Ingen tilgang til spesifikt vitenskapelig utstyr? Ikke bekymre deg – skriv det ut med additiv produksjon

Behovet for vitenskapelig utstyr øker over hele verden. Ifølge ett estimat vil det globale markedet for vitenskapelige instrumenter vokse fra litt over US$28 milliarder i 2022 til mer enn US$34 milliarder i 2028, med en CAGR på 3,2%. 

Vitenskapelig utstyr av ulike typer bidrar til å fremskynde vitenskapelig utvikling ved å redusere risikoen for menneskelige feil og automatisere iterative prosesser. Det frigjør tid for forskere til å utvikle konsepter og løsninger.

Ifølge Mikael Hagstroem, administrerende direktør i Technology Networks, kan så mye som 70 % av en laboratoriearbeiders tid gå til spille med administrative oppgaver, forberedelsesarbeid, datainnsamling og -rensing, eller rapportering.

Siden vitenskapelige instrumenter sparer mye tid og forenkler prosesser effektivt, kan det være frustrerende dersom man ikke får tilgang til et spesifikt vitenskapelig verktøy til rett tid. Men det er knapt noen grunn til å klage på dette i dag.

Additiv produksjon, populært kjent som 3D printing, har kommet til unnsetning. Hvordan additiv produksjon hjelper med å få tilgang til spesifikke vitenskapelige verktøy vil vi se nærmere på i de kommende delene. Men før vi går dypere, la oss få en rask oversikt over hva additiv produksjon eller 3D‑printing er!

Hva er additiv produksjon?

En relevant forklaring på additiv produksjon, publisert av MIT Sloan School of Management, definerer det som ‘prosessen med å lage et objekt ved å bygge det lag for lag. Det er det motsatte av subtraktiv produksjon, hvor et objekt skapes ved å kutte bort fra en solid blokk av materiale til sluttproduktet er ferdig.’

Generelt følger additiv produksjonsprosess en tretrinns sekvens, som er som følger: 

• Først opprettes et design i laboratoriet. Dette kan gjøres ved å bruke datastøttet design (CAD) og lignende programvare. Eller man kan direkte skanne et objekt man ønsker å skrive ut.
• Det andre trinnet innebærer at programvaren konverterer designet, trinn for trinn, til et lagdelt rammeverk som additiv produksjons- eller 3D‑printmaskinen vil følge.
• Det siste trinnet, som også er grunnen til at prosessen kalles 3D‑printing, innebærer å sende det lagdelte rammeverket til en 3‑D‑printer, som deretter begynner å lage objektet umiddelbart. 

Additiv produksjon eller 3D‑printing er kompatibel med en rekke ulike materialtyper, inkludert polymerer, metaller, keramikk, skum, gel, biomaterialer og mer. 

Ifølge Arvind Kalidindi, PhD‑kandidat i materialvitenskap og -ingeniørfag ved MIT:

«Så lenge du finner en måte å lokalt sammenføye to deler på, kan du 3‑D‑printe det.»

Denne allsidigheten og nesten universelle kompatibiliteten gjør 3D‑printing eller additiv produksjon egnet for å fremstille spesifikke vitenskapelige verktøy. Vi vil nå se på noen slike eksempler nedenfor: 

3D‑printede bærbare komponenter for massespektrometer og mer

Et massespektrometer er en enhet som kan identifisere kjemiske stoffer. Massespektrometre brukes i ulike anvendelsesområder, fra åsted til geologiske undersøkelser; de har mange formål. 

En gruppe forskere fra MIT har utviklet et 3D‑printet massfilter som fungerer som kjernekomponenten i et massespektrometer. Kjent som kvadrupol, er dette miniaturiserte filteret betydelig lettere og billigere enn tradisjonelle motparter. Mens kommersielle massfiltere av høy kvalitet, laget av varmebestandig glass‑keramikk og harpiks, koster mer enn US$100 000, koster disse additivt produserte massfilterne noen få dollar og kan produseres på timer. 

Ifølge Velasquez‑Garcia, hovedforsker ved MITs Microsystems Technology Laboratories, «Det finnes andre miniaturiserte kvadrupol‑filtere, men de er ikke sammenlignbare med profesjonelle massfiltere. Det er mange muligheter for denne maskinvaren dersom størrelse og kostnad kan reduseres uten å påvirke ytelsen negativt.»

Selv om eksemplet nevnt ovenfor er en av de nyeste prestasjonene på feltet, har lignende eksempler blitt registrert innen vitenskap og teknologisk F&U tidligere. For eksempel har forskere ved McGill University utviklet en lab‑on‑a‑chip diagnostisk teknologi som erstatter bruken av mange laboratorieinstrumenter og fungerer som miniatyrteknologier. Brikken kan produseres på 30 minutter ved hjelp av 3D‑printing. Rapporter antyder at løsningen kan gi helsepersonell muligheten til å lage «skreddersydde løsninger for spesifikke behov direkte ved behandlingsstedet». 

Et annet team av MIT‑forskere brukte fler‑materiale 3D‑printing for å lage selvoppvarmende fluidiske enheter som har innebygde varmeelementer. Dette er miniatyrmaskiner som kan manipulere væsker og legge til rette for kjemiske reaksjoner. I stedet for flere store høyteknologiske maskiner som arbeider samtidig, er denne teknologien i stand til å oppdage sykdommer i små prøver av blod eller væske. 

Tilgang til vitenskapelig utstyr fra en fjern lokasjon

3D‑printing av vitenskapelig og laboratorieutstyr har også bidratt til å fjerne begrensningene som oppstår på grunn av fysisk/geografisk avstand. Tidligere krevde 3D‑printere at en trent operatør var til stede på stedet. Men med starten av COVID‑19‑pandemien dukket det opp løsninger som gjorde fjernarbeid mulig innen additiv produksjon.

For eksempel lanserte MakerBot CloudPrint en løsning for ingeniørteam å jobbe effektivt på fjern eller fra ulike lokasjoner. Dens skybaserte 3D‑printplattform tilbyr en sømløs arbeidsflyt for team som har tilstedeværelse på flere steder. Ingeniører som arbeider på flere lokasjoner kan samarbeide effektivt med disse 3D‑printerne ved å slice og forberede sine 3D‑utskrifter direkte fra en nettleser. 

Enheten har innebygd kø‑ og overvåkingsfunksjonalitet og lar brukere legge til, overvåke og kontrollere tilgang til tilkoblede MakerBot‑printere fra hvor som helst. Den har også et dashbord for sentralisert sporing og overvåking av utskriftsprogresjon. Live‑kamerafeeder hjelper med å få de siste statusoppdateringene på utskriftsjobber. 

Løsninger som disse og flere har gjort arbeidsflyten jevn, sømløs og kostnadseffektiv for mange produsenter av vitenskapelig utstyr. 

Typer av produsenter av vitenskapelig utstyr som drar nytte av additiv produksjon/3D‑printing

Produsenter av romforskningsutstyr er ett segment som vil dra betydelig nytte av additiv produksjon eller 3D‑printing. Vitenskapelig forskning har vist en metode for å bygge 3D‑printet laboratorieutstyr for å måle bulkmaterialer under ekstreme forhold som romutforskningsprosjekter presenterer for forskere. 

I 2022 nevnte Nature Journal en studie hvor en 3D‑printet enhet ble utviklet for å måle overflatespenningen til nanofluider. Måleresultatet var sammenlignbart med kommersielle enheter. 

Studien undersøkte også mulighetene for å bruke måleinstrumenter gjennom materialekstrusjon‑3D‑printing for å måle utvalgte mekanisk‑fysiske egenskaper av bulkmaterialer under ekstreme forhold. 

En annen type produsent av vitenskapelig utstyr som drar nytte av additiv produksjon eller 3D‑printing tilhører elektronikkfeltet. Presisjonen i laserbasert additiv produksjon gjør det mulig å lage mikroelektromechaniske systemer. Man kan utvikle intrikate komponenter som akselerometre og gyroskoper i denne prosessen. 

Produksjon av utdanningsinstrumenter er igjen et annet felt som kan utnytte additiv produksjon effektivt. Det finnes 3D‑printere som hjelper studenter med å eksperimentere med presisjonsutviklet maskinvare og industrielle materialer. 

Noen vanlige trekk ved disse fasilitetene inkluderer evnen til å arbeide med en rekke råmaterialer på én plattform. De er trygge å bruke og krever ingen eller svært lite personlig verneutstyr. Additiv produksjonsinstrumentene leveres med innebygd programvare for enkel og sømløs kontroll og overvåking. 

Mange selskaper gjør additiv produksjon eller 3D‑printing enkelt for en rekke industrier. Vi vil nå se på noen av disse selskapene.

#1. Markforged

Markforged tilbyr et komplett spekter av additive produksjonsløsninger, inkludert industrielle 3D‑printermaskiner, ytelsesmaterialer som metaller, kontinuerlig fiber og kompositter, samt bedriftsprogramvare som forbedrer arbeidsflyten. 

Markforged har tre typer 3D‑printere, inkludert metall‑3D‑printere, industrielle kompositt‑3D‑printere og skrivebordskompositt‑3D‑printere. Industriene som bruker disse løsningene inkluderer romfart, bilindustri, forbrukerpakker, utdanning og forskning, elektronikkproduksjon, energi, føderale og forsvarssektoren, industrielt utstyr, medisinsk osv. 

Et av de mest populære produktene fra Markforged er FX10, selskapets neste generasjons industrielle kompositt‑3D‑printer. Enheten er utstyrt med en visjonsmodul og laser‑mikrometer, et avansert materialkammer for rask lasting og redusert brukerintervensjon, en 7‑tommers berøringsskjerm, og et oppvarmet byggekammer som varmes opp til 60 °C. 

Markforged kunngjorde sine resultater for fjerde kvartal og hele året 2022 i mars 2023. Selskapet opplevde en inntektsøkning på 11 % til 29,7 millioner dollar i fjerde kvartal 2022 fra 26,6 millioner dollar i fjerde kvartal 2021. Årsinntektene økte med 11 % til US$101,0 millioner i 2022 sammenlignet med 91,2 millioner dollar i 2021. Derimot falt bruttofortjenesten med 4 % til 50,7 millioner dollar i 2022 fra 52,9 millioner dollar i 2021.

#2. Hewlett Packard

Et annet stort teknologiselskap som har investert tungt i å gjøre 3D‑printing tilgjengelig for alle er Hewlett‑Packard eller HP. HPs 3D‑printløsninger brukes i en rekke industrier, inkludert romfart, forbrukervarer og elektronikk, utdanning, helse‑ og medisinsk sektor, industri, produksjonstjenester, formet fiber, ortoser og proteser, transport og bilindustri, og mer. Ett av disse bruksområdene som krever tilgang til spesifikt vitenskapelig utstyr er utdanning. HPs multi‑jet‑fusion‑teknologi hjelper med å bygge deler og funksjonelle prototyper på tvers av flere disipliner innen en utdannings‑/forskningsinstitusjon, fra ingeniørfag til arkitektur. 

HPs Jet Fusion‑3D‑printløsninger støtter både grunnleggende og avansert 3D‑labforsking, inkludert den som utføres i utviklingslabber, additiv produksjonslabber, universitetsservicekontorer og sykehus‑/medisinske 3D‑labber.

HP rapporterte sine resultater for regnskapsåret 2023 og fjerde kvartal den 21. november 2023. HP Inc. (HPQ ) og dets datterselskaper («HP») registrerte en nettoinntekt på 53,7 milliarder dollar, ned 15 % (ned 12 % i konstant valuta) fra året før. Nettoinntekten for fjerde kvartal var 13,8 milliarder dollar, ned 6 % (ned 5 % i konstant valuta) fra året før.

#3. Formlabs

Formlabs ble startet av tre MIT‑avgangsstudenter i 2011 med oppdraget å bygge den første 3D‑printeren som kunne oppnå industriell, profesjonell delkvalitet til en rimelig pris. Siden da har selskapet vokst til å bli en av de største leverandørene av profesjonelle stereolitografi‑ og selektiv laser‑sinterings‑3D‑printere i verden. 

Formlabs‑porteføljen inneholder en blanding av rimelige, industriell‑kvalitets skrivebord‑3D‑printere, store format‑3D‑printere og avanserte skrivebord‑3D‑printere for helsevesenet. Printerne kan arbeide med mer enn 20 funksjonelle harpikser for prototyping og produksjon av sluttprodukter. De er også kompatible med minst seks høy‑ytelses industrielle materialer, inkludert nylon 11, nylon 12, TPU, polypropylen, glass og karbon‑fylte nylonkompositter. Printerne er egnet for bruk under normale forhold, med kun PU‑harpikser som krever et tørt skap for fuktighetskontroll. De fungerer også godt i luftmiljøer og i nitrogenatmosfære for forbedrede materialegenskaper og lavere oppfriskningshastigheter.

Ifølgerapporter publisert i 2021, doblet selskapet sin verdivurdering til US$2 milliarder etter en finansieringsrunde på US$150 millioner ledet av SoftBank Groups Vision Fund 2. Før dette var selskapet verdsatt til over 1 milliard dollar da det hentet 15 millioner dollar i finansiering fra New Enterprise Associates (NEA) i august 2018.

Additiv produksjon: En spillveksler innen vitenskapelig forskning

Vitenskapelig forskning krever toppmoderne maskiner, men disse er kostbare enheter som ofte ligger utenfor rekkevidden til forskningsinstitusjoner og uavhengige forskere. I lys av dette er 3D‑printing eller additiv produksjon en velsignelse i slike tilfeller, da de er enkle å utvikle og har lav kostnad. I tillegg gir de resultater som er sammenlignbare med kommersielle enheter når det gjelder presisjon, men som er mye dyrere og vanligvis kun tilgjengelige for store selskaper og institusjoner.

Videre løser additiv produksjon også utfordringene knyttet til logistikk. Dette er avgjørende fordi å levere nøyaktig vitenskapelig utstyr på det tidspunktet det trengs kan være en kostbar og tidkrevende affære. I denne sammenheng hjelper 3D‑printing også med å løse denne utfordringen.

I tillegg, når man vurderer de fysiske aspektene ved vitenskapelig utstyr, som ofte er tungt og intrikat og ikke egnet for transport til vanskelige steder, blir fordelene enda tydeligere. Som vi allerede har sett i romutforskning og geologiske undersøkelsesscenarier, er det nyttig å ta med bærbare 3D‑printere og råmaterialer til disse stedene for å utvikle utstyret på stedet.

Alt i alt viser disse faktorene at additiv produksjon åpner en ny horisont hvor tilgang til vitenskapelig utstyr blir ikke bare mer rimelig, men også en problemfri prosess.

Klikk her for listen over de beste 3D‑print‑ og additive produksjonsaksjene.