De 3D-printer die de productie eindelijk zou kunnen veranderen

Desktop Metal denkt dat zijn machines ontwerpers en fabrikanten een praktische en betaalbare manier zullen bieden om metalen onderdelen te printen. Door

• David Rotman archiefpagina

25 april 2017

Grant Cornett

Het is minder dan twee maanden voor de eerste productlancering van zijn bedrijf, en CEO Ric Fulop pronkt opgewonden met rijen uitgeklede 3D-printers, verschillende omvangrijke magnetronovens en diverse kleine metalen voorwerpen op een tafel voor weergave. Achter een gesloten deur zit een team van industrieel ontwerpers rond een gedeeld bureau, elk met uitzicht op een groot scherm. De muur erachter is behangen met verschillende mogelijke looks voor de ambitieuze producten van de startup: 3D-printers die metalen onderdelen goedkoop en snel genoeg kunnen fabriceren om de technologie praktisch te maken voor wijdverbreid gebruik in productontwerp en productie.

Het bedrijf, Desktop Metal, heeft bijna $ 100 miljoen opgehaald bij toonaangevende durfkapitaalbedrijven en de venture-eenheden van bedrijven als General Electric, BMW en Alphabet. Tot de oprichters behoren vier prominente MIT-professoren, waaronder het hoofd van de afdeling materiaalkunde van de school en Emanuel Sachs, die in 1989 een van de oorspronkelijke patenten op 3D-printen indiende. Ondanks al het geld en de expertise is er geen garantie dat de bedrijf zal slagen in zijn doel om opnieuw uit te vinden hoe we metalen onderdelen maken - en zo een groot deel van de productie te transformeren.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2017

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Terwijl Fulop door de grote, open werkruimte beweegt, lijken zijn opwinding en enthousiasme getemperd door angst. De laatste commerciële drukkers zijn nog niet klaar. Medewerkers zijn druk aan het sleutelen aan de machines en gefabriceerde testobjecten liggen verspreid. Er wordt vooruitgang geboekt, maar het is ook duidelijk dat de klok tikt. In een hoek bij de voordeur en entree is de vloer leeg en afgeplakt; binnenkort moet de ruimte worden gevuld met een mock-up van de geplande stand van het bedrijf voor een aanstaande beurs.

Als het lukt, zal Desktop Metal helpen bij het oplossen van een enorme uitdaging die ontwikkelaars van 3D-printen al meer dan drie decennia is ontgaan, waardoor de impact van de technologie ernstig wordt beperkt. Ondanks veel fanfare en evangelische enthousiasten, is 3D-printen in veel opzichten een teleurstelling geweest.

Hobbyisten en zelfverklaarde makers kunnen met relatief goedkope 3D-printers wonderbaarlijk complexe en ingenieuze vormen van plastic maken. En sommige ontwerpers en ingenieurs hebben die machines nuttig gevonden bij het spotten van potentiële producten, maar het printen van polymeeronderdelen heeft op de productievloer weinig nut gevonden in allesbehalve een paar gespecialiseerde producten, zoals op maat gemaakte hoortoestellen en tandheelkundige implantaten.

Hoewel het mogelijk is om
3D-geprinte metalen, dit is moeilijk en prijzig.

Hoewel het mogelijk is om metalen in 3D te printen, is dit moeilijk en duur. Geavanceerde productiebedrijven zoals GE gebruiken zeer dure machines met gespecialiseerde high-power lasers om een ​​paar hoogwaardige onderdelen te maken (zie Additive Manufacturing in onze 10 Breakthrough Technologies-lijst van 2013). Maar het printen van metalen is beperkt tot bedrijven die miljoenen te besteden hebben aan de apparatuur, faciliteiten om de lasers aan te drijven en hoogopgeleide technici om alles uit te voeren. En er is nog steeds geen direct beschikbare optie voor diegenen die verschillende iteraties van een metalen onderdeel willen printen tijdens het proces van productontwerp en -ontwikkeling.

Een hydraulisch verdeelstuk wordt verwerkt in een microgolfoven, die temperaturen tot 1400 ° C gebruikt om het stalen onderdeel te sinteren. Zo'n onderdeel is te complex om met conventionele methoden te maken.

De tekortkomingen van 3D-printen betekenen dat de visie die zijn voorstanders al lang heeft opgewonden, ongrijpbaar blijft. Ze willen een digitaal ontwerp maken, prototypes afdrukken die ze kunnen testen en verfijnen, en vervolgens het digitale bestand van de geoptimaliseerde versie gebruiken om een ​​commercieel product of onderdeel van hetzelfde materiaal te maken wanneer ze op maken op een 3D klikken. printer. Het hebben van een betaalbare en snelle manier om metalen onderdelen te printen zou een belangrijke stap zijn om deze visie te realiseren.

Het zou ontwerpers meer vrijheid geven, waardoor ze onderdelen en apparaten met complexe vormen kunnen maken en testen die niet gemakkelijk kunnen worden gemaakt met een andere productiemethode, bijvoorbeeld een ingewikkeld aluminium rooster of een metalen voorwerp met interne holtes. Het zou uiteindelijk ingenieurs en materiaalwetenschappers in staat kunnen stellen onderdelen met nieuwe functies en eigenschappen te maken door verschillende combinaties van materialen te deponeren, bijvoorbeeld door een magnetisch metaal naast een niet-magnetisch metaal af te drukken. Bovendien zou het de economie van massaproductie opnieuw definiëren, omdat de kosten van het afdrukken van iets hetzelfde zouden zijn, ongeacht het aantal geproduceerde items. Dat zou de manier waarop fabrikanten denken over de grootte van fabrieken, de behoefte aan reservevoorraad (waarom veel onderdelen op voorraad houden als je er eenvoudig en snel een kunt afdrukken?) veranderen, en het proces van het afstemmen van de productie op gespecialiseerde producten.

Dit is de reden waarom er een race is geweest om 3D-printen om te zetten in een nieuwe manier om onderdelen te produceren. Oude leveranciers van 3D-printers, waaronder Stratasys en 3D Systems, introduceren steeds geavanceerdere machines die snel genoeg zijn voor fabrikanten om te gebruiken. Vorig jaar introduceerde HP een lijn van 3D-printers waarvan het bedrijf zegt dat ze fabrikanten in staat zullen stellen prototypen te maken en producten te maken met nylon, een veelgebruikte thermoplast. En afgelopen herfst gaf GE meer dan een miljard dollar uit aan een paar Europese bedrijven die gespecialiseerd zijn in 3D-printen van metalen onderdelen.

Deze stalen propeller is zojuist geprint. Tussen de propellerbladen en de metalen steun bevindt zich een dunne lijn van keramiek, die tijdens het sinterproces in zand verandert, waardoor het voltooide onderdeel gemakkelijk van de steun kan worden gescheiden.

De propeller na bewerking geeft een voorbeeld van een high-performance onderdeel dat gemaakt kan worden met 3D-printen. Ingenieurs kunnen de methode gebruiken om verschillende ontwerpen te prototypen en te optimaliseren.

Maar de echte concurrentie voor Desktop Metal komt waarschijnlijk niet van het groeiende aantal bedrijven in 3D-printen. Om te beginnen gebruiken de 3D-printers van HP, Stratasys (een investeerder in Desktop Metal) en 3D Systems voornamelijk verschillende soorten kunststoffen, niet de reeks metalen die het bedrijf van Fulop in zijn printers wil gebruiken. En de high-end machines van GE overlappen weinig met de marktambities van Desktop Metal. In plaats daarvan zijn de echte concurrenten voor Desktop Metal eerder gevestigde metaalverwerkingstechnologieën. Deze omvatten geautomatiseerde bewerkingstechnieken - zoals de methode die wordt gebruikt om de ultradunne aluminium achterkant van iPhones te maken - en een snelgroeiende praktijk genaamd metaalspuitgieten, een gebruikelijke manier om metalen producten in massa te produceren.

Sleutelspelers in 3D-printen

• Bedrijf: Stratasys

  Technologie: Stratasys, een van de oorspronkelijke 3D-printbedrijven, werd opgericht door Scott Crumb, de uitvinder van fused deposition-modellering, de meest gebruikelijke manier om plastic onderdelen te printen.
  Producten: Verkoopt machines die een verscheidenheid aan fotopolymeer- en thermoplastische materialen kunnen printen.

• Bedrijf: Carbon

  Technologie: Deze startup in Silicon Valley heeft een nieuw fotochemisch proces ontwikkeld voor het vervaardigen van onderdelen uit verschillende kunststoffen, waaronder polyurethaan en epoxy.
  Producten: Dit voorjaar een modulair systeem geïntroduceerd voor fabrikanten.

• Bedrijf: HP

  Technologie: De lijn van machines maakt gebruik van de lange geschiedenis van het bedrijf met inkjetprinten door middel van wat het multijet-fusietechnologie noemt. Dit maakt gebruik van meerdere spuitmonden voor afdrukken met hoge snelheid en hoge resolutie.
  Producten: Introduceerde vorig jaar zijn eerste 3D-printers. De eerste machines printen nylon, maar het bedrijf wil uitbreiden naar andere materialen.

• Bedrijf: 3D Systems

  Technologie: Het eerste 3D-printbedrijf, 3D Systems, werd opgericht door Chuck Hull, de uitvinder van stereolithografie, die licht gebruikt om onderdelen te vormen uit fotopolymeren. Het biedt nu verschillende soorten 3D-printers, waaronder enkele die metalen onderdelen printen.
  Producten: Vorig jaar de nieuwste iteratie van stereolithografie geïntroduceerd.

Met andere woorden, Desktop Metal zal niet alleen andere 3D-printers proberen te overtreffen, maar zal de zware taak hebben om fabrikanten af ​​te leiden van productiemethoden die de kern van hun bedrijf vormen. Maar juist het bestaan ​​van deze grote, gevestigde markt maakt het vooruitzicht zo intrigerend. Het maken van metalen onderdelen, zegt Fulop, is een industrie van biljoenen dollars. En zelfs als 3D-printen slechts een klein deel ervan wint, voegt hij eraan toe, kan het nog steeds een kans van meerdere miljarden dollars zijn.

Te warm om af te drukken

Kijk om je heen. Metalen zijn overal. Maar terwijl 3D-printen op grote schaal wordt gebruikt bij het maken van kunststoffen, is het gebruik van de technologie bij het maken van metalen onderdelen eng beperkt, zegt Chris Schuh, hoofd materiaalwetenschappen en engineering bij MIT en medeoprichter van Desktop Metal. Metaalbewerking is meer een kunst. Het is een zeer uitdagende ruimte.

Het maken van metalen voorwerpen met behulp van 3D-printen is om verschillende redenen moeilijk. Het meest voor de hand liggend is de hoge temperatuur die nodig is voor het verwerken van metalen. De meest gebruikelijke manier om kunststoffen te bedrukken, is door polymeren te verhitten en het materiaal uit de spuitmond van de printer te spuiten; het plastic hardt dan snel uit tot de gewenste vorm. Het proces is eenvoudig genoeg om te worden gebruikt in 3D-printers die voor ongeveer $ 1.000 worden verkocht. Maar het bouwen van een 3D-printer die metalen direct extrudeert is niet praktisch, aangezien aluminium smelt bij 660 °C, koolstofstaal bij 1.370 °C en titanium bij 1.668 °C. Metalen onderdelen moeten ook verschillende processen bij hoge temperatuur doorlopen om de verwachte sterkte en andere mechanische eigenschappen te garanderen.

Om een ​​3D-printer snel genoeg te maken om te worden gebruikt bij het vervaardigen van metalen voorwerpen, schakelde Desktop Metal over op een technologie die dateert uit de late jaren 80. Dat is het moment waarop een team van MIT-ingenieurs onder leiding van medeoprichter Sachs een patent aanvroeg voor: driedimensionale druktechnieken . Het beschreef een proces waarbij een dunne laag metaalpoeder wordt aangebracht en vervolgens inkjetprinten wordt gebruikt om een ​​vloeistof af te zetten die het poeder selectief aan elkaar bindt. Het proces, dat honderden of duizenden lagen wordt herhaald om een ​​metalen onderdeel te definiëren, kan er een maken met een bijna onbeperkte geometrische complexiteit. In de meest voorkomende toepassing van de technologie werkt het bindmiddel als een lijm. Het kan echter ook worden gebruikt om verschillende materialen lokaal op verschillende locaties te deponeren.

De MIT-onderzoekers wisten dat hun printmethode gebruikt kon worden om metalen en keramische onderdelen te maken, zegt Sachs. Maar ze wisten ook dat het te langzaam ging om praktisch te zijn, en de metaalpoeders die nodig waren voor het proces waren destijds veel te duur. Sachs wendde zich tot andere onderzoeksinteresses, waaronder een poging om de productie van fotovoltaïsche cellen te verbeteren (zie Bidden om een ​​energiewonder, ). In de volgende decennia nam 3D-printen een hoge vlucht en sprak het tot de verbeelding van veel productontwerpers. Het meest bekende was dat in 2009 een goedkope en gebruiksvriendelijke 3D-printer van MakerBot werd geïntroduceerd, die veel zelfbenoemde uitvinders en knutselaars aansprak. Maar deze betaalbare printers stuitten op de realiteit dat ze beperkt waren tot het gebruik van een paar goedkope plastics. Wat meer is, hoewel de machines complexe vormen kunnen printen, is het eindproduct vaak niet zo goed als een plastic onderdeel dat met conventionele technologie is gemaakt.

Sluit omhoog van vleugelnoot.

Desktop Metal heeft de bout en vleugelmoer afzonderlijk bedrukt om aan te tonen dat het onderdelen kan fabriceren met nauwe toleranties.

Ondertussen waren onderzoekers van industriële fabrikanten zoals GE druk bezig met het ontwikkelen van op laser gebaseerde technologieën die eind jaren tachtig waren uitgevonden voor het printen van metalen. Deze machines gebruiken lasers - of in sommige gevallen krachtige elektronenstralen - om vormen in een laag metaalpoeder te tekenen door het materiaal te smelten. Ze herhalen het proces om uit de gesmolten poeders een driedimensionaal object op te bouwen. De techniek is indrukwekkend in zijn mogelijkheden, maar het is traag en duur. Het is alleen de moeite waard voor extreem hoogwaardige onderdelen die te complex zijn om met andere methoden te maken. Met name de nieuwe straalmotor van GE maakt gebruik van een reeks geavanceerde 3D-geprinte brandstofsproeiers; ze zijn lichter en veel duurzamer omdat er ingewikkelde koelkanalen in zijn ingebouwd.

De oprichters van Desktop Metal besloten dat om 3D-metaalprinten breder toegankelijk te maken, ze twee verschillende soorten machines moesten verkopen: een relatief goedkoop desktopmodel dat geschikt is voor ontwerpers en ingenieurs die prototypes maken, en een die snel en groot genoeg is voor fabrikanten. Gelukkig hebben verschillende innovaties de oorspronkelijke uitvinding van Sachs eindelijk praktisch gemaakt voor massaproductie, waaronder de ontwikkeling van zeer snelle inkjetprinten voor het afzetten van het bindmiddel. Door achtereenvolgens ongeveer 1.500 lagen te printen, elk 50 micrometer dik en in een paar seconden afgezet, kan de printer op productieschaal in een uur een onderdeel van 500 kubieke inch opbouwen. Dat is ongeveer 100 keer sneller dan een op laser gebaseerde 3D-printer metalen onderdelen kan maken.

Voor zijn prototyping-machine heeft Desktop Metal een methode overgenomen van op plastic gebaseerd 3D-printen. Maar in plaats van een verzacht polymeer, gebruikt het metaalpoeders gemengd met een vloeibaar polymeerbindmiddel. De formulering wordt geëxtrudeerd, waarbij het bedrukte bindmiddel wordt gebruikt om het metaalpoeder in de beoogde vormen te klonteren.

Maar of het onderdeel nu wordt bedrukt met de prototyping-machine of het productiemodel, het resulterende object - deels plastic bindmiddel en deels metaal - mist de sterkte van een metalen. Het gaat dus in een speciaal ontworpen magnetron voor sinteren, een proces waarbij warmte wordt gebruikt om het materiaal dichter te maken, waardoor een onderdeel met de gewenste eigenschappen wordt geproduceerd. In een reeks zorgvuldig gekalibreerde stappen tijdens het sinterproces wordt het polymeer afgebrand en vervolgens wordt het metaal samengesmolten bij een temperatuur die ver onder het smeltpunt ligt.

Het verkooppraatje

Volgens de beloften van zijn enthousiastelingen, zal 3D-printen de behoefte aan industriële fabrikanten verminderen en lokale ambachtelijke producenten versterken (zie Het verschil tussen makers en fabrikanten, ). De realiteit is waarschijnlijk heel anders, maar niettemin diepgaand. Veel sectoren van de industriële productie maken in toenemende mate gebruik van automatisering en geavanceerde software, en 3D-printen versterkt deze voortdurende stap naar digitale productie. In sommige opzichten lijkt het op een geautomatiseerd bewerkingsproces dat uit een digitaal bestand werkt om een ​​metalen onderdeel te maken. Wat anders is aan 3D-printen, is dat het manieren biedt om veel complexere objecten te maken en veel van de beperkingen wegneemt die het productieproces oplegt aan ontwerpers en ingenieurs.

Verwant verhaal

Lees volgende Ondanks de aantrekkingskracht van apps en sociale media, doen de digitale technologieën van vandaag weinig om het soort welvaart te genereren dat vorige generaties genoten, betoogt een prominente econoom. Maar dat betekent niet dat we innovatie moeten opgeven.

Het zou fabrikanten ook kunnen inspireren om hun logistieke en productiestrategieën te veranderen. Voor relatief kleine hoeveelheden goederen kan 3D-printen goedkoper zijn, omdat het de kosten elimineert die gepaard gaan met het gereedschap, het gieten en de mallen die nodig zijn om de meeste metalen en plastic voorwerpen te produceren. De tijd en het geld die nodig zijn om dat allemaal op te zetten, is een van de redenen waarom massaproductie vaak nodig is als een fabrikant geld wil verdienen. Zonder die prikkel om zich in te zetten voor massaproductie, zouden fabrieken productieschema's kunnen verschuiven en beter kunnen inspelen op de vraag, waardoor ze nog dichter bij just-in-time productie komen. John Hart, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT en medeoprichter van Desktop Metal, noemt het massaproductie op maat. In plaats van grote faciliteiten te hebben die een groot aantal identieke onderdelen maken die over de hele wereld moeten worden verzonden en in magazijnen moeten worden opgeslagen, kunnen fabrikanten verspreide fabrieken hebben die een gevarieerde reeks producten maken en de productie indien nodig opvoeren. De implicaties in een decennium of twee gaan waarschijnlijk onze verbeelding te boven, zegt Hart. Ik denk niet dat we echt weten wat we met deze technologieën zullen doen.

Voorlopig is de uitdaging voor Desktop Metal om zijn apparatuur in handen te krijgen van ontwerpers en ingenieurs die verantwoordelijk zijn voor de volgende generatie producten van hun bedrijf. Deze winter bereidde Fulop zich voor om het eerste product van het bedrijf, de prototypingmachine, begin mei te presenteren op een vakbeurs in Pittsburgh. (De productie-3D-printer is gepland om volgend jaar beschikbaar te zijn.) Zijn taak zou zijn om aanwezigen te overtuigen dat het besteden van $ 120.000 aan de prototypeprinter en sinteroven van Desktop Metal essentieel is voor de toekomst van hun bedrijven.

Een van de belangrijkste voordelen van 3D-printen is de mogelijkheid om complexe structuren te maken, inclusief interne roosters in een metalen onderdeel. Dergelijke constructies zouden kunnen worden gebruikt om lichtere en sterkere onderdelen te maken.

Het is een salesfunctie waar Fulop zeer geschikt voor is. Hij heeft meer dan een half dozijn bedrijven opgericht, te beginnen met een bedrijf dat computerhardware en -software importeerde die hij oprichtte toen hij 16 was en nog steeds in zijn geboorteland Venezuela woont. Hij is waarschijnlijk het best bekend voor de oprichting van A123 Systems, een batterijbedrijf dat eind jaren 2000 een van de meest vliegende startups was, met als hoogtepunt een beursgang van $ 371 miljoen in 2009. Het bedrijf was gebaseerd op een nieuwe lithium-iontechnologie ontwikkeld door Yet -Ming Chiang, een MIT-professor die ook medeoprichter is van Desktop Metal. Net als hun huidige startup voor 3D-printen, hoopte A123 materiaalwetenschappelijke expertise toe te passen om een ​​​​revolutie teweeg te brengen in een enorme markt.

Het zou fabrikanten ook kunnen inspireren om hun logistieke en productiestrategieën te veranderen.

Hoewel A123 een snelle groei doormaakte en een zeer succesvolle beursgang kende, ging het bedrijf in 2012 failliet (Fulop vertrok in 2010). Vraag Fulop de les van A123 en hij zegt eenvoudig: Batterijen zijn een markt met lage marges. Inderdaad, A123 had moeite om te concurreren in een steeds drukker wordende batterij-industrie, en het bood geen radicaal genoeg prestatieverbetering ten opzichte van gevestigde lithium-ionbatterijen om onmiddellijk een jonge markt voor hybride voertuigen te winnen (zie A123's Technology Just Wasn't Good Enough ).

De uitdagingen waarmee Desktop Metal wordt geconfronteerd, zullen heel verschillend zijn. Er bestaat al een enorme markt voor metalen onderdelen. En de startup gelooft dat zijn technologie, althans op korte termijn, weinig directe concurrenten zal hebben. Chiang wijst op de echt rijke patentportfolio van de startup. Het zijn niet alleen de materialen; het zijn de technieken, het is de [sinter]oven, zegt hij. Hoe moeilijker de technologie is, hoe hoger de toetredingsdrempel die je bouwt als je succesvol bent.

In zijn kantoor heeft Chiang een houten kist met een half dozijn zwaarden, in bruikleen van het Museum of Fine Arts in Boston, die in de jaren zeventig zijn gemaakt met traditionele Japanse technieken. Chiang gebruikt de zwaarden in het onderwijs. De les: hoe de ambachtslieden de geheimen van de metallurgie gebruikten om ijzererts om te zetten in het eindproduct: een ultrascherp, licht gebogen stalen zwaard. Terwijl hij pronkt met de zwaarden, wijst Chiang op enkele van hun details en legt hij de trucs uit die hun makers gebruikten, zoals de uitdovingsmethode die werd gebruikt om een ​​extreem harde rand en een zachter lichaam te creëren. Terug aan zijn bureau, zijn aandacht weer op Desktop Metal, is hij net zo enthousiast als hij de metalen voorwerpen beschrijft die onlangs door het bedrijf zijn gedrukt en in zijn faciliteiten te zien zijn. Wat spannend is, is het idee dat je deze onderdelen echt kunt maken, zegt Chiang. Een paar uur, en hier is een deel dat je eerder niet eens kon maken.

Het zal eeuwenoude productietechnieken als smeden en metaalgieten niet vervangen, maar 3D-printen zou nieuwe mogelijkheden kunnen creëren in de productie - en, heel misschien, de kunst van de metallurgie opnieuw uitvinden.

zich verstoppen