En ny dimensjon: Hvordan et oppstartsselskap omskapte presisjonsproduksjon

I samarbeid med BMF

Tradisjonell produksjon står overfor betydelige utfordringer når de får i oppgave å raskt lage små komponenter som involverer svært komplekse, små, presisjonsutformede strukturer – elementer som miniatyrkoblinger og mikrolinser for endoskoper. Alle disse delene krever høypresisjonsproduksjon for å skape en nøyaktig overflateprofil og kompliserte interne strukturer, noe som er kostbart. Nå overvinner banebrytende nano/mikro 3-D-utskriftsteknologi disse hindringene ved å tilby enklere tilpasning og raskere produksjon av disse kompliserte delene, samtidig som den svarer på den økende etterspørselen etter presisjonsproduksjon på andre felt.

Markedsforsker Technavio spår at det globale markedet for 3D-utskriftstjenester vil fortsette å vokse med 44 prosent årlig inn i 2021. Det økende behovet for presisjonsproduksjon gir også næring til veksten av presisjons-3D-utskriftstjenester. Det globale brillemarkedet, for eksempel, forventes å ha en 3,7 prosent sammensatt årlig vekstrate (CAGR) gjennom 2018, og nå 130 milliarder dollar, ifølge Transparency Market Research.

[Mange] produksjonsproblemer kan nå løses med denne nye raske og billige produksjonskapasiteten, så det potensielle markedet for nano-/mikrotrykte deler kommer akkurat til syne, sier William Plummer, seniorforsker og rådgivende styremedlem for BMF Material Technology, en Boston/Shenzhen-basert oppstartsfirma som produserer nano/mikro 3D-skrivere og materialer, samt tilpassede produkter for andre selskaper som bruker utstyret deres.

Mens kjente 3-D-utskriftsstartups som Desktop Metal og Carbon allerede har tiltrukket seg mye oppmerksomhet i markedet, fokuserer de på produksjon i større skala. Etter hvert som teknologien har avansert, har den blitt flinkere til å lage mer detaljerte og mindre komponenter.

Nano/mikro 3D-utskrift er i stand til å generere komplekse, små komponenter. Dette er den mest presise inkarnasjonen av 3D-utskriftsteknologi, og den er klar til å revolusjonere industrien for presisjonskomponenter. Nå bringer selskaper som BMF denne teknologien til et nytt nivå med skrivere som har mikrometer/nanometeroppløsning og kapasitet til å utføre høyvolumproduksjon. Det som skiller BMF, sier Plummer, er utstyrets strenghetsnivå og de unike valgene av materialer og prosesser: BMFs presisjons-3D-utskriftsteknologi kan lage små mekaniske deler, som bittesmå fjærer, spesielle elektriske koblingsformer, og til og med kompliserte og krevende enheter som hjertestenter.

Hvordan det fungerer

Få teknologiske fremskritt har fanget publikums fantasi og inspirert ingeniørkunst og kunstnerisk kreativitet i samme grad som 3D-utskrift, spesielt nano/mikro 3D-utskrift. Fra en digital fil er det mulig å lage et fysisk tredimensjonalt objekt. Selv om det ikke er en ny teknologi, har nylige fremskritt gjort det til en mer praktisk måte å lage prototyper, engangskomponenter og gjenstander som er for dyre eller vanskelige å produsere ved bruk av tradisjonelle metoder som støping og CNC (datamaskin numerisk kontroll) maskinering.

BMF bruker en teknikk kalt Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), som ligner på metoden som brukes i en videovisningsenhet i mikroskala når en serie bilder projiseres sekvensielt gjennom en reduksjonslinse for å herde lysfølsom fotopolymerharpiks. Når det reduserte bildemønsteret er fokusert på den lysfølsomme harpiksen, starter det ultrafiolette lyset herde- eller herdeprosessen - som er kjent som fotokryssbinding. Bare området som er opplyst av lyset herder og stivner til den foreskrevne 3D-formen. De projiserte lysmønstrene er definert av 3-D-bildene, som er delene av en datagenerert 3-D-modell. Kombinert med ulike etterbehandlingsteknikker kan BMF produsere et bredt spekter av produkter, inkludert elementer som keramikk og optiske linser.

Den primære forskjellen mellom nano/mikro og tradisjonell 3-D-utskrift er graden av presisjon og oppløsning muliggjort av nano/mikro 3-D-utskrift. Når denne metoden for 3D-utskrift beskrives, går oppløsningen inn i meso-, mikro- og nanonivåene (dvs. en milliarddels meter). Dette kaliberet av 3-D-utskrift kan replikere miniatyr, virkelig mikroskopiske komponenter med detaljer og presisjonsnivåer som er umulige å oppnå med typisk 3-D-utskrift.

De siste årene har 3D-utskrift nådd et punkt der forbrukere kan kjøpe en 3D-skriver for alt fra $200 til $500. Disse lavprisskriverne minner imidlertid lite med de sofistikerte nano/mikro 3D-skriverne som selskaper som BMF nå bygger og bruker til å produsere ulike komponenter.

Presisjonsproduksjon

BMF gikk inn i markedet for høyoppløselig nano/mikro 3D-utskrift i mai 2016, da det spunnet av fra Nanophotonics and 3D Nanomanufacturing Laboratory ved MIT. Selskapets teknologi er basert på samme teknologi som ble kåret til en av MIT Technology Review sine 10 banebrytende teknologier i 2014 og 2015. (Faktisk er Nicholas Fang, medgründer/sjefforsker ved BMF, en del av et ledende nano/mikro 3-D utskriftsteknologiteam som ble anerkjent av MIT Technology Review i 2015.)

BMF fokuserer på å produsere mindre presisjonskomponenter, men med de høyere volumene som kreves av industrisegmenter som medisinsk utstyr. BMFs 3D-utskriftssystem kan nå et høyt volum på grunn av den lille størrelsen på komponentene vi produserer, sier Xiaoning He, medgründer/administrerende direktør i selskapet. Små delstørrelser gjør at et stort antall komponenter kan skrives ut samtidig. For eksempel kan BMFs 3-D-skrivere produsere hundrevis av linser med en diameter på omtrent én millimeter i løpet av en time, noe som resulterer i en produksjonskapasitet på hundretusenvis av deler i året – noe som kan møte volumbehovet fra endoskopprodusenter. I tillegg kan hver enkelt del i et parti med komponenter skreddersys uavhengig av antall komponenter som produseres. Disse egenskapene kan møte volumkravene til industrikunder som trenger små presisjonskomponenter.

Innovativ teknologi

Med sin innovative tilnærming har BMF-teamet rettet seg mot den optiske industrien. Det lukrative markedet for optiske briller i Kina alene representerer 12 milliarder dollar årlig. De fleste briller er ikke virkelig tilpasset en persons behov og spesifikasjoner, men er basert på standard resepter. Kompliserte briller, som friformede linser, er dyre, sier Yi Zhen, assisterende direktør for medisinsk teknologioverføringsavdeling ved Beijing Institute of Ophthalmology, Beijing Tongren sykehus . For eksempel kan utsalgsprisen for et par personlige friformslinser [ved bruk av tradisjonell produksjon] nå så høyt som $1300.

Det menneskelige øyet er et komplekst organ, og det er ikke et perfekt optisk system. Ingen øyne er like, sier Zhen. Imidlertid produseres tradisjonelle linser av halvferdige linseemner som er fabrikkstøpt i massemengde. Personlige friformslinser har potensialet til å frigjøre brillebrukere fra de optiske kompromissene til tradisjonelle, masseproduserte linser. Tradisjonelle personlige friformslinser krever dyrt maskineri … slik at folk flest ikke har råd til det. Dermed kan de fleste pasienter ikke oppnå ideell synskorreksjon og synet blir stadig dårligere.

Beijing Tongren Hospital er det største oftalmologiske sykehuset i Kina, med rundt en million pasientbesøk i året. Ningli Wang, professor ved Beijing Tongren, og teamet hans, har sluttet seg til BMF for å produsere rimelige personlige friformslinser i henhold til hver enkelts resept. Teamet har med suksess designet og produsert en sofistikert personlig linse med følgende designfunksjoner:

• Torisk design som korrigerer astigmatisme og reduserer aberrasjoner;
• Asfærisk design som korrigerer nærsynthet og reduserer linsekanttykkelsen;
• Perifer defokusdesign som kontrollerer utviklingen av nærsynthet hos barn.

Selv om et slikt friformsobjektiv er vanskelig og dyrt å produsere tradisjonelt, tar det med BMFs teknologi bare rundt fire timer å produsere, og objektivet har en pris som ligner på en vanlig linse. Med mye lavere systemkostnader og produksjonshastighet er 3-D-printede linser satt til å revolusjonere tilbudet av spesielle brilleglass til oftalmologfaget, sier Mo Jalie, seniorforsker og rådgivende styremedlem for BMF.

BMFs teknologi kan også potensielt revolusjonere mange andre oftalmiske områder, inkludert opprettelsen av skreddersydde korrigerende kontaktlinser som hjelper pasienter med komplekse aberrasjoner etter slike problemer som en hornhinnetransplantasjon, keratokonus (en progressiv øyesykdom der den normalt runde hornhinnen forvrenges til en kjeglelignende form), og tilstander forårsaket av ytre skader. 3D-utskrift for den optiske linseindustrien er som digital utskrift for forlagsbransjen, sier Wang. Denne nye teknologien resulterer i raskere, rimeligere, mer fleksibel og nøyaktig linseproduksjon.

Nye produksjonsdimensjoner

Det er utallige andre presisjonsbrukstilfeller for nano/mikro 3D-utskrift, for eksempel hjertestenter, endoskoplinser og spesifikke elektriske kontakter, sier Xiaoning. For tiden kreves laserbearbeiding for å skjære ut den komplekse indre strukturen til hjertestenter. 3D-utskrift kan lettere generere den nødvendige strukturen, muliggjøre mer sofistikert design og dramatisk lavere kostnader sammenlignet med tradisjonelle produksjonsmetoder.

Elektriske kontakter blir også mindre og mer komplekse. Nano/mikro 3-D-utskriftsteknologi gir ingeniører verktøyene til å designe intrikate komplekse og uregelmessig utformede kontakter. Xiaoning sier at BMF også har mottatt bestillinger på mange andre områder, inkludert presisjons keramiske komponenter.

Som med all fremvoksende teknologi, blir nano/mikro 3D-utskrift mer presis, mer kapabel og rimeligere. Den kan levere større nøyaktighet til en betydelig lavere kostnad og er raskere og enklere enn tradisjonelle metoder som gir tilsvarende presisjonsnivåer.

Det verdensomspennende markedet for høypresisjonsproduserte deler er svært krevende og lukrativt. Og mye av tiden fungerer tradisjonell teknologi rett og slett ikke i det hele tatt, sier Xiaoning. Når han beskriver utfordringene med å produsere mikroskopiske komponenter, siterer han en bransjefrase: Noen ganger sier vi: 'Jo mindre, jo vanskeligere.'

For mer om nano/mikro 3D-utskriftsteknologi, besøk www.bmftec.cn

gjemme seg