Øjeblikkelig fremstilling

En grænse for fremstillingshistorien går på tværs af fabriksgulvet på Siemens Hearing Instruments i Piscataway, NJ. På den ene side bruger dygtige teknikere støbeteknikker, præcisionsværktøjer og mange års erfaring til at fremstille akrylskallerne til høreapparater, der er modelleret ud fra silikoneaftryk fra egentlige øregange.

På den anden side af fabriksgulvet skaber to maskiner i pizzaovnstørrelse lignende skaller af nylonstøv. Inde i maskinerne scanner nåle af laserlys, styret af digitale designfiler, robotisk frem og tilbage, hvorved papirtynde lag af støv bliver til hårde plastlag. Fire timer og flere hundrede lasersweep senere er en batch af 80 høreapparatskaller færdiggjort ( se Fra støv til høreapparater, nederst ). Processen sparer timevis af menneskelig arbejdskraft og producerer høreapparater, der passer og lyder bedre end traditionelle.

Denne historie var en del af vores november 2003-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det fungerer så godt, at Siemens, verdens største producent af høreapparater, går helt over til teknologien på flere fabrikker. Hele denne proces giver os mulighed for at være mere nøjagtige og eliminere menneskelige fejl. Dette kommer til at ændre forretningen, siger William Lesiecki, direktør for software og e-business-løsninger til Siemens Hearing Instruments.

Udbening

På nogle måder er direkte fremstilling en naturlig konsekvens af det ubarmhjertige pres for at reducere den tid, det tager at flytte et produkt fra koncept, gennem design og udvikling, til kommerciel virkelighed. Da computerstøttet design og digitalt kontrollerede værktøjer begyndte at infiltrere fabrikker i 1970'erne og 1980'erne, var scenen sat for hurtig prototyping, som bruger printteknologier til at skabe tredimensionelle objekter, der fungerer som prototyper til for eksempel legetøj eller bildele. Med prototyper i hånden på kun timer - i stedet for de uger eller måneder, håndskæring og støbning, der engang fandt sted, kan designere hurtigere forfine produkter, og ingeniører kan hurtigt opdage og rette problemer.

De første hurtige prototypemaskiner brugte lasere til at binde på hinanden følgende lag af en flydende polymer - en proces kaldet stereolitografi. Senere versioner brugte en bredere række af råmaterialer, såsom pulvere, der ville smelte sammen, når de blev ramt af en laserstråle. Et andet spring kom i 1990'erne, da metoden udvidede sig ud over lasere til også at omfatte printhoveder, der spyede bindende væsker ud på pulvere, hvilket tilføjede hastighed og en endnu større variation af materialer ( se Players in Direct Manufacturing, nederst ). Samtidig blev der presset på for at udvikle disse teknologier til det punkt, at de kunne lave færdige produkter, ikke kun prototyper. I slutningen af ​​1980'erne var stereolitografi lige udkommet, og det var meget inspirerende at se, siger Emanuel Sachs, en maskiningeniør ved MIT, der udviklede printhovedmetoden. Det, jeg satte mig for, var at flytte fokus fra at lave prototyper til at skabe funktionelle dele direkte.

Det mål er nu indfriet. På en nylig dag på Therics-laboratoriet i Princeton, NJ, så to ansatte i renrumsdragter, mens en printer i bilstørrelse lavede 300 to centimeter lange bidder af erstatningskæbeknogle. En lineær række af otte printhoveder fejede hen over på hinanden følgende lag af et pulver kaldet hydroxyapatit (det vigtigste mineral i naturlig knogle), som selektivt dispenserede små dråber af en organisk bindende væske, som senere ville blive brændt ud under en ovnbehandling. Under den ubarmhjertige sekvens af dråber - 800 pr. sekund - begyndte den ellers formløse masse af pulver at tage form. U.S. Food and Drug Administration godkendte Therics knogleerstatning i slutningen af ​​maj, og selvom den endnu ikke er blevet brugt i et implantat hos mennesker, er den allerede i hænderne på kirurger, som har til hensigt at teste den snart. Som et middel til at lave erstatningsknogle har direkte fremstilling nogle fordele. Lad os sige, at et ulykkesoffer har mistet et stykke armknogle. Stykket kan rekonstrueres digitalt ved hjælp af billeder af den samme knogle på den anden arm. Derudover er udskrivningsteknologien i stand til at skabe porer, der kun er 50 mikrometer brede, hvilket gør det muligt for knoglesegmentet, når det først er implanteret, at være vært for rigtige celler, der danner ægte knogler, hvilket styrker og til sidst erstatter implantatet.

FDA's godkendelse af Therics direkte fremstillede knogleerstatning er en milepæl for fremstillingsteknologien. Faktisk forventer Ranji Vaidyanathan, en materialeforsker ved Advanced Ceramics Research i Tucson, AZ - som udvikler sine egne trykte knogleerstatninger - at direkte fremstillet knogle vil være almindelig om tre til fem år. Jeg vil sige, at det vil ændre den måde, vi ser på erstatningsknogle, siger han.

Brugerdefinerede robotter

Knogleimplantater varsler langt bredere fremtidige anvendelser, der vil følge forbedringer i hastighed, præcision og variation af råmaterialer. On Demand Manufacturing, som allerede laver plastik- og metalliske dele, håber at kunne tilbyde materialer, der kan præstere under de mest krævende forhold, herunder den ovnlignende varme fra en raketmotor. Virksomheden har udviklet superlegeringspulvere, der kan formes via direkte fremstillingsmaskiner og derefter bages til komplekse, superstærke turbinedele. Virksomheden tager nu de nødvendige skridt for at kvalificere komponenterne til brug i raketter.

Direkte fremstillingsteknologi bliver også mobil. I et træk, der en dag kan få konsekvenser for dit lokale autoværksted, udvikler den amerikanske hær mobile enheder i lastbilstørrelse, der kan fremstille reservedele baseret på digitale filer eller scanninger på stedet for køretøjer og våben lige på slagmark.

Og nogle skubber teknologien ind i robotter og elektronik, komplet med bevægelige dele. Som et første skridt eksperimenterer John Canny, Vivek Subramanian og deres kolleger ved University of California, Berkeley, med inkjet print som en metode til at forme organiske halvledere og elektroaktive materialer til smarte komponenter, der ændrer form som reaktion på en spænding . En langsigtet vision er en special-polymerrobot, der vejer mindre end et kilogram, og som kan udskrives til specifikke job, som f.eks. fastgørelse af ledninger på et trangt sted på et fly. Men Berkeley-forskernes oprindelige mål er mere beskedne; Subramanian siger, at de forventer at bygge deres første demonstrationswidget - måske en lille bevægelig joint - inden for to år.

Teknologien kan i sidste ende også gå i detailhandlen. John Wooten, general manager for On Demand Manufacturing, forestiller sig noget som en kæde af tredimensionelle Kinko'er udstyret med direkte fremstillingsudstyr, der kunne replikere stort set ethvert objekt, der kunne scannes eller defineres i en digital fil. Det er muligt at forestille sig en fyr med sin '65 Mustang og et knust vindueshåndtag, der går derhen for at få lavet et nyt håndtag, siger Wooten. På samme måde forudser Carnegie Mellon's Bourne nye muligheder inden for personlig tilpasning: mobiltelefoner, cd-afspillere og alle slags forbrugerprodukter med former og farver specificeret af kunderne.

Selvom disse detailapplikationer stadig er hypotetiske, spirer virksomheder for at betjene producenter på kontraktbasis. Virksomheder som Accelerated Technologies i Austin, TX og Met-L-Flo i Geneve, IL, accepterer digitale designfiler og laver hurtige prototyper - et koncept, der kan udvikle sig til specialudskrivningsprodukter til detailkunder. Hvis en sådan service virkelig bliver til virkelighed, vil en bilrestauratør i nabolaget, der ønsker at kopiere et lille stykke grillarbejde, eller en husejer, der kopierer gammelt tilbehør, finde det beslægtet med et digitalt Home Depot med et uendeligt virtuelt lager af tilpassede produkter.

Spillere i Direct Manufacturing
Selskab	Teknologi	Ansøgninger
3D systemer (Valencia, CA)	Selektive lasersintringsmaskiner, der bruger lasere til at binde plast- eller metalpulvere; stereolitografisystemer, der hærder flydende harpikser med lasergenereret varme	Medicinske implantater og proteser, komponenter til militærjet, høreapparater, Formel 1 racerbildele
Stratasys (Eden Prairie, MN)	Opvarmet plast udstødes af bevægelige dyser	Pumpedele og små gear
Therics (Princeton, NJ)	Tredimensionel printteknologi, hvor arrays af printhoveder sprøjter dråber af organiske bindemidler på pulvere	Knogleerstatninger med den porøsitet, der er nødvendig for celler at tage fat efter implantation
On Demand-fremstilling (Camarillo, CA)	Brugen af ​​3D Systems sintringsmaskine til at skabe højstyrkedele	Flykanalsystemer og andre specialtilpassede plast- og metaldele til rumfartsapplikationer
Siemens høreapparater (Piscataway, NJ)	Brugen af ​​3D Systems sintringsmaskine til at fremstille specialtilpassede høreapparatskaller	Høreapparatskaller
MED (Burlington, MA)	Ultrahurtig tredimensionel printer, der bruger proprietære pulvere	Geografiske modeller i fuld farve til militær planlægning

skjule