FREEDEE BLOG

2D-s anyagok úgy programozhatók, hogy 3D-s formákká alakuljanak át. A felfedezés komoly hatással van és még inkább lesz a jövőben a puha robotikára, telepíthető rendszerek fejlesztésére és az élővilág mintázatait utánzó (biomimetikus) gyártásra.

A 3DP világában is új paradigmaként jelent meg.

Az így lehetővé vált technológiák egyike az Arlingtoni Texasi Egyetem fejlesztése: szintetikus 2D anyagokat alkottak, amelyek képesek komplex 3D-s alakzatokká átalakulni. Tudják az élő szervezeteknek azt a tulajdonságát utánozni, amelynek hatására a puha szövetek kitágulnak és összehúzódnak. Ennek következtében, 2D anyagok komplex 3D-s funkciókat és mozgásokat valósítanak meg.

A 2D anyagok vékony lapocskák, amelyek teljes egészükben a felületükből állnak, gyakran egyetlen atomnyi vastagok. Erősen rugalmasak és porózusak, ugyanakkor kemények, erősek is. Egyikük, a sok technológia Szent Gráljaként emlegetett grafén a legvékonyabb ismert 2D-s matéria. Mindent elárul róla, hogy vékonynak ugyan döbbenetesen vékony, viszont az acélnál is erősebb.

A fejlesztés részben az egyetemen néhány éve kikísérletezett 4D nyomtatási módszeren, digitális fényvetítéses litográfián alapult. Abból indultak ki, hogy biológiai rendszerekben többféle 3D formájú 2D-s anyag fordul elő, változatos funkciókkal. Az elő organizmusok komplex 3D alakjukat és funkcióikat gyakran puha szöveteik térbeli tágulásával és összehúzódásával érik el.

A kutatókat pontosan ezek a folyamatok inspirálták módszerük kidolgozására, 2D-s anyagok programozására. 2D nyomtatóeljárásukkal szimultán printelhetők olyan 2D matériák, amelyekbe egyedi terveket programoztak, és azok alapján, a felhasználó kívánsága szerint alakulnak át 3D szerkezetekké.

A technika több szempontból is előnyös: méretezhető, egyedire alakítható, telepíthető, meglévő 3DP módszerekkel kompatibilis, kiegészítik egymást.

Eljárásukkal – és egy desktop 3D szkennerrel – sikeres nyomatokat készítettek, köztük egy autómodellt is. Az úttörő technológiában sok potenciális alkalmazás rejlik.

A Természetvédelmi Világalap (WWF) szerint a Földön több mint 1,1 milliárd ember nem jut vízhez, és közel 3 milliárd valamilyen szinten átéli a klímakatasztrófa által felgyorsuló vízhiányt.

A GE Research eldöntötte, hogy valamilyen szinten igyekszik megoldást találni a problémára, és több amerikai egyetemmel a levegőt az életet fenntartó folyadékká átalakító, hordozható eszközt nyomtatnak.

Az AIR2WATER kezdeményezést az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának Fejlett Védelmi Kutatási Projektek Ügynöksége, ismertebb nevén a DARPA támogatja. Az ügynökség Légköri Vízkinyerés programjának szerves részét képező négyéves kutatásfejlesztéshez 14,3 millió dollárral járnak hozzá.

Mivel DARPA, és katonai projektről van szó, az eszközt először a hadsereg használhatja, de aztán nyilvánvalón máshol is elterjed, ahol szükség van rá. Elég kompakt és könnyű lesz ahhoz, hogy négy ember elbírja, ugyanakkor 150-nek tud majd elegendő napi vizet „termelni.”

Háborús zónákban nehéz és problémás a vízszállítás. Logisztikailag és árban egyaránt költséges, emberéletekbe kerülhet. A koncepcióhoz kapcsolódik, hogy a kockázat csökkentéséért, célszerűbb kicsi elosztott rendszerekben gondolkozni.

„Ezért van szükség a légkörből vizet kinyerő eszközre, amivel könnyítünk a logisztikán, a kiadásokon, és életeket mentünk meg” – állítja David Moore, a GE egyik szakembere.

Innovatív technikákat – szorbens (folyadékokat felszívató) anyagokat, hőtani folyamatokat és 3D nyomtatást – kombinálnak össze: szorbens anyagok szívják fel a levegőt, speciális printelt szerkezet viszi rá a hőt, amire az vízzé válik.

A fejlesztéshez mesterséges intelligenciát is fognak használni, MI vizsgálja majd a molekulákat. Az egyetemek egy-egy területtel foglalkoznak, az egészet a GE fogja át.

A New York Egyetem orvosi központja, a NYU Langone sebészei, a Materialise mérnökeinek segítségével múlt héten egy súlyos autóbalesetet szenvedett 22 éves betegen hajtották végre a világ első dupla kéz- és arcátültetését. A siker nagymértékben a 3D nyomtatótechnológiáknak, az általuk garantált személyre szabható megoldásoknak köszönhető.

A 3DP egyik úttörője, a belga Materialise technikái biztosították a komplex műtét gyors és pontos kivitelezését. Az átültetésektől a beteg életfunkcióinak, kinézetének és életminőségének jelentős javulását várják.

A csapatnak ugyan 14 hónapja volt az előkészületekre, viszont mihelyst találtak egy jó donort, 24 órán belül kellett lépniük. A Materialise szakemberei a páciens CT-szkenjei alapján készítették el az anatómiát, csontstruktúrát pontosan, részletesen visszaadó egyedi 3D modellt, amellyel a sebészek és a klinikai személyzet már tervezhetett, potenciális forgatókönyveket dolgozhatott ki.

Ezek után tudtak dönteni az operáció lebonyolítási módjáról, és találhattak ki pontos sebészi tervet. 3D modellezés nélkül képtelenek lettek volna rá.

A képalapú tervezés és az orvosi 3D nyomtatás a NYU Langone tudósai szerint forradalmasítja a mindig az adott egyénre kidolgozott egészségügyi beavatkozásokat, ráadásul ennyire precíz előkészületek mellett az operációt végző szakemberek is magabiztosabbak. Vezető kórházak pont ezért alkalmazzák előszeretettel a 3D megoldásokat, és mert így előrejelezhetőbb az egész műtét.

A technológia az orvosi implantátumok kiválasztásakor, optimális anatómiai elhelyezésük eldöntésénél szintén felbecsülhetetlen segítséget nyújt.

Mihelyst kész volt a sebészi terv, a Materialise kinyomtatta a műtéthez használt anatómiai modelleket és egyes műszereket is. Az egyiket csontrészek betegspecifikus pozícionálásához és rögzítéséhez használták. Az új technikai eszközök nyújtotta precizitással jelentősen lerövidítették a műtétet, amely így sokkal hamarabb véget ért, mintha hagyományosabb megoldásokat választanak volna.

Három ország, az Egyesült Államok, Brazília és Argentína uralja a világ szójabab-piacának közel 80 százalékát. Hárman együtt több mint 215 millió tonnát termesztenek évente.

A szójababot változatos termékekké dolgozzák fel, feldolgozás közben viszont elkerülhetetlenül vész kárba belőle, csak az USA-ban évi kb. 8 milliónyi növény kerül a szemétbe.

Kentucky szövetségi állam fővárosa, Louisville egyetemének Újrahasznosítható Energia Kutatási Központja és a Gépészmérnöki Kar kutatói közös projekten dolgozva, jelentették be, hogy szójababhéjat működő 3D nyomtatóanyaggá alakítottak át. Kezdeményezésüket 350 ezer dollárral az Egyesült Szójabab Testület is támogatta.

A szójafeldolgozásnál keletkezett hulladékból sikerült kinyerniük a természetes rostokat, amelyekből printelésre alkalmas kompozitot fejlesztettek. A biomasszát első körben alacsony kalóriatartalmú, cukorbetegek által fogyasztható cukorrá, xilózzá alakították, majd a nyomtatóanyag alapját adó, a kezdeti biomassza 80 százalékát kitevő természetes rostok következtek.

A jövőben több iparág használhatja az anyagot. Az újrahasznosítással a 3D nyomtatás világában egyébként is kedvelt körkörös gazdaság koncepcióját népszerűsítik tovább. Mivel egyre több cég keres fenntartható munkamegoldásokat, és igyekszik csökkenteni a hulladékot, pozitívan viszonyulnak az összes életképes ezirányú megoldáshoz.

Magáról a 3D nyomtatásról köztudott, hogy környezetbarátabb, kevesebb hulladékot generál, mint a klasszikus gyártótechnológiák.

A szójabab-rostok elvileg helyettesíthetik az additív gyártásban gyakran használt szenet és üveget. Ha sikerül, egyrészt csökkenthetik a nyomatok tömegét, másrészt erősebbek lesznek a printelt tárgyak. A kutatók ezért bizakodnak, hogy a növényi hulladékból nagyobb léptékű gyártásra is elegendő rostot képesek lesznek kinyerni, amelyet hatékonyan kombinálnak össze polimerrel, és máris jöhetnek a nyomtatószálak (filament).

Az 1995-ben alapított ExOne a binder jetting 3D nyomtatótechnológia úttörője és vezető világpiaci szereplője. Az idő- és költséghatékonyság elveinek megfelelően működő printereik a nyomtatóanyagokat (fémeket, kerámiákat, kompozitokat, homokot) gyorsan precíziós részekké, fémöntőformákká, innovatív szerszámkészítő megoldások alapjaivá alakítják. Gépeik mellett anyagokat és szolgáltatásokat is kínálnak.

A cég újabb anyaggal bővíti portfolióját, rendszereiken 23 anyaggal printelhetnek már. Az újdonság igazi különlegesség.

2019-ben kutatásfejlesztési licencet kaptak kerámia-fémkombinációjú nyomatok tervezésére. A licencet azóta kereskedelmi használatra is kiterjesztették, így innovációikból az additív gyártószektor más szereplői szintén profitálhatnak majd.

A por megkötésén nyugvó binder jetting specialistája az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumához tartozó legnagyobb energetikai laborral, az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriummal (ORNL) együttműködve dolgozik a kerámia-fém kombinált megoldáson. Módszerüket már beadták az USA szabadalmi hivatalába. Lehetővé teszi, hogy a nyomatba a megmunkálás/kezelés során jussanak be anyagok.

Technikájukkal bórkarbid szívódik alumíniumötvözetekbe. A gyémánt és a bórnitrid után a bórkarbid a piacon beszerezhető harmadik legkeményebb matéria.

A projektben résztvevő ORNL kutatócsoportot vezető David C. Anderson elmondta, hogy sikerrel jártak el a neutronok elnyeléséről és egyszerre masszív és könnyű súlyáról ismert kerámiából, a bórkarbidból álló nyomatokkal, amelyeket alumíniummal kevertek. Kerámiával megerősített fémmátrix (alumínium) kompozit lett a végeredmény.

Mit várhatunk a fejlesztéstől?

Például könnyű és masszív, neutronokat elnyelő nyomatokat; az anyag képalkotó, árnyékoló berendezések, komponensek gyártásánál lehet hasznos. „Zöld” szempontból is fontos innovációról van szó, mert a bórkarbid embereket és a környezetet egyaránt megvédheti káros sugárzásoktól.

Az additív gyártásban (prototípuskészítés, javítás, gyártás, pótalkatrészek készítése) is egyre magasabban jegyzett Siemens a lézeres porágy-fúzió (L-PBF) 3D nyomtatótechnológián alapuló különleges hibridmegoldást (HybridTech) talált ki turbinalapátok korszerűsítésére. Az eljárással a rendszer kritikus részeiben a lapátfejek meghibásodása nélkül telepíthetők hűtőszerkezetek.

A fémporos fúziós módszerek bevett gyakorlatnak számítanak a javításban és korszerűsítésben, meglévő fémrészek porágyas fúzióval történő módosítása viszont sokkal összetettebb. A lézerfejnek nagyon pontosan kell „ismernie” az összes megmunkálandó részt.

A Siemens Energy sikeresen abszolválta a feladatot, az L-PBF-nek köszönhetően, nagyon jó minőségű és nagyfelbontású szerkezeteket printelt. Az új terv eredményeként, a kritikus részek hatékonyabban hűthetők, amellyel megelőzhető az anyagveszteség.

Egy SGT5-4000F gázturbina egyetlen lapátja kb. annyi energiát alakít át, mint tíz Porsche 911. Ehhez a művelethez magas hőmérsékletre van szükség, amellyel nő a meghibásodások száma, alkatrészek deformálódnak, romlik a turbina teljesítménye.

A működésben lévő turbinalapátok egyedi formájúak, ami külön kihívást jelent, és egyben remek lehetőség a 3D nyomtatás alkalmazására. A 3D szkennelés és egy saját fejlesztésű algoritmus összekombinálásával, a lapátok formáját parametrikusan módosító digitális javítóláncot alakítottak ki. A mérnököknek arra is ügyelniük kellett, hogy a lézeres porágy-fúziót az oxidációnak nagyon ellenálló anyagra kellett kidolgozniuk.

Az első lapátsorral már elkészültek, és folyamatban van a szabványos javítási folyamat átállítása az újra. A jövőben a technológiát más alkatrészekre is tervezik alkalmazni, sőt új komponensek tervén is jócskán lehet majd javítani vele.

A HP két felmérést is készített az utóbbi hónapokban a 3D nyomtatás trendjeiről, alkalmazásairól. Főként a digitális gyártótechnológiák hatásaival, vállalati használatával foglalkoztak. A helyzet egyértelmű: a megkérdezettek 85 százaléka a növekedés egyik motorját látja bennük, és cégeik növelni fogják ezirányú befektetéseiket.

Gyorsítják az innovációt, csökkentik a gyártási költségeket, lehetővé teszik termékek tömeges egyedire alakítását. A 3DP megváltoztatja tárgyak tervezési, prototípuskészítési, gyártási és fogyasztási módját. Széleskörű elterjedésének vannak akadályai is, a legfőbb probléma a képzett munkaerő hiánya – ez hátráltatja a még több befektetést.

A megkérdezettek 64 százaléka újabb profi képzéseket javasol, 53 százalékuk vállalatok, kormányok, szervezetek és egyének összefogását, közös oktatási és a készségeket növelő programokba történő beruházást szeretne.

A technológia környezeti előnyeit szinte mindenki kiemelte, a megkérdezettek 90 százalékának kitüntetetten fontos szempont a nyomtatóanyagok és printelt darabok újrahasznosíthatósága, 88 százalékuk szerint a kormányoknak a társadalmilag és környezetileg egyaránt előnyös digitális gyártótechnológiák teljes támogatásával, fenntartható ökoszisztémákat kellene létrehozniuk.

Háromnegyedük szerint a 3DP növeli a gyorsaságukat, a személyre szabott gyártást, és raktározásra sincs többé szükség. 3D modelleken könnyebb módosítani, több iterációval jutunk el az egyedibb végtermékig. Ilyenek például az új sebészi modellek, nem véletlenül érdeklődnek egyre többen irántuk, a következő öt évben szignifikáns piaci növekedés várható.

A koronavírus-járvánnyal egyértelművé vált, hogy a beszállítói láncok mennyire ingatag lábakon állnak, illetve mennyire korlátozottak a mostani termelési módszerek. Az additív gyártás mindkét esetben megoldás: decentralizált modellt kínál, a lokális és a kívánság szerinti (on-demand) termék-előállítást részesíti előnyben.

A pandémia alatt elsők között a 3DP szektor reagált a gyors szükségletekre. Orvosi szerkezetek és segédeszközök előállításában vettek részt printerek, és ez cseppet sem véletlen: a következő öt esztendőben három iparágtól várják az additív gyártás legtöbb innovációját, amelyek közül az egészségügy az egyik, a gyártó- és a járműkészítő-szektor a másik kettő.

Ha a pandémia miatti helyzet engedi, és remélhetőleg akkor már engedni fogja, 2021 decemberében megnyitja kapuit a világ első (részben) 3D nyomtatással készült iskolája.

Az ilyen újdonságok hallatán, rögtön elkezdünk találgatni, hogy hol. Egyesült Államok? Kína? Valamelyik uniós ország? Dubai? Esetleg Szingapúr? Vagy Tajvan?

Egyik sem találna, és magunktól aligha jönnénk rá, mert az új építménynek a földkerekség egyik legszegényebb és kifejezetten low-tech országa, Madagaszkár ad majd otthont.

Az ötlet a coloradói Maggie Grouté, aki mindössze tizenöt éves volt a Thinking Huts startup alapításakor. Hat év telt el azóta, és most, partnereivel, a finnországi Hyperion Robotics-szal és a nemzetközi (San Francisco, Lisszabon, Párizs székhelyű) építészeti Studio Mortazavival a szó szoros és elvont értelmében is iskolateremtő projektbe vágott. Egyrészt az oktatást akarják hozzáférhetőbbé tenni – ami szegény országokban egyáltalán nem egyértelmű –, másrészt 3D nyomtatással kívánják ezt elérni.

A koronavírus-járvánnyal világszerte súlyosbodott az oktatás helyzete. Összesen kb. 1,2 milliárd gyereknek változott meg az élete, de mintegy 260 millióan semmiféle oktatáshoz nem férnek hozzá. A szituáció Madagaszkáron rosszabb, mint szinte bárhol másutt.

A Thinking Huts célja iskolák nyomtatása, az indiai-óceáni szigeten sem egyet terveznek. Ugyanakkor a környezet, a szükséglet, a relatíve stabil politikai helyzet, a lassan, de fejlődő gazdaság és a helyi megújuló energiákban rejlő potenciál miatt a helyszín tökéletesen passzol az elképzelésekhez, az első 3D nyomtatott iskolához.

A méhkaptár-formájú épületet extrudálás-alapú printerrel készítik. Egyes részeit, például a tetőt, ajtókat, ablakokat stb. hagyományos megoldással, és mindet ottani anyagokból. A Thinking Huts le is szerződött helyiekkel, megtanítják nekik a gépek használatát, hogy későbbiekben maguk is printelhessenek – például további iskolákat. A méhkaptár-szerkezet pedig azért jó választás, mert bármikor bővíthető tovább.
Miért 3D nyomtatás?

Mert kevesebb beton kell hozzá, rövidebb ideig tart, az általuk használt keverék bírja a környezeti hatásokat, és kisebb a széndioxid-kibocsátás is, mintha sima betonnal dolgoznának – magyarázza Grouté.

A GE 2020. negyedik negyedévében 16 százalékkal kevesebb bevételt, 21,9 milliárd dollárt könyvelt el, mint 2019 azonos periódusában (26,2 milliárd). A gyengélkedésre a Covid-19, és a világjárvány miatt jelentősen, 8,9 milliárdról 5,8-ra visszaeső legdurvábban sújtott részleg, a légiközlekedés az elsődleges magyarázat.

Mindezek ellenére, a cég tőzsdei részvényei emelkednek, kedden például 3 százalékos volt a növekedés, azaz a befektetők bizalma töretlen, és valószínűnek tartják, hogy 2020 csak átmeneti rossz év volt.

„Csapatunk jól ellenállt, lendületben vagyunk. Vezető pozícióban igyekszünk megragadni az energetika átmenetében, a precíziós egészségügyben és a repülés jövőjében lévő lehetőségeket” – nyilatkozta Lawrence Culp Jr. vezérigazgató.

A GE ugyan külön nem részletezi az additív gyártás, a GE Additive pénzmozgásait, de figyelembe véve a kapcsolódó területeket, fel lehet becsülni a 3D nyomtatással generált bevételeket: az öt kulcsrészleg (energia, megújuló energia, repülés, egészségügy, pénzügy) közül a 3DP a légiközlekedési ágazatban játszik legfontosabb szerepet. A kutatásfejlesztésben 2020-ban kiváló eredményeket elért részlegnél 27 Arcam 3D printerrel dolgoznak a GE9X motor alkatrészein. 300-nál több nyomtatott alkatrészre kaptak szövetségi engedélyt, amelyeket sikeresen teszteltek egy Boeing 777X utasszállító repülőgépen.

A részleg megrendelései viszont 41, motoreladásai 21 százalékkal csökkentek. A kiadásokból 877 millió dollárt írtak le, amit ugyan szintén nem részleteztek, de valószínűleg az Arcam és a Concept Laser felvásárlásáról van szó. A GE Additive Concept Laser M2 rendszerén titánrészeket készítettek, az Indiana Gazdasági Társulással (IEDC) pedig a binder jetting alapú H2 rendszert fejlesztették tovább. Ezekről a k+f tevékenységekről nem készültek külön pénzügyi beszámolók.  

A vezérigazgató a légiközlekedési iparágra nehezedő nyomásról, a rövidtávú bizonytalanságról is beszélt. 2021-ben a felsorolt okok miatt a légiközlekedés kivételével, összességében visszafogott, egyszámjegyű növekedést várnak. Márciusban bővebben beszámolnak az idei stratégiáról. Egyelőre annyit árultak el róla, hogy a megújuló energia és az egészségügyi szektor lesznek a növekedés motorjai.

Az építőiparban többen próbálkoznak 3D betonnyomtatással. Olcsóbb, gyorsabb és kevesebb hulladékkal jár, mint a hagyományos technikák. A folyamat optimalizálása, új anyagkombinációk, innovatív nyomtatótechnikák kidolgozása kutatási projektek kedvelt tárgyai.

Sok más technológiai szektorhoz hasonlóan, Kína ezen a területen is a világelsők között van, a távol-keleti országban számos látványos építészeti projektet kiviteleztek.

Legutoljára a Tsinghua Egyetem Építészeti Iskolája dolgozott ki 3D betonnyomtatással egy könyvesboltot. Eddig ilyet még nem printeltek, most már van a sanghaji Bölcsesség Öböl Innovációs Parkban. Három hét alatt húzták fel a helyszínen, és a hónap végén nyit.

A környéken nem ez az első nyomtatott épület, az additív gyártótechnológiát már többször alkalmazták. 2019-ben 26,3 méter hosszú és 3,6 méter széles betonhidat építettek a helyszínen. A kivitelező szintén a Tsinghua Egyetem volt, a munkát 450 óra alatt végezték el.

Maga a park a metropolisz első ilyen jellegű népszerű intézménye egy korábbi textilgyár helyén épült.

Az intézmény 300-nál több, a földkerekség különböző pontjairól származó cégnek ad otthont. A legváltozatosabb technológiákkal, 3D nyomtatás mellett például intelligens mikrogyártással, virtuális (VR) és kiterjesztett valósággal (AR), mesterséges intelligenciával és robotikával is foglalkoznak, rengeteg projekt fut ezekben a témákban.

A Bölcsesség Öböl ad otthont a világ első és eddig egyetlen 3D nyomtatás múzeumának is.

A könyvesbolthoz szálakkal megerősített betont használtak. Az anyaggal a föld- és talajmozgások, például földrengés ellen biztosítanak nagyobb védelmet. A nyomtatás három szakaszban történt. A külső főfallal kezdték, a tetőt és a főfal maradékát külön printelték. Az épület 30 négyzetméteres padlóját szükség esetén földalatti fűtőrendszer melegíti, a könyvesboltban összesen 15 személy tartózkodhat egyszerre.

Nyitás előtt díszítőmunkákat végeznek még az épületen.