Det neste spranget i 3D‑utskrift er å dyrke sterke metaller

Forskere fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) har utviklet en ny 3D‑utskriftsmetode som kan omdanne enkle hydrogel til høyytelsesmetaller og keramikk.

De har i hovedsak dyrket metall ved å muliggjøre flere infusjoner av metallsalter som danner ekstremt sterke og tette strukturer uten porøsiteten som tidligere metoder hadde. Resultatene viser at metaller laget med den nye teknikken er 20 ganger sterkere og har mye mindre krymping. 

Dette gjennombruddet lover effektiv produksjon av neste generasjons energi‑, sensor‑ og biomedisinske enheter.

Hvorfor arkitekturerte materialer trenger bedre metall‑3D‑utskrift

Som grunnlaget for produksjon, konstruksjon, ingeniørkunst og teknologi påvirker materialer direkte funksjonaliteten, holdbarheten og sikkerheten til alt fra bygninger til elektronikk, transport og helsevesen. 

Dette gjør det viktig å skape nye materialer eller forbedre eksisterende for å møte spesifikke behov, løse problemer og drive fremgang på tvers av ulike industrier.

En innovativ og avgjørende tilnærming for å oppnå dette er gjennom design av arkitekturerte materialer, en prosess som forbedrer materialegenskaper sammenlignet med deres enkle motparter ved å designe deres interne struktur på flere skalaer.

Denne fremvoksende klassen av materialer utnytter 3D‑strukturell geometri for å få tilgang til funksjonaliteter og egenskaper som ellers er utilgjengelige gjennom kun sammensetnings‑ og/eller mikrostrukturoptimalisering.

Etter hvert som vår forståelse av arkitektur‑egenskap‑forhold og produksjonsverktøy har utviklet seg, har også utviklingen av disse 3D nano‑ og mikroarkitekturerte materialene med nye eller forbedrede egenskaper, som spenner fra ekstreme mekaniske oppførsler til eksotiske optiske egenskaper som simpelthen ikke kan oppnås med tradisjonelt bearbeidede materialer. På denne måten bidrar arkitekturerte materialer til å møte den økende etterspørselen etter høyytelses enheter og muliggjør komplekse teknologier.

Disse materialene blir for øyeblikket fremstilt ved hjelp av additiv produksjon (AM)-teknologier på grunn av deres evne til å produsere komplekse 3D‑strukturer på et bredt spekter av lengdeskalaer. Blant ulike AM‑prosesser er vat photopolymerization (VP) mye brukt fordi den tillater små størrelser og raske hastigheter.

I denne 3D‑utskriftsmetoden blir en lysfølsom harpiks deponert i et kar, og deretter, ved bruk av en laser eller UV‑lys, blir den selektivt herdet til ønsket form.

Denne prosessen brukes imidlertid kun med lysfølsomme polymerer og møter utfordringer ved fremstilling av ikke‑polymeriske materialer med den. Med polymerer som har begrensede strukturelle og funksjonelle egenskaper, begrenser dette bruksområdene for enheter fremstilt med VP.

Som et resultat har forskere utviklet metoder for å muliggjøre VP av ikke‑fotokurerebare materialer som metaller og keramikk. Dette inkluderer bruk av hybrid fotoharpiks (som kombinerer både uorganiske og organiske komponenter) eller fotosensitiv slurry, men de har utfordringer med lys‑spredning, viskositet og begrensede materialekomposisjoner.

Som et resultat har bruken av metallsaltløsninger dukket opp som en lovende tilnærming, som er allsidig og kommersielt tilgjengelig. Men denne medfører betydelig krymping, som forårsaker porøsitet, deformasjon og strukturelle skader.

For å takle disse utfordringene har EPFL‑forskere utviklet en ny allsidig metode for å fremstille tette arkitekturerte metaller og keramikk med lave lineære krympinger ved konvertering.

Det de har gjort, er at de har dyrket metaller i en hydrogel, noe som resulterer i bemerkelsesverdig tette, men kompliserte konstruksjoner for avansert teknologi.

Hydrogel er polymermaterialer som hovedsakelig består av vann. Når de er hydrert, blir de geléaktige. De er biokompatible og brukes i et bredt spekter av medisinske og andre anvendelser. Disse materialene lider imidlertid av gjentatt mekanisk belastning og kan lett bli deformert. 

“Problemet med eksisterende hydrogel er at de kan være mekanisk svake og derfor trenger forsterkning,” sa førsteamanuensis Koichi Mayumi fra Institute for Solid State Physics (ISSP) ved University of Tokyo, som har laget¹ en hydrogel som viser gummiliknende tøffhet og gjenopprettbarhet samtidig som den beholder fleksibilitet.

En nylig studie², imidlertid, brukte hydrogel for å demonstrere evnen til ikke‑levende materialer til å bruke ‘minne’ for å oppdatere sin forståelse av miljøet. De viste at \”minne er fremvoksende innen hydrogel\” ved å la ikke‑levende hydrogel (som kan reagere på elektrisk stimulering) spille videospillet Pong og forbedre nøyaktigheten med opptil 10 % gjennom trening.

Nå har EPFL‑forskere omdannet disse myke hydrogelene til eksepsjonelt sterke metaller og keramikk ved hjelp av en kraftig ny 3D‑utskriftsmetode.

En ny måte å 3D‑printe sterke metaller på

Med andre 3D‑utskriftsmetoder som er laget for å konvertere trykte polymerer til tøffere materialer, lider de av alvorlige strukturelle tilbakeslag, “disse materialene har en tendens til å være porøse, noe som betydelig reduserer styrken, og delene lider av overdreven krymping, som forårsaker deformasjon,” har forskerne skapt en unik løsning på problemet.

EPFL‑forskere har pionert en 3D‑utskriftsmetode kalt hydrogel infusion additive manufacturing (HIAM).

I den siste studien, publisert i Advanced Materials³, bemerket forskerne at til tross for fordelene i form av allsidighet og tilgjengelighet, er metodens nytte begrenset av 50‑90 % krymping som oppstår under polymer‑til‑keramikk‑konverteringsprosessen, noe som forårsaker mye porøsitet, sprekker og deformasjon i de endelige delene, som ofte gjør dem for skjøre til praktisk bruk. Så de bruker også en infusjon‑precipiteringsstrategi etter fabrikasjon.

I stedet for å bruke lys til å herde en harpiks forhåndsinfusert med metallforløpere, bygde EPFL‑teamet først et 3D‑rammeverk av hydrogel.

Deretter blir den ‘tomme’ hydrogel infusert med ulike metallsaltløsninger før den termisk behandles for å konvertere den til nanopartikler som inneholder metaller som gjennomtrenger strukturen. Ved å gjenta prosessen kan kompositter med svært høy metallkonsentrasjon opprettes.

Etter fem til ti slike ‘vekstsykluser’ innebærer siste trinn oppvarming som brenner bort den resterende hydrogel. Dette etterlater det ferdige produktet, dvs. et keramisk eller metallisk objekt i formen til den opprinnelige tomme polymeren som er svært sterkt og tett. 

Å infusere metallsalter i hydrogel kun etter fabrikasjon betyr at kun én hydrogel kan modifiseres til mange forskjellige kompositter, metaller eller keramikk. 

Ikke bare kan en enkelt harpiks‑komposisjon brukes til å fremstille en nesten uendelig rekke av ikke‑polymeriske materialer, men denne studien fremhever også et nytt paradigme innen AM hvor materialvalg ikke skjer før etter 3D‑utskrift.

Så den nye teknikken “gjør det mulig å fremstille høykvalitets metaller og keramikk med en tilgjengelig, lavkost‑3D‑utskriftsprosess,” sa Daryl Yee, leder av Laboratoriet for kjemi av materialer og produksjon (ALCHEMY) ved EPFLs ingeniørskole. 

Fokuset ved ALCHEMY er å integrere materialvitenskap, molekylær design og avansert produksjon for å skape avanserte funksjonelle materialer som kan takle samfunnsutfordringer innen helse, energi og klimaendringer.  

Ved å bruke metoden har EPFL‑teamet med suksess fremstilt en rekke intrikate 3D‑metall- og keramikkstrukturer. De laget komplekse matematiske gitterformer kalt gyroider av kobber, sølv og jern.

Fremstillingen av Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu, og Ag oppnådde tettheter som nærmet seg 88–89 % av teoretisk, og krympinger på 20–40 % (avhengig av sammensetning), noe som demonstrerer teknikkens evne til å lage sterke og intrikate strukturer. En universell testmaskin ble også brukt til å teste styrken til materialene ved å påføre økende trykk på gyroidene.

“Materialene våre kunne tåle 20 ganger mer trykk sammenlignet med de som ble produsert med tidligere metoder, mens de kun viste 20 % krymping versus 60‑90 %.”

– PhD‑student og første forfatter Yiming Ji

Ifølge forskerne har den nyutviklede infusjon‑precipiteringsbaserte teknikken potensial til å fremstille avanserte arkitekturerte materialer og 3D‑strukturer som må være komplekse, lette og sterke samtidig, som biomedisinske enheter, sensorer eller enheter for energikonvertering og lagring. 

I de neste stegene vil teamet fokusere på å forbedre prosessen, spesielt på ytterligere å øke tettheten til materialene, for kommersialisering. 

Hastighet er et annet mål. Mens gjentatte infusjoner er viktige for å produsere sterkere materialer, gjør disse trinnene metoden tidkrevende. “Vi jobber allerede med å redusere total behandlingstid ved å bruke en robot til å automatisere disse trinnene,” sa Yee.
Swipe to scroll →

Hvor går additiv produksjon videre?

Additiv produksjon er en av de mest disruptive teknologiene i vår tid, og bygger 3D‑objekter lag for lag ved hjelp av digital design og et bredt spekter av materialer, som metall, plast, og betong.

Denne teknologien er praktisk, allsidig og i stand til raskt å fremstille intrikate geometriske strukturer. Den reduserer også materialavfall, muliggjør høy tilpasning og forbedrer ytelsen til fleksible enheter.

Den globale AM‑markedstørrelsen estimeres til omtrent $25 milliarder i 2025 og forventes å vokse til over $125 milliarder innen 2032. Samtidig var totalt antall 3D‑skrivere som ble sendt globalt 2,2 millioner i 2021 og forventes å nå 21,5 millioner enheter innen slutten av dette tiåret.

Disse tallene reflekterer en økende adopsjon av teknologien, som ikke er begrenset til kun laboratorier. Den blir i økende grad brukt til å bygge hus, sko, VR‑hodesett, selvhelbredende biologisk nedbrytbare materialer⁴, og mye mer.

Nylig rapporterte Empa‑forskere utviklingen av et 3D‑printet biokompatibelt kornealimplantat som kan reparere øyeskader permanent. 

Med millioner av mennesker verden over som er berørt av korneaskader, kan kun en liten prosentandel behandles med kornealtransplantasjon. Utviklingen av tilpassede selvklebende implantater gjort mulig gjennom 3D‑ekstrusjons‑bioprinting kan fullstendig endre spillet.

Implantatet er laget av en biokompatibel hydrogel, som senere vil bli lastet med humane stamceller fra øyet for å støtte vevsregenerering.

Mens AM‑applikasjoner fortsetter å vokse, løser forskere også noen av 3D‑utskriftens mest vedvarende tekniske utfordringer. Forskere fra Oak Ridge National Laboratory (ORNL) utviklet en vakuum‑assistert ekstrusjonsteknikk⁵ som kan redusere intern porøsitet i polymerkomponenter med 75 % og dermed takle problemet som hindrer stor‑skala additiv produksjon (LFAM).

Intern porøsitet svekker trykte deler, og å redusere dette er viktig for å øke den samlede ytelsen.

Det forskerne gjorde var at de under ekstrusjonsprosessen integrerte en vakuum‑hopper, som fjernet fanget gass og minimerte dannelsen av hulrom i fiberforsterkede materialer som er vanlige i LFAM for deres stivhet så vel som lav termisk ekspansjon, men har intra‑perle‑porøsitet som påvirker kvaliteten. 

“Ved å bruke denne innovative teknikken adresserer vi ikke bare det kritiske problemet med porøsitet i stor‑skala polymerutskrifter, men baner også vei for sterkere kompositter. Dette er et betydelig sprang fremover for LFAM‑industrien.”

– Vipin Kumar fra ORNL

I mellomtiden har forskere ved University of Colorado Boulder laget programvaren OpenVCAD, for å hjelpe med å oppnå mer komplekse design. Den åpne kildekode‑programvaren kan anvende spesifikke egenskaper på visse deler av gitterstrukturer, som vanligvis brukes for støtabsorberende evner.

Det første fler‑materiale, kode‑baserte designverktøyet “lar brukere endre én liten variabel og se hele designet oppdatere på en enkel måte,” sa prosjektleder Robert MacCurdy. Det konverterer kompliserte gradient‑design til skriver‑klar kode for moderne ingeniørapplikasjoner.

Utover å forbedre materialkvalitet, jobber innovatører også med å bringe kraften av fabrikasjon inn i håndflaten. Et papir av UT Austin og MIT‑forskere utforsket bruk av silisium‑fotoni i en chip‑basert 3D‑printer⁶, hvor en enkelt millimeter‑skala fotonisk enhet gjør mesteparten av printerens mekaniske funksjonalitet mens den erstatter lyskilden. Den resulterende printeren er mye enklere og kostnadseffektiv.

Nåværende 3D‑skrivere er avhengige av store og komplekse mekaniske systemer, noe som begrenser hastighet, bærbarhet, oppløsning, formfaktor og materialkompleksitet. Mens forskere ser på 3D‑skrivere som er basert på fotokuring, er de fortsatt avhengige av klumpete og komplekse mekaniske systemer. 

Så den siste studien kombinerte silisium‑fotoni og fotokjemi for den første chip‑baserte 3D‑printeren. De brukte en silisium‑fotoni CMOS‑chip i et lite kammer, som både emitterer lyset og styrer det, sammen med en væskekristall‑bølgeguide for å arbeide med harpiksen. 

Systemet er et “synlig‑lys integrert optisk fasearray‑system” som fungerer som et kar‑polymeriseringssystem på en chip, med den ultimate idéen å få hele systemet til å passe i håndflaten.

Investering i 3D‑utskrift

Famous for traditional printing, HP (HPQ ) har aggressivt gjort et inntog i 3D‑utskriftsmarkedet og har skala, kapital og infrastruktur til å adoptere banebrytende prosesser som hydrogel‑infusjon.

Selskapet gikk først inn i additiv produksjon for litt over et tiår siden, og siden da har det lansert flere polymer‑3D‑skriversystemer og introdusert Metal Jet‑teknologi. Selv om det ikke er den eldste aktøren i 3D‑utskriftsindustrien, har HP jobbet med å bli markedsleder gjennom innovasjon innen teknologi, materialer og partnerskap.

HP Inc. (HPQ )

Earlier this year, HP’s Multi Jet Fusion 3D printing technology ble brukt av Blazin Rodz til å produsere over 75 deler for en spesialbygd bil. 

“Det er ingen måte vi kunne designe og konstruere kjøretøy så ekstreme, presise og kjørbare som vi gjør hos Blazin Rodz – på under ett år – uten CAD‑design og 3D‑utskrift. HPs Multi‑Jet Fusion (MJF)‑utskrift er en spill‑endrer for hele industrien, og vi er forpliktet til å finne smarte og innovative anvendelser av den med hver signaturdel vi utvikler og hver tilpasset bil vi bygger fremover.”

– Waylon Jeffrey, 3D‑design‑ og ingeniørleder hos Blazin Rodz

For noen måneder siden sikret det mobile dronfremstillingsfirmaet Firestorm Labs eksklusive distribusjonsrettigheter fra HP for sin mobile Multi Jet Fusion 3D‑utskrifts‑teknologi for å muliggjøre produksjon på stedet i medisinske, humanitære og kommersielle sammenhenger.

HP er den globale leverandøren av personlig databehandling og andre digitale tilgangsenheter, og opererer gjennom tre nøkkelsegmenter.

Personlige systemer‑segmentet tilbyr kommersielle og forbruker‑desktop‑datamaskiner, bærbare, arbeidsstasjoner, POS‑systemer, skjermer, hybride systemer og programvare; Trykk‑segmentet tilbyr forbruker‑ og kommersielle skriver‑maskinvare, sammen med grafikk‑ og 3D‑utskrift og personalisering i de kommersielle og industrielle markedene; og Corporate Investments‑segmentet inkluderer visse forretningsinkubator‑ og investeringsprosjekter.

Med en markedsverdi på $25,5 milliarder handles HPQ‑aksjene for tiden til $27,22, ned 16,18 % så langt i år. 52‑ukers‑området har vært $21,21 til $39,80, mens den høyeste prisen disse aksjene noen gang nådde var midt i 2022 da HPQ nådde et toppnivå på omtrent $41,50.

Selskapet har en EPS (TTM) på 2,75 og en P/E (TTM) på 9,96. Utbytteavkastningen som HP tilbyr sine aksjonærer er en attraktiv 4,23 %.

Når det gjelder HPs finansielle posisjon, rapporterte selskapet nettoinntekt på $13,9 milliarder, en økning på 3,1 % fra forrige år, for tredje kvartal av regnskapsåret 2025. 

Dette inkluderer $4 milliarder i inntekter fra Trykk‑segmentet, som var ned 4 % år‑over‑år (YoY) med en driftsmargin på 17,3 %. Nettoinntekter fra Forbruker‑trykk var ned 8 %, fra Kommersiell‑trykk ned 3 % og fra Forsyninger ned 4 %. Totalt antall maskinvare‑enheter falt med 9 %, med kommersielle trykk‑enheter ned 12 % og forbruker‑trykk‑enheter ned 8 %.

HPs GAAP‑justerte fortynnede nettoresultat per aksje økte med 23,1 % til $0,80, og non‑GAAP‑justerte fortynnede netto‑EPS var ned 10,7 % til $0,75.

“I Q3 leverte vi et femte påfølgende kvartal med inntektsvekst, drevet av styrke i Personlige systemer og sterk momentum i våre nøkkel‑vekstområder. Disse resultatene demonstrerer vår smidighet og fokuserte gjennomføring i kvartalet, forsterker styrken i vår strategi, og vårt engasjement for å være en leder i fremtidens arbeid.”

– administrerende direktør Enrique Lores

I løpet av dette kvartalet rapporterte selskapet $1,7 milliarder i netto kontanter fra driftsaktiviteter mens fri kontantstrøm var $1,5 milliarder. Det returnerte også $400 millioner til aksjonærene gjennom utbyttebetalinger på $0,2894 per aksje og aksjetilbakekjøp på $150 millioner. HP avsluttet kvartalet med $2,9 milliarder i kontanter og kontantekvivalenter.

Klikk her for en liste over de beste additive produksjons‑ og 3D‑utskriftsaksjene.

Siste nyheter og utviklinger for HP Inc. (HPQ) aksjer

Et nytt kapittel for materialvitenskap

Med 3D‑utskrift har produksjon gått inn i en ny æra, som muliggjør rask prototyping, raskere utvikling, design‑fleksibilitet, kostnadsbesparelser og forbedringer i forsyningskjeden.

Ved å utnytte denne teknologien og kombinere den med hydrogel‑infusjon og en infusjon‑precipiteringsstrategi, har EPFL‑forskere produsert sterkere metaller, og redefinert når og hvordan materialidentitet bestemmes i produksjonskjeden. Videre kan fleksibiliteten den tilbyr potensielt være transformativ for industrier fra energi til biomedisinsk ingeniørkunst.

Etter hvert som disse metodene modnes, skaleres og kommersialiseres, kan de innlede et nytt industrielt landskap hvor styrke ikke lages, men dyrkes.

Referanser:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Slitne hydrogel med rask selvforsterkning. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, 23. august). Elektro‑aktive polymerhydrogel viser fremvoksende minne når de er innebygd i et tilbakemeldingsdrevet miljø. 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‑basert vat‑fotopolymerisering av keramikk og metaller med lav krymping via gjentatt infusjon‑precipitering. 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‑printede selvhelbredende, biologisk nedbrytbare materialer og deres anvendelser. 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, januar). Vakuum‑assistert ekstrusjon for å redusere intern porøsitet i stor‑format additiv produksjon. 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). Silisium‑fotoni‑drevet chip‑basert 3D‑printer. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2