3D-skrivaren som äntligen kan förändra tillverkningen

Desktop Metal tror att deras maskiner kommer att ge designers och tillverkare ett praktiskt och prisvärt sätt att skriva ut metalldelar. Förbi

• David Rotman arkivsida

25 april 2017

Grant Cornett

Det är mindre än två månader innan hans företags första produktlansering, och VD Ric Fulop visar ivrigt upp rader av avskalade 3D-skrivare, flera skrymmande mikrovågsugnar och diverse små metallföremål på ett bord för visning. Bakom en stängd dörr sitter ett team av industridesigners runt ett gemensamt skrivbord, var och en vänd mot en stor skärm. Väggen bakom dem är belagd med olika möjliga utseenden för startupens ambitiösa produkter: 3-D-skrivare som kan tillverka metalldelar billigt och tillräckligt snabbt för att göra tekniken praktisk för utbredd användning i produktdesign och tillverkning.

Företaget, Desktop Metal, har samlat in nästan 100 miljoner dollar från ledande riskkapitalföretag och riskenheter i företag som General Electric, BMW och Alphabet. Grundarna inkluderar fyra framstående MIT-professorer, inklusive chefen för skolans avdelning för materialvetenskap och Emanuel Sachs, som lämnade in ett av de ursprungliga patenten på 3-D-utskrift 1989. Trots alla pengar och expertis finns det ingen garanti för att företaget kommer att lyckas med sitt mål att återuppfinna hur vi tillverkar metalldelar – och därmed förändra mycket av tillverkningen.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2017

• Se resten av frågan
• Prenumerera

När Fulop rör sig i den stora, öppna arbetsytan verkar hans spänning och entusiasm dämpas av ångest. De slutliga kommersiella tryckerierna är ännu inte klara. Medarbetarna har fullt upp med att mixtra med maskinerna och tillverkade testobjekt ligger utspridda. Framsteg görs, men det är också uppenbart att klockan tickar. I ett hörn nära ytterdörren och entrén är golvet tomt och avtejpat; snart måste utrymmet fyllas med en mockup av företagets planerade monter för en kommande mässa.

Om det lyckas kommer Desktop Metal att hjälpa till att lösa en skrämmande utmaning som har undgått utvecklare av 3-D-utskrift i mer än tre decennier, vilket kraftigt begränsar teknikens inverkan. Trots stort fanfar och evangeliska entusiaster har 3D-utskrift på många sätt varit en besvikelse.

Hobbyister och självutnämnda tillverkare kan använda relativt billiga 3D-skrivare för att göra underbart komplexa och geniala former av plast. Och vissa designers och ingenjörer har funnit dessa maskiner användbara för att håna potentiella produkter, men att skriva ut polymerdelar har inte funnits någon användning på produktionsgolvet i allt annat än ett fåtal specialiserade produkter, som skräddarsydda hörapparater och tandimplantat.

Även om det är möjligt
3-D-print metaller, att göra det är svårt och dyrt.

Även om det är möjligt att 3-D-printa metaller, är det svårt och dyrt. Avancerade tillverkningsföretag som GE använder mycket dyra maskiner med specialiserade högeffektlasrar för att tillverka några högvärdiga delar (se Additive Manufacturing i vår 10 Breakthrough Technologies-lista från 2013). Men utskrift av metaller är begränsat till företag som har miljoner att spendera på utrustningen, anläggningar för att driva lasrarna och högutbildade tekniker för att köra allt. Och det finns fortfarande inget lättillgängligt alternativ för dem som vill skriva ut olika iterationer av en metalldel under processen med produktdesign och utveckling.

Ett hydrauliskt grenrör bearbetas inuti en mikrovågsugn, som använder temperaturer upp till 1 400 °C för att sintra ståldelen. En sådan del är för komplex för att göra med konventionella metoder.

Bristerna med 3-D-utskrift betyder att den vision som länge har retat sina förespråkare förblir svårfångad. De skulle vilja skapa en digital design, skriva ut prototyper som de kan testa och förfina, och sedan använda den digitala filen i den optimerade versionen för att skapa en kommersiell produkt eller del av samma material när de trycker på make på en 3-D skrivare. Att ha ett prisvärt och snabbt sätt att skriva ut metalldelar skulle vara ett viktigt steg för att förverkliga denna vision.

Det skulle ge designers mer frihet, vilket gör det möjligt för dem att skapa och testa delar och enheter med komplexa former som inte kan göras lätt med någon annan produktionsmetod - till exempel ett intrikat aluminiumgaller eller ett metallföremål med inre hålrum. Det kan så småningom göra det möjligt för ingenjörer och materialvetare att skapa delar med nya funktioner och egenskaper genom att deponera olika kombinationer av material – till exempel att skriva ut en magnetisk metall bredvid en omagnetisk. Utöver det skulle det omdefiniera massproduktionens ekonomi, eftersom kostnaden för att trycka något skulle vara densamma oavsett hur många föremål som producerades. Det skulle förändra hur tillverkarna tänker på storleken på fabriker, behovet av reservlager (varför hålla många delar i lager om du enkelt och snabbt kan skriva ut en?) och processen att skräddarsy tillverkningen till specialiserade produkter.

Det är därför det har pågått ett kapplöpning för att förvandla 3D-utskrift till ett nytt sätt att producera delar. Långåriga leverantörer av 3D-skrivare, inklusive Stratasys och 3D Systems, introducerar allt mer avancerade maskiner som är tillräckligt snabba för tillverkare att använda. Förra året introducerade HP en serie 3-D-skrivare som företaget säger kommer att göra det möjligt för tillverkare att prototyper och tillverka produkter med nylon, en allmänt använd termoplast. Och i höstas spenderade GE över en miljard dollar på ett par europeiska företag som specialiserat sig på 3D-utskrift av metalldelar.

Denna stålpropeller har precis tryckts. Mellan propellerns blad och metallstödet finns en tunn linje av keramik, som kommer att förvandlas till sand under sintringsprocessen, vilket gör att den färdiga delen lätt kan separeras från stödet.

Propellern efter bearbetning ger ett exempel på en högpresterande del som kan göras med 3D-utskrift. Ingenjörer kan använda metoden för att prototyper och optimera olika konstruktioner.

Men den verkliga konkurrensen om Desktop Metal kommer förmodligen inte från det växande antalet företag inom 3-D-utskrift. För det första använder 3D-skrivarna från HP, Stratasys (en investerare i Desktop Metal) och 3D Systems främst olika typer av plast, inte de metaller som Fulops företag vill använda i sina skrivare. Och GE:s avancerade maskiner överlappar lite med Desktop Metals marknadsambitioner. Istället är det mer sannolikt att de verkliga konkurrenterna för Desktop Metal är etablerade metallbearbetningstekniker. Dessa inkluderar automatiserade bearbetningstekniker - som metoden som används för att göra det ultratunna aluminiumhöljet på baksidan av iPhones - och en snabbt växande praxis som kallas metallformsprutning, ett vanligt sätt att massproducera metallprodukter.

Nyckelspelare inom 3D-utskrift

• Företag: Stratasys

  Teknologi: Ett av de ursprungliga 3-D-utskriftsföretagen, Stratasys grundades av Scott Crumb, uppfinnaren av fused deposition modellering, det vanligaste sättet att skriva ut plastdelar.
  Produkter: Säljer maskiner som kan trycka en mängd olika fotopolymer- och termoplastmaterial.

• Företag: Carbon

  Teknologi: Denna Silicon Valley-startup har utvecklat en ny fotokemisk process för att tillverka delar av olika plaster, inklusive polyuretan och epoxi.
  Produkter: Introducerade ett modulsystem för tillverkare i våras.

• Företag: HP

  Teknologi: Dess sortiment av maskiner utnyttjar företagets långa historia med bläckstråleutskrift genom vad den kallar multijet-fusionsteknologi. Detta använder flera munstycken för utskrifter med hög hastighet och hög upplösning.
  Produkter: Introducerade sina första 3D-skrivare förra året. De första maskinerna trycker nylon, men företaget vill expandera till andra material.

• Företag: 3D Systems

  Teknologi: Det första 3-D-utskriftsföretaget, 3D Systems, grundades av Chuck Hull, uppfinnaren av stereolitografi, som använder ljus för att bilda delar av fotopolymerer. Det erbjuder nu olika typer av 3D-skrivare, inklusive några som skriver ut metalldelar.
  Produkter: Introducerade den senaste iterationen av stereolitografi förra året.

Med andra ord, snarare än att bara försöka överträffa andra 3-D-skrivare, kommer Desktop Metal att ha den tuffa uppgiften att konvertera tillverkare bort från produktionsmetoder som är kärnan i deras verksamhet. Men själva existensen av denna stora, etablerade marknad är det som gör utsikten så spännande. Att tillverka metalldelar, säger Fulop, är en biljonindustri. Och även om 3-D-utskrift bara vinner en liten del av det, tillägger han, kan det fortfarande representera en möjlighet på flera miljarder dollar.

För varmt för att skriva ut

Se sig om. Metaller finns överallt. Men medan 3-D-utskrift har använts i stor utsträckning vid tillverkning av plast, har teknikens användning vid tillverkning av metalldelar varit snävt begränsad, säger Chris Schuh, chef för materialvetenskap och ingenjörskonst vid MIT och medgrundare av Desktop Metal. Metallbearbetning är mer av en konst. Det är ett mycket utmanande utrymme.

Att göra metallföremål med 3D-utskrift är svårt av flera skäl. Mest uppenbart är den höga temperatur som krävs för att bearbeta metaller. Det vanligaste sättet att skriva ut plast är att värma upp polymerer och spruta ut materialet genom skrivarens munstycke; plasten härdar sedan snabbt till önskad form. Processen är enkel nog att användas i 3D-skrivare som säljs för cirka 1 000 dollar. Men att bygga en 3D-skrivare som direkt extruderar metaller är inte praktiskt med tanke på att aluminium smälter vid 660 °C, högkolhaltigt stål vid 1 370 °C och titan vid 1 668 °C. Metalldelar måste också genomgå flera högtemperaturprocesser för att säkerställa den förväntade styrkan och andra mekaniska egenskaper.

För att göra en 3D-skrivare tillräckligt snabb för att kunna användas vid tillverkning av metallföremål, vände Desktop Metal sig till en teknik som går tillbaka till slutet av 1980-talet. Det var då ett team av MIT-ingenjörer ledda av företagets medgrundare Sachs ansökte om patent tredimensionella trycktekniker . Den beskrev en process för att lägga ner ett tunt lager metallpulver och sedan använda bläckstråleutskrift för att avsätta en vätska som selektivt binder samman pulvret. Processen, som upprepas i hundratals eller tusentals lager för att definiera en metalldel, kan göra sådana med nästan obegränsad geometrisk komplexitet. I den vanligaste tillämpningen av tekniken fungerar bindemedlet som ett lim. Men det kan också användas för att lokalt deponera olika material på olika platser.

MIT-forskarna visste att deras tryckmetod kunde användas för att tillverka metall- och keramiska delar, säger Sachs. Men de visste också att det gick för långsamt för att vara praktiskt, och de metallpulver som krävdes för processen var alldeles för dyra vid den tiden. Sachs vände sig till andra forskningsintressen, inklusive ett försök att förbättra tillverkningen av solceller (se Praying for an Energy Miracle, ). Under de kommande decennierna tog 3D-utskrift fart och fångade många produktdesigners fantasi. Mest känt är att en billig och lättanvänd 3D-skrivare från MakerBot introducerades 2009, vilket tilltalade många självutformade uppfinnare och pysslare. Men dessa prisvärda skrivare stötte på verkligheten att de var begränsade till att använda några billiga plaster. Vad mer är, även om maskinerna kan skriva ut komplexa former, är slutprodukten ofta inte lika bra som en plastdel gjord med konventionell teknik.

Närbild av vingmuttern.

Desktop Metal tryckte bulten och vingmuttern separat för att visa att den kan tillverka delar med snäva toleranser.

Samtidigt var forskare vid industriella tillverkare som GE upptagna med att utveckla laserbaserade teknologier som uppfanns i slutet av 1980-talet för utskrift av metaller. Dessa maskiner använder lasrar - eller i vissa fall högeffektselektronstrålar - för att rita former i ett lager av metallpulver genom att smälta materialet. De upprepar processen för att bygga upp ett tredimensionellt föremål ur de smälta pulvren. Tekniken är imponerande i sin kapacitet, men den är långsam och dyr. Det är värt besväret endast för extremt högvärdiga delar som är för komplexa för att göra med andra metoder. Noterbart är att GE:s nya jetmotor använder en serie sofistikerade 3D-tryckta bränslemunstycken; de är lättare och mycket mer hållbara eftersom intrikata kylkanaler har byggts in i dem.

Grundarna av Desktop Metal beslutade att för att göra 3D-metallutskrift mer tillgängligt, skulle de behöva sälja två olika typer av maskiner: en relativt billig skrivbordsmodell lämplig för designers och ingenjörer som tillverkar prototyper, och en som är snabb och tillräckligt stor för tillverkare. Lyckligtvis har flera innovationer äntligen gjort Sachs ursprungliga uppfinning praktisk för massproduktion, inklusive utvecklingen av mycket höghastighets bläckstråleutskrift för att deponera pärmen. Genom att successivt skriva ut cirka 1 500 lager, vart och ett 50 mikrometer tjockt och avsatt på några sekunder, kan skrivaren i produktionsskala bygga upp en 500 kubiktumsdel på en timme. Det är ungefär 100 gånger snabbare än en laserbaserad 3D-skrivare kan göra metalldelar.

För sin prototypmaskin använde Desktop Metal en metod från plastbaserad 3D-utskrift. Men istället för en uppmjukad polymer använder den metallpulver blandat med ett flytbart polymerbindemedel. Formuleringen extruderas med hjälp av det tryckta bindemedlet för att klumpa ihop metallpulvret till de avsedda formerna.

Men oavsett om delen är tryckt med prototypmaskinen eller produktionsmodellen, saknar det resulterande föremålet - dels plastbindemedel och dels metall - styrkan hos en metall. Så det går in i en specialdesignad mikrovågsugn för sintring, en process för att använda värme för att göra materialet tätare, vilket ger en del med önskade egenskaper. I en serie noggrant kalibrerade steg under sintringsprocessen bränns polymeren av och sedan smälts metallen samman vid en temperatur långt under dess smältpunkt.

Försäljningsargumenten

Enligt löften från dess entusiaster kommer 3D-utskrift att minska behovet av industriella tillverkare och ge lokala hantverksproducenter kraft (se Skillnaden mellan tillverkare och tillverkare, ). Verkligheten är sannolikt mycket annorlunda men inte desto mindre djupgående. Många industrisektorer använder i allt högre grad automation och avancerad programvara, och 3D-utskrift förstärker denna pågående övergång till digital tillverkning. På vissa sätt är det inte olikt en automatiserad bearbetningsprocess som arbetar med en digital fil för att skapa en metalldel. Vad som är annorlunda med 3D-utskrift är att det erbjuder sätt att göra mycket mer komplexa objekt och tar bort många av de begränsningar som produktionsprocessen sätter på designers och ingenjörer.

Relaterad berättelse

Läs nästa Trots lockelsen med appar och sociala medier, gör dagens digitala teknologier lite för att generera den typ av välstånd som tidigare generationer haft, hävdar en framstående ekonom. Men det betyder inte att vi ska ge upp innovation.

Det kan också inspirera tillverkare att ändra sina logistik- och produktionsstrategier. För relativt små kvantiteter varor kan 3D-utskrift vara billigare, eftersom det eliminerar kostnaderna för verktyg, gjutning och formar som krävs för att kärna ut de flesta metall- och plastföremål. Tiden och pengarna som behövs för att sätta upp allt det är en anledning till att massproduktion ofta krävs om en tillverkare ska tjäna pengar. Utan det incitamentet att satsa på massproduktion skulle fabrikerna kunna ändra produktionsscheman och vara mer lyhörda för efterfrågan, och gå ännu närmare just-in-time-tillverkning. John Hart, professor i maskinteknik vid MIT och medgrundare av Desktop Metal, kallar det anpassad massproduktion. Istället för att ha stora anläggningar som tillverkar ett stort antal identiska delar som måste skickas över hela världen och lagras, kan tillverkare upprätthålla spridda fabriker som tillverkar en mängd olika produkter och öka produktionen efter behov. Implikationerna om ett eller två decennier är förmodligen bortom vår fantasi, säger Hart. Jag tror inte riktigt att vi vet vad vi kommer att göra med dessa tekniker.

Just nu är utmaningen för Desktop Metal att få sin utrustning i händerna på designers och ingenjörer som är ansvariga för deras företags nästa generations produkter. I vinter förberedde sig Fulop för att visa upp företagets första produkt, prototypmaskinen, på en mässa i Pittsburgh i början av maj. (Den 3-D-produktionsskrivare är planerad att vara tillgänglig nästa år.) Hans uppgift skulle vara att övertyga deltagarna om att spendera 120 000 USD på Desktop Metals prototypskrivare och sintringsugn är avgörande för deras företags framtid.

En av de viktigaste fördelarna med 3D-utskrift är dess förmåga att göra komplexa strukturer, inklusive inre galler i en metalldel. Sådana strukturer skulle kunna användas för att göra lättare och starkare delar.

Det är ett säljjobb som Fulop passar bra för. Han har startat mer än ett halvdussin företag, som börjar med ett som importerade hårdvara och mjukvara som han grundade när han var 16 och fortfarande bor i hemlandet Venezuela. Han är förmodligen mest känd för att ha grundat A123 Systems, ett batteriföretag som var en av de mest flygande startups i slutet av 2000-talet, som kulminerade med en börsnotering på 371 miljoner dollar 2009. Företaget var baserat på en ny litiumjonteknologi utvecklad av Yet -Ming Chiang, en MIT-professor som också är en av grundarna av Desktop Metal. Precis som deras nuvarande 3-D-utskriftsstart, hoppades A123 kunna tillämpa materialvetenskaplig expertis för att revolutionera en enorm marknad.

Det kan också inspirera tillverkare att ändra sina logistik- och produktionsstrategier.

Även om A123 åtnjöt snabb tillväxt och en mycket framgångsrik börsnotering, förklarade företaget konkurs 2012 (Fulop lämnade 2010). Fråga Fulop om lektionen från A123 och han säger enkelt: Batterier är en marknad med låg marginal. Faktum är att A123 kämpade för att konkurrera i en alltmer trångt batteriverksamhet, och den erbjöd inte en tillräckligt radikal prestandaförbättring jämfört med etablerade litiumjonbatterier för att omedelbart vinna över en nybliven hybridfordonsmarknad (se A123:s teknik var bara inte bra nog ).

Utmaningarna för Desktop Metal kommer att vara mycket olika. En enorm marknad för metalldelar finns redan. Och startupen tror att dess teknologi, åtminstone på kort sikt, kommer att ha få direkta konkurrenter. Chiang pekar på startupens riktigt rika patentportfölj. Det är inte bara materialen; det är teknikerna, det är sintringsugnen, säger han. Ju svårare tekniken är, desto högre inträdesbarriär bygger du om du är framgångsrik.

På sitt kontor har Chiang en trälåda som innehåller ett halvdussin svärd, lånat från Museum of Fine Arts i Boston, som tillverkades på 1970-talet med traditionell japansk teknik. Chiang använder svärden i undervisningen. Lärdomen: hur hantverkarna använde metallurgins hemligheter för att förvandla järnmalm till slutprodukten – ett ultraskarpt, lätt böjt stålsvärd. Chiang visar upp svärden och pekar på några av deras detaljer och förklarar tricken som deras skapare använde, som släckningsmetoden som användes för att skapa en extremt hård egg och en mjukare kropp. Tillbaka vid sitt skrivbord, återigen uppmärksammad på Desktop Metal, är han lika entusiastisk som han beskriver de metallföremål som nyligen tryckts av företaget och som visas på dess anläggningar. Det som är spännande är tanken att du verkligen kan göra dessa delar, säger Chiang. Några timmar, och här är en del som du inte ens kunde göra tidigare.

Det kommer inte att ersätta sådana sekelgamla produktionstekniker som smide och metallgjutning, men 3-D-utskrift kan skapa nya möjligheter inom tillverkningen – och kanske omforma metallurgins konst.

Dölj