3-D-printeren, der endelig kunne ændre produktionen

Desktop Metal mener, at deres maskiner vil give designere og producenter en praktisk og overkommelig måde at printe metaldele på. Ved

• David Rotman arkiv side

25. april 2017

Grant Cornett

Det er mindre end to måneder før hans virksomheds første produktlancering, og administrerende direktør Ric Fulop viser begejstret rækker af afskårne 3-D-printere, adskillige omfangsrige mikroovne og diverse små metalgenstande frem på et bord til udstilling. Bag en lukket dør sidder et team af industrielle designere omkring et fælles skrivebord, hver med front mod en stor skærm. Væggen bag dem er beklædt med forskellige mulige looks til startup'ets ambitiøse produkter: 3-D-printere, der kan fremstille metaldele billigt og hurtigt nok til at gøre teknologien praktisk til udbredt brug i produktdesign og -produktion.

Virksomheden, Desktop Metal, har rejst næsten 100 millioner dollars fra førende venturekapitalfirmaer og venture-enheder i virksomheder som General Electric, BMW og Alphabet. Grundlæggerne omfatter fire fremtrædende MIT-professorer, herunder lederen af ​​skolens afdeling for materialevidenskab og Emanuel Sachs, som indgav et af de originale patenter på 3-D-print i 1989. Alligevel, på trods af alle pengene og ekspertisen, er der ingen garanti for, at virksomheden vil lykkes med sit mål om at genopfinde, hvordan vi laver metaldele – og dermed transformere meget af produktionen.

Denne historie var en del af vores maj 2017-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Mens Fulop bevæger sig rundt i det store, åbne arbejdsområde, virker hans begejstring og entusiasme dæmpet af angst. De endelige kommercielle trykkerier er endnu ikke klar. Medarbejderne har travlt med at pille ved maskinerne, og fabrikerede testobjekter ligger spredt rundt. Der er fremskridt, men det er også tydeligt, at uret tikker. I et hjørne nær hoveddøren og indgangspartiet er gulvet tomt og tapet af; snart skal pladsen fyldes med en mockup af virksomhedens planlagte stand til en kommende messe.

Hvis det lykkes, vil Desktop Metal hjælpe med at løse en skræmmende udfordring, der har unddraget sig udviklere af 3-D-print i mere end tre årtier, hvilket i høj grad begrænser teknologiens indvirkning. Trods stor fanfare og evangeliske entusiaster har 3-D-print på mange måder været en skuffelse.

Hobbyister og selverklærede producenter kan bruge relativt billige 3-D-printere til at lave vidunderligt komplekse og geniale former af plastik. Og nogle designere og ingeniører har fundet disse maskiner nyttige til at håne potentielle produkter, men udskrivning af polymerdele har ikke fundet meget brug på produktionsgulvet i andet end nogle få specialiserede produkter, såsom tilpassede høreapparater og tandimplantater.

Selvom det er muligt
3-D-print metaller, at gøre det er svært og dyrt.

Selvom det er muligt at 3-D-printe metaller, er det svært og dyrt at gøre det. Avancerede produktionsvirksomheder såsom GE bruger meget dyre maskiner med specialiserede højeffektlasere til at fremstille nogle få dele af høj værdi (se Additive Manufacturing i vores 10 Breakthrough Technologies-liste fra 2013). Men udskrivning af metaller er begrænset til virksomheder med millioner at bruge på udstyret, faciliteter til at drive laserne og højtuddannede teknikere til at køre det hele. Og der er stadig ingen let tilgængelig mulighed for dem, der ønsker at udskrive forskellige iterationer af en metaldel under processen med produktdesign og udvikling.

En hydraulisk manifold behandles inde i en mikroovn, som bruger temperaturer op til 1.400 °C til at sintre ståldelen. Sådan en del er for kompleks til at lave med konventionelle metoder.

Manglerne ved 3-D-print betyder, at den vision, der længe har begejstret sine fortalere, forbliver uhåndgribelig. De vil gerne lave et digitalt design, printe prototyper ud, som de kan teste og forfine, og derefter bruge den digitale fil af den optimerede version til at skabe et kommercielt produkt eller en del ud af det samme materiale, når de trykker på make på en 3-D printer. At have en overkommelig og hurtig måde at printe metaldele på ville være et vigtigt skridt i at gøre denne vision til virkelighed.

Det ville give designere mere frihed og give dem mulighed for at skabe og teste dele og enheder med komplekse former, som ikke let kan laves med nogen anden produktionsmetode - for eksempel et indviklet aluminiumsgitter eller en metalgenstand med indre hulrum. Det kunne i sidste ende gøre det muligt for ingeniører og materialeforskere at skabe dele med nye funktioner og egenskaber ved at deponere forskellige kombinationer af materialer - for eksempel at udskrive et magnetisk metal ved siden af ​​et ikke-magnetisk. Ud over det ville det omdefinere økonomien ved masseproduktion, fordi omkostningerne ved at trykke noget ville være de samme uanset hvor mange varer der blev produceret. Det ville ændre den måde, producenterne tænker på fabrikkernes størrelse, behovet for backup-lager (hvorfor holde mange dele på lager, hvis du nemt og hurtigt kan printe en ud?) og processen med at skræddersy produktionen til specialiserede produkter.

Det er derfor, der har været et kapløb om at gøre 3-D-print til en ny måde at producere dele på. Mangeårige leverandører af 3-D-printere, herunder Stratasys og 3D-systemer, introducerer stadig mere avancerede maskiner, der er hurtige nok til, at producenter kan bruge dem. Sidste år introducerede HP en serie af 3-D-printere, som firmaet siger, vil give producenterne mulighed for at prototype og fremstille produkter med nylon, en udbredt termoplast. Og sidste efterår brugte GE over en milliard dollars på et par europæiske virksomheder med speciale i 3-D-print af metaldele.

Denne stålpropel er netop blevet trykt. Mellem propellens blade og metalstøtten er en tynd linje af keramik, som vil blive til sand under sintringsprocessen, hvilket gør det nemt at adskille den færdige del fra støtten.

Propellen efter bearbejdning giver et eksempel på en højtydende del, der kan laves med 3-D print. Ingeniører kan bruge metoden til at prototype og optimere forskellige designs.

Men den reelle konkurrence om Desktop Metal er nok ikke fra det voksende antal virksomheder inden for 3-D print. For det første bruger 3D-printerne fra HP, Stratasys (en investor i Desktop Metal) og 3D Systems hovedsageligt forskellige typer plastik, ikke den række af metaller, som Fulops virksomhed ønsker at bruge i sine printere. Og GEs avancerede maskiner overlapper lidt med Desktop Metals markedsambitioner. I stedet er det mere sandsynligt, at de virkelige konkurrenter for Desktop Metal er etablerede metalforarbejdningsteknologier. Disse omfatter automatiserede bearbejdningsteknikker - såsom metoden, der bruges til at fremstille det ultratynde aluminiumsbagbeklædning af iPhones - og en hurtigt voksende praksis kaldet metalsprøjtestøbning, en almindelig måde at masseproducere metalprodukter på.

Nøglespillere i 3-D print

• Virksomhed: Stratasys

  Teknologi: En af de originale 3-D-printvirksomheder, Stratasys blev grundlagt af Scott Crumb, opfinderen af ​​fused deposition modellering, den mest almindelige måde at printe plastikdele på.
  Produkter: Sælger maskiner, der kan printe en række forskellige fotopolymer og termoplastiske materialer.

• Firma: Carbon

  Teknologi: Denne Silicon Valley-startup har udviklet en ny fotokemisk proces til fremstilling af dele af forskellige plasttyper, herunder polyurethan og epoxy.
  Produkter: Introducerede et modulært system for producenter i foråret.

• Firma: HP

  Teknologi: Dens linje af maskiner udnytter virksomhedens lange historie med inkjet print gennem det, den kalder multi jet fusion teknologi. Dette bruger flere dyser til højhastighedsudskrivning og høj opløsning.
  Produkter: Introducerede sine første 3-D-printere sidste år. De første maskiner printer nylon, men virksomheden søger at udvide til andre materialer.

• Firma: 3D Systems

  Teknologi: Det første 3-D-printfirma, 3D Systems, blev grundlagt af Chuck Hull, opfinderen af ​​stereolitografi, som bruger lys til at danne dele af fotopolymerer. Det tilbyder nu forskellige typer 3-D-printere, herunder nogle, der printer metaldele.
  Produkter: Introducerede den seneste iteration af stereolitografi sidste år.

Med andre ord, i stedet for blot at prøve at overgå andre 3-D-printere, vil Desktop Metal have den hårde opgave at konvertere producenter væk fra produktionsmetoder, der er kernen i deres forretninger. Men selve eksistensen af ​​dette store, etablerede marked er det, der gør udsigten så spændende. At fremstille metaldele, siger Fulop, er en industri på billioner af dollars. Og selvom 3-D-print kun vinder en lille del af det, tilføjer han, kan det stadig repræsentere en mulighed for mange milliarder dollars.

For varmt til at udskrive

Kig omkring. Metaller er overalt. Men hvor 3-D-print er blevet brugt i vid udstrækning til fremstilling af plastik, har teknologiens brug til fremstilling af metaldele været snævert begrænset, siger Chris Schuh, leder af materialevidenskab og teknik ved MIT og medstifter af Desktop Metal. Metalbearbejdning er mere en kunst. Det er et meget udfordrende rum.

At lave metalgenstande ved hjælp af 3D-print er svært af flere årsager. Mest oplagt er den høje temperatur, der kræves til forarbejdning af metaller. Den mest almindelige måde at udskrive plast på involverer opvarmning af polymerer og sprøjtning af materialet ud af printerdysen; plastikken hærder derefter hurtigt til den ønskede form. Processen er enkel nok til at blive brugt i 3-D-printere, der sælges for omkring $1.000. Men at bygge en 3D-printer, der direkte ekstruderer metaller, er ikke praktisk, da aluminium smelter ved 660 °C, kulstofstål ved 1.370 °C og titanium ved 1.668 °C. Metaldele skal også igennem flere højtemperaturprocesser for at sikre den forventede styrke og andre mekaniske egenskaber.

For at lave en 3-D-printer hurtig nok til at blive brugt til fremstilling af metalgenstande, vendte Desktop Metal sig til en teknologi, der går tilbage til slutningen af ​​1980'erne. Det var da et hold af MIT-ingeniører ledet af virksomhedens medstifter Sachs indgav patent på tredimensionelle trykteknikker . Den beskrev en proces med at lægge et tyndt lag metalpulver ned og derefter bruge inkjet-print til at afsætte en væske, der selektivt binder pulveret sammen. Processen, som gentages i hundredvis eller tusindvis af lag for at definere en metaldel, kan lave dem med næsten ubegrænset geometrisk kompleksitet. I den mest almindelige anvendelse af teknologien virker bindemidlet som en lim. Det kan dog også bruges til lokalt at deponere forskellige materialer forskellige steder.

MIT-forskerne vidste, at deres trykmetode kunne bruges til at lave metal- og keramiske dele, siger Sachs. Men de vidste også, at det var for langsomt til at være praktisk, og de metalpulvere, der krævedes til processen, var alt for dyre på det tidspunkt. Sachs henvendte sig til andre forskningsinteresser, herunder et forsøg på at forbedre fremstillingen af ​​solceller (se Praying for an Energy Miracle, ). I de næste årtier tog 3D-print fart og fangede fantasien hos mange produktdesignere. Mest berømt er det, at en billig og brugervenlig 3D-printer fra MakerBot blev introduceret i 2009, hvilket appellerer til mange selvudviklede opfindere og tømmermænd. Men disse overkommelige printere stødte op mod den virkelighed, at de var begrænset til at bruge et par billige plastik. Hvad mere er, selvom maskinerne kan udskrive komplekse former, er slutproduktet ofte ikke så godt som en plastikdel lavet med konventionel teknologi.

Nærbillede af vingemøtrik.

Desktop Metal trykte bolten og vingemøtrikken separat for at demonstrere, at den kan fremstille dele med snævre tolerancer.

I mellemtiden havde forskere hos industrielle producenter som GE travlt med at fremme laserbaserede teknologier, der blev opfundet i slutningen af ​​1980'erne til udskrivning af metaller. Disse maskiner bruger lasere - eller i nogle tilfælde højeffekt elektronstråler - til at tegne former i et lag metalpulver ved at smelte materialet. De gentager processen for at opbygge et tredimensionelt objekt ud af de smeltede pulvere. Teknikken er imponerende i sine muligheder, men den er langsom og dyr. Det er kun umagen værd for ekstremt højværdidele, der er for komplekse til at lave ved hjælp af andre metoder. Især GEs nye jetmotor bruger en række sofistikerede 3-D-printede brændstofdyser; de er lettere og langt mere holdbare, fordi der er indbygget indviklede kølekanaler i dem.

Grundlæggerne af Desktop Metal besluttede, at for at gøre 3-D metalprint mere tilgængeligt, ville de være nødt til at sælge to forskellige typer maskiner: en relativt billig desktopmodel, der er egnet til designere og ingeniører, der fremstiller prototyper, og en, der er hurtig og stor nok for producenter. Heldigvis har adskillige innovationer endelig gjort Sachs' originale opfindelse praktisk til masseproduktion, herunder udviklingen af ​​meget højhastigheds inkjet-print til deponering af bindemidlet. Successivt udskrivning af omkring 1.500 lag, hver 50 mikrometer tyk og aflejret på få sekunder, kan printeren i produktionsskala opbygge en 500 kubiktommer del på en time. Det er omkring 100 gange hurtigere, end en laserbaseret 3D-printer kan lave metaldele.

Til sin prototypemaskine brugte Desktop Metal en metode fra plastbaseret 3D-print. Men i stedet for en blødgjort polymer bruger den metalpulver blandet med et flydende polymerbindemiddel. Formuleringen ekstruderes ved at bruge det trykte bindemiddel til at klumpe metalpulveret til de tilsigtede former.

Uanset om delen er trykt med prototypemaskinen eller produktionsmodellen, mangler den resulterende genstand - dels plastbinder og dels metal - styrken af ​​en metal. Så det går ind i en specialdesignet mikrobølgeovn til sintring, en proces med at bruge varme til at gøre materialet mere tæt, hvilket producerer en del med de ønskede egenskaber. I en række omhyggeligt kalibrerede trin under sintringsprocessen brændes polymeren af, og derefter smeltes metallet sammen ved en temperatur et godt stykke under dets smeltepunkt.

Salgsargumentet

Ifølge løfterne fra dets entusiaster vil 3-D-print reducere behovet for industrielle producenter og styrke lokale håndværksproducenter (se Forskellen mellem producenter og producenter, ). Virkeligheden er sandsynligvis meget anderledes, men ikke desto mindre dyb. Mange sektorer af industriel produktion bruger i stigende grad automatisering og avanceret software, og 3-D-printning forstærker denne igangværende overgang til digital fremstilling. På nogle måder er det ikke ulig en automatiseret bearbejdningsproces, der arbejder ud fra en digital fil for at skabe en metaldel. Det, der er anderledes ved 3-D-print, er, at det tilbyder måder at lave langt mere komplekse objekter på og fjerner mange af de begrænsninger, som produktionsprocessen sætter for designere og ingeniører.

Relateret historie

Læs næste På trods af tiltrækningen ved apps og sociale medier, gør nutidens digitale teknologier ikke meget for at skabe den form for velstand, som tidligere generationer nød, hævder en fremtrædende økonom. Men det betyder ikke, at vi skal opgive innovation.

Det kunne også inspirere producenter til at ændre deres logistik- og produktionsstrategier. For relativt små mængder varer kan 3-D-print være billigere, da det eliminerer omkostningerne forbundet med værktøj, støbning og forme, der kræves for at skære de fleste metal- og plastikgenstande ud. Den tid og de penge, der skal til for at sætte alt det op, er en af ​​grundene til, at masseproduktion ofte er påkrævet, hvis en producent skal tjene penge. Uden dette incitament til at forpligte sig til masseproduktion, kunne fabrikker ændre produktionsplaner og være mere lydhøre over for efterspørgslen og rykke endnu tættere på just-in-time produktion. John Hart, professor i maskinteknik ved MIT og medstifter af Desktop Metal, kalder det tilpasset masseproduktion. I stedet for at have store faciliteter til at fremstille et stort antal identiske dele, der skal sendes over hele verden og opbevares, kan producenterne opretholde spredte fabrikker, der fremstiller et mangfoldigt sæt af produkter, og øge produktionen efter behov. Implikationerne om et årti eller to er sandsynligvis uden for vores fantasi, siger Hart. Jeg tror ikke rigtig, vi ved, hvad vi vil gøre med disse teknologier.

For nu er udfordringen for Desktop Metal at få sit udstyr i hænderne på designere og ingeniører, der er ansvarlige for deres virksomheders næste generation af produkter. Denne vinter forberedte Fulop sig på at fremvise virksomhedens første produkt, prototypemaskinen, på en messe i Pittsburgh i begyndelsen af ​​maj. (Produktions 3-D printeren er planlagt til at være tilgængelig næste år.) Hans opgave ville være at overbevise deltagerne om, at det er afgørende for fremtiden for deres virksomheder at bruge $120.000 på Desktop Metals prototypeprinter og sintringsovn.

En af de vigtigste fordele ved 3-D-print er dens evne til at lave komplekse strukturer, herunder interne gitter i en metaldel. Sådanne strukturer kunne bruges til at lave lettere og stærkere dele.

Det er et salgsjob, som Fulop egner sig godt til. Han har startet mere end et halvt dusin virksomheder, begyndende med en, der importerede computerhardware og -software, som han grundlagde, da han var 16 og stadig bor i sit hjemland Venezuela. Han er nok bedst kendt for at have stiftet A123 Systems, et batterifirma, der var en af ​​de højest flyvende startups i slutningen af ​​2000'erne, og kulminerede med en børsnotering på 371 millioner dollars i 2009. Virksomheden var baseret på en ny lithium-ion-teknologi udviklet af Yet -Ming Chiang, en MIT-professor, som også er medstifter af Desktop Metal. Ligesom deres nuværende 3-D-print-opstart håbede A123 at anvende materialevidenskabelig ekspertise til at revolutionere et enormt marked.

Det kunne også inspirere producenter til at ændre deres logistik- og produktionsstrategier.

Selvom A123 nød hurtig vækst og en meget succesfuld børsnotering, erklærede virksomheden sig konkurs i 2012 (Fulop forlod i 2010). Spørg Fulop om lektien fra A123, og han siger ganske enkelt: Batterier er et marked med lav margin. Faktisk kæmpede A123 for at konkurrere i en stadig mere overfyldt batterivirksomhed, og den tilbød ikke en radikal nok ydeevneforbedring i forhold til etablerede lithium-ion-batterier til straks at vinde over et spirende hybridbilsmarked (se A123s teknologi var bare ikke god nok ).

Udfordringerne for Desktop Metal vil være meget forskellige. Der eksisterer allerede et stort marked for metaldele. Og startup'et mener, at dets teknologi, i det mindste på kort sigt, vil have få direkte konkurrenter. Chiang peger på startup'ets virkelig rige patentportefølje. Det er ikke kun materialerne; det er teknikkerne, det er [sintrings]ovnen, siger han. Jo sværere teknologien er, jo højere er adgangsbarrieren, du opbygger, hvis du har succes.

På sit kontor har Chiang en trækasse indeholdende et halvt dusin sværd, udlånt fra Museum of Fine Arts i Boston, som blev lavet i 1970'erne ved hjælp af traditionelle japanske teknikker. Chiang bruger sværdene i undervisningen. Lektionen: hvordan håndværkerne brugte metallurgiens hemmeligheder til at forvandle jernmalm til det endelige produkt - et ultraskarpt, let buet stålsværd. Chiang viser sværdene frem, og peger på nogle af deres detaljer og forklarer de tricks, som deres skabere brugte, såsom slukningsmetoden, der blev brugt til at skabe en ekstrem hård kant og en blødere krop. Tilbage ved sit skrivebord, med sin opmærksomhed igen på Desktop Metal, er han lige så begejstret, som han beskriver de metalgenstande, der for nylig blev trykt af virksomheden og udstillet på dets faciliteter. Det spændende er ideen om, at du virkelig kan lave disse dele, siger Chiang. Et par timer, og her er en del, som du ikke engang kunne lave før.

Det vil ikke erstatte sådanne århundredgamle produktionsteknikker som smedning og metalstøbning, men 3-D-print kan skabe nye muligheder inden for fremstilling - og måske genskabe metallurgiens kunst.

skjule