3D‑printens allsidighet: vekst‑printing, robotikk og mer

Additiv produksjon har kommet langt siden Dr. Hideo Kodama først introduserte idéen om å skrive ut lag for lag i stedet for sprøytestøping i 1981. Siden den gang har en jevn strøm av banebrytende fremskritt ført til utviklingen av denne moderne produksjonsprosessen. Nå er 3D‑printens allsidighet i ferd med å utvides ytterligere takket være noen innovative konsepter som treffer markedet. Her er det du trenger å vite.

Utover tilpasning: De voksende mulighetene for 3D‑printing

3D‑skrivere kan mye mer enn bare å lage tilpassede former. Dagens 3D‑skrivere kan skrive ut metall, nye sammensetninger, fungerende elektronikk og til og med menneskelige organer. Alle disse utviklingene fører til ytterligere innovasjoner i sektoren som driver teknologien fremover. Her er noen nylige fremskritt innen 3D‑printing som kan ta industrien til neste nivå.

3D‑printing i robotikk: En ny æra for aktuatorer

Når du tenker på 3D‑printet robotikk, forestiller du deg sannsynligvis en metall‑3D‑printer som produserer robotdeler som deretter settes sammen før de blir funksjonelle. Selv om denne tilnærmingen er fullt mulig, gir den kun mening dersom de 3D‑printede robotene skal produseres i liten skala eller som én‑av‑sin‑type‑tilpasning.

En bedre bruk av 3D‑printing i robotikk er å lage aktuatorer. Aktuatorer er systemene som beveger seg når du flytter deler på en robot. De er vanligvis laget av en form for elektrisk servo som aktiveres når strøm påføres. Ulempen med denne tilnærmingen er at servoer er tunge, stive og tilfører kompleksitet til enhetene.

Etter å ha erkjent disse begrensningene, publiserte et team fra Empas Laboratorium for funksjonelle polymerer studien Rapid Manufacturing of High-Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers¹. Rapporten fremhever en ny tilnærming for å lage kunstige muskler som fungerer som aktuatorer for roboter. Studien forklarer hvordan den nye metoden eliminerer behovet for lag‑for‑lag batch‑produksjon.

Dielektriske elastomer‑aktuatorer: Fremskritt innen myk robotikk

Bruken av kontinuerlig co‑ekstrusjonsbasert produksjon gjør at 3D‑printeren kan lage aktuatorer som fungerer mens de beholder kjerneprinsippene, som mykhet og elastisitet, som finnes i deres menneskelige motparter. Spesielt trekker disse enhetene seg sammen når spenning påføres og slapper av til en utvidet tilstand når de ikke er ladet. Denne handlingen ligner på hvordan musklene dine fungerer.

Kilde – Empa

Innovative materialer: Dual‑ink‑tilnærmingen

Nøkkelen til deres utvikling var skapelsen av en spesiell type printer og blekk. Blekket måtte lett bli flytende under visse forhold, men beholde form, elastisitet og kontraktilitet når det var ferdig. Ingeniørene integrerte to forskjellige silikongbaserte materialer.

Det ene materialet var et ledende elektrodemateriale. Det andre laget besto av et ikke‑ledende dielektrisk materiale. De to ble skrevet ut samtidig. Merk at materialene ikke blandet seg, men ble skrevet ut i et kryss‑link‑mønster likt fingrene som er sammenflettet. I tillegg ble en spesiell dyse utviklet for å levere materialene.

Resultatet var en ultra‑responsiv aktuator som veier mindre enn sine forgjengere og har ingen bevegelige deler. Ingeniørene bemerket at deres aktuatorer kan lages i nesten enhver design for å passe et enormt spekter av anvendelser. I tillegg koster de mindre å skrive ut og har lengre levetid enn sine servo‑motparter.

Potensielle anvendelser: Fra robotikk til medisin

Det finnes flere anvendelser for denne teknologien som spenner over mange ulike sektorer. Allerede har ingeniørene diskutert å bruke teknologien til å lage tynne, fullt funksjonelle, høypermittiv‑fibre som kan erstatte dine menneskelige muskelfibre ved skade.

I fremtiden kan du se disse rimelige og pålitelige aktuatorene brukt i biler, maskineri og andre sektorer som i dag er avhengige av utdaterte og ineffektive alternativer. Nå søker teamet å senke produksjonskostnadene og oppdage nye anvendelser for denne avanserte 3D‑printteknologien.

Growth Printing: En natur‑inspirert 3D‑printmetode

Ingeniører fra Beckman Institute for Advanced Science and Technology introduserte nylig en natur‑inspirert 3D‑printmetode som eliminerer behovet for spesialutstyr eller former. Forskningsartikkelen Morphogenic Growth 3D Printing² lover å senke 3D‑printkostnadene og muliggjør raskere produksjon av tilpassede deler ved bruk av avanserte polymerer.

Growth printing er en spennende utvikling som henter inspirasjon fra hvordan trær vokser over tid. Når du ser på et tre, er du kanskje ikke klar over at veksten er en kombinasjon av genetikk og miljø. Trær gjør kontinuerlig små justeringer i veksten for å optimalisere sin posisjon.

Kilde – Beckman Institute

Hvert lag av trevekst er en beregnet tilvekst som hjelper til med å kompensere for eventuelle begrensninger i posisjonen og forbedre de gunstige egenskapene. Denne tilnærmingen gjør at treet kan kompensere under veksten og oppnå høyere grad av stabilitet og holdbarhet.

Reaksjons‑diffusjonsprosessen: En ny tilnærming til 3D‑printing

Den nyutviklede 3D‑printmetoden opererer ved å bruke reaksjons‑diffusjonsprosessen. I denne tilnærmingen plasseres 100 g flytende harpiks kalt dicyklopentadien i en åpen glassbeholder på 65 × 65 × 65 mm³. Beholderen senkes deretter ned i en 110 × 110 × 110 mm³ beger fylt med isvann, og midtpunktet av harpiksen varmes opp til 70 °C med en patronvarmer på 1/8 tommers diameter og 2 tommers lengde.

AI og beregningsmodellering i Growth Printing

En avansert datamodell hjelper med å bestemme hvordan man sakte løfter harpiksen ut av den oppvarmede krukken på en måte som lar den kjøle ned til bestemte former lag for lag. Programvaren tar hensyn til ulike faktorer og gjør justeringer i løfteprosessen for å oppnå ønsket form.

Deretter manipulerer en robotarm ekstruderingshodet, tar det ut av den oppvarmede tilstanden og inn i det kjølige miljøet, slik at det herder i lag. Disse lagene tar hensyn til tyngdekraft og andre faktorer under hver fase av tilsetningen. Som sådan kan denne 3D‑printmetoden skape sterkere design som tåler mer trykk.

Merk at ingeniørene bruker datalgoritmen til å bestemme den ideelle tverrsnittsdesignen av ekstruderingsspissen, de eksakte trajektoriene med vinkelbevegelse av spissen, om flere spisser med sammenslåtte fronter er nødvendig, samt harpiksenes viskositet.

Forbedret presisjon i 3D‑printing gjennom reaksjons‑diffusjon

Interessant nok gjør reaksjons‑diffusjonsmodellen det mulig for ingeniører å forutsi delens form nøyaktig basert på bevegelsen til den oppvarmede spissen. Den gjør også at ingeniører kan finne den enkleste måten å lage en form med minimale bevegelser. Sammen gjør disse fremskrittene at visse design kan 3D‑printes raskere.

Ved hjelp av et DSLR‑kamera fanget ingeniørene side‑visningsbilder av prosessen. Dette trinnet hjalp teamet med å finjustere temperatur og andre faktorer. Merk at gruppen brukte kun glassbeger og en glassstativ som tillot full 360‑gradsovervåkning. De fant at deres tilnærming produserte sterkere utskrifter raskere.

Industrielle og vitenskapelige anvendelser av Growth Printing

Det er stor etterspørsel etter raskere 3D‑printteknologi. 3D‑skrivere er utmerkede for å lage tilpassede deler og kort‑serier, men de tar tid å fullføre. Selv de beste metodene krever timer for drift og herding. Evnen til raskt å skrive ut holdbare former og komponenter vil være et stort pluss for mange industrier.

3D‑printing i partikkelfysikk: Et gjennombrudd i scintillatordetektorer

Additiv produksjon er nå klar til å dykke inn i det kvante‑relaterte området, takket være et team av oppfinnsomme forskere fra ETH Zürich. Gruppen publiserte nylig en studie med tittelen “Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles“³ som introduserer en ny måte å lage storskalige plast‑scintillatordetektorer som kan senke forskningskostnadene for vitenskapsfolk i fremtiden.

Hva er en scintillator, og hvordan forbedrer 3D‑printing den?

Scintillasjonsmateriale brukes ofte i partikkelfysikk for å lage design som kan overvåke nøytrons bevegelser. Disse systemene er en av hovedmetodene forskere bruker for å oppdage ioniserende stråling. Merk at disse enhetene kan spore nøytroner og bestemme tilstedeværelsen av røntgen‑, beta‑ og gammastråler. Som sådan er de en viktig komponent for forskere som ønsker å spore disse strålene,

SuperFGD og fremtiden for partikkeldeteksjon

SuperFGD er dagens standard for scintillatorer. SuperFGD‑er er svært komplekse enheter som kan inneholde millioner av kuber, spesielt designet for å oppdage og spore ladede partikler. Disse enhetene fungerer ved å måle energitapet når ladede partikler beveger seg gjennom enheten. For å utføre dette har hver kube innebygd optisk fiber.

Problemet er at det er utrolig dyrt og tidkrevende å produsere disse kritiske enhetene. Kostnadene hindrer fortsatt adopsjon og begrenser tilgangen til dem. En ny fused injection modeling (FIM) kombinerer fused deposition modeling (FDM) og injeksjonsstøping for å skape et mer rimelig alternativ. Den mangler imidlertid fortsatt sammenlignet med de nyeste 3D‑printede versjonene.

Introduksjon av SuperCube: Et kostnadseffektivt scintillatortalternativ

For å demonstrere deres nye design, laget ingeniørene SuperCube‑scintillatoren. Denne oppgraderte enheten har 125 optisk isolerte voxeler som kan spore partikkelens energibane. Enheten er arrangert i en 5 × 5 × 5‑konfigurasjon, med hver voxel designet for å holde to ortogonale bølgelengde‑skiftende fibre.

Merk at denne tilnærmingen ga ytelse på nivå med SuperFGD, men til en brøkdel av kostnadene. Produksjonstiden for én voxel ble estimert til rundt 6 minutter, langt mindre enn nåværende alternativer. I tillegg søker teamet å halvere denne tiden i løpet av de kommende månedene.

Vitenskapelige anvendelser: Fra CERN til romforskning

Anvendelsen for disse enhetene inkluderer vitenskapelig forskning ved noen av verdens mest prestisjefylte steder. En dag kan disse enhetene operere på CERN og på satellitter, hvor de vil hjelpe med å oppdage kosmiske stråler og andre ladede partikler i sanntid.

Hva er neste for 3D‑printing? Fremvoksende innovasjoner

Det skjer så mye i 3D‑print‑sektoren akkurat nå. I år har additiv produksjon nådd rommet, brukt flere materialer, og til og med laget funksjonelle deler med komplekse materialkombinasjoner. I fremtiden kan enda mer komplekse materialinteraksjoner bli utviklet, slik at fungerende produkter kan printes i ett eneste løp. Her er noen flere utviklinger som vil omforme markedet i de kommende månedene.

Holographic Direct Sound Printing (HDSP)

Ingeniører har laget en metode for å skrive ut gjennom vegger ved hjelp av ultrasonisk holografi. Enheten bruker disse bølgene til å organisere former og herde dem uten fysisk kontakt. Denne tilnærmingen gir en metode for å skrive ut intrikate design og har noen svært imponerende bruks‑case‑scenarioer.

Tenk deg en astronaut som erstatter eller reparerer en aldrende del som befinner seg i et område som ville vært nesten umulig å nå uten flere dagers arbeid. Selv om dette kan virke imponerende, er det ikke like forbløffende som tanken på å gå til legen og få et organ reparert uten å måtte gjennomgå kirurgi. Alle disse scenariene kan bli mulige takket være gjennombruddene innen holografisk 3D‑printing.

3D‑printede hjem: Fremtiden for rimelige boliger og romkolonisering

Det legges mye innsats i å skape levedyktige 3D‑printede hjem. Denne teknologien vil senke boligkostnadene her og åpne muligheten for å kolonisere rommet. Ingeniører ser for seg bruk av disse skriverne til å lage habitater ved å bruke materiale som er naturlig på planeten, noe som reduserer kostnadene ytterligere.

Strategien gir mening når du tenker på at det er dyrt å frakte byggematerialer inn i rommet. Det beste alternativet er å bruke en spesialbygd 3D‑printer for konstruksjon i slike scenarioer. En annen 3D‑printer kan også lage spesialverktøy og andre nødvendigheter for å strømlinjeforme prosessen.

Oppsvinget for 4D‑printing: Form‑morfende strukturer

Growth printing og andre utviklinger åpner døren for 4D‑printing‑revolusjonen. 4D‑printing refererer til utskrift av former som kan endre seg. Tenk på 4D‑printede deler som en utskrift som gjør at 1D‑tråder kan transformeres til 3D‑former. 4D‑printing blir sett på som fremtiden av mange analytikere som en dag kan lage proteser som vokser med brukeren eller oppløses etter at de ikke lenger trengs.

Den uovertrufne allsidigheten til 3D‑printing

Etter hvert som 3D‑printing utvikler seg, har den blitt det beste alternativet for mange av dagens produkter. Fleksibiliteten og allsidigheten til 3D‑skrivere gjør at ingeniører kontinuerlig kan tenke på nye og spennende måter å skape ved hjelp av lag‑for‑lag‑metoder. Disse siste utviklingene vil helt sikkert presse grensene videre og innlede en ny æra av 3D‑print‑bekvemmelighet.

Lær mer om andre spennende 3D‑print‑prosjekter nå.

Studier referert til:

^{1. Danner, P. M., Pleij, T., Liechti, F., Wolf, J., Bayles, A. V., Vermant, J., & Opris, D. M. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Advanced Materials Technologies. https://doi.org/10.1002/admt.202500190}

^{2. Kim, Y. S., Zhu, M., Hossain, M. T., Sanders, D., Shah, R., Gao, Y., Geubelle, P. H., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). Morphogenic growth 3D printing. Advanced Materials, 37(12), Article 2406265. https://doi.org/10.1002/adma.202406265}

^{3. Kieseler, J., & Canelli, F. (2025). Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles. Communications Engineering, 4(1), Article 371. https://doi.org/10.1038/s44172-025-00371-z}