Directe productie

Een grenslijn in de productiegeschiedenis loopt door de fabrieksvloer van Siemens Hearing Instruments in Piscataway, NJ. Aan de ene kant gebruiken bekwame technici giettechnieken, precisiegereedschap en jarenlange ervaring om de acrylschalen van hoortoestellen te maken die zijn gemodelleerd naar siliconenafdrukken van echte gehoorgangen.

Aan de andere kant van de fabrieksvloer maken twee machines ter grootte van een pizzaoven soortgelijke schelpen van nylonstof. In de machines scannen naalden van laserlicht, geleid door digitale ontwerpbestanden, robotachtig heen en weer, waarbij flinterdunne lagen stof in harde lagen plastic worden geklemd. Vier uur en enkele honderden laserbewegingen later is een batch van 80 hoortoestelhulzen voltooid ( zie Van stof tot hoortoestellen, onder ). Het proces bespaart uren aan menselijke arbeid en produceert hoortoestellen die beter passen en klinken dan traditionele.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2003

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Het werkt zo goed dat Siemens, 's werelds grootste maker van hoortoestellen, bij meerdere fabrieken volledig overschakelt op de technologie. Dit hele proces stelt ons in staat om nauwkeuriger te zijn en menselijke fouten te elimineren. Dit gaat het bedrijf veranderen, zegt William Lesiecki, directeur software en e-businessoplossingen voor Siemens Hearing Instruments.

Uitbenen

In sommige opzichten is directe productie een natuurlijk gevolg van de niet-aflatende druk om de tijd te verminderen die nodig is om een ​​product van concept, via ontwerp en ontwikkeling, naar commerciële realiteit te brengen. Toen computerondersteund ontwerp en digitaal gestuurde gereedschappen in de jaren zeventig en tachtig fabrieken begonnen te infiltreren, was het toneel klaar voor rapid prototyping, waarbij printtechnologieën worden gebruikt om driedimensionale objecten te maken die als prototypes dienen voor bijvoorbeeld speelgoed of auto-onderdelen. Met prototypes in de hand in slechts enkele uren - in plaats van weken of maanden met de hand te snijden en te gieten - kunnen ontwerpers producten sneller verfijnen en kunnen technici problemen snel detecteren en corrigeren.

De eerste rapid-prototyping-machines gebruikten lasers om opeenvolgende lagen van een vloeibaar polymeer te binden - een proces dat stereolithografie wordt genoemd. Latere versies gebruikten een breder scala aan grondstoffen, zoals poeders die zouden samensmelten als ze door een laserstraal werden geraakt. Een andere sprong kwam in de jaren negentig, toen de methode verder ging dan lasers en printkoppen omvatte die bindvloeistof op poeders spuwden, wat snelheid en een nog grotere verscheidenheid aan materialen toevoegde ( zie Spelers in Directe Productie, onderaan ). Tegelijkertijd werd er druk uitgeoefend om deze technologieën zo te ontwikkelen dat ze eindproducten konden maken, niet alleen prototypes. Aan het eind van de jaren tachtig was stereolithografie net uitgekomen, en het was erg inspirerend om te zien, zegt Emanuel Sachs, een werktuigbouwkundig ingenieur aan het MIT die de printkopmethode ontwikkelde. Ik wilde de focus verleggen van het maken van prototypes naar het direct maken van functionele onderdelen.

Dat doel is nu bereikt. Op een recente dag in het Therics-laboratorium in Princeton, NJ, keken twee medewerkers in cleanroompakken toe hoe een printer ter grootte van een auto 300 stukjes vervangend kaakbot van twee centimeter lang maakte. Een lineaire reeks van acht printkoppen veegde over opeenvolgende lagen van een poeder genaamd hydroxyapatiet (het belangrijkste mineraal in natuurlijk bot), waarbij selectief kleine druppeltjes van een organische bindvloeistof werden afgegeven die later zouden worden verbrand tijdens een ovenbehandeling. Onder de meedogenloze opeenvolging van druppeltjes - 800 per seconde - begon de anders vormloze poedermassa vorm te krijgen. De Amerikaanse Food and Drug Administration keurde Therics' botvervanger eind mei goed, en hoewel het nog niet is gebruikt in een implantaat bij mensen, is het al in handen van chirurgen die van plan zijn het binnenkort te testen. Als middel om vervangend bot te maken, heeft directe fabricage enkele voordelen. Stel dat een slachtoffer van een ongeval een fragment van een armbeen heeft verloren. Het stuk kan digitaal worden gereconstrueerd met afbeeldingen van hetzelfde bot op de andere arm. Bovendien is de printtechnologie in staat om poriën van slechts 50 micrometer breed te creëren, waardoor het botsegment, eenmaal geïmplanteerd, echte cellen kan herbergen die echt bot maken, het implantaat versterken en uiteindelijk verdringen.

De goedkeuring door de FDA van de direct vervaardigde botvervanger van Therics is een mijlpaal voor de productietechnologie. Ranji Vaidyanathan, een materiaalwetenschapper bij Advanced Ceramics Research in Tucson, AZ - dat zijn eigen gedrukte botvervangers ontwikkelt - verwacht dat direct vervaardigd bot binnen drie tot vijf jaar gebruikelijk zal zijn. Ik zou zeggen dat het de manier waarop we naar vervangend bot kijken zal veranderen, zegt hij.

Aangepaste robots

Botimplantaten voorspellen veel bredere toekomstige toepassingen die zullen volgen op verbeteringen in snelheid, precisie en verscheidenheid aan grondstoffen. On Demand Manufacturing, dat al plastic en metalen onderdelen maakt, hoopt materialen aan te bieden die kunnen presteren onder de meest veeleisende omstandigheden, waaronder de ovenachtige hitte van een raketmotor. Het bedrijf heeft superlegeringspoeders ontwikkeld die kunnen worden gevormd via directe productiemachines en vervolgens kunnen worden gebakken tot complexe, supersterke turbineonderdelen. Het bedrijf neemt nu de nodige stappen om de componenten te kwalificeren voor gebruik in raketten.

Direct-productietechnologie wordt ook mobiel. In een actie die op een dag gevolgen kan hebben voor uw plaatselijke autogarage, ontwikkelt het Amerikaanse leger mobiele eenheden ter grootte van een vrachtwagen die vervangende onderdelen kunnen fabriceren op basis van digitale bestanden of scans ter plaatse voor voertuigen en wapens, direct op de slagveld.

En sommigen duwen de technologie naar het rijk van robotica en elektronica, compleet met bewegende delen. Als eerste stap experimenteren John Canny, Vivek Subramanian en hun collega's van de University of California, Berkeley, met inkjetprinten als een methode om organische halfgeleiders en elektroactieve materialen om te vormen tot slimme componenten die van vorm veranderen als reactie op een spanning . Een langetermijnvisie is een volledig op maat gemaakte robot van polymeer met een gewicht van minder dan een kilogram die kan worden geprint voor specifieke taken, zoals het repareren van bedrading op een krappe plek in een vliegtuig. Maar de aanvankelijke doelen van de Berkeley-onderzoekers zijn bescheidener; Subramanian zegt dat ze verwachten hun eerste demonstratie-widget - misschien een kleine beweegbare verbinding - binnen twee jaar te bouwen.

De technologie kan uiteindelijk ook naar de detailhandel gaan. John Wooten, algemeen directeur van On Demand Manufacturing, ziet zoiets als een ketting van driedimensionale Kinko's die zijn uitgerust met apparatuur voor directe productie die vrijwel elk object kan repliceren dat kan worden gescand of gedefinieerd in een digitaal bestand. Je kunt je voorstellen dat een man met zijn Mustang uit '65 en een kapotte raamkruk daarheen gaat om een ​​nieuwe handgreep te laten maken, zegt Wooten. In dezelfde geest voorziet Carnegie Mellon's Bourne nieuwe opties voor persoonlijk maatwerk: mobiele telefoons, cd-spelers en allerlei soorten consumentenproducten met vormen en kleuren die door klanten worden gespecificeerd.

Hoewel deze retailtoepassingen nog steeds hypothetisch zijn, groeien er bedrijven om fabrikanten op contractbasis te bedienen. Bedrijven zoals Accelerated Technologies in Austin, TX, en Met-L-Flo in Genève, IL, accepteren digitale ontwerpbestanden en maken snelle prototypes - een concept dat zou kunnen uitgroeien tot op maat gemaakte printproducten voor retailklanten. Als zo'n service werkelijkheid wordt, zou een autorestaurator in de buurt die een klein stukje grillwerk wil dupliceren, of een huiseigenaar die oude bekleding repliceert, het vergelijkbaar vinden met een digitaal Home Depot, met een oneindig virtueel magazijn met op maat gemaakte producten.

Spelers in directe productie
Bedrijf	Technologie	Toepassingen
3D-systemen (Valencia, Californië)	Selectieve lasersintermachines die lasers gebruiken om plastic of metaalpoeders te binden; stereolithografiesystemen die vloeibare harsen uitharden met door laser gegenereerde warmte	Medische implantaten en protheses, onderdelen voor militaire vliegtuigen, gehoorapparaten, onderdelen voor racewagens in de Formule 1
Stratasys (Eden Prairie, Minnesota)	Verwarmd plastic dat wordt uitgestoten door bewegende sproeiers	Pomponderdelen en kleine tandwielen
Therics (Princeton, New Jersey)	Driedimensionale printtechnologie, waarbij arrays van printkoppen druppeltjes organische bindmiddelen op poeders spuiten	Botvervangers met de porositeit die nodig is voor cellen vasthouden na implantatie
Productie op aanvraag (Camarillo, Californië)	Het gebruik van de sintermachine van 3D Systems om onderdelen met een hoge sterkte te maken	Luchtkanalen en andere op maat gemaakte plastic en metalen onderdelen voor ruimtevaarttoepassingen
Siemens hoortoestellen (Piscataway, New Jersey)	Het gebruik van de sintermachine van 3D Systems om op maat gemaakte schalen voor hoortoestellen te maken	Hoortoestelschelpen
MET (Burlington, Massachusetts)	Ultrasnelle driedimensionale printer die gebruikmaakt van gepatenteerde poeders	Geografische modellen in kleur voor militaire planning

zich verstoppen