omvatten kleinere en efficiëntere elektronische componenten voor smartphones, computers en wearables. Bovendien kan het helpen bij geavanceerde sensoren, actuatoren, miniatuur communicatiesystemen, biomedische apparaten zoals implantaten & diagnostische apparaten, kleinschalige optica voor camera’s en beeldvormingssystemen, kleine apparaten om energie te oogsten, en de ontwikkeling van nieuwe materialen met aangepaste eigenschappen.

Nanoschaal 3D-printen zal verder helpen bij onderzoek en het ontwikkelen van nog haalbaardere oplossingen.

Bedrijven die Leiderschap tonen in Additive Manufacturing

Laten we nu een paar bedrijven bekijken die vooroplopen in Additive Manufacturing:

#1. Stratasys

De in de VS gevestigde 3D‑printoplossingenprovider is een internationale leider in de additive manufacturing‑industrie. Stratasys levert een reeks 3D‑printers en materialen aan de auto‑, gezondheids‑, onderwijs‑, luchtvaart‑ en diverse andere sectoren. Het bedrijf heeft ook tal van additive‑technologiepatenten die worden gebruikt om modellen, prototypes, productietools en productieonderdelen te creëren.

De nieuwste 3D‑printer van het bedrijf, de F3300, brengt aanzienlijke verbeteringen in snelheid en kosten. Hij biedt hogere gantry‑snelheden, snellere extrusiesnelheden en geautomatiseerde kalibratie om tijd te besparen en de doorvoersnelheid te verhogen. De machine is bedoeld voor de productie van eindgebruiksonderdelen en kan ook worden gebruikt voor prototyping.

Met een marktkapitalisatie van $902,6 miljoen worden de aandelen van Stratasys momenteel verhandeld tegen $13,05, een daling van 8,61% jaar‑tot‑datum (YTD). Het bedrijf rapporteerde een omzet over de laatste twaalf maanden (TTM) van $630,52 mln, met een EPS (TTM) van -1,61 en een P/E (TTM) van -8,10.

#2. 3D Systems

Een bekende naam in de additive manufacturing‑industrie, 3D Systems (DDD ) biedt een breed scala aan 3D‑printoplossingen, variërend van hardware en software tot materialen voor sectoren zoals gezondheidszorg, luchtvaart, defensie, auto‑industrie, consumentenproducten en algemene productie.

De technologieën van 3D Systems omvatten Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithografie (SLA) en op SLA gebaseerde bioprinting.

Afgelopen jaar kondigde het bedrijf een patiënt‑specifiek 3D‑geprint craniaal implantaat aan dat met succes werd gebruikt bij een cranioplastiek in het Universitair Ziekenhuis Basel. Het gebruik van 3D‑geprinte craniale implantaten wordt verwacht een een marktgrootte van $2,1 miljard tegen het einde van dit decennium.

Met een marktkapitalisatie van $677,845 miljoen wordt het aandeel van 3D Systems Corp momenteel verhandeld tegen $5,08, een daling van 20% YTD. Het bedrijf rapporteerde een omzet (TTM) van $505,95 mln, met een EPS (TTM) van -0,74 en een P/E (TTM) van -6,85.

#3. GE Additive

Een divisie van technologische gigant General Electric (GE.TO ), GE Additive heeft een uitgebreid assortiment printers, verbruiks‑materialen en softwareoplossingen om bedrijven in verschillende marktsegmenten te laten innoveren.

Afgelopen maand toonde het bedrijf zijn metaal‑binder‑jet‑technologie op de grootste additive manufacturing (AM) vakbeurs van Europa. Hiervoor werkt GE Additive samen met een nieuwe sector, de medische, om haar horizon te verbreden voorbij alleen de luchtvaart. Met binder‑jets wil het bedrijf een “secundaire productiemethode bieden voor het geval er een probleem in de toeleveringsketen ontstaat.”

Met een marktkapitalisatie van $141,4 miljard worden de aandelen van General Electric Co momenteel verhandeld tegen $129,93, een stijging van 1,8% YTD. Het bedrijf rapporteerde een omzet (TTM) van $67,95 miljard, met een EPS (TTM) van 8 en een P/E (TTM) van 16,24. GE betaalt bovendien een dividendrendement van 0,25%.

Slotgedachten

Hoewel het nog in de vroege onderzoeksfase is, ontwikkelen nanoschaal 2D-printen en het landschap van additive manufacturing zich in een rap tempo. Zoals we al zagen, worden er snellere en goedkopere printtechnieken ontwikkeld die nanoschaal metaalprinten schaalbaar en commercieel levensvatbaar maken.

Naarmate nieuw onderzoek blijft werken aan kwesties zoals kosten en materiaallimieten, zullen er nieuwe oplossingen ontstaan die toetredingsdrempels wegnemen en gepersonaliseerde en duurzame productontwerpen opleveren. Dit zal leiden tot wijdverspreid gebruik van technieken in de geneeskunde, mode, consumentenproducten, geavanceerde elektronica en veel meer, waardoor de mogelijkheid dat nano‑enabled apparaten in de echte wereld worden gebruikt aanzienlijk toeneemt en 3D‑printen commerciëler wordt.

Klik hier voor de lijst van de tien beste additive manufacturing en 3D‑print‑aandelen om in te investeren.