3D-utskriftens mångsidighet: Growth Printing, robotik och mer

3D-utskrift används för metallkomponenter, polymerer och konstruktioner med flera material. Tre forskningsprojekt från 2025 visar hur metoden kan användas för mjuka robotaktuatorer, polymerdelar som växer fram genom en kemisk reaktion och detektorer för partikelfysik. Resultaten gäller laboratorieförsök och prototyper. Inget av projekten visar att mänskliga organ kan skrivas ut som färdiga transplantat.

3D-utskriftens växande möjligheter

Fördelen ligger inte enbart i att skapa en anpassad form. En funktionell del kan innehålla olika material vars läge, härdning och gränsytor styrs under tillverkningen. De tre studierna använder den möjligheten på skilda sätt.

Robotik: mjuka aktuatorer

En aktuator omvandlar energi till rörelse. Motorer och servon passar många robotar, men mjuka system kan behöva delar som själva böjs och drar ihop sig. Forskare vid schweiziska Empa och samarbetsinstitutioner beskrev i Rapid Manufacturing of High-Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers en tillverkningsmetod för elastomerfibrer som kan fungera som aktuatorer.

Kontinuerlig samsträngsprutning

En särskild dysa förde samman ett ledande elektrodamaterial och ett mjukt, elektriskt isolerande material till en kärna, ett dielektriskt skikt och en yttre elektrod. Snabb härdning vid högre temperatur och laserbehandling gjorde det möjligt att framställa funktionsdugliga fibrer utan flera separata steg för tunnfilmer.

Källa: Empa

Spänning får den elastiska strukturen att ändra form. Därför beskrivs den ibland som en artificiell muskel, men det är ingen biologisk muskel och den ersätter inte skadad mänsklig muskelvävnad. Studien demonstrerar en snabb tillverkning i laboratoriet; den visar inte att fibrerna generellt är billigare eller håller längre än alla servomotorer.

Forskarna rapporterade en strängsprutningshastighet på upp till 60 mm/s och härdning på sekunder. Siffrorna gäller den undersökta processen. Mjuka robotar är en tänkbar användning när elsäkerhet och prestanda över tid har undersökts för den aktuella produkten.

Tillväxtutskrift: en naturinspirerad metod

Forskare vid Beckman Institute presenterade Morphogenic Growth 3D Printing. Metoden använder flytande dicyklopentadien som börjar polymeriseras vid en uppvärmd startpunkt. Värmen från reaktionen driver en självfortplantande härdningsfront, så att en polymerdel växer fram längs en planerad bana.

Källa: Beckman Institute

Reaktion, rörelse och beräkningsmodell

I en försöksuppställning låg ungefär 100 gram harts i ett mindre kärl som kyldes utifrån. Värmaren satte igång reaktionen, och dess rörelse hjälpte till att bestämma formen. Forskarna använde en beräkningsmodell och bildregistrering för att välja rörelsebana, spetsens tvärsnitt och hur flera härdningsfronter eventuellt kunde mötas.

Enligt forskningsartikeln rörde sig härdningsfronten med ungefär 1 mm/s. Metoden demonstrerades med utvalda polymerformer. Det innebär inte att varje tänkbar del kan tillverkas snabbare, starkare eller utan särskild utrustning. Geometri, material och efterbehandling påverkar resultatet.

Partikelfysik: en segmenterad scintillationsdetektor

Den tredje studien, Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles, handlar om en detektor. Scintillationsmaterial avger ljus när en joniserande partikel passerar. Ljus från många små kuber kan användas för att återskapa partikelns bana och energiförlust.

Prototypen SuperCube

Forskarna byggde en SuperCube med 5 × 5 × 5, alltså 125, optiskt åtskilda voxlar. Varje kub hade öppningar för ljusledande fibrer i två riktningar. Tillverkningen kombinerade smältdeponering med injektionsformning och kallades fused injection modeling (FIM). Det engelska originalet skiljer felaktigt FIM från den metod som faktiskt användes för SuperCube.

Det tog omkring sex minuter att tillverka en voxel. Därutöver tillkom fast uppstartstid: ungefär 20 minuter för byte mellan processdelar och 15 minuter för uppvärmning. I test med kosmiska partiklar var prototypens ljusutbyte jämförbart med en referens tillverkad genom gjutning. Studien visar däremot inte att den totala kostnaden generellt är en bråkdel av tidigare lösningar eller att en större detektor har samma prestanda.

Den här typen av detektor kan utvecklas för partikelfysik. Användning vid CERN eller på satelliter skulle kräva särskild konstruktion och validering; forskningsprojektet demonstrerade inget rymdmonterat instrument.

Andra forskningsspår för 3D-utskrift

Holografisk ljudutskrift

Holografisk direkt ljudutskrift använder ultraljud för att forma och härda material. Att rikta ljud genom ett hinder är en forskningsidé, inte ett bevis på att ett mänskligt organ kan repareras inuti kroppen utan kirurgi.

Utskrivna byggnader

3D-utskrift i byggandet utvecklas bland annat för väggar. Den totala bostadskostnaden omfattar också grundläggning, installationer, arbete, tillstånd och mark. Att använda lokala råvaror för byggnader i rymden är fortfarande en fråga för forskning och planering.

Strukturer som byter form

”4D-utskrift” brukar avse utskrivna delar som ändrar form över tid eller som svar på en påverkan. Det är en annan forskningsinriktning än den tillväxtutskrift som beskrivs ovan. Anpassningsbara proteser och nedbrytbara medicinska strukturer kräver särskilda biologiska och kliniska studier.

Slutsats

De tre projekten visar olika styrkor hos additiv tillverkning: kontinuerligt framställda mjuka aktuatorer, kemiskt styrd tillväxt av polymerdelar och segmenterade partikeldetektorer. Deras praktiska värde avgörs av tillverkning, kvalitetskontroll och tester under verkliga användningsförhållanden.

Läs mer om additiv tillverkning.

Forskningsreferenser

1. Danner, P. M. m.fl. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Advanced Materials Technologies.
2. Kim, Y. S. m.fl. (2025). Morphogenic growth 3D printing. Advanced Materials, 37, 2406265.
3. Kieseler, J. och Canelli, F. (2025). Additive manufacturing of a 3D-segmented plastic scintillator detector for tracking and calorimetry of elementary particles. Communications Engineering, 4, 41.