Geen toegang tot specifieke wetenschappelijke apparatuur? Geen zorgen – Print het met additieve productie

De vraag naar wetenschappelijke apparatuur neemt wereldwijd toe. Volgens een schatting zal de wereldwijde marktgrootte van wetenschappelijke instrumenten groeien van iets meer dan US$28 miljard in 2022 tot meer dan US$34 miljard in 2028, met een CAGR van 3,2%. 

Wetenschappelijke apparatuur van verschillende soorten helpt de wetenschappelijke ontwikkeling te versnellen door het risico op menselijke fouten te verminderen en iteratieve processen te automatiseren. Het maakt tijd vrij voor wetenschappers om te brainstormen over concepten en oplossingen.

Volgens Mikael Hagstroem, Chief Executive Officer van Technology Networks, kan maar liefst 70% van de tijd van een laboratoriummedewerker verloren gaan aan administratieve taken, voorbereidingswerk, het vinden en opschonen van gegevens, of rapportage.

Aangezien wetenschappelijke instrumenten veel tijd besparen en een proces effectief vergemakkelijken, kan het frustrerend zijn als men niet op het juiste moment toegang krijgt tot een specifiek wetenschappelijk apparaat. Maar tegenwoordig is er nauwelijks reden om over deze beschikbaarheid te klagen.

Additieve productie, algemeen bekend als 3D-printen, komt te hulp. Hoe additieve productie helpt bij het verkrijgen van specifieke wetenschappelijke apparaten, bekijken we in de komende segmenten. Maar voordat we dieper ingaan, laten we eerst een kort overzicht geven van wat additieve productie of 3D-printen is!

Wat is additieve productie?

Een relevante uitleg over additieve productie, gepubliceerd door de MIT Sloan School of Management, definieert het als ‘het proces waarbij een object wordt gecreëerd door het laag voor laag op te bouwen. Het is het tegenovergestelde van subtractieve productie, waarbij een object wordt gemaakt door een massief materiaalblok weg te snijden totdat het eindproduct compleet is.’

In het algemeen volgt het additieve productieproces een drie‑stappenreeks, die als volgt is: 

• Eerst wordt een ontwerp in het laboratorium gemaakt. Dit kan gebeuren met Computer-Aided Design (CAD) en soortgelijke software. Of men kan direct een object scannen dat men wil printen.
• De tweede stap omvat dat de software het ontwerp stap voor stap omzet in een gelaagd raamwerk, dat de additieve productie‑ of 3D‑printmachine zal volgen.
• De laatste stap, die ook de reden is waarom het proces 3D‑printen wordt genoemd, bestaat uit het verzenden van het gelaagde raamwerk naar een 3‑D‑printer, die vervolgens onmiddellijk begint met het creëren van het object. 

Additieve productie of 3D‑printen is compatibel met een breed scala aan materiaaltypes, waaronder polymeren, metalen, keramiek, schuimen, gels, biomaterialen en meer. 

Volgens Arvind Kalidindi, een PhD‑kandidaat in materiaalkunde en -techniek aan MIT:

“Zolang je een manier vindt om twee delen lokaal te verbinden, kun je het 3‑D printen.”

Deze veelzijdigheid en bijna universele compatibiliteit maken 3D‑printen of additieve productie geschikt voor het vervaardigen van specifieke wetenschappelijke apparatuur. We bekijken nu enkele voorbeelden hieronder: 

3D‑geprinte draagbare massaspectrometercomponenten en meer

Een massaspectrometer is een apparaat dat chemische stoffen kan identificeren. Massaspectrometers worden gebruikt in diverse toepassingsgebieden, van misdaadscènes tot geologische onderzoeken; ze dienen vele doeleinden. 

Een groep onderzoekers van MIT heeft een 3D‑geprinte massafilter ontwikkeld die fungeert als het kernonderdeel van een massaspectrometer. Bekend als quadrupool, is dit miniaturiseerde filter aanzienlijk lichter en goedkoper dan de traditionele tegenhangers. Terwijl commerciële massafilters, gemaakt van hittebestendig glas‑keramiek en hars, meer dan US$100.000 kosten, kosten deze via additieve productie verkregen massafilters enkele dollars en kunnen ze binnen enkele uren worden geproduceerd. 

Volgens Velasquez‑Garcia, hoofdonderzoeker bij MIT’s Microsystems Technology Laboratories, “Er zijn andere miniaturiseerde quadrupool‑filters, maar ze zijn niet vergelijkbaar met massafilters van professionele kwaliteit. Er zijn veel mogelijkheden voor deze hardware als grootte en kosten kleiner kunnen zijn zonder de prestaties nadelig te beïnvloeden.”

Hoewel het bovenstaande voorbeeld een van de nieuwste prestaties op dit gebied is, zijn soortgelijke voorbeelden eerder geregistreerd in de wetenschap‑ en technologie‑R&D. Bijvoorbeeld, onderzoekers van de McGill University hebben een lab‑on‑a‑chip diagnostische technologie ontwikkeld die het gebruik van vele laboratoriuminstrumenten vervangt en functioneert als miniatuurtechnologieën. De chip kan in 30 minuten worden geproduceerd met behulp van 3D‑printen. Rapporten suggereren dat de oplossing zorgprofessionals in staat stelt “op maat gemaakte oplossingen voor specifieke behoeften direct op de zorglocatie” te creëren. 

Een ander team van MIT‑onderzoekers gebruikte multi‑materiaal 3D‑printen om zelfverwarmende fluïdische apparaten te creëren die ingebouwde verwarmingselementen bevatten. Dit zijn miniatuurlijke machines die vloeistoffen kunnen manipuleren en chemische reacties kunnen vergemakkelijken. In plaats van verschillende grote high‑end machines die gelijktijdig werken, is deze technologie in staat om ziekten te detecteren in kleine monsters bloed of vloeistoffen. 

Toegang tot wetenschappelijke apparatuur vanaf een externe locatie

3D‑printen van wetenschappelijke en laboratoriumapparatuur heeft ook geholpen de beperkingen weg te nemen die voortkomen uit fysieke/geografische afstand. Voorheen vereisten 3D‑printers een getrainde 3D‑printoperator op locatie. Echter, met het begin van de COVID‑19‑pandemie kwamen er oplossingen die remote werken mogelijk maakten binnen de additieve productie.

Bijvoorbeeld, de MakerBot CloudPrint heeft een oplossing ontwikkeld voor engineeringteams om effectief op afstand of vanuit verschillende locaties te werken. Het cloud‑gebaseerde 3D‑printplatform biedt een naadloze workflow voor teams die op meerdere locaties aanwezig zijn. Ingenieurs die op verschillende locaties werken, kunnen effectief samenwerken met deze 3D‑printers door hun prints te slicen en voor te bereiden direct vanuit een browser. 

Het apparaat beschikt over ingebouwde wachtrij‑ en bewakingsmogelijkheden en stelt gebruikers in staat om vanaf elke locatie printers toe te voegen, te monitoren en de toegang tot verbonden MakerBot‑printers te beheren. Het heeft ook een dashboard voor gecentraliseerde tracking en bewaking van de voortgang van prints. De live camerafeeds helpen bij het verkrijgen van de nieuwste statusupdates van printopdrachten. 

Oplossingen zoals deze en meer hebben de workflow soepel, naadloos en kosteneffectief gemaakt voor veel fabrikanten van wetenschappelijke apparatuur. 

Soorten fabrikanten van wetenschappelijke apparatuur die profiteren van additieve productie/3D‑printen

Fabrikanten van ruimteonderzoeksapparatuur vormen een segment dat aanzienlijk zal profiteren van additieve productie of 3D‑printen. Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat men 3D‑geprinte laboratoriumapparatuur kan bouwen om bulkmaterialen te meten onder extreme omstandigheden die ruimteverkenningsprojecten aan onderzoekers stellen. 

In 2022 vermeldde het Nature Journal een studie waarin een 3D‑geprint apparaat werd ontwikkeld om de oppervlaktespanning van nanofluïden te meten. Het meetresultaat was vergelijkbaar met commerciële apparaten. 

De studie onderzocht ook de mogelijkheden om meetinstrumenten te gebruiken via de materiaal‑extrusie‑3D‑printmethode om geselecteerde mechanisch‑fysische eigenschappen van bulkmaterialen onder extreme omstandigheden te meten. 

Een ander type fabrikant van wetenschappelijke apparatuur dat profiteert van additieve productie of 3D‑printen behoort tot het gebied van elektronica. De precisie van laser‑gebaseerde additieve productie processen helpt bij het creëren van micro‑elektromechanische systemen. Men kan ingewikkelde componenten zoals versnellingsmeters en gyroscopen ontwikkelen met dit proces. 

De productie van onderwijsinstrumenten is opnieuw een ander veld dat efficiënt kan profiteren van additieve productie. Er zijn 3D‑printers die studenten helpen te experimenteren met precisie‑engineerde hardware en industriële materialen. 

Enkele gemeenschappelijke kenmerken van deze faciliteiten omvatten hun vermogen om met een verscheidenheid aan grondstoffen op één platform te werken. Ze zijn veilig in gebruik en vereisen weinig tot geen persoonlijke beschermingsmiddelen. De additieve productietoestellen worden geleverd met ingebouwde software voor eenvoudige en naadloze controle en bewaking. 

Veel bedrijven maken additieve productie of 3D‑printen eenvoudig voor een reeks industrieën. We zullen nu enkele van deze bedrijven bekijken.

#1. Markforged

Markforged biedt een volledig spectrum aan additieve productoplossingen, waaronder industriële 3D‑printermachines, prestatiematerialen zoals metalen, continue vezels en composieten, en bedrijfssoftware die de workflow verbetert. 

Markforged heeft drie soorten 3D‑printers, waaronder metalen 3D‑printers, industriële composiet‑3D‑printers en desktop‑composiet‑3D‑printers. De sectoren waarin deze oplossingen worden gebruikt omvatten lucht- en ruimtevaart, automotive, consumentengoederen, onderwijs en onderzoek, elektronica‑productie, energie, overheid en defensie, industriële apparatuur, medische sector, enz. 

Een van de populairste producten van Markforged is de FX10, de next‑generation industriële composiet‑3D‑printer van het bedrijf. Het apparaat is uitgerust met een vision‑module en laser‑micrometer, een geavanceerde materiaalkamer voor snelle lading en minder gebruikersinterventie, een 7‑inch touchscreen en een verwarmde bouwkamer die opwarmt tot 60 graden Celsius. 

Markforged kondigde zijn vierde kwartaal en volledig jaar 2022 resultaten aan in maart 2023. Het bedrijf zag een omzetstijging van 11% naar $29,7 miljoen in het vierde kwartaal van 2022, ten opzichte van $26,6 miljoen in het vierde kwartaal van 2021. De omzet over het volledige jaar steeg met 11% naar US$101,0 miljoen in 2022, vergeleken met $91,2 miljoen in 2021. Echter, de brutowinst daalde met 4% naar $50,7 miljoen in 2022, van $52,9 miljoen in 2021.

#2. Hewlett Packard

Een ander grootschalig technologiebedrijf dat sterk investeert in het beschikbaar maken van 3D‑printen voor iedereen, is Hewlett‑Packard of HP. HP’s 3D‑printoplossingen worden gebruikt in diverse sectoren, waaronder lucht‑ en ruimtevaart, consumentengoederen en elektronica, onderwijs, gezondheidszorg en medische sector, industrie, productiediensten, gevormd vezel, orthopedische hulpmiddelen en protheses, transport en automotive, en meer. Een van deze toepassingsgebieden die toegang tot specifieke wetenschappelijke apparatuur vereist, is het onderwijs. HP’s multi‑jet fusion‑technologie helpt bij het bouwen van onderdelen en functionele prototypes over meerdere disciplines binnen een onderwijs‑/onderzoeksinstelling, van engineering tot architectuur. 

HP’s Jet Fusion 3D‑printoplossingen ondersteunen zowel basaal als geavanceerd 3D‑labonderzoek, inclusief dat uitgevoerd wordt in ontwikkelingslabs, additieve productielabs, universiteitsservicebureaus en ziekenhuis/medische 3D‑labs.

HP rapporteerde zijn fiscale 2023 volledig jaar- en vierde kwartaalresultaten op 21 november 2023. HP Inc. (HPQ ) en haar dochterondernemingen (“HP”) registreerden een netto‑omzet van $53,7 miljard, een daling van 15% (12% in constante valuta) ten opzichte van de voorgaande periode. De netto‑omzet van het vierde kwartaal bedroeg $13,8 miljard, een daling van 6% (5% in constante valuta) ten opzichte van het voorgaande jaar.

#3. Formlabs

Formlabs werd in 2011 opgericht door drie MIT‑promovendi met de missie om de eerste 3D‑printer te bouwen die industriële, professionele onderdeelkwaliteit kon leveren tegen een betaalbare prijs. Sindsdien is het bedrijf uitgegroeid tot een van de grootste leveranciers van professionele stereolithografie‑ en selectieve laser‑sinter‑3D‑printers ter wereld. 

Het Formlabs‑portfolio bevat een mix van betaalbare, industriële desktop‑3D‑printers, grote‑formaat 3D‑printers en geavanceerde desktop‑3D‑printers voor de gezondheidszorg. Hun printers kunnen werken met meer dan 20 functionele harsen voor prototyping en het produceren van eindproducten. Ze zijn ook compatibel met ten minste zes high‑performance industriële materialen, waaronder nylon 11, nylon 12, TPU, polypropyleen, glas en koolstofgevulde nylon‑composieten. De printers zijn geschikt voor gebruik onder normale omstandigheden, waarbij alleen PU‑harsen een droge kast voor vochtigheidscontrole vereisen. Ze werken ook goed in luchtomgevingen en een stikstofatmosfeer voor verbeterde materiaaleigenschappen en lagere verversingssnelheden.

Volgens rapporten gepubliceerd in 2021, had het bedrijf zijn waardering verdubbeld tot US$2 miljard, na een financieringsronde van US$150 miljoen geleid door SoftBank Group’s Vision Fund 2. Daarvoor werd het bedrijf gewaardeerd op meer dan $1 miljard toen het in augustus 2018 $15 miljoen aan financiering kreeg van New Enterprise Associates (NEA).

Additieve productie: een game‑changer in het veld van wetenschappelijk onderzoek

Wetenschappelijk onderzoek vereist geavanceerde machines, maar deze zijn dure apparaten die vaak buiten het bereik van onderzoeksinstellingen en onafhankelijke onderzoekers liggen. In dit licht is 3D‑printen of additieve productie een zegen, omdat ze gemakkelijk te ontwikkelen zijn en lage kosten hebben. Bovendien bieden ze resultaten die vergelijkbaar zijn met commerciële apparaten in hun precisie, die veel duurder zijn en doorgaans alleen beschikbaar zijn voor grootschalige bedrijven en instellingen.

Bovendien lost additieve productie ook de logistieke uitdagingen op. Dit is cruciaal omdat het leveren van de exacte wetenschappelijke apparatuur op het specifieke moment van behoefte een kostbare en tijdrovende aangelegenheid kan zijn. In dit opzicht helpt 3D‑printen die uitdaging eveneens op te lossen.

Bovendien, wanneer men de fysieke aspecten van wetenschappelijke apparatuur overweegt, die vaak zwaar en ingewikkeld is en niet bevorderlijk voor transport naar moeilijke locaties, worden de voordelen nog duidelijker. Zoals we al hebben gezien in scenario’s van ruimteverkenning en geologische surveys, is het meenemen van draagbare 3D‑printers en grondstoffen naar deze plaatsen nuttig voor het ter plaatse ontwikkelen van de apparatuur.

Al met al tonen deze factoren aan dat additieve productie een nieuwe horizon opent waarin toegang tot wetenschappelijke apparatuur niet alleen betaalbaarder, maar ook een moeiteloze oefening wordt.

Klik hier voor de lijst van beste 3D‑print- en additieve productie‑aandelen.