Dampindusert 3D-utskrift åpner nye muligheter for praktiske anvendelser

3D-utskrift utvikler seg stadig, både når det gjelder bruksområder og produksjonsprosesser. En studie fra ingeniører ved University of Florida, publisert i Nature Communications, beskriver en ny metode for dampindusert 3D-utskrift. Metoden kan gjøre det enklere å fremstille porøse strukturer og redusere enkelte kostnader og ressursbehov. Her er hovedpunktene.

Ny 3D-utskriftsmetode

Metoden kalles dampindusert faseseparasjon for 3D-utskrift (VIPS-3D). Den gjør det mulig å skrive ut komplekse former med polymerer og komposittblekk som inneholder blant annet metall- eller keramikkpulver.

Ingeniørene ved University of Florida brukte en ny tilnærming og kjemikalier for å utføre disse oppgavene. Prosessen begynte med at forskerne bestemte hvilken 3D-utskriftsprosess de ville forbedre. Det brukes ulike metoder og materialer i slike anvendelser, og forskerne ønsket å utvikle en metode for 3D-utskrift som støttet varierende grad av porøsitet.

Porøse materialer er viktige i mange anvendelser. Porene kan redusere vekten og materialforbruket eller slippe gjennom væske og luft. De gjør imidlertid ikke automatisk materialet sterkere; økt porøsitet kan også redusere styrken. Forskerne undersøkte hvordan komplekse, porøse keramikk- og metallstrukturer kunne fremstilles.

Hvordan VIPS-3D fungerer

VIPS er en variant av faseseparasjon indusert av et ikke-løsemiddel (NIPS). Polymerblekket inneholder et løsemiddel, mens en tåke av vann fungerer som ikke-løsemiddel. Vannet trenger inn i blekket og utløser faseseparasjon, slik at en polymerrik struktur stivner. Prosessen løser altså ikke bort polymerblekket fra delen.

Løsemiddelet DMSO har lav flyktighet. Utveksling mellom vannet og løsemiddelet får polymerstrukturen til å størkne. De utskrevne delene legges deretter i et vannbad for å fullføre størkningen. Metoden gir fleksibilitet i valg av materialer og geometri.

Fordeler med VIPS-3D

Metoden gir ingeniører mulighet til å styre porøsiteten og variere den mellom ulike områder i en del. Kombinert med flere typer blekk kan dette brukes til å fremstille strukturer med ulike materialer og egenskaper.

Fleksibilitet

Forskerne demonstrerte metoden med flere polymerer og komposittblekk som inneholder keramiske eller metalliske partikler. Dette gjør det mulig å skrive ut komplekse strukturer. Metall- og keramikkdelene krever senere varmebehandling for å fjerne bindemiddelet og sintre partiklene.

Porene kan styres gjennom avstanden mellom de utskrevne trådene og ved å tilsette et midlertidig poredannende materiale, for eksempel salt som senere løses ut i vann. Økt porøsitet kan redusere vekt og materialforbruk, men egenskapene må tilpasses bruksområdet.

Økonomisk

Metoden kan redusere enkelte produksjonskostnader ved å bruke en relativt enkel utskriftsprosess. Hvor stor besparelsen blir, avhenger av materialet, geometrien og nødvendig etterbehandling.

Muligheten til å styre porøsiteten kan redusere materialforbruket. For bedrifter som bruker 3D-utskrift i produksjonen, kan dette være økonomisk relevant, men studien dokumenterer ikke en universell kostnadsfordel over alle andre metoder.

Mindre infrastruktur kreves

Ifølge forskerne kan selve utskriften gjennomføres med mindre krevende utstyr og lavere energibehov enn enkelte andre produksjonsmetoder. Blekket størkner ved kontakt med ikke-løsemiddelet, slik at formen stabiliseres under utskriften. Samlet behov for utstyr og energi avhenger likevel også av løsemiddelhåndtering og etterbehandling.

Utskrift ved romtemperatur

Selve utskriften kan utføres ved romtemperatur og under vanlige omgivelsesforhold. Dette gjelder også komposittblekk med metall- eller keramikkpartikler. Det betyr ikke at ferdige metall- og keramikkdeler kan fremstilles helt uten varme: fjerning av bindemiddel og sintring krever etterfølgende varmebehandling.

Gjenvinning av løsemiddel

Gjenvinning og gjenbruk av løsemiddelet kan redusere forbruk og utslipp. Dette krever at væskene samles inn og behandles forsvarlig. Muligheten for gjenvinning er ikke i seg selv en garanti for at ingen stoffer slipper ut i miljøet.

Muligheter for mer bærekraftig utskrift

Vann brukes som ikke-løsemiddel i prosessen. Lavere materialforbruk og mulig gjenvinning av løsemiddel kan bidra til redusert miljøbelastning. Den samlede miljøvirkningen avhenger imidlertid av blant annet polymerene, løsemiddelet, energibruken og etterbehandlingen; alle blekkene kan ikke uten videre beskrives som miljøufarlige.

Ingeniørteam

Forskergruppen omfattet professor Yong Huang innen maskin- og romfartsteknikk og førsteforfatter Marc Sole-Gras, som tidligere var Huangs doktorgradsstudent. Sole-Gras var ikke oppført som professor. Universitetet opplyste at arbeidet hadde resultert i to innvilgede patenter. Finansieringen kom blant annet fra National Science Foundation og det amerikanske energidepartementet.

Potensielle anvendelser

Porøse strukturer kan være nyttige når en del skal ha lav vekt, slippe gjennom luft eller væske eller støtte vekst av vev. Styrke og øvrige egenskaper må samtidig tilpasses formålet. Her er noen mulige bruksområder.

Helsevesen

Porøse implantater og stillaser for vevsdyrking er mulige medisinske anvendelser. Forskerne undersøkte blant annet potensialet innen benvevsteknologi.

Porøsiteten kan utformes slik at celler får egnede forhold til å feste seg og vokse. Studien omfattet laboratorieforsøk med celler, ikke kliniske studier av implantater hos mennesker. Medisinsk bruk krever videre testing av blant annet biokompatibilitet, mekaniske egenskaper og sikkerhet.

Biohybride roboter

Biohybride roboter kombinerer levende vev eller celler med kunstige strukturer. Tilpassede, porøse materialer kan være interessante som stillaser eller lette komponenter i slik forskning.

Dette er et forskningsfelt, og det må skilles fra vanlige proteser og hjelpemidler. Studien dokumenterer ikke at VIPS-3D allerede brukes i biohybride roboter som hjelper mennesker å snakke, gå eller se. Eventuelle fordeler for vekt, energiforbruk og bærbarhet må undersøkes i konkrete systemer.

Romfart

Innen romfart er lav vekt viktig. Kontrollerte porøse strukturer kan derfor være interessante, forutsatt at de oppfyller strenge krav til styrke, pålitelighet og materialegenskaper.

På lengre sikt kan metoden være aktuell for komponenter eller reservedeler. Studien viser imidlertid ikke at prosessen er kvalifisert for bruk om bord i romfartøy. Særlig etterbehandling av metall- og keramikkdeler må tas med i vurderingen.

Selskaper som kan ha nytte av dampindusert utskrift

Dersom metoden videreutvikles og tas i kommersiell bruk, kan den være relevant for blant annet romfart, energi og bilindustri. Følgende selskaper illustrerer tilgrensende virksomhetsområder; omtalen dokumenterer ikke at de har tatt VIPS-3D i bruk.

1. Ansys Inc

Ansys var i artikkelens 2024-kontekst et amerikansk selskap som leverte programvare og tjenester for tekniske simuleringer. Slike verktøy brukes til å analysere kompliserte produktdesign og kan være relevante ved utvikling av nye produksjonsprosesser.

Selskapets kunder omfattet blant annet material-, energi-, helse-, bil- og romfartsindustrien. Simulering kan støtte utformingen av komponenter, men dette innebærer ikke at Ansys hadde integrert VIPS-3D eller at metoden ville sikre selskapets fremtidige lønnsomhet.

2. Materialise NV

Belgiske Materialise NV tilbyr programvare og tjenester for 3D-utskrift til bedriftskunder i flere land.

I resultatene for 2023, offentliggjort i februar 2024, rapporterte selskapet en samlet omsetning på 256,127 millioner euro, opp 10,4%. Omsetningen i den medisinske virksomheten steg 19,5% til 101,376 millioner euro. Dette underbygger ikke den opprinnelige påstanden om 30% omsetningsvekst «i år».

Dampindusert 3D-utskrift – muligheter for tilpassede og porøse materialer

VIPS-3D gir en interessant mulighet til å skrive ut komplekse, porøse strukturer med flere typer materialer. Styring av porøsitet og mulig reduksjon i ressursbruk kan gjøre metoden relevant for nye anvendelser. Kommersiell nytte og miljøfordeler må likevel vurderes for hver produksjonsprosess, med nødvendig etterbehandling inkludert.

Les mer om andre prosjekter innen 3D-utskrift her.