Auteur: Karl D’haveloose

Het is kort door de bocht, maar de consensus is dat we voor multi-materialen AM echt nog niet aan de nieuwe patatjes zijn. Wat zijn de uitdagingen en toepassingen voor deze opkomende technologie in additive manufacturing? We inspireren ons op het interview met Ramsey Stevens, CEO van Nano3Dprint, in het magazine ‘Machine Design’.

Opkomende technologieën zijn ontwikkelingen, die de manier waarop we werken en leven kunnen veranderen. Additief maken en 3D-printen behoren tot de opkomende technologieën op het gebied van machineontwerp. Om nog een stap verder te gaan, multi-materiaal 3D-printen is een opkomende technologie binnen de additieve productie.

Multi material additive manufacturing zit in de voorhoede van innovatie met markten, zoals wearables, sensoren, batterijen en zonnecellen, die profiteren van de technologie. 3D-printen is niet langer beperkt tot het maken van statische of passieve objecten: het kan ook leiden tot elektronica met dynamische of actieve eigenschappen, zoals onder andere geleidbaarheid en magnetisme. Dit opent mogelijkheden voor productietoepassingen in bijvoorbeeld slim textiel, biomedische apparaten en de auto-industrie.

Groeiende vraag uit de elektronica bevestigt het belang van de these

Ramsey Stevens ziet deze groeiende vraag zich voor zijn eigen ogen ontwikkelen en test 3D-printers waar in dezelfde print ook geleidende circuits worden meegeprint, als antwoord op dergelijke innovatieve productiebehoeften.

We pikken de relevantste statements uit het interview, waardoor we een beeld krijgen van hoe het idee tot een echte business case kan groeien. Laten we starten met wat multi-materiaal 3D-printen kan zijn en wat in essentie het verschil met alle andere 3D-printprocessen vormt.

Volgens Ramsey Stevens heeft multi-materiaalprinten heeft niks te maken met de trend om te drukken met verschillende kleurfilamenten en lagen. Het gaat hier wel degelijk over het gebruik van diverse materialen met verschillende karakteristieken. In plaats daarvan wordt materiaaldiversiteit geïntroduceerd door functionele inkten en pasta's in het ontwerp op te nemen, die dynamische eigenschappen bezitten, zoals geleidbaarheid, magnetisme, sensormogelijkheden en gevoeligheid voor externe prikkels.

Nieuwe multi-materiaal 3D-printers kunnen printen met zowel viskeuze inkten die verschillende legeringen bevatten, zoals metaal- en oxidedeeltjes, polymeren, hydrogels en functionele elastomeren. Door traditionele thermogevormde kunststoffen te combineren met deze functionele inkten en pasta's kunnen gebruikers apparaten aanpassen met een samenstelling, een structuur, eigenschappen en functionaliteit, die passen bij hun behoeften. In tegenstelling tot traditioneel 3D-printen, dat meestal beperkt blijft tot één materiaal, maakt deze aanpak een veel ruimer scala aan producten mogelijk.

Een voorbeeld hiervan is het 3D-printen van bedrading met geleidende pasta's of inkten rechtstreeks in een 3D-geprint kunststof onderdeel, waarbij interconnecties kunnen worden ingebed in het structurele onderdeel van het ontwerp, zoals de kop van een robot of het lichaam van een drone. Het 3D-printen van draden in geavanceerde toepassingen en geprinte elektronica bespaart tijd en geld en levert compacte conforme ontwerpen op. Het stelt gebruikers in staat om naadloos printplaten, verwarmingselementen en circuits te integreren in grotere prints.

De voordelen van multi-materiaal 3D-printen voor fabrikanten, onderzoekers en ontwerpers

“Multi-materiaal 3D-printen stelt fabrikanten in staat om functionele materialen te integreren in alledaagse apparaten, wat leidt tot de creatie van aangepaste apparaten, zoals wearables, sensoren, batterijen en zonnecellen. Deze techniek kan gebeuren binnen een context van ruimte- en ontwerpbeperkingen, wat innovatie, onderzoek en ontwikkeling versnelt en tegelijkertijd de kosten verlaagt. Onderzoekers profiteren tevens van de veelzijdigheid van multi-materiaal 3D-printen door nieuwe materiaalcombinaties te verkennen en complexe apparaten te maken met geprogrammeerde functionaliteit. Het versnelt prototyping en innovatie, waardoor het gemakkelijker wordt om nieuwe oplossingen op verschillende gebieden te ontwikkelen”, legt Ramsey Stevens uit.

Voor ontwerpers biedt multi-materiaal 3D-printen een ongeëvenaarde ontwerpflexibiliteit. Het maakt de realisatie mogelijk van ingewikkelde, conforme en geïntegreerde ontwerpen, die voorheen moeilijk te vervaardigen waren. Deze technologie bevordert innovatie door het wegnemen van traditionele productiebeperkingen (denk aan vertragingen in de toeleveringsketen, hoge productiebatches, enz.).

Impact van multi-materialen printen op productdesign

“Met de toepassing van multi-materiaal 3D- printen kunnen fabrikanten functionele materialen direct integreren in gewone apparaten. Deze op maat gemaakte producten, zoals wearables, sensoren, batterijen en zonnecellen, kunnen ingebedde circuits bevatten en zich tegelijkertijd aanpassen aan specifieke ruimtebeperkingen en ontwerpvoorkeuren. Dit kan het proces van prototyping, innovatie en onderzoek versnellen en nieuwe toepassingen en creatieve mogelijkheden verkennen. Bovendien is multi-materiaal additive manufacturing klaar om de creatie van kleinere objecten, ingewikkelde geometrieën en meer conforme kenmerken te vergemakkelijken”, oordeelt Ramsey Stevens.

Volgens Ramsey Stevens is een ander voordeel van 3D-printen met functionele materialen het feit dat men elektronica kan produceren tegen lage kosten en met een minimale impact op het milieu. Vergeleken met traditionele methodes om elektronica te maken, kan 3D-printen met geleidende pasta de hoeveelheid materiaalafval en energieverbruik verminderen. Het kan gebruikers ook in staat stellen om elektronica op aanvraag te ontwerpen en te vervaardigen, zonder dat er dure en gespecialiseerde apparatuur of faciliteiten vereist zijn.

Wat zijn de uitdagingen van multimateriaal 3D printen en hoe overwin je ze?

“Additive manufacturing is een snel evoluerende industrie met regelmatig nieuwe toepassingen. Hoewel 3D-printen met meerdere materialen enorm veelbelovend is, zijn er enkele obstakels, zoals het garanderen van materiaalcompatibiliteit, het verbeteren van de toegankelijkheid, de betrouwbaarheid van de printer en het inschatten van de vereisten voor nabewerking”, aldus Ramsey Stevens.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, verdiepen volgens Stevens ingenieurs en onderzoekers zich nu actief in de ontwikkeling van materialen. Bovendien onderzoeken ze voortdurend de ontwikkeling van nieuwe materialen, die naadloos samenwerken met multi-materiaal productiemethodes. De opkomst van nieuwe, commercieel verkrijgbare multi-materiaal printers versnellen de toepassing van deze technologie en versnellen innovatie.

Opportuniteiten in de markten voor gezondheidszorg, auto-industrie en consumententechnologie

In de gezondheidszorg blinkt het printen van meerdere materialen uit in het maken van patiëntspecifieke anatomische modellen, met elektronica uitgeruste implantaten en prothesen, precisiesensoren en systemen voor het toedienen van medicijnen. Geïntegreerde sensoren in gips en braces maken bijvoorbeeld continue patiëntbewaking mogelijk, terwijl de directe plaatsing van sensoren op levend weefsel realtime gegevens oplevert voor beslissingen over behandelingen. Dit bevordert de gepersonaliseerde geneeskunde en draagt bij tot aanzienlijke kostenbesparingen in de gezondheidszorg.

In de automobielsector kan multi-materiaal 3D-printen de veiligheid en brandstofefficiëntie van voertuigen verbeteren. Dit type additieve productie kan elektronica maken met hoge prestaties en duurzaamheid in een plaatsbesparend eindproduct. Het maken van lichtgewicht, maar robuuste componenten met sensoren stroomlijnt toeleveringsketens, verlaagt kosten en minimaliseert afval in de auto-industrie.

In de consumententechnologie geeft multi-materiaal 3D-printen ontwerpers bovendien de creatieve vrijheid om op maat gemaakte wearables, sensoren en energieopslagapparaten te ontwikkelen. Multi-materiaal 3D printen is voordeliger voor kleine bedrijven in consumententechnologie, omdat het kleinere productievolumes rendabel maakt. Het helpt ontwerpers om hun mogelijkheden uit te breiden en stelt hen in staat om voorop te blijven lopen.

Een revolutie in alle niveaus van de waardeketen

“Het potentieel van 3D-printen van functionele materialen is enorm. Het zou een revolutie teweeg kunnen brengen in zowel engineering, wetenschap als productie, door de creatie van nieuwe en innovatieve elektronica met ongekende eigenschappen en nieuwe functionaliteiten mogelijk te maken. Daarnaast is de ontwikkeling van functionele inkten de afgelopen jaren exponentieel geëvolueerd. Nieuwe inktformuleringen en nieuw toegankelijke, commercieel verkrijgbare multi-materialen 3D-printers versnellen de innovatie. Nu multi-materiaal printen structurele, functionele, elektronische en zelfs biologische elementen combineert, zou je kunnen zeggen dat we nu al bijna alles kunnen printen”, concludeert Ramsey Stevens.

We lezen dus tussen de regels dat we technologisch bijna aan de nieuwe patatjes zijn, maar dat er voorlopig nog te weinig, gekende rendabele business cases zijn, wat een rem op de adaptatie betekent.