Drukarka 3D, która może w końcu zmienić produkcję

Firma Desktop Metal uważa, że ​​jej maszyny zapewnią projektantom i producentom praktyczny i przystępny cenowo sposób drukowania części metalowych. Za pomocą

• David Rotman strona archiwum

25 kwietnia 2017

Grant Cornett

Minęły niecałe dwa miesiące do wprowadzenia na rynek pierwszego produktu jego firmy, a dyrektor generalny Ric Fulop z podekscytowaniem pokazuje rzędy rozebranych drukarek 3D, kilka nieporęcznych pieców mikrofalowych i różne małe metalowe przedmioty na stole do ekspozycji. Za zamkniętymi drzwiami zespół projektantów przemysłowych siedzi wokół wspólnego biurka, z których każdy stoi przed dużym ekranem. Ściana za nimi jest wyklejona różnymi możliwymi wyglądami ambitnych produktów startupu: drukarek 3D, które mogą tanio i szybko wytwarzać metalowe części, aby technologia była praktyczna do szerokiego zastosowania w projektowaniu i produkcji produktów.

Firma Desktop Metal zebrała prawie 100 milionów dolarów od wiodących firm venture capital i jednostek venture takich firm jak General Electric, BMW i Alphabet. Wśród założycieli jest czterech wybitnych profesorów MIT, w tym kierownik wydziału materiałoznawstwa szkoły i Emanuel Sachs, który złożył jeden z oryginalnych patentów na druk 3D w 1989 roku. Mimo wszystkich pieniędzy i wiedzy, nie ma gwarancji, że Firma odniesie sukces w swoim celu, jakim jest wymyślenie na nowo sposobu wytwarzania części metalowych, a tym samym przekształcenie znacznej części produkcji.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2017 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Gdy Fulop porusza się po dużej, otwartej przestrzeni roboczej, jego podekscytowanie i entuzjazm wydają się być łagodzone przez niepokój. Ostateczne drukarnie komercyjne nie są jeszcze gotowe. Pracownicy są zajęci majstrowaniem przy maszynach, a sfabrykowane obiekty testowe są porozrzucane. Poczyniono postępy, ale widać też, że zegar tyka. W kącie w pobliżu drzwi wejściowych i strefy wejściowej podłoga jest pusta i przyklejona taśmą; wkrótce przestrzeń musi wypełnić makieta planowanego stoiska firmy na zbliżające się targi.

Jeśli to się powiedzie, Desktop Metal pomoże rozwiązać zniechęcające wyzwanie, które przez ponad trzy dekady wymykało się twórcom druku 3D, poważnie ograniczając wpływ tej technologii. Rzeczywiście, pomimo sporych fanfar i ewangelicznych entuzjastów, druk 3D pod wieloma względami był rozczarowaniem.

Hobbyści i samozwańczy twórcy mogą używać stosunkowo niedrogich drukarek 3D do tworzenia cudownie złożonych i pomysłowych kształtów z tworzyw sztucznych. Niektórzy projektanci i inżynierowie uznali te maszyny za przydatne w modelowaniu potencjalnych produktów, ale drukowanie części polimerowych ma niewielkie zastosowanie w produkcji, poza kilkoma specjalistycznymi produktami, takimi jak niestandardowe aparaty słuchowe i implanty dentystyczne.

Chociaż można
Drukowanie metali w 3D jest trudne i kosztowne.

Chociaż możliwe jest drukowanie metali w 3D, jest to trudne i kosztowne. Zaawansowane firmy produkcyjne, takie jak GE, używają bardzo drogich maszyn ze specjalistycznymi laserami o dużej mocy do wytwarzania kilku wartościowych części (patrz Produkcja przyrostowa w naszej liście 10 przełomowych technologii z 2013 r.). Ale drukowanie metali jest ograniczone do firm, które mają miliony do wydania na sprzęt, urządzenia do zasilania laserów i wysoko wykwalifikowani technicy, którzy to wszystko obsługują. I nadal nie ma łatwo dostępnej opcji dla tych, którzy chcą drukować różne iteracje części metalowej podczas procesu projektowania i rozwoju produktu.

Rozdzielacz hydrauliczny jest przetwarzany w piecu mikrofalowym, który spieka stalową część w temperaturze do 1400 °C. Taka część jest zbyt skomplikowana, aby można ją było wykonać konwencjonalnymi metodami.

Wady druku 3D sprawiają, że wizja, która od dawna ekscytowała jego zwolenników, pozostaje nieuchwytna. Chcieliby stworzyć projekt cyfrowy, wydrukować prototypy, które mogliby przetestować i udoskonalić, a następnie użyć pliku cyfrowego zoptymalizowanej wersji do stworzenia produktu komercyjnego lub części z tego samego materiału za każdym razem, gdy trafią na make w 3D drukarka. Posiadanie niedrogiego i szybkiego sposobu drukowania części metalowych byłoby ważnym krokiem w urzeczywistnianiu tej wizji.

Dałoby to projektantom większą swobodę, umożliwiając im tworzenie i testowanie części i urządzeń o skomplikowanych kształtach, których nie da się łatwo wykonać za pomocą żadnej innej metody produkcji — powiedzmy, skomplikowanej siatki aluminiowej lub metalowego przedmiotu z wewnętrznymi wnękami. Może ostatecznie umożliwić inżynierom i materiałoznawcom tworzenie części o nowych funkcjach i właściwościach poprzez osadzanie różnych kombinacji materiałów — na przykład drukowanie metalu magnetycznego obok metalu niemagnetycznego. Poza tym na nowo zdefiniowałoby ekonomię masowej produkcji, ponieważ koszt wydrukowania czegoś byłby taki sam bez względu na to, ile sztuk zostało wyprodukowanych. Zmieniłoby to sposób myślenia producentów o wielkości fabryk, potrzebie tworzenia zapasowych zapasów (po co mieć wiele części w magazynie, skoro można łatwo i szybko wydrukować jedną?) oraz procesu dostosowywania produkcji do specjalistycznych produktów.

Właśnie dlatego trwa wyścig, aby przekształcić druk 3D w nowy sposób produkcji części. Wieloletni dostawcy drukarek 3D, w tym Stratasys i 3D Systems, wprowadzają coraz bardziej zaawansowane maszyny, które są wystarczająco szybkie, aby mogli z nich korzystać producenci. W zeszłym roku HP wprowadził linię drukarek 3D, które według firmy pozwolą producentom prototypować i wytwarzać produkty z nylonu, powszechnie używanego tworzywa termoplastycznego. A zeszłej jesieni GE wydał ponad miliard dolarów na parę europejskich firm specjalizujących się w drukowaniu części metalowych w 3D.

To stalowe śmigło zostało właśnie wydrukowane. Pomiędzy łopatkami śmigła a metalowym wspornikiem znajduje się cienka linia ceramiki, która podczas spiekania zamienia się w piasek, umożliwiając łatwe oddzielenie gotowej części od wspornika.

Śmigło po obróbce stanowi przykład wysokowydajnej części, którą można wykonać za pomocą druku 3D. Inżynierowie mogą wykorzystać tę metodę do prototypowania i optymalizacji różnych projektów.

Ale prawdziwa konkurencja dla Desktop Metal prawdopodobnie nie pochodzi z rosnącej liczby firm zajmujących się drukowaniem 3D. Po pierwsze, drukarki 3D HP, Stratasys (inwestor w Desktop Metal) i 3D Systems wykorzystują głównie różne rodzaje tworzyw sztucznych, a nie gamę metali, które firma Fulop chce stosować w swoich drukarkach. A wysokiej klasy maszyny GE w niewielkim stopniu pokrywają się z ambicjami rynkowymi Desktop Metal. Zamiast tego prawdziwymi konkurentami Desktop Metal są bardziej ugruntowane technologie obróbki metalu. Obejmują one zautomatyzowane techniki obróbki — takie jak metoda wykorzystywana do wytwarzania ultracienkich aluminiowych tylnych obudów iPhone'ów — oraz szybko rozwijająca się praktyka zwana formowaniem wtryskowym metalu, powszechnym sposobem masowej produkcji wyrobów metalowych.

Kluczowi gracze w druku 3D

• Firma: Stratasys

  Technologia: Jedna z pierwszych firm zajmujących się drukowaniem 3D, Stratasys, została założona przez Scotta Crumba, wynalazcę modelowania topionego osadzania, najczęstszego sposobu drukowania części z tworzyw sztucznych.
  Produkty: Sprzedaje maszyny, które mogą drukować na różnorodnych materiałach fotopolimerowych i termoplastycznych.

• Firma: Węgiel

  Technologia: Ten start-up w Dolinie Krzemowej opracował nowatorski proces fotochemiczny do wytwarzania części z różnych tworzyw sztucznych, w tym z poliuretanu i żywicy epoksydowej.
  Produkty: Wprowadziliśmy system modułowy dla producentów tej wiosny.

• Firma: HP

  Technologia: Jej linia maszyn wykorzystuje długą historię firmy w zakresie druku atramentowego za pomocą tak zwanej technologii multi-jet fusion. Wykorzystuje wiele dysz do drukowania z dużą szybkością i wysoką rozdzielczością.
  Produkty: W zeszłym roku wprowadziła swoje pierwsze drukarki 3D. Początkowe maszyny drukują na nylonie, ale firma zamierza rozszerzyć działalność na inne materiały.

• Firma: Systemy 3D

  Technologia: Pierwsza firma drukująca w 3D, 3D Systems, została założona przez Chucka Hulla, wynalazcę stereolitografii, która wykorzystuje światło do formowania części z fotopolimerów. Obecnie oferuje różne typy drukarek 3D, w tym takie, które drukują metalowe części.
  Produkty: W zeszłym roku wprowadził najnowszą iterację stereolitografii.

Innymi słowy, zamiast próbować prześcignąć inne drukarki 3D, Desktop Metal będzie miał trudne zadanie odwrócenia producentów od metod produkcji, które są podstawą ich działalności. Ale samo istnienie tego dużego, ugruntowanego rynku jest tym, co sprawia, że ​​perspektywa jest tak intrygująca. Wytwarzanie części metalowych, mówi Fulop, to branża warta biliony dolarów. Dodaje, że nawet jeśli druk 3D wygra tylko niewielką jego część, nadal może stanowić wielomiliardową szansę.

Za gorąco, aby wydrukować

Rozejrzeć się. Metale są wszędzie. Ale podczas gdy druk 3D jest szeroko stosowany w produkcji tworzyw sztucznych, zastosowanie tej technologii w produkcji części metalowych jest bardzo ograniczone, mówi Chris Schuh, kierownik ds. materiałoznawstwa i inżynierii w MIT i współzałożyciel Desktop Metal. Obróbka metalu to raczej sztuka. To bardzo wymagająca przestrzeń.

Wykonywanie metalowych przedmiotów za pomocą druku 3D jest trudne z kilku powodów. Najbardziej oczywista jest wysoka temperatura wymagana do obróbki metali. Najpopularniejszym sposobem drukowania tworzyw sztucznych jest podgrzewanie polimerów i wyciskanie materiału z dyszy drukarki; plastik szybko twardnieje do pożądanego kształtu. Proces jest na tyle prosty, że można go wykorzystać w drukarkach 3D, które kosztują około 1000 USD. Jednak zbudowanie drukarki 3D, która bezpośrednio wytłacza metale, nie jest praktyczne, biorąc pod uwagę, że aluminium topi się w 660 °C, stal wysokowęglowa w 1370 °C, a tytan w 1668 °C. Części metalowe muszą również przejść kilka procesów wysokotemperaturowych, aby zapewnić oczekiwaną wytrzymałość i inne właściwości mechaniczne.

Aby stworzyć drukarkę 3D wystarczająco szybką, aby można ją było wykorzystać do produkcji metalowych przedmiotów, Desktop Metal przeszedł na technologię, której początki sięgają późnych lat 80-tych. Wtedy zespół inżynierów MIT kierowany przez współzałożyciela firmy Sachsa złożył wniosek patentowy na techniki druku trójwymiarowego . Opisano proces nakładania cienkiej warstwy proszku metalowego, a następnie za pomocą druku atramentowego nanosił ciecz, która selektywnie wiąże proszek ze sobą. Proces, który jest powtarzany dla setek lub tysięcy warstw w celu zdefiniowania części metalowej, może tworzyć takie elementy o niemal nieograniczonej złożoności geometrycznej. W najczęstszym zastosowaniu tej technologii spoiwo działa jak klej. Można go jednak również wykorzystać do lokalnego osadzania różnych materiałów w różnych lokalizacjach.

Naukowcy z MIT wiedzieli, że ich metoda drukowania może zostać wykorzystana do wytwarzania części metalowych i ceramicznych, mówi Sachs. Ale wiedzieli też, że jest to zbyt wolne, aby było praktyczne, a proszki metali potrzebne do tego procesu były w tamtych czasach o wiele za drogie. Sachs zwrócił się do innych zainteresowań badawczych, w tym wysiłków na rzecz poprawy produkcji fotowoltaiki (patrz Modlitwa o cud energetyczny, ). W następnych dziesięcioleciach druk 3D nabrał rozpędu i zawładnął wyobraźnią wielu projektantów produktów. Najbardziej znana jest tania i łatwa w użyciu drukarka 3D firmy MakerBot, która została wprowadzona w 2009 roku, przemawiając do wielu samozwańczych wynalazców i majsterkowiczów. Ale te niedrogie drukarki zderzyły się z rzeczywistością, że były ograniczone do używania kilku tanich tworzyw sztucznych. Co więcej, chociaż maszyny mogą drukować skomplikowane kształty, produkt końcowy często nie jest tak dobry, jak część z tworzywa sztucznego wykonana konwencjonalną technologią.

Zamknij się z nakrętką skrzydełkową.

Desktop Metal wydrukował osobno śrubę i nakrętkę motylkową, aby zademonstrować, że może wytwarzać części o wąskich tolerancjach.

Tymczasem naukowcy z producentów przemysłowych, takich jak GE, byli zajęci rozwijaniem technologii laserowych wynalezionych pod koniec lat 80. do drukowania metali. Maszyny te wykorzystują lasery – lub, w niektórych przypadkach, wiązki elektronów o dużej mocy – do rysowania kształtów w warstwie proszku metalowego przez stopienie materiału. Powtarzają proces, aby zbudować trójwymiarowy obiekt ze stopionych proszków. Technika ma imponujące możliwości, ale jest powolna i droga. Jest to opłacalne tylko w przypadku części o bardzo wysokiej wartości, które są zbyt skomplikowane, aby można je było wykonać innymi metodami. Warto zauważyć, że nowy silnik odrzutowy GE wykorzystuje szereg wyrafinowanych, drukowanych w 3D dysz paliwowych; są lżejsze i znacznie trwalsze, ponieważ wbudowano w nie skomplikowane kanały chłodzące.

Założyciele Desktop Metal postanowili, że aby druk 3D w metalu był bardziej dostępny, musieliby sprzedawać dwa różne typy maszyn: stosunkowo niedrogi model stacjonarny odpowiedni dla projektantów i inżynierów wytwarzających prototypy oraz taki, który jest wystarczająco szybki i duży dla producentów. Na szczęście kilka innowacji sprawiło, że pierwotny wynalazek Sachsa stał się praktycznym rozwiązaniem do masowej produkcji, w tym opracowanie bardzo szybkiego druku atramentowego do osadzania spoiwa. Drukując kolejno około 1500 warstw, każda o grubości 50 mikrometrów i nakładanych w ciągu kilku sekund, drukarka na skalę produkcyjną jest w stanie zbudować część o wielkości 500 cali sześciennych w ciągu godziny. To około 100 razy szybciej niż laserowa drukarka 3D może wytwarzać metalowe części.

W swojej maszynie prototypowej Desktop Metal zastosował metodę drukowania 3D na bazie tworzyw sztucznych. Ale zamiast zmiękczonego polimeru wykorzystuje proszki metali zmieszane z płynnym spoiwem polimerowym. Preparat jest wytłaczany przy użyciu zadrukowanego środka wiążącego do zbrylania proszku metalu w zamierzone kształty.

Jednak niezależnie od tego, czy część jest drukowana za pomocą maszyny prototypowej, czy modelu produkcyjnego, wynikowy obiekt — częściowo plastikowy spoiwo i częściowo metalowy — nie ma wytrzymałości metalowej. Tak więc trafia do specjalnie zaprojektowanej kuchenki mikrofalowej do spiekania, procesu wykorzystującego ciepło do zagęszczenia materiału, tworząc część o pożądanych właściwościach. W serii starannie skalibrowanych kroków podczas procesu spiekania polimer jest wypalany, a następnie metal jest stapiany w temperaturze znacznie poniżej jego temperatury topnienia.

Prezentacja sprzedaży

Zgodnie z obietnicami jego entuzjastów druk 3D zmniejszy zapotrzebowanie na producentów przemysłowych i wzmocni pozycję lokalnych producentów rzemieślniczych (patrz The Difference Between Makers and Manufacturers, ). Rzeczywistość prawdopodobnie będzie znacznie inna, ale mimo to głęboka. Wiele sektorów produkcji przemysłowej w coraz większym stopniu korzysta z automatyzacji i zaawansowanego oprogramowania, a druk 3D usprawnia to ciągłe przechodzenie na produkcję cyfrową. Pod pewnymi względami nie różni się to od zautomatyzowanego procesu obróbki, który wykorzystuje plik cyfrowy do utworzenia części metalowej. To, co wyróżnia drukowanie 3D, polega na tym, że oferuje sposoby tworzenia znacznie bardziej złożonych obiektów i usuwa wiele ograniczeń, jakie proces produkcyjny nakłada na projektantów i inżynierów.

Powiązana historia

Czytaj dalej Znany ekonomista przekonuje, że pomimo uroku aplikacji i mediów społecznościowych dzisiejsze technologie cyfrowe w niewielkim stopniu przyczyniają się do generowania dobrobytu, jakim cieszyły się poprzednie pokolenia. Ale to nie znaczy, że powinniśmy zrezygnować z innowacji.

Może również zainspirować producentów do zmiany strategii logistycznych i produkcyjnych. W przypadku stosunkowo niewielkich ilości towarów druk 3D może być tańszy, ponieważ eliminuje koszty związane z oprzyrządowaniem, odlewaniem i formami wymaganymi do produkcji większości metalowych i plastikowych przedmiotów. Czas i pieniądze potrzebne do skonfigurowania tego wszystkiego są jednym z powodów, dla których często wymagana jest masowa produkcja, jeśli producent ma zarabiać. Bez tej zachęty do zaangażowania się w produkcję na masową skalę fabryki mogłyby zmienić harmonogramy produkcji i lepiej reagować na popyt, zbliżając się jeszcze bardziej do produkcji just-in-time. John Hart, profesor inżynierii mechanicznej na MIT i współzałożyciel Desktop Metal, nazywa to dostosowaną masową produkcją. Zamiast mieć duże zakłady produkujące ogromną liczbę identycznych części, które muszą być wysyłane na cały świat i magazynowane, producenci mogą utrzymywać rozproszone fabryki, które wytwarzają zróżnicowany zestaw produktów, zwiększając produkcję w razie potrzeby. Konsekwencje za dekadę lub dwie prawdopodobnie przekraczają naszą wyobraźnię, mówi Hart. Naprawdę nie sądzę, że wiemy, co zrobimy z tymi technologiami.

Na razie wyzwaniem dla Desktop Metal jest oddanie swojego sprzętu w ręce projektantów i inżynierów odpowiedzialnych za następną generację produktów swoich firm. Tej zimy Fulop przygotowywał się do zaprezentowania pierwszego produktu firmy, maszyny prototypowej, na targach w Pittsburghu na początku maja. (Produkcyjna drukarka 3D ma być dostępna w przyszłym roku.) Jego zadaniem będzie przekonanie uczestników, że wydanie 120 000 dolarów na prototypową drukarkę i piec do spiekania firmy Desktop Metal ma kluczowe znaczenie dla przyszłości ich firm.

Jedną z kluczowych zalet druku 3D jest możliwość tworzenia złożonych struktur, w tym wewnętrznych siatek w części metalowej. Z takich struktur można by wykonać lżejsze i mocniejsze części.

Jest to praca w sprzedaży, do której doskonale nadaje się Fulop. Założył ponad pół tuzina firm, zaczynając od jednej, która importowała sprzęt komputerowy i oprogramowanie, które założył, gdy miał 16 lat i nadal mieszkał w swojej rodzinnej Wenezueli. Jest prawdopodobnie najbardziej znany z założenia A123 Systems, firmy zajmującej się akumulatorami, która była jednym z najlepiej latających startupów pod koniec 2000 roku, której kulminacją było IPO o wartości 371 milionów dolarów w 2009 roku. Firma została oparta na nowatorskiej technologii litowo-jonowej opracowanej przez Yet -Ming Chiang, profesor MIT, który jest również współzałożycielem Desktop Metal. Podobnie jak ich obecny start-up zajmujący się drukowaniem 3D, A123 miał nadzieję, że wykorzysta wiedzę z zakresu materiałoznawstwa, aby zrewolucjonizować ogromny rynek.

Może również zainspirować producentów do zmiany strategii logistycznych i produkcyjnych.

Choć A123 cieszył się szybkim wzrostem i bardzo udanym IPO, firma ogłosiła upadłość w 2012 roku (Fulop odszedł w 2010 roku). Zapytaj Fulopa o lekcję z A123, a on powie po prostu: Baterie to rynek o niskiej marży. Rzeczywiście, A123 walczył o konkurowanie w coraz bardziej zatłoczonym biznesie akumulatorowym i nie oferował wystarczająco radykalnej poprawy wydajności w porównaniu z uznanymi akumulatorami litowo-jonowymi, aby natychmiast zdobyć raczkujący rynek pojazdów hybrydowych (patrz Technologia A123 po prostu nie była wystarczająco dobra ).

Wyzwania stojące przed Desktop Metal będą bardzo różne. Ogromny rynek części metalowych już istnieje. A startup wierzy, że jego technologia, przynajmniej na krótką metę, będzie miała niewielu bezpośrednich konkurentów. Chiang wskazuje na naprawdę bogate portfolio patentów startupu. To nie tylko materiały; to techniki, to piec [spiekanie], mówi. Im trudniejsza jest technologia, tym wyższą barierę wejścia budujesz, jeśli odniesiesz sukces.

W swoim biurze Chiang ma drewnianą skrzynkę zawierającą pół tuzina mieczy wypożyczonych z Muzeum Sztuk Pięknych w Bostonie, które zostały wykonane w latach 70. przy użyciu tradycyjnych japońskich technik. Chiang używa mieczy w nauczaniu. Lekcja: w jaki sposób rzemieślnicy wykorzystywali tajniki metalurgii do przekształcenia rudy żelaza w produkt końcowy — ultraostry, lekko zakrzywiony stalowy miecz. Pokazując miecze, Chiang wskazuje na niektóre ich szczegóły, wyjaśniając sztuczki zastosowane przez ich twórców, takie jak metoda hartowania zastosowana do stworzenia niezwykle twardej krawędzi i bardziej miękkiego ciała. Wracając do swojego biurka, ponownie skupiając się na Desktop Metal, jest równie entuzjastycznie nastawiony, gdy opisuje metalowe przedmioty niedawno wydrukowane przez firmę i wystawione w jej zakładach. Ekscytujący jest pomysł, że naprawdę można zrobić te części, mówi Chiang. Kilka godzin, a oto część, której nie mogłeś nawet zrobić wcześniej.

Nie zastąpi takich stuletnich technik produkcyjnych, jak kucie i odlewanie metali, ale druk 3D może stworzyć nowe możliwości w produkcji – i być może na nowo wyobrazić sobie sztukę metalurgii.

ukryć