Ingen tillgång till specifik vetenskaplig utrustning? Oroa dig inte – skriv ut den med additiv tillverkning

Behovet av vetenskaplig utrustning ökar över hela världen. Enligt en uppskattning kommer den globala marknadsstorleken för vetenskapliga instrument att växa från lite mer än US$28 miljarder år 2022 till mer än US$34 miljarder år 2028, med en CAGR på 3,2 %.

Olika typer av vetenskaplig utrustning hjälper till att påskynda vetenskaplig utveckling genom att minska risken för mänskliga fel och automatisera iterativa processer. Det frigör tid för forskare att idéutveckla koncept och lösningar.

Enligt Mikael Hagström, verkställande direktör för Technology Networks, kan så mycket som 70 % av en laboratoriearbetares tid gå till spillo med administrativa uppgifter, förberedelsearbete, att hitta och rensa data eller rapportering.

Eftersom vetenskapliga instrument sparar mycket tid och förenklar en process effektivt, kan det vara frustrerande om man inte får tillgång till en specifik vetenskaplig utrustning i rätt tid. Men det finns knappt någon anledning att klaga på sådan tillgänglighet nuförtiden.

Additiv tillverkning, allmänt känt som 3D-utskrift, har kommit till undsättning. Hur additiv tillverkning hjälper till att få tillgång till specifik vetenskaplig utrustning är något vi kommer att gå igenom i detalj i de kommande avsnitten. Men innan vi fördjupar oss, låt oss ha en snabb översikt över vad additiv tillverkning eller 3D-utskrift är!

Vad är additiv tillverkning?

En relevant förklaring av additiv tillverkning, publicerad av MIT Sloan School of Management, definierar den som ‘processen att skapa ett föremål genom att bygga det lager för lager. Det är motsatsen till subtraktiv tillverkning, där ett föremål skapas genom att skära bort material från ett fast block tills den slutliga produkten är färdig.’

Generellt följer additiv tillverkningsprocess en trestegssekvens, som är följande: 

• Först skapas en design i laboratoriet. Det kan göras med hjälp av datorstödd konstruktion (CAD) och liknande programvara. Eller så kan man direkt skanna ett föremål som man vill skriva ut.
• Det andra steget innebär att mjukvaran omvandlar designen, steg för steg, till ett lagerbaserat ramverk som additiv tillverknings- eller 3D-utskriftsmaskinen följer.
• Det sista steget, som också är anledningen till att processen kallas 3D-utskrift, innebär att det lagerbaserade ramverket skickas till en 3D-skrivare, som sedan omedelbart börjar skapa föremålet.

Additiv tillverkning eller 3D-utskrift är kompatibel med en mängd olika materialtyper, inklusive polymerer, metaller, keramer, skum, gel, biomaterial och mer. 

Enligt Arvind Kalidindi, doktorand i materialvetenskap och ingenjörskonst vid MIT:

“Så länge du hittar ett sätt att lokalt förena två delar, kan du 3D-utskrifta det.”

Denna mångsidighet och nästan universella kompatibilitet gör 3D-utskrift eller additiv tillverkning lämplig för tillverkning av specifik vetenskaplig utrustning. Vi kommer nu att titta på några sådana exempel nedan: 

3D-utskrivna bärbara masspektrometerkomponenter och mer

En masspektrometer är en enhet som kan identifiera kemiska ämnen. Masspektrometrar används i olika tillämpningsområden, från brottsplatser till geologiska undersökningar; de har många funktioner. 

En grupp forskare från MIT har utvecklat ett 3D-utskrivet massfilter som fungerar som kärnkomponenten i en masspektrometer. Känd som kvadrupol är detta miniatyriserade filter avsevärt lättare och billigare än sina traditionella motsvarigheter. Medan kommersiella massfilter av hög kvalitet, byggda av värmebeständig glas-keramik och harts, kostar mer än US$100 000, kostar dessa med additiv tillverkning framtagna massfilter några få dollar och kan produceras på några timmar. 

Enligt Velasquez-Garcia, huvudforskningsvetenskapsman vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories, “Det finns andra miniatyriserade kvadrupolfilter, men de är inte jämförbara med professionella massfilter av hög kvalitet. Det finns många möjligheter för denna hårdvara om storlek och kostnad kan minskas utan att negativt påverka prestandan.”

Medan exemplet ovan är en av de senaste framstegen inom området, har liknande exempel tidigare registrerats inom vetenskaplig och teknisk F&R. Till exempel har forskare vid McGill University utvecklat en lab-on-a-chip-diagnostikteknik som ersätter användningen av många laboratorieinstrument och fungerar som miniatyrteknologier. Chipet kan produceras på 30 minuter med hjälp av 3D-utskrift. Rapporter tyder på att lösningen kan ge vårdpersonal möjlighet att skapa “skräddarsydda lösningar för specifika behov direkt vid vårdpunkten.” 

Ett annat team av MIT-forskare använde multimaterial 3D-utskrift för att skapa självvärmande fluidiska enheter som har inbyggda värmeelement. Dessa är miniatyrmaskiner som kan manipulera vätskor och underlätta kemiska reaktioner. Istället för flera stora högpresterande maskiner som arbetar samtidigt, kan denna teknik upptäcka sjukdomar i mycket små blod- eller vätskeprover. 

Att få tillgång till vetenskaplig utrustning från en fjärrplats

3D-utskrift av vetenskaplig och laboratorieutrustning har också hjälpt till att avlägsna begränsningarna som uppstår i form av fysisk/geografisk avstånd. Tidigare krävde 3D-skrivare att en utbildad 3D-utskriftsoperatör var närvarande på plats. Men med början av COVID-19-pandemin kom lösningar som möjliggjorde fjärrarbete inom additiv tillverkning.

Till exempel utvecklade MakerBot CloudPrint en lösning för ingenjörsteam att arbeta effektivt på distans eller från olika platser. Dess molnbaserade 3D-utskriftsplattform erbjuder ett sömlöst arbetsflöde för team som har närvaro på flera platser. Ingenjörer som arbetar på flera platser kan samarbeta effektivt med dessa 3D-skrivare genom att skiva och förbereda sina 3D-utskrifter direkt från en webbläsare. 

Enheten har inbyggda kö- och övervakningsfunktioner och låter användare lägga till, övervaka och kontrollera åtkomst till anslutna MakerBot-skrivare från var som helst. Den har också en instrumentpanel för centraliserad spårning och övervakning av utskriftsframsteg. De live-kameraflödena hjälper till att få de senaste statusuppdateringarna för utskriftsjobb. 

Lösningar som dessa och fler har gjort arbetsflödet smidigt, sömlöst och kostnadseffektivt för många tillverkare av vetenskaplig utrustning. 

Typer av tillverkare av vetenskaplig utrustning som drar nytta av additiv tillverkning/3D-utskrift

Tillverkare av rymdforskningsutrustning är ett segment som kommer att dra stor nytta av additiv tillverkning eller 3D-utskrift. Vetenskaplig forskning har visat ett sätt att bygga 3D-utskriven laboratorieutrustning för att mäta massmaterial under extrema förhållanden som rymdforskningsprojekt presenterar för forskare. 

År 2022 nämnde Nature Journal en studie där en 3D-utskriven enhet utvecklades för att mäta ytspänningen hos nanoflöden. Mätresultatet var jämförbart med kommersiella enheter. 

Studien undersökte också möjligheterna att använda mätinstrument genom materialextrudering med 3D-utskrift för att mäta utvalda mekanisk-fysiska egenskaper hos massmaterial under extrema förhållanden. 

En annan typ av tillverkare av vetenskaplig utrustning som drar nytta av additiv tillverkning eller 3D-utskrift tillhör elektronikområdet. Precisionen i laserbaserad additiv tillverkningprocesser hjälper till att skapa mikroelektromekaniska system. Man kan utveckla invecklade komponenter såsom accelerometrar och gyroskop i denna process. 

Tillverkning av utbildningsinstrument är återigen ett annat område som kan utnyttja additiv tillverkning effektivt. Det finns 3D-skrivare som hjälper studenter att experimentera med precisionsutvecklad hårdvara och industriella material. 

Vissa gemensamma egenskaper för dessa anläggningar inkluderar deras förmåga att arbeta med en mängd olika råmaterial på en enda plattform. De är säkra att använda och kräver ingen eller mycket lite personlig skyddsutrustning. Additiv tillverkningsinstrumenten levereras med inbyggd programvara för enkel och sömlös kontroll och övervakning. 

Många företag gör additiv tillverkning eller 3D-utskrift enkelt för en rad industrier. Vi kommer nu att titta på några sådana företag.

#1. Markforged

Markforged erbjuder ett komplett spektrum av additiva tillverkningslösningar, inklusive industriella 3D-skrivarmaskiner, prestandamaterial som metaller, kontinuerliga fibrer och kompositer, samt företagsprogramvara som förbättrar arbetsflödet. 

Markforged har tre typer av 3D-skrivare, inklusive metall-3D-skrivare, industriella komposit-3D-skrivare och skrivbordskomposit-3D-skrivare. De industrier som använder dessa lösningar inkluderar flyg, fordonsindustri, konsumentvaror, utbildning och forskning, elektronikproduktion, energi, federala och försvarssektorn, industriell utrustning, medicin med mera. 

En av de mest populära produkterna från Markforged är FX10, företagets nästa generations industriella komposit-3D-skrivare. Enheten är utrustad med en visionsmodul och laser-mikrometer, en avancerad materialkammare för snabb laddning och minskat användarintervention, en 7‑tum pekskärm och en uppvärmd byggkammare som värms upp till 60 °C. 

Markforged offentliggjorde sina resultat för fjärde kvartalet och hela året 2022 i mars 2023. Företaget såg en intäktsökning med 11 % till 29,7 miljoner dollar under fjärde kvartalet 2022 jämfört med 26,6 miljoner dollar under fjärde kvartalet 2021. Den totala årsintäkten ökade med 11 % till 101,0 miljoner USD år 2022 jämfört med 91,2 miljoner USD år 2021. Däremot minskade bruttovinsten med 4 % till 50,7 miljoner dollar år 2022 från 52,9 miljoner dollar år 2021.

#2. Hewlett Packard

Ett annat storskaligt teknikföretag som starkt investerar i att göra 3D-utskrift tillgänglig för alla är Hewlett‑Packard eller HP. HP:s 3D-utskriftslösningar används inom en rad industrier, inklusive flyg, konsumentvaror och elektronik, utbildning, hälso‑ och sjukvård, industri, tillverkningstjänster, formad fiber, ortos och proteser, transport och fordonsindustri, med mera. Ett av dessa tillämpningsområden som kräver tillgång till specifik vetenskaplig utrustning är utbildning. HP:s multi‑jet‑fusion‑teknik hjälper till att bygga delar och funktionella prototyper över flera discipliner inom en utbildnings‑/forskningsinstitution, från teknik till arkitektur. 

HP:s Jet Fusion‑lösningar för 3D-utskrift hjälper både grundläggande och avancerad 3D‑labforskning, inklusive den som utförs i utvecklingslab, additiv tillverkningslab, universitetsservicebyråer och sjukhus‑/medicinska 3D‑lab.

HP rapporterade sina resultat för räkenskapsåret 2023 för hela året och fjärde kvartalet den 21 november 2023. HP Inc. (HPQ ) och dess dotterbolag (“HP”) registrerade en nettointäkt på 53,7 miljarder dollar, ned 15 % (ned 12 % i konstant valuta) jämfört med föregående år. Fjärde kvartalets nettointäkt var 13,8 miljarder dollar, ned 6 % (ned 5 % i konstant valuta) jämfört med föregående år.

#3. Formlabs

Formlabs grundades av tre MIT-avancemangsstudenter år 2011 med uppdraget att bygga den första 3D-skrivaren som kunde uppnå industriell, professionell delkvalitet till ett överkomligt pris. Sedan dess har företaget vuxit till att bli en av de största leverantörerna av professionella stereolitografiska och selektiva lasersintrings‑3D‑skrivare i världen. 

Formlabs portfölj innehåller en blandning av prisvärda, industriella skrivbord 3D‑skrivare av hög kvalitet, stora format‑3D‑skrivare och avancerade skrivbord 3D‑skrivare för sjukvård. Dess skrivare kan arbeta med mer än 20 funktionella hartser för prototypframtagning och produktion av slutprodukter. De är också kompatibla med minst sex högpresterande industriella material, inklusive nylon 11, nylon 12, TPU, polypropen, glas och kolfyllda nylonkompositer. Skrivarna är lämpade för arbete i omgivningsluft, med endast PU‑hartser som kräver ett torrskåp för fuktighetskontroll. De fungerar också bra i luftmiljöer och i en kväveatmosfär för förbättrade materialegenskaper och lägre återuppvärmningshastigheter.

Enligt rapporter publicerade 2021, hade företaget fördubblat sitt värde till 2 miljarder USD efter en finansieringsrunda på 150 miljoner USD ledd av SoftBank Groups Vision Fund 2. Före detta var företaget värderat till över 1 miljard USD när det tog in 15 miljoner USD i finansiering från New Enterprise Associates (NEA) i augusti 2018.

Additiv tillverkning: En spelväxlare inom vetenskaplig forskning

Vetenskaplig forskning kräver toppmoderna maskiner, men dessa är dyra enheter som ofta ligger utanför räckhåll för forskningsinstitutioner och oberoende forskare. Mot denna bakgrund är 3D-utskrift eller additiv tillverkning en välsignelse, eftersom de är enkla att utveckla och kostnadseffektiva. Dessutom erbjuder de resultat som är jämförbara med kommersiella enheter i sin precision, vilka är mycket dyrare och vanligtvis endast har råd med av stora företag och institutioner.

Dessutom löser additiv tillverkning också de logistiska utmaningarna. Detta är avgörande eftersom det kan vara kostsamt och tidskrävande att leverera exakt den vetenskapliga utrustningen vid den specifika tidpunkten som den behövs. I detta avseende hjälper 3D-utskrift också till att lösa den utmaningen.

Dessutom, när man beaktar de fysiska aspekterna av vetenskaplig utrustning, som ofta är tung och invecklad och inte lämpar sig för transport till svåråtkomliga platser, blir fördelarna ännu tydligare. Som vi redan har sett i rymdforskning och geologiska undersökningar är det användbart att ta med bärbara 3D‑skrivare och råmaterial till dessa platser för att utveckla utrustningen på plats.

Sammanlagt visar dessa faktorer att additiv tillverkning öppnar en ny horisont där tillgång till vetenskaplig utrustning blir inte bara mer prisvärd utan också en problemfri process.

Klicka här för listan över de bästa 3D‑utskrifts- och additiva tillverkningsaktierna.