FREEDEE BLOG

Az IDTechX kutatási anyagot publikált az additív gyártás 2022-es mikrotrendjeiről, köztük a várható anyagfejlesztésekről, anyagpiaci folyamatokról is. A nyomtatóanyagok a pandémia miatt 2020-ban drasztikusan leamortizált, azóta szerencsére növekedő szakmai piacok főszereplői.

A tanulmány szerzői négy anyagcsaládot vizsgálnak: polimereket, fémeket, kerámiákat és kompozitokat. Mindegyikre több előrejelzést készítettek – a polimerszektorban kiemelték a fenntarthatóság drámai mértékben növekvő jelentőségét, vagy az extrudálás helyét a fémnyomtatásban.

Egy dolog tűnik biztosnak: az anyagfejlesztési innováció komoly lökést ad az additív gyártás terjedésének.

A Covid hiába tépázta meg az összes piacot, az additív gyártásban az offshore helyett népszerűek lettek a helyi források, a kisebb beszállítói lánc, a környezet nagyobb tisztelete – a mindegyik anyagcsaládnál fontos, de a polimerek esetében kitüntetettebb szerepű fenntarthatóság itt jön képbe.

Az anyaggyártók természetes anyagok, megújuló erőforrások bevonásával próbálnak előállítani nyomtatószálakat, műgyantákat és porokat.

Fontos szempont lett az újrahasznosíthatóság, a gyorsaság pedig változatlanul az. A piacra kerülő új műanyagok nagyon „zöldek”, általában természetes vagy újrahasznosított forrásokból állítják elő őket. Egyesek például cégek technikai hulladékait reciklálják nyomtatóanyaggá, vagy biológiailag száz százalékban lebomló termékeket fejlesztenek.

A műanyagpiac a nyomtatószálakkal nem ér véget, a porszegmensben is egyre több a kezdeményezés. A gyártók állandóan frissíteni akarják ezeket a porokat, de közben újrahasznosítható polimereket is dolgoznak ki. Fontos lenne, ha mindenhol kialakulnának újrahasznosítási hálózatok, amelyre már történtek kísérletek, például a Materialise is érintett benne.

Fémnyomtatásban nagyon jön fel a fém fröccsöntés által inspirált FFF. Lehetővé válik a fémrészek három szakaszban történő gyártása: printelés, megkötés, szinterezés. Az FFF nagy előnye még, hogy relatíve olcsó (ha például a lézeres porágytechnikákkal hasonlítjuk össze). A sokszereplős piac állandóan bővül, a kötés kihagyásával, többen még egyszerűbbé tennék az előállítási folyamatot.

A kerámiapiac jövője bíztató, 2032-re a mai forgalom hétszerese, négyszázmillió dollár várható. Egyes gyártók csak most kezdenek foglalkozni a területtel, és a vegyészeket is egyre jobban érdekli. A stratégiai partnerségek pedig jócskán bővítik a lehetőségeket.

A jelenleg csak gyerekcipőben totyogó kompozitok szintén folyamatosan és gyorsan bővülő szektor.

A 3D nyomtatás nemcsak a gyártást, termékek előállítását változtatja meg, hanem akár a tudományt is forradalmasíthatja. Legalábbis harvardi kutatók és bostoni egyetemi kórházak erre tesznek kísérletet egy nemrég fejlesztett, programozható mikrobiális tintával (hidrogéllel). Rendeltetése élő anyagok, genetikailag gondosan megtervezett, módosított nanorost-szerű fehérjék 3D nyomtatása.

A kutatók szerint az innovatív anyag gyógyszereket bocsáthat majd ki magából, a környezetből pedig eltávolítja a vegyi szennyeződést. Mindez a rákkutatás forradalmához, űrbeli fejlett alkalmazásokhoz stb. vezethet. A projekt eredményeit a Nature folyóiratban publikálták.

A cikkben elmagyarázták a több éve indult projektet, a technológia lehetőségeit, hatékonyságát.

Munkájukban a kortárs tudomány egyik legmarkánsabb trendje, biológia és anyagtudományok, anyagtervezés szinergiája érhető tetten. Ebben a folyamatban a 3D nyomtatás fontos munkaeszköz.

Nem ez az első alkalom, például a Colorado Egyetemen komplex biológiai szövetek utánzására képes, nyomtatható anyagot állítottak elő. De készült már algaszerű anyagból is fájdalomcsillapítóként használható biotinta.

A harvardi fejlesztők a tudományos kutatások egyik sztárjával, az emberi és állati szervezetekben egyaránt megtalálható kólibaktériummal (E.coli) és módosított fehérje nanorostokkal dolgozva készítették el a tintát.

Alginát és E.coli keveréket kalciumklorid felületen nyomtattak. Az alginátmolekulák azért jók, mert összekeverednek, és szilárdabb géllé állnak egybe.

A kutatók azt is hangsúlyozták, hogy mikróbák nyomtatásához sok technikát leteszteltek, de egyszerűsége, költséghatékonysága és a többféle biootintával való kompatibilitása miatt az extrudálás-alapú bioprinting működik messze legjobban.

Fejlesztés közben sok kihívással szembesültek, de úgy tűnik, sikerült megoldást találni rájuk. A tényleges alkalmazásoktól mindenesetre távol járunk még, de a jövő bíztató.

Több előrejelzés alapján, 2030 körül komoly lakhatósági problémák lesznek a világon. Nem épül elég otthon, a lakosság folyamatosan növekszik, nehéz az engedélyeket kijárni, és a környezeti szabványoknak való megfeleléssel szintén akadnak problémák.

A gyors városiasodással kb. hárommilliárd személynek lesz szüksége megfizethető árú otthonra.

Egyre több ország felmérte a helyzetet, és keresi a nemcsak rövidtávú megoldást. Ez alól Afrika államai sem kivételek, sőt…

A beszűkülő lehetőségeket ellensúlyozandó, a fenntartható lakhatósági megoldásokban világ-éllovas Holcim, az Egyesült Királyság kormányával kapcsolatban álló UDG Csoport által alapított 14Trees eldöntötte, hogy Kenyában – ahol már most kétmillióval kevesebb a lakás, mint kellene – elindítja a kontinens legnagyobb léptékű, de megfizethető házakat kínáló projektjét.

A Mvule Gardens környék mind az ötvenkét majdani épülete additív gyártással készül.

A 14Trees már korábban is printelt Afrikában. Néhány hónapja Malawin nyomtattak egy iskolát, hogy tegyenek valamit a kontinens siralmas oktatásának javításáért. A Mvule Gardens a megfizethető lakhatást zászlajára tűző Big4 program része.

„Izgatottak vagyunk, és örülünk, hogy részt veszünk a világ egyik legnagyobb megfizethető nyomtatott otthonteremtő projektjében” – nyilatkozta Jan Jenisch, a Holcim vezérigazgatója.

A 14Trees a dán COBOD 3DP és építészeti vállalat BOD2 nyomtatóját használja majd. A gép népszerű a területen, Németországban, Dubaiban és az Egyesült Államokban is eredményesen dolgoztak már vele. Akár tíz méter hosszú és tíz méter széles épületelemek is készíthetők rajta.

A BOD2 előnye még, hogy csökkenti a környezeti károkat. Ez más technikákkal összehasonlítva, kb. ötven százalékot jelent.

A projekthez a Holcim által fejlesztett, nagyon masszív TectorPrint nyomtatóanyagot használják.

Az additív gyártás sok más területhez hasonlóan, az olaj- és gáziparban is egyre fontosabb szerepet játszik.

E trendet szemlélteti, hogy az AML3D bejelentette az eddigi legnagyobb hitelesített nyomtatott vezeték-alkatrészt. Az új darab fémből készült, bírja a magas nyomást. A cég saját technikáját, a huzalos additív gyártást (WAM, Wired Additive Manufacturing) használta hozzá.

Ezt a technikát természetesen más területeken, többek között a légjármű-iparban, a honvédelemben, a tengerészetben, a gyártószektorban és a bányászatban szintén alkalmazhatják, és alkalmazzák is.

Az alkatrészt értelemszerűen az iparág rendkívül szigorú biztonsági előírásainak, a legmagasabb minőségű amerikai szabványoknak megfelelve hozták létre.

Nem sokkal korábban az MX3D hasonló technikával, a saját fejlesztésű huzalíves additív gyártással (WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing) készített egy olaj- és gázipari alkatrészt. A cég hibrid megközelítése a környezeti és az emberre veszélyes más biztonsági kockázatok jelentős csökkentését célozza.

A két példa egyértelműen jelzi a 3DP iparágon belüli terjedését, ami leginkább a komplex részek gyors előállítása indokol.

Az AML3D szabadalmi oltalmat nyert WAM technikája kifejezetten nagyméretű fémnyomatok gyártására jó. Kevesebb a megkötés, jobb környezetben és munkakörülmények között dolgozhatnak vele. Az alkatrészt egyetlen darabban printelték, az anyag paraméterei kiválóak, és a vetélytárs – hagyományos – technikáknál szignifikánsan kevesebb idő kellett hozzá.

A biztonság szintén kulcsfontosságú volt a 940 kilós darab elkészítésénél. Szigorú magasnyomású teszteket végeztek rajta, és mindenféle iparági szabvány-feltételnek megfelelt.

A Hackney-ben élő Steve Verze, egy negyvenes éveiben járó mérnök az első személy a világon, aki teljes egészében nyomtatott szemprotézist kapott egy helyi kórházban. Szintén ő az első és egyetlen, aki csak printelt szembeültetéssel rendelkezik.

Ez a szem élethűbb és pontosabb, mint másfajta műszemek. Kivitelezése több brit és európai szervezet közös munkája.

„Nagy izgalommal várjuk a teljesen digitális szemben rejlő potenciált. Négy éve fejlesztjük a kifinomult technológiát, és bizakodunk, hogy a következő klinikai teszt masszívan igazolni fogja az új módszer értékeit, kimutatja, mekkora különbség a páciensek számára. Tényleg jelentős mértékben csökkentheti a várólistákat” – nyilatkozta a projektben részt vevő Mandeep Sagoo, szemspecialista.

Protézisek, implantátumok készítése a 3D nyomtatás egyik legelterjedtebb orvosi alkalmazása. Egyértelműek az előnyei: orvosok így sokkal inkább személyre szabott, tehát jóval kényelmesebben viselhető pótlékokkal dolgozhatnak. Mivel hamarabb készülnek el, mintha hagyományos módszerrel dolgoznának, a pácienseknek kevesebbet kell várakozniuk. A lakosság 0,1 százalékának van szüksége valamilyen szembeültetésre, ami az Egyesült Királyságban hatvan-hetvenezer személyt jelent.

Mivel ötévente cserélni kell őket, és mindegyik egyedi, a 3DP az ideális technika hozzájuk. Ráadásul a nyomatok szebbek is a hagyományos daraboknál, a biológiai minta sokkal élethűbb utánzatai. Míg egy akril szemprotézis hat, addig egy printelt két-három hét alatt készül el, azaz a gyártási idő legalább a felére, de inkább többre csökkenthető.

Szintén óriási előny, hogy a beültetés nem invazív, ami különösen gyerekeknél okozhat komoly gondokat. A kutatók szerint technológiájukkal évente tízezer személyen tudnak segíteni az Egyesült Királyságban.

Maga Verze nagyon elégedett.    

A 3D nyomtatás egyre gyorsabban terjed, alkalmazásai folyamatosan bővülnek az olyan iparágakban, területeken, mint például a légjármű-gyártás, a honvédelem vagy az egészségügy. Ezzel párhuzamosan és törvényszerűen, a világpiac pontosan visszatükrözi az innováció sebességét.

A Verified Market Research piackutató cég a fémnyomtatás piacáról készült elemzésében merész becslésbe bocsátkozott: a globális piac 2028-ra 4458,76 dollár lesz. Jelentős változás, ha figyelembe vesszük, hogy 2020-ban „mindössze” 534,18 millióról beszélhettünk. Ráadásul ez csak egy minimalista becslés, mert a 2028-ig tartó periódusra 30,38 százalék összesített éves növekedési rátát (CAGR) prognosztizálnak.

Az anyag bemutat néhány kiemelkedő szereplőt (3D Systems, EOS, Exone, Stratasys, Voxeljet stb.), piaci mozgásokat (például akvizíciókat), gyors és megfizethető megoldásokkal kecsegtető új rendszereket.

Több szabadalmi jog lejárása, a személyre szabás térhódítása,  a 3DP megjelenése új piacokon, szintén felgyorsítják a fejlődést, amelyet értelemszerűen bizonyos tényezők hátráltatnak. Ilyen a 3D nyomtatók és a nyomtatóanyagok magas ára, fémporos termékek bonyolult, helyenként körülményes megdolgozása stb.

A beszámoló szerzői egyes szegmensekről mélyelemzést készítettek: anyagok (porok, nyomtatószálak), típusok (titán, acél, nikkel, alumínium), végfelhasználók (orvosi és fogorvosi, jármű-, légjármű-, védelmi szektor), földrajz.

Fontos észrevételük még, hogy a világpiaci változások egyik legmeghatározóbb mozgatórugója az anyagok növekvő használata több magas hőmérsékletet igénylő területen (jármű- és légjármű-ipar). Ezekben a szegmensekben nő a vállalategyesülések és az akvizíciók száma, amelyek a jelenleginél is több innovációt eredményeznek.

Hebei megyében elkészült a rurális Kína első nyomtatott háza. Nagyméretű printerekkel, „szkenről szkenre” haladva építették. Mennyezete boltíves, a külső falakat szövésmintákkal díszítették.

A ház tulajdonosa Zhao Xiujuan és a 2022-es téli olimpiai játékoknak, Peking mellett otthont adó Wujiazhuang faluban tekinthető meg. 106 négyzetméter alapterületű, három hálószobából, konyhából és fürdőszobából áll.

Az ötlet gazdája a kínai épületnyomtatás legismertebb alakja, Xu Weiguo professzor (Tsinghua Egyetem). A faluban akarta megvalósítani, az ottaniak viszont szkeptikusan viszonyultak az elképzeléshez, és még szkeptikusabban a kivitelezéshez.

Nem értették, hogyan lehet egy nagy házat nyomtatni, és kételyeik voltak, hogy egyben marad-e. Zhao viszont nem foglalkozott velük. Megkérte a professzort és csapatát, hogy 3D nyomtatótechnológiával építsék újjá a régi házát.

A helyszínen robotkarok dolgozták, helyezték el rétegről rétegre a cementet, lerakva a ház alapjait, majd a falak következtek. A tetőt külön nyomtatták, daru helyezte rjuk.

Két hét alatt elkészült a teljes ház.

Az eszközöket két-két ember kezelte, lényegében megnyomtak egy gombot, mire felépült a ház.

„Döbbenetes” – mondta egy névtelenségét megőrző helyi.

Az elmúlt években Kína a 3D épületnyomtatás élharcosává vált, de a technológiát az ottani légjármű-, autóiparban, hajógyártásban, szállításban és más területeken is alkalmazzák.

A következő szintet a falusi házak jelentik, amely a látványos és sikeres kísérlettel vált valósággá.

A technológiával nem kell az emberi munkaerőre alapozni, és a költségekkel törődni, sőt, a hagyományos házak tervei és építészeti jegyei is megmaradnak, a szabálytalanul kanyargó felületek pedig nagyon komoly látványt nyújtanak, szépséggel töltik meg a cementet.

Kína célja, hogy az additív gyártótechnológiával felpörgesse az innovációt, az intelligens építkezést integrálják az ipari láncba, és friss vért eresszen a megcsontosodott építőiparba.

A L’Oréal 2017-ben jelentette be, hogy mindegyik új termékcsomagjához használnak 3D nyomtatást. Azóta, ha lehet, még nagyobb mértékben aknázzák ki a technológiában rejlő lehetőségeket, több additívgyártás-megoldást integráltak különböző munkafolyamataikba.

A HP nemrég bővítette digitális gyártóhálózatát (DMN), azaz még több szolgáltatást nyújt ügyfeleinek, köztük a francia multinacionális vállalatnak is.

„A fogyasztócentrikus innováció és a fenntartható termékek állnak tevékenységünk központjában. A 3D elegendő vállalkozói szabadságot kínál új felhasználói élmények nyújtásához. Az együttműködésnek köszönhetően egyre mozgékonyabbak az üzemeink, és tovább szeretnénk bővíteni szolgáltatás-kínálatunkat is” – magyarázza Anne Debauge, a L’Oréal digitális átalakulásért felelős vezetője.

A jövőre nézve szintén bíztató, hogy a HP bővíteni akarja tömegtermelési lehetőségeit. Ennek egyik pillére a kereskedelmi forgalomba a tervek szerint 2022-ben kerülő Metal Jet 3DP platform.

„A 3D nyomtatással a személyre szabás, az üzleti megbízhatóság, a fenntarthatóság és a piaci diszrupció új szintjeit érhetjük el” – nyilatkozta Didier Deltort, a HP egyik vezetője.

A két cég nemrég mutatta be közös tevékenységük legújabb eredményeit, luxuskozmetikai termékeket, amelyek a HP nyomtatótechnológiája nélkül nyilván máshogy néznének ki. A prototípuskészítéstől a nagyobb léptékű gyártásig sok területen dolgoztak és dolgoznak együtt.

A L’Oréal munkája hatékonyabbá vált, a termékelőállítási költségek harminchárom, a rájuk fordított idő pedig hatvanhat százalékkal csökkent. A termékek méretezhetősége különösen fontos, amire ráadásul egyre nagyobb az igény is.

A pandémia bebizonyította, hogy a 3DP mennyire fontos az akadozva működő ellátási lánc korrigálásában. A kozmetikában ugyanez történt, a L’Oréal munkájának folyamatosságát nagy részben ez a technológia garantálja – amelyet a HP biztosít számára.

A fémnyomtatás egyik meghatározó szereplője, a német EOS bejelentette legújabb alumíniumötvözetét, az Al2139 AM-et. Az ötvözet a cég eddigi legerősebb alumíniumalapú nyomtatóanyaga, ami izgalmas alkalmazásokat vetít előre. Elsősorban autó- és a légjárműipari hasznosulásokra számíthatunk.

Az alumínium régóta fontos az additív gyártásban, sokan foglalkoznak vele, érdeklődnek iránta. Egyre több szektorban használják, de az autó- és légjármű-ipar a legfontosabbak.

Az anyag népszerűségének okai egyértelműek: könnyű, de erős, vegyileg jól kezelhető és magas az ellenállóképessége. Nem véletlen, hogy az Egyesült Államok légi erejétől kezdve a Boeingig, a Mercedes-Benzig, vagy az Airbusig, iparágakat meghatározó vállalatok élnek a nyomtatható alumínium adta lehetőségekkel.

Az EOS új ötvözetével kapcsolatban különösen érdekes, hogy speciálisan az additív gyártásban való felhasználásra fejlesztették, ráadásul a vállalat többi AM alumíniumötvözetével összehasonlítva, nemcsak a legerősebb, hanem náluk is és a piacon beszerezhető hasonló anyagoknál is jobban teljesít.

Egyik fontos tulajdonsága, hogy magas hőmérsékleten, egészen 200 fokig kiválóan kezelhető, és az erő-tömeg aránya, vagy a szakítószilárdsága is nagyon jó.

Utóbbi ennél az alumíniumötvözetnél a legmagasabb, amely sok szektor (repülés, szállítás, versenyautók, űripar stb.) számára abszolút kritikus előnynek számít.

A porformájú anyag az EOS által fémjelzett közvetlen lézeres fémszinterezéssel (DMLS), egy porágyas fúziós eljárással kompatibilis. A hőkezelés annyira kiváló, hogy az erre fordított idő 88 százaléka megspórolható, ami nem minden lézeres porágy-fúziónál egyértelmű.

Az ETH Zürich és a szingapúri Nanyang Műszaki Egyetem (NTU) kutatói nano mérettartományú fémrészek 3D nyomtatására alkalmas technikát dolgoztak ki.

Az elektrokémiai megközelítésen alapuló eljárással akár 25 nanométer átmérőjű réztárgyak is előállíthatók. Összehasonlításként: egy átlagos emberi hajszál kb. háromezerszer szélesebb.

Az új technikát elvileg több területen, például a mikroelektronikában, a szenzortechnológiában és az elemfejlesztésnél alkalmazhatják. Lényege, hogy fémionokat rakunk le negatív töltésű anyagra, hogy apró fémtárgyakat hozzon létre.

Azaz, a pozitív töltésű rézionokat negatív töltésű nyomtatási felületre tesszük egy csövecskén. A kutatók mindössze 1,6 nanométer széles fúvókát használtak, amelyen egyszerre maximum két rézion megy át. Ezt és más elektromechanikus paramétereket kihasználva, lehetővé vált a nyomtatott szerkezetek átmérőjének szabályozása. A legkisebb réztárgy mindössze 25 nanométer széles volt, és 195 atomból állt.

Az ismert poralapú 3D fémnyomtatókkal csak a mikronszintű felbontást tudjuk elérni. Ez a felbontás többezerszer kevesebb, mint a zürichi és a szingapúri kutatók réznyomatainak a felbontása.

„Az általunk használt technika mindkét világ, a fémnyomtatás és a nanoszintű pontosság összekombinálása” – magyarázza a kutatást vezető Dmitry Momotenko (ETH Zürich).

Kiderült, hogy az eljárással többféle tárgytípus készíthető: függőleges és vízszintes szerkezetek, lejtős és spirális objektumok.

Az eredmények hatékonyabb energiatároló eszközöket, mikroelektronikai termékeket, vegyipari gyártáshoz használt printelt katalizátorokat vetítenek előre. A kutatók jelenleg a mostaniaknál kompaktabb lítium-ion elemek nyomtatásával foglalkoznak. Az elektródákon nagyobbak a felületek, kisebb a köztük lévő távolság. Ezekkel a változtatásokkal fel lehet gyorsítani a töltési folyamatot.