3D-skriveren som endelig kan endre produksjonen

Desktop Metal tror maskinene deres vil gi designere og produsenter en praktisk og rimelig måte å skrive ut metalldeler på. Av

• David Rotman arkivside

25. april 2017

Grant Cornett

Det er mindre enn to måneder før selskapets første produktlansering, og administrerende direktør Ric Fulop viser begeistret frem rader med avkledde 3D-printere, flere store mikrobølgeovner og diverse små metallgjenstander på et bord for utstilling. Bak en lukket dør sitter et team av industridesignere rundt et felles skrivebord, hver vendt mot en stor skjerm. Veggen bak dem er belagt med ulike mulige utseende for oppstartens ambisiøse produkter: 3D-skrivere som kan produsere metalldeler billig og raskt nok til å gjøre teknologien praktisk for utbredt bruk i produktdesign og produksjon.

Selskapet, Desktop Metal, har samlet inn nesten 100 millioner dollar fra ledende venturekapitalfirmaer og venture-enhetene til selskaper som General Electric, BMW og Alphabet. Grunnleggerne inkluderer fire fremtredende MIT-professorer, inkludert lederen av skolens avdeling for materialvitenskap og Emanuel Sachs, som sendte inn et av de originale patentene på 3D-utskrift i 1989. Likevel, til tross for alle pengene og ekspertisen, er det ingen garanti for at selskapet vil lykkes i målet om å gjenoppfinne hvordan vi lager metalldeler – og dermed transformere mye av produksjonen.

Denne historien var en del av vår mai 2017-utgave

• Se resten av saken
• Abonnere

Mens Fulop beveger seg rundt i det store, åpne arbeidsområdet, virker hans spenning og entusiasme dempet av angst. De endelige kommersielle trykkeriene er ennå ikke klare. Ansatte er opptatt med å fikse på maskinene, og fabrikkerte testobjekter ligger spredt rundt. Det gjøres fremskritt, men det er også tydelig at klokken tikker. I et hjørne nær inngangsdøren og inngangspartiet er gulvet tomt og tapet av; snart må plassen fylles med en mockup av selskapets planlagte stand for en kommende messe.

Hvis det lykkes, vil Desktop Metal bidra til å løse en skremmende utfordring som har unngått utviklere av 3-D-utskrift i mer enn tre tiår, noe som sterkt begrenser teknologiens innvirkning. Faktisk, til tross for betydelig fanfare og evangeliske entusiaster, har 3D-utskrift på mange måter vært en skuffelse.

Hobbyister og selverklærte produsenter kan bruke relativt rimelige 3D-skrivere til å lage fantastiske komplekse og geniale former av plast. Og noen designere og ingeniører har funnet disse maskinene nyttige for å etterligne potensielle produkter, men utskrift av polymerdeler har ikke vært brukt på produksjonsgulvet i annet enn noen få spesialiserte produkter, for eksempel tilpassede høreapparater og tannimplantater.

Selv om det er mulig
3-D-print metaller, det er vanskelig og kostbart å gjøre det.

Selv om det er mulig å 3D-printe metaller, er det vanskelig og kostbart å gjøre det. Avanserte produksjonsbedrifter som GE bruker svært kostbare maskiner med spesialiserte høyeffektlasere for å lage noen få deler av høy verdi (se Additive Manufacturing i vår 10 Breakthrough Technologies-liste fra 2013). Men utskrift av metaller er begrenset til selskaper som har millioner å bruke på utstyret, fasiliteter for å drive laserne og høyt kvalifiserte teknikere til å kjøre alt. Og det er fortsatt ikke noe lett tilgjengelig alternativ for de som ønsker å skrive ut ulike iterasjoner av en metalldel under prosessen med produktdesign og utvikling.

En hydraulisk manifold behandles inne i en mikrobølgeovn, som bruker temperaturer opp til 1400 °C for å sintre ståldelen. En slik del er for kompleks å lage med konvensjonelle metoder.

Manglene ved 3D-utskrift betyr at visjonen som lenge har begeistret sine talsmenn forblir unnvikende. De ønsker å lage et digitalt design, skrive ut prototyper som de kan teste og foredle, og deretter bruke den digitale filen til den optimaliserte versjonen til å lage et kommersielt produkt eller en del av det samme materialet når de trykker på lag på en 3-D skriver. Å ha en rimelig og rask måte å skrive ut metalldeler på vil være et viktig skritt for å gjøre denne visjonen til virkelighet.

Det vil gi designere mer frihet, slik at de kan lage og teste deler og enheter med komplekse former som ikke enkelt kan lages med noen annen produksjonsmetode - for eksempel et intrikat aluminiumsgitter eller en metallgjenstand med indre hulrom. Det kan til slutt gjøre det mulig for ingeniører og materialforskere å lage deler med nye funksjoner og egenskaper ved å deponere ulike kombinasjoner av materialer - for eksempel å skrive ut et magnetisk metall ved siden av et ikke-magnetisk. Utover det ville det redefinere økonomien ved masseproduksjon, fordi kostnaden for å trykke noe ville være den samme uavhengig av hvor mange gjenstander som ble produsert. Det ville endre hvordan produsenter tenker på størrelsen på fabrikker, behovet for reservelager (hvorfor holde mange deler på lager hvis du enkelt og raskt kan skrive ut en?), og prosessen med å skreddersy produksjonen til spesialiserte produkter.

Dette er grunnen til at det har vært et kappløp for å gjøre 3D-utskrift til en ny måte å produsere deler på. Mangeårige leverandører av 3D-skrivere, inkludert Stratasys og 3D Systems, introduserer stadig mer avanserte maskiner som er raske nok for produsenter å bruke. I fjor introduserte HP en linje med 3D-skrivere som selskapet sier vil tillate produsenter å prototyper og lage produkter med nylon, en mye brukt termoplast. Og i fjor høst brukte GE over en milliard dollar på et par europeiske selskaper som spesialiserer seg på 3D-printing av metalldeler.

Denne stålpropellen har nettopp blitt trykket. Mellom propellens blader og metallstøtten er en tynn linje med keramikk, som vil bli til sand under sintringsprosessen, slik at den ferdige delen lett kan skilles fra støtten.

Propellen etter bearbeiding gir et eksempel på en høyytelsesdel som kan lages med 3D-utskrift. Ingeniører kan bruke metoden til å prototype og optimalisere ulike design.

Men den virkelige konkurransen om Desktop Metal er sannsynligvis ikke fra det økende antallet selskaper innen 3-D-utskrift. For det første bruker 3D-skriverne fra HP, Stratasys (en investor i Desktop Metal) og 3D Systems hovedsakelig ulike typer plast, ikke utvalget av metaller Fulops selskap ønsker å bruke i sine skrivere. Og GEs avanserte maskiner overlapper lite med Desktop Metals markedsambisjoner. I stedet er det mer sannsynlig at de virkelige konkurrentene for Desktop Metal er etablerte metallbehandlingsteknologier. Disse inkluderer automatiserte maskineringsteknikker - som metoden som brukes til å lage det ultratynne aluminiumsdekselet på iPhones - og en raskt voksende praksis kalt metallsprøytestøping, en vanlig måte å masseprodusere metallprodukter.

Nøkkelspillere innen 3D-utskrift

• Bedrift: Stratasys

  Teknologi: En av de originale 3-D-utskriftsselskapene, Stratasys ble grunnlagt av Scott Crumb, oppfinneren av fused deposition modellering, den vanligste måten å skrive ut plastdeler på.
  Produkter: Selger maskiner som kan trykke en rekke fotopolymer- og termoplastmaterialer.

• Bedrift: Carbon

  Teknologi: Denne oppstarten i Silicon Valley har utviklet en ny fotokjemisk prosess for å lage deler av forskjellige plaster, inkludert polyuretan og epoksy.
  Produkter: Introduserte et modulsystem for produsenter i vår.

• Firma: HP

  Teknologi: Linjen av maskiner utnytter selskapets lange historie med blekkstråleutskrift gjennom det den kaller multijet-fusjonsteknologi. Dette bruker flere dyser for høyhastighets og høyoppløselig utskrift.
  Produkter: Introduserte sine første 3D-skrivere i fjor. De første maskinene skriver ut nylon, men selskapet ønsker å utvide til andre materialer.

• Bedrift: 3D Systems

  Teknologi: Det første 3-D-utskriftsselskapet, 3D Systems, ble grunnlagt av Chuck Hull, oppfinneren av stereolitografi, som bruker lys til å danne deler av fotopolymerer. Den tilbyr nå ulike typer 3D-skrivere, inkludert noen som skriver ut metalldeler.
  Produkter: Introduserte den siste iterasjonen av stereolitografi i fjor.

Med andre ord, i stedet for bare å prøve å overgå andre 3-D-skrivere, vil Desktop Metal ha den tøffe oppgaven å konvertere produsenter bort fra produksjonsmetoder som er kjernen i deres virksomhet. Men selve eksistensen av dette store, etablerte markedet er det som gjør prospektet så spennende. Å lage metalldeler, sier Fulop, er en trillion-dollar industri. Og selv om 3D-utskrift vinner bare en liten del av det, legger han til, kan det fortsatt representere en mulighet for flere milliarder dollar.

For varmt til å skrive ut

Se deg rundt. Metaller er overalt. Men mens 3-D-utskrift har blitt mye brukt til å lage plast, har teknologiens bruk for å lage metalldeler vært begrenset, sier Chris Schuh, leder for materialvitenskap og ingeniørfag ved MIT og medgründer av Desktop Metal. Metallbearbeiding er mer en kunst. Det er en veldig utfordrende plass.

Å lage metallgjenstander ved hjelp av 3D-utskrift er vanskelig av flere grunner. Mest åpenbart er den høye temperaturen som kreves for å behandle metaller. Den vanligste måten å trykke plast på er å varme opp polymerer og sprute materialet ut av skriverdysen; plasten stivner deretter raskt til ønsket form. Prosessen er enkel nok til å brukes i 3D-skrivere som selger for rundt 1000 dollar. Men å bygge en 3D-skriver som direkte ekstruderer metaller er ikke praktisk, gitt at aluminium smelter ved 660 °C, høykarbonstål ved 1370 °C og titan ved 1668 °C. Metalldeler må også gjennom flere høytemperaturprosesser for å sikre forventet styrke og andre mekaniske egenskaper.

For å lage en 3D-skriver rask nok til å brukes i produksjon av metallgjenstander, vendte Desktop Metal seg til en teknologi som dateres tilbake til slutten av 1980-tallet. Det var da et team av MIT-ingeniører ledet av selskapets medgründer Sachs søkte patent på tredimensjonale trykkteknikker . Den beskrev en prosess med å legge ned et tynt lag med metallpulver og deretter bruke blekkstråleutskrift for å avsette en væske som selektivt binder pulveret sammen. Prosessen, som gjentas i hundrevis eller tusenvis av lag for å definere en metalldel, kan lage de med nesten ubegrenset geometrisk kompleksitet. I den vanligste anvendelsen av teknologien fungerer bindemiddelet som et lim. Imidlertid kan den også brukes til å lokalt deponere forskjellige materialer på forskjellige steder.

MIT-forskerne visste at deres utskriftsmetode kunne brukes til å lage metall- og keramiske deler, sier Sachs. Men de visste også at det gikk for sakte til å være praktisk, og metallpulveret som kreves for prosessen var alt for dyrt på den tiden. Sachs henvendte seg til andre forskningsinteresser, inkludert et forsøk på å forbedre produksjonen av solceller (se Praying for an Energy Miracle, ). I løpet av de neste tiårene tok 3D-utskrift fart og fanget fantasien til mange produktdesignere. Mest kjent er det at en billig og brukervennlig 3D-skriver fra MakerBot ble introdusert i 2009, og appellerte til mange selvutformede oppfinnere og tinkerer. Men disse rimelige skriverne møtte realiteten at de var begrenset til å bruke noen få billig plast. Dessuten, selv om maskinene kan skrive ut komplekse former, er sluttproduktet ofte ikke like bra som en plastdel laget med konvensjonell teknologi.

Nærbilde av vingemutter.

Desktop Metal trykket bolten og vingemutteren separat for å demonstrere at den kan lage deler med stramme toleranser.

I mellomtiden var forskere ved industrielle produsenter som GE opptatt med å fremme laserbaserte teknologier som ble oppfunnet på slutten av 1980-tallet for utskrift av metaller. Disse maskinene bruker lasere - eller i noen tilfeller høyeffekts elektronstråler - for å tegne former i et lag med metallpulver ved å smelte materialet. De gjentar prosessen for å bygge opp et tredimensjonalt objekt ut av de smeltede pulverene. Teknikken er imponerende i sine evner, men den er treg og dyr. Det lønner seg bare for deler med ekstremt høy verdi som er for komplekse til å lage med andre metoder. Spesielt bruker GEs nye jetmotor en serie sofistikerte 3D-printede drivstoffdyser; de er lettere og langt mer holdbare fordi intrikate kjølekanaler er bygget inn i dem.

Grunnleggerne av Desktop Metal bestemte at for å gjøre 3D-metallutskrift mer tilgjengelig, måtte de selge to forskjellige typer maskiner: en relativt rimelig skrivebordsmodell som passer for designere og ingeniører som lager prototyper, og en som er rask og stor nok for produsenter. Heldigvis har flere nyvinninger endelig gjort Sachs sin originale oppfinnelse praktisk for masseproduksjon, inkludert utviklingen av svært høyhastighets blekkstråleutskrift for deponering av bindemiddelet. Etterfølgende utskrift av omtrent 1500 lag, hver 50 mikrometer tykk og avsatt på noen få sekunder, kan skriveren i produksjonsskala bygge opp en 500 kubikktommers del på en time. Det er omtrent 100 ganger raskere enn en laserbasert 3D-skriver kan lage metalldeler.

For sin prototypemaskin tok Desktop Metal i bruk en metode fra plastbasert 3D-utskrift. Men i stedet for en myknet polymer, bruker den metallpulver blandet med et flytbart polymerbindemiddel. Formuleringen ekstruderes ved å bruke det trykte bindemiddelet for å klumpe metallpulveret til de tiltenkte formene.

Uansett om delen er trykt med prototypemaskinen eller produksjonsmodellen, mangler den resulterende gjenstanden – dels plastbinder og del metall – styrken til en metall. Så det går inn i en spesialdesignet mikrobølgeovn for sintring, en prosess for å bruke varme for å gjøre materialet tettere, og produsere en del med de ønskede egenskapene. I en serie nøye kalibrerte trinn under sintringsprosessen, brennes polymeren av, og deretter smeltes metallet sammen ved en temperatur godt under smeltepunktet.

Salgsargumentet

I henhold til løftene fra entusiastene vil 3D-utskrift redusere behovet for industrielle produsenter og styrke lokale håndverksprodusenter (se Forskjellen mellom produsenter og produsenter, ). Virkeligheten er sannsynligvis en helt annen, men ikke desto mindre dyp. Mange sektorer innen industriell produksjon bruker i økende grad automatisering og avansert programvare, og 3D-utskrift forbedrer denne pågående overgangen til digital produksjon. På noen måter er det ikke ulikt en automatisert maskineringsprosess som arbeider av en digital fil for å lage en metalldel. Det som er annerledes med 3D-utskrift er at det tilbyr måter å lage langt mer komplekse objekter på og fjerner mange av begrensningene som produksjonsprosessen setter på designere og ingeniører.

Relatert historie

Les neste Til tross for lokket med apper og sosiale medier, gjør dagens digitale teknologier lite for å generere den typen velstand som tidligere generasjoner likte, hevder en fremtredende økonom. Men det betyr ikke at vi skal gi opp innovasjon.

Det kan også inspirere produsenter til å endre logistikk- og produksjonsstrategier. For relativt små mengder varer kan 3D-utskrift være billigere, siden det eliminerer kostnadene forbundet med verktøyet, støpingen og formene som kreves for å churne ut de fleste metall- og plastgjenstander. Tiden og pengene som trengs for å sette opp alt dette er en grunn til at masseproduksjon ofte kreves hvis en produsent skal tjene penger. Uten dette insentivet til å forplikte seg til masseskalaproduksjon, kan fabrikker endre produksjonsplaner og være mer lydhøre for etterspørselen, og flytte enda nærmere just-in-time produksjon. John Hart, professor i maskinteknikk ved MIT og medgründer av Desktop Metal, kaller det tilpasset masseproduksjon. I stedet for å ha store anlegg til å lage et stort antall identiske deler som må sendes over hele verden og lagres, kan produsenter opprettholde spredte fabrikker som lager et mangfoldig sett med produkter, og øke produksjonen etter behov. Implikasjonene om et tiår eller to er sannsynligvis utenfor vår fantasi, sier Hart. Jeg tror egentlig ikke vi vet hva vi skal gjøre med disse teknologiene.

Foreløpig er utfordringen for Desktop Metal å få utstyret sitt i hendene på designere og ingeniører som er ansvarlige for selskapets neste generasjon produkter. Denne vinteren forberedte Fulop seg på å vise frem selskapets første produkt, prototypemaskinen, på en messe i Pittsburgh i begynnelsen av mai. (Produksjons-3D-skriveren er planlagt å være tilgjengelig neste år.) Hans oppgave ville være å overbevise deltakerne om at det å bruke $120 000 på Desktop Metals prototypeskriver og sintringsovn er avgjørende for fremtiden til deres selskaper.

En av de viktigste fordelene med 3D-utskrift er dens evne til å lage komplekse strukturer, inkludert interne gitter i en metalldel. Slike strukturer kan brukes til å lage lettere og sterkere deler.

Det er en salgsjobb som Fulop egner seg godt til. Han har startet mer enn et halvt dusin selskaper, og begynte med en som importerte maskinvare og programvare som han grunnla da han var 16 og fortsatt bor i hjemlandet Venezuela. Han er sannsynligvis mest kjent for å grunnlegge A123 Systems, et batteriselskap som var en av de høyest flygende startups på slutten av 2000-tallet, og kulminerte med en børsnotering på 371 millioner dollar i 2009. Selskapet var basert på en ny litiumion-teknologi utviklet av Yet -Ming Chiang, en MIT-professor som også er en av grunnleggerne av Desktop Metal. I likhet med deres nåværende 3-D-utskriftsoppstart, håpet A123 å bruke materialvitenskapelig ekspertise for å revolusjonere et enormt marked.

Det kan også inspirere produsenter til å endre logistikk- og produksjonsstrategier.

Selv om A123 nøt rask vekst og en svært vellykket børsnotering, erklærte selskapet seg konkurs i 2012 (Fulop sluttet i 2010). Spør Fulop leksjonen fra A123, og han sier enkelt: Batterier er et marked med lav margin. Faktisk slet A123 med å konkurrere i en stadig mer overfylt batterivirksomhet, og den ga ikke en radikal nok ytelsesforbedring i forhold til etablerte litium-ion-batterier til umiddelbart å vinne over et voksende hybridbilmarked (se A123s teknologi var bare ikke god nok ).

Utfordringene for Desktop Metal vil være svært forskjellige. Et stort marked for metalldeler eksisterer allerede. Og oppstarten tror teknologien deres, i det minste på kort sikt, vil ha få direkte konkurrenter. Chiang peker på oppstartens virkelig rike patentportefølje. Det er ikke bare materialene; det er teknikkene, det er [sintrings]ovnen, sier han. Jo vanskeligere teknologien er, desto høyere er etableringsbarrieren du bygger hvis du lykkes.

På kontoret sitt har Chiang en treboks som inneholder et halvt dusin sverd, utlånt fra Museum of Fine Arts i Boston, som ble laget på 1970-tallet med tradisjonelle japanske teknikker. Chiang bruker sverdene i undervisningen. Leksjonen: hvordan håndverkerne brukte metallurgiens hemmeligheter for å gjøre jernmalm til sluttproduktet – et ultraskarpt, lett buet stålsverd. Chiang viser frem sverdene og peker på noen av detaljene deres, og forklarer triksene deres skapere brukte, for eksempel slukkemetoden som ble brukt for å lage en ekstremt hard kant og en mykere kropp. Tilbake ved skrivebordet, med oppmerksomhet igjen på Desktop Metal, er han like entusiastisk som han beskriver metallgjenstandene som nylig ble skrevet ut av selskapet og utstilt på dets anlegg. Det som er spennende er ideen om at du virkelig kan lage disse delene, sier Chiang. Noen timer, og her er en del du ikke en gang kunne lage før.

Det vil ikke erstatte slike århundregamle produksjonsteknikker som smiing og metallstøping, men 3-D-utskrift kan skape nye muligheter innen produksjon – og kanskje omforme metallurgikunsten.

gjemme seg