Een nieuwe dimensie: hoe een startend bedrijf de precisieproductie hervormde

In samenwerking met BMF

Traditionele productie staat voor grote uitdagingen wanneer ze worden belast met het snel maken van kleine componenten met zeer complexe, minutieuze, nauwkeurig vervaardigde structuren, zoals miniatuurconnectoren en microlenzen voor endoscopen. Al deze onderdelen vereisen hoogwaardige precisiefabricage om een ​​exact oppervlakteprofiel en gecompliceerde interne structuren te creëren, wat kostbaar is. Nu overwint geavanceerde nano/micro-3D-printtechnologie deze hindernissen door eenvoudiger maatwerk en snellere productie van deze gecompliceerde onderdelen te bieden, terwijl ook wordt voldaan aan de groeiende vraag naar precisieproductie op andere gebieden.

Marktonderzoeker Technavio voorspelt dat de wereldwijde markt voor 3D-printdiensten tot 2021 jaarlijks met 44 procent zal blijven groeien. De groeiende behoefte aan precisieproductie stimuleert ook de groei van precisie-3D-printdiensten. Volgens Transparency Market Research zal de wereldwijde markt voor brillen bijvoorbeeld tot 2018 een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 3,7 procent hebben, tot $ 130 miljard.

[Veel] fabricageproblemen kunnen nu worden opgelost met deze nieuwe snelle en goedkope productiecapaciteit, dus de potentiële markt voor nano/micro-geprinte onderdelen komt nu pas in zicht, zegt William Plummer, senior wetenschapper en lid van de adviesraad voor BMF Material Technology, een Het in Boston/Shenzhen gevestigde startup-bedrijf dat nano/micro-3D-printers en materialen produceert, evenals aangepaste producten voor andere bedrijven die zijn apparatuur gebruiken.

Hoewel bekende 3D-printstartups zoals Desktop Metal en Carbon al veel aandacht in de markt hebben getrokken, richten ze zich op grootschalige productie. Naarmate de technologie vorderde, is deze bedrevener geworden in het maken van meer gedetailleerde en kleinere componenten.

Nano/micro-3D-printen is in staat om complexe, minuscule componenten te genereren. Dit is de meest precieze belichaming van 3D-printtechnologie en het staat klaar om een ​​revolutie teweeg te brengen in de industrie voor de productie van precisiecomponenten. Nu brengen bedrijven zoals BMF deze technologie naar een nieuw niveau met printers met een resolutie van micrometer/nanometer en de capaciteit om grote volumes te produceren. Wat BMF onderscheidt, zegt Plummer, is het hoge niveau van de apparatuur en de unieke materiaalkeuzes en processen: BMF's precisie 3D-printtechnologie kan kleine mechanische onderdelen maken, zoals kleine veren, speciale elektrische connectorvormen en zelfs gecompliceerde en veeleisende apparaten zoals hartstents.

Hoe het werkt

Er zijn maar weinig technologische ontwikkelingen die de verbeelding van het publiek hebben weten te prikkelen en de techniek en artistieke creativiteit in dezelfde mate hebben geïnspireerd als 3D-printen, met name nano/micro-3D-printen. Vanuit een digitaal bestand is het mogelijk om een ​​fysiek driedimensionaal object te maken. Hoewel het geen nieuwe technologie is, hebben recente ontwikkelingen het een meer praktische manier gemaakt om prototypes, eenmalige componenten en items te maken die te duur of moeilijk te produceren zijn met behulp van traditionele methoden zoals gieten en CNC-bewerking (computer numerieke besturing).

BMF gebruikt een techniek genaamd Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), die vergelijkbaar is met de methode die wordt gebruikt in een videoweergaveapparaat op microschaal wanneer een reeks afbeeldingen achtereenvolgens door een reductielens wordt geprojecteerd om lichtgevoelige fotopolymeerhars uit te harden. Wanneer het gereduceerde beeldpatroon wordt gefocust op de lichtgevoelige hars, initieert het ultraviolette licht het uithardingsproces, dat bekend staat als fotocrosslinking. Alleen het door het licht verlichte gebied hardt uit en verhardt tot de voorgeschreven 3D-vorm. De geprojecteerde lichtpatronen worden gedefinieerd door de 3D-beelden, die de secties zijn van een computergegenereerd 3D-model. Gecombineerd met verschillende nabewerkingstechnieken kan BMF een breed scala aan producten vervaardigen, waaronder artikelen als keramiek en optische lenzen.

Het belangrijkste verschil tussen nano/micro en traditioneel 3D-printen is de mate van precisie en resolutie die mogelijk wordt gemaakt door nano/micro-3D-printen. Bij het beschrijven van deze methode van 3D-printen komt de resolutie in het meso-, micro- en nanoniveau (d.w.z. een miljardste van een meter). Dit kaliber van 3D-printen kan miniatuur, echt microscopisch kleine componenten repliceren met een detail en precisie die onmogelijk te bereiken zijn met typisch 3D-printen.

In de afgelopen jaren heeft 3D-printen het punt bereikt waarop consumenten een 3D-printer kunnen kopen voor tussen de $ 200 en $ 500. Deze low-end printers lijken echter weinig op de geavanceerde nano/micro-3D-printers die bedrijven zoals BMF nu bouwen en gebruiken voor de productie van verschillende componenten.

Precisieproductie

BMF betrad de markt voor nano/micro-3D-printen met hoge resolutie in mei 2016, toen het werd afgesplitst van het Nanophotonics and 3D Nanomanufacturing Laboratory aan het MIT. De technologie van het bedrijf is gebaseerd op dezelfde technologie die werd genoemd als een van MIT Technology Review ’s 10 doorbraaktechnologieën in 2014 en 2015. (In feite maakt Nicholas Fang, mede-oprichter/hoofdwetenschapper bij BMF, deel uit van een toonaangevend nano/micro 3D-printtechnologieteam dat werd erkend door MIT Technology Review anno 2015.)

BMF richt zich op de productie van kleinere precisiecomponenten, maar in de hogere volumes die vereist zijn door industriële segmenten zoals medische hulpmiddelen. Het 3D-printsysteem van BMF kan een hoog volume bereiken vanwege de kleine afmetingen van de componenten die we vervaardigen, zegt Xiaoning He, mede-oprichter/CEO van het bedrijf. Door kleine onderdeelgroottes kunnen grote aantallen componenten tegelijkertijd worden geprint. De 3D-printers van BMF kunnen bijvoorbeeld binnen een uur honderden lenzen met een diameter van ongeveer één millimeter produceren, wat resulteert in een productiecapaciteit van honderdduizenden stuks per jaar, waarmee kan worden voldaan aan de volumevraag van endoscoopfabrikanten. Bovendien kan elk afzonderlijk onderdeel in een batch componenten op maat worden gemaakt, ongeacht het aantal componenten dat wordt gefabriceerd. Deze mogelijkheden kunnen voldoen aan de volume-eisen van industriële klanten die kleine precisiecomponenten nodig hebben.

Innovatieve technologie

Met zijn innovatieve aanpak heeft het BMF-team zich gericht op de optische industrie. De lucratieve markt voor optische brillen in China alleen al vertegenwoordigt jaarlijks 12 miljard dollar. De meeste brillen zijn niet echt gepersonaliseerd voor de behoeften en specificaties van een persoon, maar zijn gebaseerd op standaardrecepten. Gecompliceerde brillen, zoals lenzen in vrije vorm, zijn duur, zegt Yi Zhen, adjunct-directeur van de afdeling Medische Technologie Transfer van het Beijing Institute of Ophthalmology, Beijing Tongren Ziekenhuis . De verkoopprijs voor een paar gepersonaliseerde lenzen in vrije vorm [met traditionele productie] kan bijvoorbeeld oplopen tot $ 1.300.

Het menselijk oog is een complex orgaan en het is geen perfect optisch systeem. Geen twee ogen zijn hetzelfde, zegt Zhen. Traditionele lenzen worden echter gemaakt van halffabrikaten die in de fabriek in massa worden gegoten. Gepersonaliseerde lenzen in vrije vorm hebben het potentieel om brildragers te bevrijden van de optische compromissen van traditionele, in massa geproduceerde lenzen. Traditionele gepersonaliseerde lenzen in vrije vorm vereisen dure machines ... zodat de meeste mensen het zich niet kunnen veroorloven. De meeste patiënten kunnen dus geen ideale zichtcorrectie bereiken en hun gezichtsvermogen blijft verslechteren.

Het Beijing Tongren Hospital is het grootste oogheelkundige ziekenhuis in China, met ongeveer een miljoen patiëntbezoeken per jaar. Ningli Wang, een professor in Beijing Tongren, en zijn team, hebben zich aangesloten bij BMF om goedkope, gepersonaliseerde lenzen in vrije vorm te produceren volgens het recept van elk individu. Het team heeft met succes een geavanceerde gepersonaliseerde lens ontworpen en geproduceerd met de volgende ontwerpkenmerken:

• Torisch ontwerp dat astigmatisme corrigeert en aberraties vermindert;
• Asferisch ontwerp dat bijziendheid corrigeert en de dikte van de lensrand vermindert;
• Perifeer onscherp ontwerp dat de ontwikkeling van bijziendheid bij kinderen regelt.

Hoewel een dergelijke lens met een vrije vorm moeilijk en duur is om traditioneel te produceren, duurt het met de technologie van BMF slechts ongeveer vier uur om te produceren, en de kosten van de lens zijn vergelijkbaar met die van een gewone lens. Met veel lagere systeemkosten en productiesnelheid, zullen 3D-geprinte lenzen een revolutie teweegbrengen in de levering van speciale brillenglazen aan het oogheelkundige beroep, zegt Mo Jalie, senior wetenschapper en lid van de adviesraad voor BMF.

De technologie van BMF kan ook een revolutie teweegbrengen in vele andere oogheelkundige gebieden, waaronder de creatie van op maat gemaakte corrigerende contactlenzen die patiënten met complexe afwijkingen helpen na problemen zoals een hoornvliestransplantatie, keratoconus (een progressieve oogziekte waarbij het normaal ronde hoornvlies vervormt tot een kegelachtige vorm), en aandoeningen veroorzaakt door uitwendige verwondingen. 3D-printen voor de optische lenzenindustrie is als digitaal printen voor de uitgeverij, zegt Wang. Deze nieuwe technologie resulteert in een snellere, goedkopere, flexibelere en nauwkeurigere lensproductie.

Nieuwe productieafmetingen

Er zijn talloze andere nauwkeurige use-cases voor nano/micro-3D-printen, zoals hartstents, endoscooplenzen en specifieke elektrische connectoren, zegt Xiaoning. Momenteel is laserbewerking vereist om de complexe interne structuur van hartstents uit te snijden. 3D-printen kan gemakkelijker de nodige structuur genereren, geavanceerdere ontwerpen mogelijk maken en de kosten aanzienlijk verlagen in vergelijking met traditionele productiemethoden.

Elektrische connectoren worden ook steeds kleiner en complexer. Nano/micro 3D-printtechnologie geeft ingenieurs de tools om ingewikkelde en onregelmatig gevormde connectoren te ontwerpen. Xiaoning zegt dat BMF ook bestellingen heeft ontvangen op veel andere gebieden, waaronder precisiekeramische componenten.

Zoals met elke opkomende technologie, wordt nano-/micro-3D-printen nauwkeuriger, capabeler en goedkoper. Het kan grotere nauwkeurigheid leveren tegen aanzienlijk lagere kosten en is sneller en eenvoudiger dan traditionele methoden die vergelijkbare nauwkeurigheidsniveaus opleveren.

De wereldwijde markt voor zeer nauwkeurig vervaardigde onderdelen is zeer veeleisend en lucratief. En vaak werkt traditionele technologie helemaal niet, zegt Xiaoning. Bij het beschrijven van de uitdagingen van het vervaardigen van microscopisch kleine componenten, citeert hij een industrieterm: Soms zeggen we: 'Hoe kleiner, hoe harder.'

Ga voor meer informatie over nano/micro-3D-printtechnologie naar www.bmftec.cn

zich verstoppen