Nanoskala 3D-utskrift ser ut att vara redo för kommersialisering

3D-utskrift är väldigt populärt nu. Även känt som den additiva tillverkningsprocessen, i tredimensionell eller 3D-utskrift skapas ett objekt med hjälp av en digital modell istället för att använda en form. I denna process läggs flera tunna lager av material ihop.

Uppfinnare utvecklade tekniken 1984, men den började först nyligen ta fart när teknologiska framsteg gjorde den till en livskraftig tillverkningsprocess.

Tillverkare i många branscher använder denna teknik för att snabbt prototypa innan massproduktion av produkter. Genom att göra prototypframtagning snabbare, enklare och billigare främjar 3D-utskrift mer innovation och experimentering.

Idag har 3D-utskriftens verksamhet vuxit enormt med ständig utveckling och forskning som hjälper tekniken att bli ännu bättre. Intresset för 3D-utskrift har blivit så stort att forskare nu arbetar med tillverkningstekniker både på mikro- och nanoskaliga nivåer.

Medan 3D-utskrift är för långsam för massproduktion, kan nanoskalig 3D-utskrift lösa detta problem, och den är sannolikt snart redo att tas i bruk.

Klicka här för att lära dig allt om att investera i 3D-utskriftsaktier.

Nanoscale 3D Printing & its Potential

Sedan 3D-utskriftstekniken introducerades har produktiviteten i tillverkning ökat. Denna ökning beror i stor utsträckning på att 3D-utskrift möjliggör betydande designfrihet genom att ta bort strukturella eller rumsliga begränsningar i traditionella tillverkningsmetoder. Dessutom är den känd för materialeffektivitet, vilket ger möjlighet till låg- eller ingen-avfallstillverkning. 3D-utskrift spelar också en avgörande roll för att minska kostnader och tid till marknaden för små tillverkare.

Dock är de flesta tillämpningar för 3D-utskrift begränsade till centimeterstorlek. Utöver detta begränsar mekaniska och materialmässiga utmaningar dess användning främst till forskningsapplikationer. Så för att expandera 3D-utskrift till massproduktion och gå bortom enbart prototyper måste tekniken ta itu med vissa utmaningar relaterade till storlek, material och kostnad.

Av den anledningen använder många forskare flera material på flera skalor, en utveckling som sätter nanoskalig 3D-utskrift i fokus. Nanoteknologi innebär mätningar på mindre än 100 nanometer, en skala så liten att den är osynlig för blotta ögat.

Inom nanoskalig 3D-utskrift är målet att 3D-utskrifta objekt som mäts i nanometer. Denna teknik är ett lovande språng inom additiv tillverkning och möjliggör sammansättning av objekt atom för atom.

Potentialen för nanoskalig teknik sträcker sig till att förbättra effektivitet och produktivitet i olika industrier, såsom batterier, nanorobotik, mikroelektronik, medicintekniska enheter, halvledare och sensorteknik. Dessa sektorer kan vinna avsevärt på precisionen i nanoskalig skapelse utan att kompromissa med noggrannheten.

Ändå är processen för 3D-utskrift, även på nanoskalig nivå, fortfarande långsam. Den har också begränsningar i vilka material som kan användas, särskilt vid nanoskalig utskrift.

År 2022 utvecklade forskare en ny nanoskalig 3D-utskriftsmetod med ett material som utmärker sig i motståndskraft mot krafter, ger skydd och kan absorbera dubbelt så mycket energi som andra material vid samma densitet. Detta framsteg öppnar upp många tillämpningar inom områden som drönare, satelliter och mikroelektronik.

En annan stor utmaning med att anta 3D-utskrift teknik är kostnaden. De använda materialen är dyra, och själva 3D-utskriftsmaskinerna, som är beroende av förmågan att producera produkter med specifika specifikationer, är kostsamma.

Dessutom ökar kostnaderna för mjukvara, tekniskt underhåll och systemintegration den totala kostnaden för denna teknik. På grund av så höga kostnader är 3D-utskrift mer genomförbart för småskalig och mycket specialiserad produktion.

Forskning inom detta område har pågått ett tag för att rikta in sig på olika problem. Till exempel, för några år sedan demonstrerade ett team av forskare demonstrerade en 3D-utskriftsmetod som snabbt producerar komplexa nanoskaliga 3D-objekt med släta egenskaper.

Dock kvarstår faktum att trots dess potential att driva fram många enheter är nanoskalig 3D-utskrift extremt kostnadsprohibitiv. Detta kan äntligen förändras nu när ny forskning har hittat ett tillvägagångssätt som drastiskt minskar kostnader och inträdesbarriärer, vilket gör processen möjlig för kommersialisering.

Faster & Cheaper Way to Print Tiny Metal Structures With Light

Den senaste forskningen har utvecklat ett nytt sätt att skriva ut nano-stora metallstrukturer som är baserade på lågintensitetsljus. Detta nya ljusbaserade tillvägagångssätt är extremt snabbt, upp till 480 gånger snabbare än de metoder som för närvarande används, samtidigt som det är billigt.

Denna nya studie, kallad “Scalable Printing of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection (SLP)”, genomfördes nyligen av medförfattarna Sourabh K. Saha, assisterande professor vid Georgia Tech:s maskinteknikprogram, och Jungho Choi, som är doktorand i Sahas laboratorium.

Enligt Saha är kostnad och hastighet två faktorer som är “mycket undervärderade i det vetenskapliga samfundet” när man arbetar med tillverkning och produktion av små strukturer. Även om de förbises i den vetenskapliga världen är dessa mått verkligen viktiga i verkligheten “när det gäller att översätta upptäckter från laboratoriet till industrin”.

“Endast när vi har tillverkningstekniker som tar hänsyn till dessa mått kommer vi kunna utnyttja nanotekniken fullt ut för samhällets bästa.”

– sade Saha

Choi och Saha är också uppfinnare på en SLP-patentansökan där immateriella rättigheter har tilldelats Georgia Tech Research Corporation.

Publicerad i Advanced Materials, en veckovis peer-reviewed vetenskaplig tidskrift, avslöjade den nya studien att dessa forskare har utvecklat ett ljusbaserat sätt att skriva ut metallstrukturer på nanoskalig nivå, vilket är snabbare, billigare och skalbart.

Som sådan har denna teknik potential att omvandla området additiv tillverkning, som är för dyrt och långsamt. Detta genombrott är 35 gånger billigare än de teknologier som för närvarande finns på marknaden.

Det finns faktiskt många tekniska framsteg inom flera områden som förlitar sig på förmågan att skriva ut på nano-stora metallstrukturer, en teknik känd som nanopatterning. Dessa områden inkluderar sensorer, elektroniska enheter, fotonik, solenergiomvandling, biomedicin och diagnostik samt andra system.

När det gäller nanoskalig utskrift tror man att processen kräver en högintensiv ljuskälla. Ett sådant verktyg är en femtosekundlaser, som levererar ultrakorta laserpulser till en fokalpunkt.

Även om den är mycket fördelaktig kan detta verktyg vara mycket dyrt. Eftersom det kan kosta upp till en halv miljon dollar är det i praktiken inte genomförbart för de flesta forskningslaboratorier och naturligtvis för små företag.

Som Saha påpekar är det just denna kostnad som gör det svårt för dessa genombrott att nå den verkliga världen, och de blir bara laboratorieprojekt. Han sade:

“Som ett vetenskapligt samhälle har vi inte förmågan att snabbt och prisvärt producera tillräckligt med dessa nanomaterial, och det är därför lovande teknologier ofta förblir begränsade till laboratoriet och inte översätts till verkliga tillämpningar.”

Så, den uppenbara nästa frågan är, finns det verkligen ett behov av ett så högintensivt verktyg? Svaret var negativt, enligt Saha:

“Vår hypotes var att vi inte behöver den ljuskällan för att få den typ av utskrift vi vill ha.”

Som ett resultat började forskarna söka efter ett lågt kostnadsljus som har låg intensitet men kan fokuseras på samma sätt som femtosekundlaser. De stötte på superluminescent ljusemitterande dioder (SLED), som valdes för sin kommersiella tillgänglighet.

En SLED är en superluminescensbaserad kantutsläppande halvledarljuskälla som kombinerar ljusstyrka och hög effekt från laserdioder med låg koherens från konventionella lysdioder. Ljuset som emitteras av SLED är betydligt mindre intensivt än det från femtosekundlaser.

Klicka här för att lära dig varför bristen på vetenskapliga rädslor inte längre kommer att vara ett problem, tack vare avancerad 3D-utskriftsteknik.

Low-intensity Light-based Projection-style Nano-sized Printing

Med denna forskning syftade Choi och Saha till att utveckla den första projektionstypen för utskrift. Detta system är utformat för att fungera som en digital projektor genom att omvandla bilder från digitalt till optiskt och sedan visa dem på en glasyta.

Dock är bilderna som produceras av denna utskriftsteknik mer skarpt fokuserade. Denna skärpa är resultatet av att utnyttja de unika egenskaperna hos superluminescent ljus för att generera bilder med minimala defekter.

Denna SLP- eller superluminescent ljusprojektionsteknik skriver snabbt ut sub-diffraktions (dimension kortare än ljusets diffraktionsgräns) nanostrukturer med mindre intensivt ljus. Forskarna utnyttjade diodbaserade superluminescent ljusets rumsliga och temporala koherensegenskaper.

I sin forskning använde de metallsalt tillsammans med andra kemikalier för att utveckla en klar bläcklösning som kan absorbera ljus. När ljuset från deras projektionssystem träffade lösningen orsakade det en kemisk reaktion som omvandlade lösningen till metall. Dessa metallnanopartiklar fäste vid glasytan, vilket skapade nanostrukturerna.

Att vara en projektionstyp av utskrift innebär att den kan användas för att skriva ut hela strukturer på en gång. Det faktum att den, istället för att gå punkt för punkt, gör allt i ett svep, gör den snabbare än andra konventionella metoder.

Testning av den ljusbaserade projektionstypen för nano-stor metallutskrift visade att den fungerar även med lågintensitetsljus, förutsatt att bilderna är skarpt fokuserade.

Enligt Choi och Saha kan deras arbete snabbt reproduceras av andra forskare med kommersiellt tillgänglig hårdvara. Det kommer inte heller att kosta mycket, eftersom den typ av SLED som användes i deras forskning kostar cirka 3 000 dollar.

På så sätt gör forskningen det möjligt för småföretag, forskningscentra och även individer att dra nytta av tekniken och experimentera med den för att innovera. Enligt Choi:

“För närvarande har endast de främsta universiteten tillgång till dessa dyra teknologier, och även då är de placerade i delade anläggningar och är inte alltid tillgängliga.”

Dessutom sade Choi:

“Vi vill demokratisera möjligheten till nanoskalig 3D-utskrift, och vi hoppas att vår forskning öppnar dörren för större tillgång till denna typ av process till låg kostnad.”

Detta genombrott har en verklig potential att hjälpa nya teknologier att slutligen lämna forskningslaboratorierna och komma ut i världen för användning.

Forskningen har definitivt stor tillämpningspotential, med forskarna som säger att deras teknik kommer vara särskilt användbar inom optik och plasmonik, som kräver en mängd komplexa metalliska nanostrukturer.

Andra potentiella områden där den kan användas i framtiden inkluderar mindre och mer effektiva elektroniska komponenter för smartphones, datorer och bärbara enheter. Dessutom kan den hjälpa med avancerade sensorer, aktuatorer, miniatyrkommunikationssystem, medicinska enheter som implantat & diagnostiska enheter, småskaliga optik för kameror och bildsystem, små enheter för energihämtning samt utveckling av nya material med skräddarsydda egenskaper.

Nanoskalig 3D-utskrift kommer ytterligare att hjälpa forskningen och att komma på ännu mer genomförbara lösningar.

Companies Leading Additive Manufacturing

Låt oss nu titta på några företag som leder vägen inom additiv tillverkning:

#1. Stratasys

Den USA-baserade leverantören av 3D-utskriftslösningar är en internationell ledare inom den additiva tillverkningsindustrin. Stratasys levererar ett brett sortiment av 3D-skrivare och material till fordons-, hälso- och sjukvårds-, utbildnings-, rymd- och diverse andra industrier. Företaget har också många patent inom additiv teknik som används för att skapa modeller, prototyper, tillverkningsverktyg och produktionsdelar.

Företagets senaste 3D-skrivare, F3300, har betydande förbättringar i hastighet och kostnad. Den erbjuder ökade gantryhastigheter, snabbare extruderingshastigheter och automatiserad kalibrering för att spara tid och öka genomströmning. Maskinen är avsedd för produktion av slutdelar och kan även användas för prototyper.

Med ett börsvärde på 902,6 miljoner dollar handlas Stratasys-aktierna för närvarande till 13,05 dollar, ner 8,61 % år till datum (YTD). Företaget rapporterade en omsättning för de senaste tolv månaderna (TTM) på 630,52 miljoner dollar samt ett EPS (TTM) på -1,61 och ett P/E (TTM) på -8,10.

#2. 3D Systems

Ett välkänt namn inom den additiva tillverkningsindustrin, 3D Systems (DDD ) erbjuder ett brett utbud av 3D-utskriftslösningar, från hårvara och mjukvara till material för industrier som hälso- och sjukvård, rymd, försvar, fordonsindustri, konsumentvaror och generell tillverkning.

3D Systems teknologier inkluderar Direct Metal Printing, Selective Laser Sintering, MultiJet Printing, ColorJet Printing, Stereolithography (SLA) och SLA-baserad bioprintning.

Sent sent år meddelade företaget ett patientanpassat 3D-utskrivet kranialimplantat som framgångsrikt användes i en kranioplastik vid Universitetssjukhuset Basel. Användningen av 3D-utskrivna kranialimplantat förväntas ha en marknadsstorlek på 2,1 miljarder dollar senast i slutet av detta decennium.

Med ett börsvärde på 677,845 miljoner dollar handlas 3D Systems Corp-aktien för närvarande till 5,08 dollar, ner 20 % YTD. Företaget rapporterade en omsättning (TTM) på 505,95 miljoner dollar samt ett EPS (TTM) på -0,74 och ett P/E (TTM) på -6,85.

#3. GE Additive

En division av teknikjätten General Electric (GE.TO ), GE Additive har ett omfattande sortiment av skrivare, förbrukningsmaterial och mjukvarulösningar som möjliggör innovation för företag i olika marknadssegment.

Förra månaden presenterade företaget sin metallbindningsjetteknik på Europas största mässa för additiv tillverkning (AM). För detta samarbetar GE Additive med en ny bransch, medicin, för att bredda sina horisonter bortom enbart rymd. Med bindningsjetter syftar företaget till att erbjuda “en sekundär tillverkningsmetod i händelse av ett leveranskedjeproblem”.

Med ett börsvärde på 141,4 miljarder dollar handlas General Electric Co-aktierna för närvarande till 129,93 dollar, upp 1,8 % YTD. Företaget rapporterade en omsättning (TTM) på 67,95 miljarder dollar samt ett EPS (TTM) på 8 och ett P/E (TTM) på 16,24. GE betalar också en utdelningsavkastning på 0,25 %.

Final Thoughts

Även om den fortfarande befinner sig i de tidiga forskningsstadierna, utvecklas nanoskalig 2D-utskrift och landskapet för additiv tillverkning i snabb takt. Redan nu, som vi har sett, utvecklas snabbare och billigare utskriftstekniker som gör nanoskalig metallutskrift skalbar och kommersiellt livskraftig.

När ny forskning fortsätter att arbeta med frågor som kostnad och materialbegränsningar kommer vi att se nya lösningar uppstå, som tar bort inträdesbarriärer och möjliggör personliga och hållbara produktdesigner. Detta kommer leda till en omfattande användning av tekniker inom medicin, mode, konsumentprodukter, avancerad elektronik och mycket mer, vilket slutligen ökar möjligheten att nanoaktiverade enheter används i verkligheten i betydande grad och gör 3D-utskrift marknadsförbar.

Klicka här för listan över de tio bästa aktierna inom additiv tillverkning och 3D-utskrift att investera i.