Nowy wymiar: jak firma typu start-up przekształciła produkcję precyzyjną

We współpracy z BMF

Tradycyjna produkcja staje przed poważnymi wyzwaniami, gdy trzeba szybko stworzyć małe komponenty, które obejmują bardzo złożone, drobne, precyzyjnie wykonane struktury — takie jak miniaturowe złącza i mikrosoczewki do endoskopów. Wszystkie te części wymagają wysokiej precyzji wykonania, aby stworzyć dokładny profil powierzchni i skomplikowane struktury wewnętrzne, co jest kosztowne. Teraz najnowocześniejsza technologia druku nano/mikro 3D pokonuje te przeszkody, zapewniając prostszą personalizację i szybszą produkcję tych skomplikowanych części, jednocześnie odpowiadając na rosnące zapotrzebowanie na precyzyjną produkcję w innych dziedzinach.

Technavio, badacz rynku, przewiduje, że globalny rynek usług druku 3D będzie nadal rósł o 44 procent rocznie do 2021 roku. Rosnące zapotrzebowanie na precyzyjną produkcję napędza również rozwój precyzyjnych usług druku 3D. Na przykład globalny rynek okularów powinien mieć 3,7 procentowy roczny wskaźnik wzrostu (CAGR) do 2018 r., osiągając 130 miliardów dolarów, według Transparency Market Research.

[Wiele] problemów produkcyjnych można teraz rozwiązać dzięki tej nowej, szybkiej i taniej zdolności produkcyjnej, więc właśnie pojawia się potencjalny rynek części drukowanych z nano/mikro, mówi William Plummer, starszy naukowiec i członek rady doradczej BMF Material Technology, Startup firma z siedzibą w Bostonie/Shenzhen, która produkuje nano/mikro drukarki i materiały 3D, a także niestandardowe produkty dla innych firm korzystających z jej sprzętu.

Chociaż dobrze znane startupy zajmujące się drukowaniem 3D, takie jak Desktop Metal i Carbon, przyciągnęły już wiele uwagi na rynku, koncentrują się na produkcji na większą skalę. Wraz z postępem technologii stała się bardziej biegła w tworzeniu bardziej szczegółowych i mniejszych komponentów.

Druk 3D nano/mikro jest w stanie generować złożone, drobne elementy. Jest to najdokładniejsze wcielenie technologii druku 3D, które może zrewolucjonizować przemysł produkcji precyzyjnych komponentów. Obecnie firmy, takie jak BMF, wprowadzają tę technologię na nowy poziom dzięki drukarkom o rozdzielczości mikrometrów/nanometrów i możliwości wykonywania produkcji wielkoseryjnej. To, co wyróżnia BMF, mówi Plummer, to poziom rygorystyczności sprzętu oraz unikalny dobór materiałów i procesów: precyzyjna technologia druku 3D firmy BMF może wytwarzać małe części mechaniczne, takie jak małe sprężyny, specjalne kształty złączy elektrycznych, a nawet skomplikowane i wymagających urządzeń, takich jak stenty kardiologiczne.

Jak to działa

Niewiele postępów technologicznych podbiło wyobraźnię społeczeństwa i zainspirowało inżynierię i kreatywność artystyczną w takim samym stopniu, jak drukowanie 3D, zwłaszcza drukowanie 3D w nano/mikro. Z pliku cyfrowego można stworzyć fizyczny trójwymiarowy obiekt. Chociaż nie jest to nowa technologia, ostatnie postępy sprawiły, że jest to bardziej praktyczny sposób tworzenia prototypów, jednorazowych komponentów i przedmiotów zbyt drogich lub trudnych do wytworzenia przy użyciu tradycyjnych metod, takich jak formowanie i obróbka CNC (sterowanie numeryczne komputerowe).

BMF wykorzystuje technikę zwaną Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), która jest podobna do metody stosowanej w mikroskalowym urządzeniu wyświetlającym wideo, gdy serie obrazów są kolejno wyświetlane przez soczewkę redukcyjną w celu utwardzenia światłoczułej żywicy fotopolimerowej. Kiedy zredukowany wzór obrazu jest skupiony na żywicy światłoczułej, światło ultrafioletowe inicjuje proces utwardzania lub utwardzania, który jest znany jako fotosieciowanie. Tylko obszar oświetlony światłem utwardza ​​się i twardnieje do wymaganej formy 3D. Projektowane wzory światła są definiowane przez obrazy 3D, które są sekcjami wygenerowanego komputerowo modelu 3D. W połączeniu z różnymi technikami obróbki końcowej BMF może wytwarzać szeroką gamę produktów, w tym takie elementy jak ceramika i soczewki optyczne.

Podstawową różnicą między nano/mikro drukiem a tradycyjnym drukiem 3D jest stopień precyzji i rozdzielczości, jakie zapewnia druk 3D w technologii nano/mikro. Opisując tę ​​metodę drukowania 3D, rozdzielczość wchodzi na poziomy mezo, mikro i nano (tj. Jedna miliardowa metra). Ten kaliber druku 3D może replikować miniaturowe, prawdziwie mikroskopijne elementy na poziomach szczegółowości i precyzji, których nie można osiągnąć przy typowym drukowaniu 3D.

W ostatnich latach drukowanie 3D osiągnęło punkt, w którym konsumenci mogą kupić drukarkę 3D w dowolnym miejscu od 200 do 500 USD. Jednak te tanie drukarki mają niewiele wspólnego z wyrafinowanymi nano/mikro drukarkami 3D, które firmy takie jak BMF obecnie budują i używają do produkcji różnych komponentów.

Produkcja precyzyjna

Firma BMF weszła na rynek druku nano/mikro 3D w wysokiej rozdzielczości w maju 2016 r., kiedy wydzieliła się z Laboratorium Nanofotoniki i Nanoprodukcji 3D w MIT. Technologia firmy opiera się na tej samej technologii, która została nazwana jedną z Przegląd technologii MIT 10 przełomowych technologii w 2014 i 2015 roku. (W rzeczywistości Nicholas Fang, współzałożyciel / główny naukowiec w BMF, jest częścią wiodącego zespołu ds. technologii nano/mikro druku 3D, który został doceniony przez Przegląd technologii MIT w 2015r.)

BMF koncentruje się na produkcji mniejszych precyzyjnych komponentów, ale w większych ilościach wymaganych przez segmenty przemysłu, takie jak urządzenia medyczne. System druku 3D firmy BMF może osiągnąć duże nakłady ze względu na niewielkie rozmiary produkowanych przez nas komponentów, mówi Xiaoning He, współzałożyciel/dyrektor generalny firmy. Małe rozmiary części umożliwiają jednoczesne drukowanie dużej liczby komponentów. Na przykład drukarki 3D firmy BMF mogą wyprodukować setki soczewek o średnicy około jednego milimetra w ciągu godziny, co skutkuje zdolnością produkcyjną setek tysięcy sztuk rocznie — co może zaspokoić duże zapotrzebowanie producentów endoskopów. Ponadto każda część w partii komponentów może być wykonana na zamówienie, niezależnie od liczby produkowanych komponentów. Te możliwości mogą sprostać wymaganiom klientów przemysłowych, którzy potrzebują małych precyzyjnych komponentów.

Innowacyjna technologia

Dzięki innowacyjnemu podejściu zespół BMF skupił się na przemyśle optycznym. Lukratyczny rynek okularów optycznych w samych Chinach to 12 miliardów dolarów rocznie. Większość okularów nie jest w pełni spersonalizowana pod kątem indywidualnych potrzeb i specyfikacji, ale opiera się na standardowych receptach. Skomplikowane okulary, takie jak soczewki o swobodnym kształcie, są drogie, mówi Yi Zhen, zastępca dyrektora Departamentu Transferu Technologii Medycznych w Pekińskim Instytucie Okulistyki w Pekinie Szpital w Tongren . Na przykład cena detaliczna pary spersonalizowanych soczewek swobodnych [przy użyciu tradycyjnej produkcji] może osiągnąć nawet 1300 USD.

Ludzkie oko jest złożonym narządem i nie jest idealnym układem optycznym. Nie ma dwojga takich samych oczu, mówi Zhen. Jednak tradycyjne soczewki są produkowane z półfabrykatów soczewek, które są formowane fabrycznie w ilościach masowych. Spersonalizowane soczewki o swobodnym kształcie mogą uwolnić użytkowników okularów od kompromisów optycznych tradycyjnych, masowo produkowanych soczewek. Tradycyjne spersonalizowane soczewki o swobodnym kształcie wymagają drogich maszyn… więc większości ludzi na to nie stać. Dlatego większość pacjentów nie może osiągnąć idealnej korekcji wzroku, a ich wzrok ciągle się pogarsza.

Szpital Beijing Tongren jest największym szpitalem okulistycznym w Chinach, z około milionem wizyt pacjentów rocznie. Ningli Wang, profesor w Pekinie Tongren, i jego zespół połączyli siły z BMF, aby wyprodukować niedrogie spersonalizowane soczewki o swobodnym kształcie zgodnie z indywidualną receptą. Zespół z powodzeniem zaprojektował i wyprodukował wyrafinowane spersonalizowane soczewki o następujących cechach konstrukcyjnych:

• Toryczny projekt korygujący astygmatyzm i redukujący aberracje;
• Asferyczna konstrukcja korygująca krótkowzroczność i zmniejszająca grubość krawędzi soczewki;
• Projekt rozmycia peryferyjnego, który kontroluje rozwój krótkowzroczności u dzieci.

Chociaż taka soczewka o swobodnych kształtach jest trudna i droga w tradycyjnej produkcji, przy użyciu technologii BMF wytworzenie zajmuje tylko około czterech godzin, a koszt obiektywu jest podobny do kosztu zwykłego obiektywu. Przy znacznie niższych kosztach systemu i szybkości produkcji, soczewki drukowane w 3D mają zrewolucjonizować dostarczanie specjalnych soczewek okularowych dla zawodu okulisty, mówi Mo Jalie, starszy naukowiec i członek rady doradczej BMF.

Technologia BMF może również potencjalnie zrewolucjonizować wiele innych dziedzin okulistycznych, w tym tworzenie niestandardowych korekcyjnych soczewek kontaktowych, które pomagają pacjentom ze złożonymi aberracjami po takich problemach, jak przeszczep rogówki, stożek rogówki (postępująca choroba oka, w której normalnie okrągła rogówka zniekształca się w stożkowaty kształt) oraz stany spowodowane urazami zewnętrznymi. Druk 3D dla przemysłu soczewek optycznych jest jak druk cyfrowy dla przemysłu wydawniczego, mówi Wang. Ta nowa technologia zapewnia szybszą, tańszą, bardziej elastyczną i dokładną produkcję soczewek.

Nowe wymiary produkcyjne

Xiaoning mówi, że istnieje niezliczona ilość innych precyzyjnych przypadków zastosowania druku trójwymiarowego nano/mikro, takich jak stenty sercowe, soczewki endoskopowe i określone złącza elektryczne. Obecnie do wyrzeźbienia złożonej struktury wewnętrznej stentów kardiologicznych wymagana jest obróbka laserowa. Druk 3D może łatwiej wygenerować niezbędną strukturę, umożliwić bardziej wyrafinowane projekty i znacznie obniżyć koszty w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji.

Złącza elektryczne również stają się coraz mniejsze i bardziej złożone. Technologia druku nano/mikro 3D daje inżynierom narzędzia do projektowania skomplikowanych złączy o nieregularnych kształtach. Xiaoning mówi, że BMF otrzymało również zamówienia w wielu innych dziedzinach, w tym na precyzyjne komponenty ceramiczne.

Podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, nano-/mikrodruk 3D staje się coraz bardziej precyzyjny, wydajniejszy i tańszy. Może zapewnić większą dokładność przy znacznie niższych kosztach oraz jest szybsza i prostsza niż tradycyjne metody zapewniające podobny poziom precyzji.

Światowy rynek precyzyjnych części jest bardzo wymagający i lukratywny. A przez większość czasu tradycyjna technologia po prostu w ogóle nie działa, mówi Xiaoning. Opisując wyzwania związane z produkcją mikroskopijnych komponentów, cytuje zdanie branżowe: Czasami mówimy: „Im mniejszy, tym trudniej”.

Aby uzyskać więcej informacji na temat technologii drukowania nano/mikro druku 3D, odwiedź www.bmftec.cn

ukryć