Nästa språng inom 3D-utskrift är att odla starka metaller

Forskare från École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) har skapat en ny 3D-utskriftmetod som kan omvandla enkla hydrogeler till högpresterande metaller och keramer.

De har i princip odlat metall genom att möjliggöra flera infusioner av metallsalter som bildar extremt starka och täta strukturer utan porositeten hos tidigare metoder. Resultaten visar att metaller som skapats med den nya tekniken är 20 gånger starkare och har mycket mindre krympning. 

Detta genombrott lovar effektiv produktion av nästa generations energi-, sensor- och biomedicinska enheter.

Varför arkitekturerade material behöver bättre metall‑3D‑utskrift

Som grund för tillverkning, konstruktion, teknik och teknologi påverkar material direkt funktionaliteten, hållbarheten och säkerheten för allt från byggnader till elektronik, transport och sjukvård. 

Detta gör det viktigt att skapa nya material eller förbättra befintliga för att möta specifika behov, lösa problem och driva framsteg inom olika industrier.

En innovativ och avgörande metod för att uppnå detta är genom design av arkitekturerade material, en process som förbättrar materialegenskaper jämfört med deras enkla motsvarigheter genom att utforma deras interna struktur på flera skalnivåer.

Denna framväxande klass av material utnyttjar 3D‑strukturell geometri för att nå funktioner och egenskaper som annars är oåtkomliga genom enbart sammansättning och/eller mikrostrukturoptimering.

När vår förståelse för arkitektur‑egenskaps‑relationer och tillverkningsverktyg har utvecklats, har även utvecklingen av dessa 3D‑nano‑ och mikro‑arkitekturerade material med nya eller förbättrade egenskaper, som sträcker sig från extrema mekaniska beteenden till exotiska optiska egenskaper som helt enkelt inte kan uppnås med traditionellt bearbetade material. På så sätt hjälper arkitekturerade material till att möta den ökande efterfrågan på högpresterande enheter och möjliggör komplexa teknologier.

Dessa material tillverkas för närvarande med additiv tillverkning (AM)‑teknologier på grund av deras förmåga att producera komplexa 3D‑strukturer i ett brett spektrum av längdskalor. Bland olika AM‑processer är vat‑fotopolymerisation (VP) vanligt förekommande eftersom den möjliggör små dimensioner och snabba hastigheter.

I denna 3D‑utskriftmetod deponeras ett ljuskänsligt harts i en behållare, och sedan, med en laser eller UV‑ljus, härdas det selektivt till den önskade formen.

Denna process används dock endast med ljuskänsliga polymerer och möter utmaningar när man ska tillverka icke‑polymeriska material med den. Med polymerer som har begränsade strukturella och funktionella egenskaper, begränsar detta användningsområdena för enheter som tillverkas med VP.

Som en följd har forskare utvecklat metoder för att möjliggöra VP av icke‑fotopolymeriserbara material som metaller och keramer. Detta inkluderar användning av hybridfotoharts (kombinerande både oorganiska och organiska komponenter) eller fotosensitiv slurry, men de har problem med ljusspridning, viskositeter och begränsade materialkompositioner.

Som en följd har användningen av metall‑saltlösningar framträtt som ett lovande tillvägagångssätt, som är mångsidigt och kommersiellt tillgängligt. Men detta medför en betydande mängd krympning, vilket orsakar porositet, skevhet och strukturell skada.

För att bemöta dessa utmaningar har EPFL‑forskare utvecklat en ny mångsidig metod för att tillverka täta arkitekturerade metaller och keramer med låga linjära krympningar vid omvandling. 

Vad de har gjort är att de har odlat metaller i ett hydrogel, vilket resulterar i anmärkningsvärt täta men komplicerade konstruktioner för avancerad teknik.

Hydrogeler är polymermaterial som mest består av vatten. När de är hydratiserade blir de geléliknande. Eftersom de är biokompatibla, används de i ett brett spektrum av medicinska och andra tillämpningar. Dessa material lider dock av återkommande mekanisk belastning och kan lätt deformeras. 

“Problemet med befintliga hydrogeler är att de kan vara mekaniskt svaga och därför behöver förstärkas,” säger docent Koichi Mayumi från Institute for Solid State Physics (ISSP) vid University of Tokyo, som har skapat¹ ett hydrogel som uppvisar gummiliknande seghet och återhämtningsförmåga samtidigt som det behåller flexibilitet.

En senaste studie² använde under tiden hydrogeler för att demonstrera förmågan hos icke‑levande material att använda ”minne” för att uppdatera sin förståelse av omgivningen. De visade att ”minne är emergent i hydrogeler” genom att låta icke‑levande hydrogeler (som kan svara på elektrisk stimulering) spela videospelspelet Pong och förbättra sin precision med upp till 10 % genom övning.

Nu har EPFL‑forskare omvandlat dessa mjuka hydrogeler till exceptionellt starka metaller och keramer med en kraftfull ny 3D‑utskriftmetod.

Ett nytt sätt att 3D‑skriva starka metaller

Med andra 3D‑utskriftmetoder som skapats för att omvandla tryckta polymerer till hårdare material, men som lider av allvarliga strukturella bakslag, ”är dessa material ofta porösa, vilket avsevärt minskar deras styrka, och delarna lider av överdriven krympning, vilket orsakar skevhet,” har forskarna skapat en unik lösning på problemet.

EPFL‑forskare har banat vägen för en 3D‑utskriftmetod kallad hydrogel‑infusion additive manufacturing (HIAM).

I den senaste studien, publicerad i Advanced Materials³, noterade forskarna att trots dess fördelar i form av mångsidighet och tillgänglighet, är metodens nytta begränsad av 50 %–90 % krympning som uppstår under polymer‑till‑keram‑omvandlingsprocessen, vilket orsakar stor porositet, sprickbildning och skevhet i de slutliga delarna, vilket ofta gör dem för bräckliga för praktisk användning. Så använde de även en infusion‑precipiteringsstrategi efter tillverkning.

Istället för att använda ljus för att härda ett harts som förinfunderats med metall‑precursorer, byggde EPFL‑teamet först ett 3D‑stöd av hydrogel.

Sedan infusioneras det ”tomma” hydrogelen med olika metall‑saltlösningar innan den värmebehandlas för att omvandla den till nanopartiklar som innehåller metaller och som tränger igenom strukturen. Genom att upprepa processen kan kompositer med mycket hög metallkoncentration skapas.

Efter fem till tio sådana ”tillväxtcykler” innebär sista steget upphettning som bränner bort återstående hydrogel. Detta lämnar den färdiga produkten, d.v.s. ett keramiskt eller metalliskt objekt i formen av den ursprungliga tomma polymeren som är mycket stark och tät. 

Att infusionera metallsalter i hydrogeler endast efter tillverkning innebär att en enda hydrogel kan modifieras till många olika kompositer, metaller eller keramer. 

Inte bara kan en enda harts­komposition användas för att tillverka ett nästan oändligt antal icke‑polymeriska material, utan studien lyfter också fram ett nytt paradigm för AM där materialvalet sker efter 3D‑utskrift snarare än före.

Så den nya tekniken ”möjliggör tillverkning av högkvalitativa metaller och keramer med en tillgänglig, lågkostnads‑3D‑utskriftprocess,” säger Daryl Yee, chef för Laboratory for the Chemistry of Materials and Manufacturing (ALCHEMY) på EPFL:s School of Engineering. 

Fokus på ALCHEMY är att integrera materialvetenskap, molekylär design och avancerad tillverkning för att skapa avancerade funktionella material som kan tackla samhälleliga utmaningar inom sjukvård, energi och klimatförändring.  

Med sin metod har EPFL‑teamet framgångsrikt tillverkat en rad intrikata 3D‑metall‑ och keramikstrukturer. De skapade komplexa matematiska gitterformer kallade gyroider av koppar, silver och järn.

Tillverkningen av Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu och Ag uppnådde densiteter som närmade sig 88–89 % av den teoretiska och krympningar på 20–40 % (beroende på sammansättning), vilket demonstrerar teknikens förmåga att skapa starka och intrikata strukturer. En universell testmaskin användes också för att testa materialens hållfasthet genom att applicera ökande tryck på gyroiderna.

“Våra material kunde stå emot 20 gånger mer tryck jämfört med de som producerats med tidigare metoder, samtidigt som de bara krympde 20 % jämfört med 60–90 %.”

– PhD‑student och försteförfattare Yiming Ji

Enligt forskarna har den nyutvecklade infusion‑precipiteringsbaserade tekniken potential att tillverka avancerade arkitekturerade material och 3D‑strukturer som måste vara komplexa, lätta och starka samtidigt, såsom biomedicinska enheter, sensorer eller enheter för energiomvandling och lagring. 

I nästa steg kommer teamet att fokusera på att förbättra processen, specifikt på att ytterligare öka materialens densitet, för kommersialisering. 

Hastighet är ett annat mål. Även om upprepade infusioner är viktiga för att producera starkare material, gör dessa steg metoden tidskrävande. “Vi arbetar redan med att minska den totala bearbetningstiden genom att använda en robot för att automatisera dessa steg,” säger Yee.
Swipe to scroll →

Vart går additiv tillverkning härnäst?

Additiv tillverkning är en av de mest disruptiva teknologierna i vår tid, som bygger 3D‑objekt lager för lager med digital design och ett brett spektrum av material, såsom metall, plast, och betong.

Denna teknik är bekväm, mångsidig och kapabel att snabbt tillverka intrikata geometriska strukturer. Den minskar också materialspill, möjliggör hög anpassning och förbättrar prestandan hos flexibla enheter.

Den globala AM‑marknadens storlek uppskattas till omkring $25 miljarder år 2025 och förväntas växa till över $125 miljarder år 2032. Samtidigt var det totala antalet 3D‑skrivare som levererats globalt 2,2 miljoner år 2021 och förväntas nå 21,5 miljoner enheter i slutet av detta decennium.

Dessa siffror speglar en växande adoption av tekniken, som inte längre är begränsad till bara laboratorier. Den används i allt högre grad för att bygga hus, skor, VR‑headset, självläkande biologiskt nedbrytbara material⁴, och mycket mer.

Senast har forskare vid Empa rapporterat att de utvecklat ett 3D‑skrivet biokompatibelt hornhinnesimplantat som kan reparera ögonskador permanent. 

Med miljontals människor världen över som drabbas av hornhinneskador, kan endast en liten andel behandlas med en hornhinnetransplantation. Utvecklingen av skräddarsydda självklistrande implantat möjliggjord av 3D‑extrudering bioprinting kan helt förändra spelet.

Implantatet tillverkas av ett biokompatibelt hydrogel, som senare laddas med mänskliga stamceller från ögat för att stödja vävnadsregenerering.

Medan AM‑tillämpningarna fortsätter att växa, löser forskare också några av 3D‑utskriftens mest envisa tekniska utmaningar. Forskare från Oak Ridge National Laboratory (ORNL) skapade en vakuum‑assisterad extruderingsteknik⁵ som kan minska intern porositet i polymerkomponenter med 75 % och därmed tackla problemet som hindrar storskalig additiv tillverkning (LFAM).

Intern porositet försvagar tryckta delar, och att minska denna är viktigt för att förbättra den totala prestandan.

Vad forskarna gjorde var att de under extruderingsprocessen integrerade en vakuum‑hopper, som avlägsnade fångade gaser och minimerade bildandet av hålrum i fiberförstärkta material som är vanliga i LFAM för deras styvhet såväl som låg termisk expansion, men har intra‑pärleporositet som påverkar deras kvalitet. 

“Genom att använda denna innovativa teknik adresserar vi inte bara det kritiska problemet med porositet i storskaliga polymerutskrifter utan banar också vägen för starkare kompositer. Detta är ett betydande språng framåt för LFAM‑industrin.”

– ORNL:s Vipin Kumar

Samtidigt har forskare vid University of Colorado Boulder skapat mjukvaran OpenVCAD, för att möjliggöra mer komplexa designer. Den öppna källkodsprogramvaran kan applicera specifika egenskaper på vissa delar av gitterstrukturer, vilka vanligtvis används för stötdämpande förmåga.

Det första flermaterial‑, kodbaserade designverktyget ”låter användare ändra en liten variabel och se hela designen uppdateras på ett enkelt sätt,” säger projektledare Robert MacCurdy. Det omvandlar komplicerade gradientdesigner till skrivar‑klar kod för moderna ingenjörsapplikationer.

Utöver att förbättra materialkvaliteten arbetar innovatörer också med att föra tillverkningskraften in i handflatan. En artikel av forskare vid UT Austin och MIT utforskade användning av silicon‑photonics i en chip‑baserad 3D‑skrivare⁶, där en enda millimeter‑skalig fotonisk enhet utför största delen av skrivarens mekaniska funktionalitet samtidigt som den ersätter ljuskällan. Den resulterande skrivaren är mycket enklare och kostnadseffektiv.

Nuvarande 3D‑skrivare är beroende av stora och komplexa mekaniska system, vilket begränsar hastighet, bärbarhet, upplösning, formfaktor och materialkomplexitet. Medan forskare undersöker 3D‑skrivare som baseras på fotokuring, är de fortfarande beroende av skrymmande och komplexa mekaniska system. 

Så den senaste studien kombinerade silicon‑photonics och fotokemi för den första chip‑baserade 3D‑skrivaren. De använde ett silicon‑photonics CMOS‑chip i en liten kammare, som både avger ljus och styr det, tillsammans med en vätske‑kristall‑vågledare för att fungera med hartset. 

Systemet är ett ”synligt‑ljus integrerat optiskt fasarray‑system” som fungerar som ett vat‑polymeriseringssystem på ett chip, med det ultimata målet att göra hela systemet passande för handflatan.

Investering i 3D‑utskrift

Kända för traditionell tryckning, HP (HPQ ) har aggressivt gick in i 3D‑utskriftsmarknaden och har skala, kapital och infrastruktur för att anta banbrytande processer som hydrogel‑infusion.

Företaget gick först in i additiv tillverkning för drygt ett decennium sedan, och har sedan dess lanserat flera polymer‑3D‑skrivsystem och introducerat Metal Jet‑teknik. Även om de inte är den äldsta aktören i 3D‑utskriftsindustrin, har HP arbetat för att bli marknadsledande genom innovation inom teknik, material och partnerskap.

HP Inc. (HPQ )

Tidigare i år användes HP:s Multi Jet Fusion‑3D‑skrivningsteknik av Blazin Rodz för att tillverka över 75 delar till en specialbyggd bil. 

“Det finns inget sätt vi någonsin skulle kunna designa och konstruera fordon som är så extrema, precisa och körbara som vi gör på Blazin Rodz – på under ett år – utan CAD‑design och 3D‑utskrift. HP:s Multi‑Jet Fusion (MJF)‑utskrift är en spelväxlare för hela branschen, och vi är fast beslutna att hitta smarta och innovativa tillämpningar av den med varje signaturdel vi utvecklar och varje specialbil vi bygger framöver.”

– Waylon Jeffrey, 3D‑design & ingenjörsledare på Blazin Rodz

För några månader sedan säkrade det mobila drönartillverkningsföretaget Firestorm Labs exklusiva distributionsrättigheter från HP för sin mobila Multi Jet Fusion‑3D‑skrivningsteknik för att möjliggöra produktion på plats inom medicinska, humanitära och kommersiella sammanhang.

HP är den globala leverantören av persondatorer och andra digitala åtkomstenheter, och de verkar genom tre nyckelsegment.

Personliga system‑segmentet erbjuder kommersiella och konsument‑desktop‑datorer, bärbara, arbetsstationer, POS‑system, skärmar, hybrid‑system och mjukvara; utskrifts‑segmentet erbjuder konsument‑ och kommersiell skrivare‑hårdvara, tillsammans med grafik‑ och 3D‑utskrift samt personalisering på de kommersiella och industriella marknaderna; och Corporate Investments‑segmentet inkluderar vissa affärsinkubator‑ och investeringsprojekt.

Med ett börsvärde på $25,5 miljarder handlas HPQ‑aktier för närvarande till $27,22, ner 16,18 % i år hittills. Deras 52‑veckorsintervall har varit $21,21 och $39,80, medan högsta notering nåddes i mitten av 2022 när HPQ nådde ett toppvärde på omkring $41,50.

Företaget har ett EPS (TTM) på 2,75 och ett P/E (TTM) på 9,96. Utdelningsavkastningen som HP erbjuder sina aktieägare är en attraktiv 4,23 %.

När det gäller HP:s finansiella position rapporterade de en nettoomsättning på $13,9 miljarder, en ökning med 3,1 % jämfört med föregående år, för tredje kvartalet av räkenskapsåret 2025. 

Detta inkluderar $4 miljarder i omsättning från utskrifts‑verksamheten, som var ned 4 % år‑över‑år (YoY) med en rörelsemarginal på 17,3 %. Nettoomsättningen från Consumer Printing var ned 8 %, Commercial Printing ned 3 % och Supplies ned 4 %. Totalt antal hårdvaruenheter minskade med 9 %, med Commercial Printing‑enheter ned 12 % och Consumer Printing‑enheter ned 8 %.

HP:s GAAP‑utspädda nettoresultat per aktie ökade med 23,1 % till $0,80, och icke‑GAAP‑utspädda netto‑EPS minskade med 10,7 % till $0,75.

“I Q3 levererade vi ett femte kvartal i rad med intäktsökning, drivet av styrka i Personliga system och stark momentum i våra nyckel‑tillväxtområden. Dessa resultat visar vår smidighet och fokuserade genomförande under kvartalet, förstärker styrkan i vår strategi och vårt engagemang för att vara ledande i framtidens arbete.”

– VD Enrique Lores

Under detta kvartal rapporterade företaget $1,7 miljarder i nettokassa från operativa aktiviteter medan fritt kassaflöde var $1,5 miljarder. Det återbetalade också $400 miljoner till aktieägarna genom utdelningar på $0,2894 per aktie och aktieåterköp på $150 miljoner. HP avslutade kvartalet med $2,9 miljarder i kontanter och likvida medel.

Klicka här för en lista över de bästa aktierna inom additiv tillverkning & 3D‑utskrift.

Senaste HP Inc. (HPQ) aktienyheter och utveckling

Ett nytt kapitel för materialvetenskap

Med 3D‑utskrift har tillverkning gått in i en ny era, vilket möjliggör snabb prototypframtagning, snabbare utveckling, designflexibilitet, kostnadsbesparingar och förbättringar i leveranskedjan.

Genom att utnyttja denna teknik och kombinera den med hydrogel‑infusion och en infusion‑precipiteringsstrategi har EPFL‑forskare producerat starkare metaller, vilket omdefinierar när och hur materialidentitet bestäms i produktionskedjan. Dessutom kan den flexibilitet den erbjuder potentiellt vara transformerande för industrier från energi till biomedicinsk teknik.

När dessa metoder mognar, skalar och kommersialiseras, kan de inleda ett nytt industriellt landskap där styrka inte tillverkas utan odlas.

Referenser:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Tough hydrogels with rapid self-reinforcement. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). Electro‑active polymer hydrogels exhibit emergent memory when embedded in a feedback‑driven environment. 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, September 24). Hydrogel‑based vat photopolymerization of ceramics and metals with low shrinkages via repeated infusion precipitation. 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, June 25). 3D‑printed self‑healing, biodegradable materials and their applications. 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, January). Vacuum‑assisted extrusion to reduce internal porosity in large‑format additive manufacturing. 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, June 6). Silicon‑photonics‑enabled chip‑based 3D printer. Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2