En ny dimension: Hvordan en nystartet virksomhed omformede præcisionsfremstilling

I samarbejde med BMF

Traditionel fremstilling står over for betydelige udfordringer, når de får til opgave hurtigt at skabe små komponenter, der involverer meget komplekse, minutiøse, præcisionsfremstillede strukturer - elementer såsom miniaturestik og mikrolinser til endoskoper. Alle disse dele kræver højpræcisionsfremstilling for at skabe en nøjagtig overfladeprofil og komplicerede interne strukturer, hvilket er dyrt. Nu overvinder banebrydende nano/mikro 3-D printteknologi disse forhindringer ved at give enklere tilpasning og hurtigere produktion af disse komplicerede dele, samtidig med at den svarer til den voksende efterspørgsel efter præcisionsfremstilling på andre områder.

Markedsforsker Technavio forudser, at det globale marked for 3-D-printtjenester vil fortsætte med at vokse med 44 procent årligt ind i 2021. Det voksende behov for præcisionsfremstilling giver også næring til væksten af ​​præcisions-3D-printtjenester. Det globale brillemarked forventes for eksempel at have en 3,7 procent sammensat årlig vækstrate (CAGR) gennem 2018, og nå $130 milliarder, ifølge Transparency Market Research.

[Mange] produktionsproblemer kan nu løses med denne nye hurtige og billige produktionskapacitet, så det potentielle marked for nano-/mikroprintede dele er lige ved at komme til syne, siger William Plummer, seniorforsker og rådgivende bestyrelsesmedlem for BMF Material Technology, en Boston/Shenzhen-baseret startup-virksomhed, der fremstiller nano/mikro 3-D-printere og materialer samt specialfremstillede produkter til andre virksomheder, der bruger deres udstyr.

Mens velkendte 3-D print startups som Desktop Metal og Carbon allerede har tiltrukket sig stor opmærksomhed på markedet, fokuserer de på større produktion. Efterhånden som teknologien er avanceret, er den blevet dygtigere til at skabe mere detaljerede og mindre komponenter.

Nano/mikro 3D-print er i stand til at generere komplekse, små komponenter. Dette er den mest præcise inkarnation af 3-D printteknologi, og den er klar til at revolutionere fremstillingsindustrien for præcisionskomponenter. Nu bringer virksomheder som BMF denne teknologi til et nyt niveau med printere, der har mikrometer/nanometer opløsning og kapacitet til at udføre højvolumenproduktion. Det, der adskiller BMF, siger Plummer, er udstyrets rigoritetsniveau og de unikke valg af materialer og processer: BMF's præcisions 3-D printteknologi kan lave små mekaniske dele, såsom små fjedre, specielle elektriske konnektorformer og endda komplicerede og krævende enheder såsom hjertestents.

Hvordan det virker

Få teknologiske fremskridt har fanget offentlighedens fantasi og inspireret ingeniørkunst og kunstnerisk kreativitet i samme grad som 3-D-print, især nano/mikro 3-D-print. Fra en digital fil er det muligt at skabe et fysisk tredimensionelt objekt. Selvom det ikke er en ny teknologi, har de seneste fremskridt gjort det til en mere praktisk måde at skabe prototyper, engangskomponenter og genstande, der er for dyre eller svære at fremstille ved hjælp af traditionelle metoder såsom støbning og CNC-bearbejdning (computer numerisk styring).

BMF bruger en teknik kaldet Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), som ligner den metode, der anvendes i en mikroskala videovisningsenhed, når en serie billeder projiceres sekventielt gennem en reduktionslinse for at hærde lysfølsom fotopolymerharpiks. Når det reducerede billedmønster fokuseres på den lysfølsomme harpiks, starter det ultraviolette lys hærdnings- eller hærdningsprocessen - som er kendt som fototværbinding. Kun det område, der er oplyst af lyset, hærder og hærder til den foreskrevne 3-D form. De projicerede lysmønstre er defineret af 3-D-billederne, som er sektionerne af en computergenereret 3-D-model. Kombineret med forskellige efterbehandlingsteknikker kan BMF fremstille en bred vifte af produkter, herunder emner som keramik og optiske linser.

Den primære forskel mellem nano/mikro- og traditionel 3-D-print er graden af ​​præcision og opløsning, der er muliggjort af nano/mikro 3-D-print. Når denne metode til 3-D-print beskrives, går opløsningen ind i meso-, mikro- og nano-niveauerne (dvs. en milliardtedel af en meter). Denne kaliber af 3-D-print kan replikere miniature, virkelig mikroskopiske komponenter på detaljeringsniveauer og præcisionsniveauer, som er umulige at opnå med typisk 3-D-print.

I de seneste år har 3-D-print nået det punkt, hvor forbrugerne kan købe en 3-D-printer for alt fra $200 til $500. Disse low-end printere minder dog meget om de sofistikerede nano/mikro 3D-printere, som virksomheder som BMF nu bygger og bruger til fremstilling af forskellige komponenter.

Præcisionsfremstilling

BMF trådte ind på markedet for højopløsnings nano/mikro 3D-print i maj 2016, da det udsprang fra Nanophotonics and 3D Nanomanufacturing Laboratory ved MIT. Virksomhedens teknologi er baseret på den samme teknologi, som blev kåret til en af MIT Technology Review s 10 banebrydende teknologier i 2014 og 2015. (Faktisk er Nicholas Fang, medstifter/chefforsker hos BMF, en del af et førende nano/mikro 3-D printteknologihold, der blev anerkendt af MIT Technology Review i 2015.)

BMF fokuserer på at fremstille mindre præcisionskomponenter, men alligevel på de højere volumener, der kræves af industrisegmenter såsom medicinsk udstyr. BMFs 3-D printsystem kan nå et højt volumen på grund af den lille størrelse af de komponenter, vi fremstiller, siger Xiaoning He, medstifter/CEO af virksomheden. Små delstørrelser gør det muligt at udskrive et stort antal komponenter samtidigt. For eksempel kan BMF's 3-D-printere fremstille hundredvis af linser med en diameter på omkring en millimeter inden for en time, hvilket resulterer i en produktionskapacitet på hundredtusindvis af stykker om året - hvilket kan imødekomme volumenbehovet fra endoskopproducenter. Derudover kan hver enkelt del i et parti af komponenter specialfremstilles uanset antallet af komponenter, der fremstilles. Disse egenskaber kan opfylde volumenkravene fra industrielle kunder, der har brug for små præcisionskomponenter.

Innovativ teknologi

Med sin innovative tilgang har BMF-teamet målrettet den optiske industri. Alene det lukrative marked for optiske briller i Kina repræsenterer 12 milliarder dollars årligt. De fleste briller er ikke virkelig tilpassede til en persons behov og specifikationer, men er baseret på standardrecepter. Komplicerede briller, såsom fritformede linser, er dyre, siger Yi Zhen, vicedirektør for afdelingen for medicinsk teknologioverførsel ved Beijing Institute of Ophthalmology, Beijing Tongren Hospital . For eksempel kan udsalgsprisen for et par personlige friformslinser [ved brug af traditionel fremstilling] nå op på 1.300 USD.

Det menneskelige øje er et komplekst organ, og det er ikke et perfekt optisk system. Ikke to øjne er ens, siger Zhen. Men traditionelle linser er fremstillet af halvfærdige linseemner, der er fabriksstøbt i massemængde. Personlige friformslinser har potentialet til at befri brillebrugere fra de optiske kompromiser fra traditionelle, masseproducerede linser. Traditionelle personlige friformslinser kræver dyre maskiner … så de fleste mennesker har ikke råd til det. De fleste patienter kan således ikke opnå ideel synskorrektion, og deres syn bliver ved med at forværres.

Beijing Tongren Hospital er det største oftalmologiske hospital i Kina med omkring en million patientbesøg om året. Ningli Wang, professor ved Beijing Tongren, og hans team er gået sammen med BMF for at producere billige personlige friformslinser i henhold til hver enkelts recept. Teamet har med succes designet og fremstillet en sofistikeret personlig linse med følgende designfunktioner:

• Torisk design, der korrigerer astigmatisme og reducerer aberrationer;
• Asfærisk design, der korrigerer nærsynethed og reducerer linsens kanttykkelse;
• Perifer defokus design, der styrer udviklingen af ​​nærsynethed hos børn.

Selvom et sådant friformsobjektiv er vanskeligt og dyrt at fremstille traditionelt, tager det med BMFs teknologi kun omkring fire timer at blive fremstillet, og objektivet har en pris, der svarer til en almindelig linse. Med meget lavere systemomkostninger og produktionshastighed er 3-D printede linser klar til at revolutionere leveringen af ​​specielle brilleglas til øjenfaget, siger Mo Jalie, seniorforsker og rådgivende bestyrelsesmedlem for BMF.

BMFs teknologi kan også potentielt revolutionere mange andre oftalmiske områder, herunder skabelsen af ​​specialfremstillede korrigerende kontaktlinser, der hjælper patienter med komplekse aberrationer efter sådanne problemer som en hornhindetransplantation, keratokonus (en progressiv øjensygdom, hvor den normalt runde hornhinde forvrænges til en keglelignende form) og tilstande forårsaget af ydre skader. 3-D-print til den optiske linseindustri er som digital print for forlagsbranchen, siger Wang. Denne nye teknologi resulterer i hurtigere, billigere, mere fleksibel og præcis linseproduktion.

Nye produktionsdimensioner

Der er utallige andre præcisionsbrug til nano/mikro 3-D-print, såsom hjertestents, endoskoplinser og specifikke elektriske stik, siger Xiaoning. I øjeblikket er laserbearbejdning påkrævet for at udskille den komplekse indre struktur af hjertestents. 3D-print kan nemmere generere den nødvendige struktur, muliggøre mere sofistikerede designs og dramatisk lavere omkostninger sammenlignet med traditionelle fremstillingsmetoder.

Elektriske stik bliver også mindre og mere komplekse. Nano/mikro 3-D printteknologi giver ingeniører værktøjerne til at designe indviklet komplekse og uregelmæssigt formede konnektorer. Xiaoning siger, at BMF også har modtaget ordrer på mange andre områder, herunder præcisionskeramiske komponenter.

Som med enhver ny teknologi bliver nano/mikro 3D-printning mere præcis, mere dygtig og billigere. Det kan levere større nøjagtighed til en betydeligt lavere pris og er hurtigere og enklere end traditionelle metoder, der giver tilsvarende præcisionsniveauer.

Det verdensomspændende marked for meget præcisionsfremstillede dele er meget krævende og lukrativt. Og meget af tiden virker traditionel teknologi simpelthen slet ikke, siger Xiaoning. Når han beskriver udfordringerne ved at fremstille mikroskopiske komponenter, citerer han en industrisætning: Nogle gange siger vi: 'Jo mindre, jo sværere'.

For mere om nano/mikro 3-D printteknologi, besøg www.bmftec.cn

skjule