Multimaterial Additiv Tillverkning Öppnar Dörrar för Intern Prototypframställning

Den här veckan publicerade ett team av forskare från University of Missouri en studie i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications som introducerade en ny metod för 3D-utskrift av komplexa multimaterialenheter. Metoden utnyttjar laser och direktbläckskrivning för att möjliggöra en ny nivå av flexibilitet för nya produktdesigners. Här är vad forskarna upptäckte och hur det kan revolutionera flera industrier under de kommande åren.

Stora problem med multimaterial additiv tillverkning

Att tillverka föremål som kräver användning av flera olika material och processer har varit en av de största uppgifterna som ingenjörer har försökt lösa sedan de tidigaste dagarna av den industriella revolutionen. Idag är uppgiften fortfarande tidskrävande, dyr och kräver användning av flera tredje parter.

För närvarande befinner sig 3D-utskriftsindustrin i mitten av en revolution. Det finns nya tekniker, metoder och material som har förbättrat användbarheten för dessa enheter. Dock är dessa enheter begränsade i sitt materialöversättningsförmåga och sina kapaciteter. Metoden som forskarna introducerade har potential att förenkla denna uppgift till en enda skrivare som kan skriva ut plast, metall och halvledare med precision.

Slöseri

Tillverkning av komplexa multimaterialprodukter är extremt slösaktigt. Om det görs internt måste processerna anpassas till platsens och finansieringsbegränsningarna. Om uppgiften outsourcas tillkommer extra kostnader för att frakta produkten till olika tillverkare. Den allt-i-ett 3D-utskriftsprocess som forskarna föreslår skulle eliminera dessa bekymmer och erbjuda en strömlinjeformad intern metod som kan maximera effektiviteten.

Studie om multimaterial additiv tillverkning

Studien introducerar den fria multimaterialmonteringsprocessen (FMAP). FMAP integrerar en enda maskin för att utföra uppgifter som tidigare krävde flera tillverkare. För att utföra uppgiften använder skrivaren fused filament fabrication (FFF), direct ink writing (DIW) och freeform laser induction (FLI), vilket förbättrar utskriftskapaciteten över olika material.
Enligt rapporten byggdes en specialanpassad 3-nozzlad 3D-skrivare. Den första munstycket hade i uppgift att lägga till filamentet. Det andra munstycket använde freeform laser induction (FLI) för att förändra materialet i öppet utrymme. Det sista munstycket introducerade sedan tillsatser och andra funktionella material som behövdes för att slutföra föremålet.

Test

Testerna inkluderade att använda en polykarbonatvariant för att skapa komplexa enheter. Enheterna hade funktionella material som var fördesignade och applicerades autonomt med hög precision. Totalt skapade forskarna en fungerande UV-sensor, en 3D-magnetisk kodare, en korsstångs-LED-krets, en spänningssensor för multifunktionella fjädrar och kapacitiva sensorer. Deras sista uppgift var den svåraste: en integrerad mikrofluidisk reaktor med inbyggd Joule‑värmare, som vanligtvis används för syntes av nanomaterial.

Forskare

Studien genomfördes vid University of Missouri. Den leddes av doktorand Bujingda Zheng. Dessutom var Jian “Javen” Lin, en docent i maskin- och rymdteknik, medledare för projektet. Finansieringen för forskningen kom från National Science Foundation (NSF) Advanced Manufacturing‑programmet och NSF I‑Corps.

Inspirationer

När de intervjuades om sitt projekt svarade forskarna att de hämtade inspiration från naturen. De förklarade att naturen inte slösar. Den utvecklas för att integrera varje cell med ett syfte och en struktur. Deras mål är att tillämpa denna nivå av effektivitet på dagens tillverkningsprocesser, minska avfall samtidigt som de driver innovation.

Fördelar med multimaterial additiv tillverkning

Det finns flera fördelar som forskarnas nya 3D-utskriftsmetod erbjuder. För det första minskar den kostnaderna för att skapa produkter. En enda maskin som kan tillverka multimaterial, flerlagrade sensorer, kretskort och textilier kan revolutionera branschen. När du dessutom kan integrera elektroniska komponenter öppnas dörren för nästa generations ingenjörer att skapa fritt.

Bättre prototypframställning

Dessa allt-i-ett utskriftsenheter kommer att möjliggöra för ingenjörer att skapa och testa prototyper mycket snabbare jämfört med dagens metoder. En 3D-utskriven enhet kan tillverkas på timmar eller dagar istället för de veckor som vanligtvis krävs för att prototypa nya enheter idag. I framtiden kommer designers kunna skapa utan att oroa sig för prototypprocesser.
Enheten skulle förbättra interna FoU‑kapaciteter för många företag globalt. Den minskar tillverkningstider, kostnader och förbättrar lanseringen av nya produkter på marknaden. Därför får forskarnas arbete mycket uppmärksamhet.

Tillämpningar av multimaterial additiv tillverkning

Det finns många tillämpningar för integrerade 3D-utskrivna enheter. Dessa enheter är enklare att skapa. De utnyttjar automatiserade system som kan integrera AI för att förbättra kvalitetskontrollen. Här är några lovande tillämpningar för denna teknik som du kan förvänta dig att se på marknaden under de kommande åren.

Högkvalitativa naturliga sensorer

Övervakning av naturen är en exakt vetenskap som kräver förmågan att kontinuerligt samla in data utan att störa ekosystemet. För att utföra denna uppgift har forskarna utvecklat smarta metoder för att dölja sin sensorteknik. Denna nya 3D-utskriftsmetod skulle göra det möjligt att producera naturliknande objekt som smälter perfekt in i miljön samtidigt som de levererar realtidsdata.

Smartare maskiner

En annan tillämpning är att skapa maskiner som kan känna. Integration av temperatur- och trycksensorer i enheter skulle ge en extra uppfattningsnivå till dessa enheter. I framtiden kan robotar tillverkas mindre och mer smidiga med hjälp av denna teknik.

Bärbara sensorer

Marknaden för bärbara enheter växer. Det finns stora investeringar inom fitness-, militära och hälsosektorerna. Bärbara enheter har blivit viktiga för att hjälpa människor återhämta sig från hälsoproblem. De erbjuder realtidsövervakning och har blivit mycket populära. Integration av 3D-utskriftsfunktionalitet skulle göra dessa enheter mindre och bekvämare. Därför kan de börja tillverkas för långvarig eller till och med permanent användning.
Den bärbara marknaden är en snabbt växande sektor, med rapporter som förutspår att den ska nå 186,48  miljarder dollar i år. Dessutom förutspår analytiker att industrin ska växa med en CAGR på 17,60 % och nå 493,26  miljarder dollar år 2029. 3D-utskrift av dessa enheter kan göra dem mer tillgängliga och billigare att tillverka, vilket ytterligare driver adoptionen.

Robotar

Robotik har mest att vinna på dessa innovationer. 3D-utskrivna kretsar och komplexa enheter kan minska vikten i robotar. Varje viktreduktion ger mer kraft och längre batteritid för dessa enheter. Därför kommer morgondagens robotar att vara lättare, snabbare, smartare och mer smidiga än sina föregångare. Dessutom kan de integrera 3D-skrivare för att utföra självreparationer på avlägsna platser.

Företag som kan dra nytta av dessa resultat

3D-utskriftsindustrin fortsätter att expandera med innovationer som driver marknaden i flera riktningar. Speciellt är den 3D-utskrivna mikrochipindustrin en av de snabbast växande och mest framgångsrika. Här är några företag som kan integrera nya 3D-utskriftsmetoder för att förbättra sina produkter och effektivitet.

1. Qualcomm Incorporated

QCOM Prisdiagram

Qualcomm Incorporated (QCOM ) har varit en pionjär inom telekommunikations- och teknikmarknaden sedan företaget började verka 1985. Tillverkaren har gjort sig ett namn genom att skapa avancerad telekommunikationsutrustning och halvledare. Dess mest kända produkter är CDMA/WCDMA‑ och Snapdragon‑processorerna.
Qualcomm förblir en dominerande kraft på marknaden. Detta San Diego‑baserade företag säkrade 35,82  miljarder dollar i vinst år 2023. Företaget ses som en stark “hold” på grund av sin marknadsposition och innovativa produkter som är på väg att släppas. Att integrera den inkluderande 3D-utskriftsprocessen för deras populära chipset skulle öka intäkterna och minska avfall.

2. Monolithic Power Systems

MPWR Prisdiagram

Monolithic Power Systems, Inc. (MPWR ) är en annan börsnoterad halvledartillverkare som anses vara en pionjär på marknaden. Företaget är baserat i Washington, USA, och grundades 1997. Idag används deras produkter inom olika industrier, inklusive fordons-, industri-, kommunikations-, datorteknik- och lagringssektorerna.
Monolithic Power Systems Inc. rapporterade en omsättning på 1,82  miljarder dollar år 2023. Det är värt att notera att efterfrågan på halvledare ökar, vilket har fått många att betrakta denna tillverkare som ett smart tillskott till sin portfölj. Att integrera den nya 3D-utskriftsprocessen kan ytterligare förbättra deras affärsmodell, driva innovation och vinster.

Framtiden för multimaterial additiv tillverkning

Framtiden för 3D-utskriftsmarknaden ser ljus ut. Dessa enheter är mer populära än någonsin och har utvecklats för att skriva ut allt från metaller till medicin. Här är ett par andra spännande 3D-utskriftsprojekt som är värda att nämna.

Rymdutskrift

Det är en sak att skriva ut en enhet på jorden. Men det är en helt annan uppgift i en låggravitationstillstånd. Forskare har nyligen testat en ny 3D-utskriftsprocess som är avsedd att möjliggöra att dessa enheter fungerar i rymden. Deras studie öppnar dörren för längre rymdresor och en framtid där hållbarhet är en huvudfråga.

Medicinutskrift

Framtida mediciner kommer att 3D‑skrivas ut på ditt lokala apotek. Det har nyligen skett genombrott i kvalitetskontrollmekanismerna för dessa enheter. Snart kommer 3D‑utskrivna mediciner att vara mer exakta och precisa än manuellt blandade alternativ, vilket öppnar dörren för mer effektiv distribution och personlig vård.

Multimaterial additiv tillverkning – närmar sig sci-fi

Denna utveckling för industrin närmare sci‑fi genom förmågan att skriva ut kompletta elektroniska funktionella enheter som integrerar metall, plast och elektronik. Denna kapacitet kommer att ge marknaden en ny nivå av uppfinningsrikedom och ge skapare möjlighet att innovera fritt. Därför kan du förvänta dig mer bevakning av denna enhet när forskarna fortsätter att utforska dess möjligheter.

Lär dig om andra häftiga tillverknings projekt nu.