En ny dimension: Hur ett nystartat företag omformade precisionstillverkning

I samarbete med BMF

Traditionell tillverkning står inför stora utmaningar när de har till uppgift att snabbt skapa små komponenter som involverar mycket komplexa, minutiösa, precisionsgjorda strukturer – föremål som miniatyrkontakter och mikrolinser för endoskop. Alla dessa delar kräver högprecisionstillverkning för att skapa en exakt ytprofil och komplicerade inre strukturer, vilket är kostsamt. Nu övervinner banbrytande nano/mikro 3-D-utskriftsteknik dessa hinder genom att tillhandahålla enklare anpassning och snabbare produktion av dessa komplicerade delar, samtidigt som den svarar mot den växande efterfrågan på precisionstillverkning inom andra områden.

Marknadsforskaren Technavio förutspår att den globala marknaden för 3D-utskriftstjänster kommer att fortsätta att växa med 44 procent årligen in i 2021. Det växande behovet av precisionstillverkning driver också på tillväxten av 3D-precisionstjänster. Den globala glasögonmarknaden, till exempel, förväntas ha en sammansatt årlig tillväxttakt på 3,7 procent (CAGR) till och med 2018, och nå 130 miljarder dollar, enligt Transparency Market Research.

[Många] tillverkningsproblem kan nu lösas med den här nya snabba och billiga produktionskapaciteten, så den potentiella marknaden för nano-/mikrotryckta delar kommer precis upp i synen, säger William Plummer, senior forskare och rådgivande styrelsemedlem för BMF Material Technology, en Boston/Shenzhen-baserat startupföretag som tillverkar nano/mikro 3-D-skrivare och material, samt anpassade produkter för andra företag som använder dess utrustning.

Medan välkända 3-D-utskriftsstartups som Desktop Metal och Carbon redan har rönt stor uppmärksamhet på marknaden fokuserar de på tillverkning i större skala. I takt med att tekniken har utvecklats har den blivit skickligare på att skapa mer detaljerade och mindre komponenter.

Nano/mikro 3D-utskrift kan generera komplexa, små komponenter. Detta är den mest exakta inkarnationen av 3D-utskriftsteknik, och den är redo att revolutionera tillverkningsindustrin för precisionskomponenter. Nu tar företag som BMF denna teknik till en ny nivå med skrivare som har mikrometer/nanometerupplösning och kapacitet att utföra tillverkning i stora volymer. Det som skiljer BMF från varandra, säger Plummer, är utrustningens rigoritetsnivå och de unika valen av material och processer: BMF:s precisionsteknologi för 3D-utskrift kan göra små mekaniska delar, såsom små fjädrar, speciella elektriska kontaktformer, och till och med komplicerade och krävande anordningar som hjärtstentar.

Hur det fungerar

Få tekniska framsteg har fångat allmänhetens fantasi och inspirerat ingenjörskonst och konstnärlig kreativitet i samma utsträckning som 3-D-utskrift, särskilt nano/mikro 3-D-utskrift. Från en digital fil är det möjligt att skapa ett fysiskt tredimensionellt objekt. Även om det inte är en ny teknik, har de senaste framstegen gjort det till ett mer praktiskt sätt att skapa prototyper, engångskomponenter och föremål som är för dyra eller svåra att tillverka med traditionella metoder som gjutning och CNC-bearbetning (computer numerical control).

BMF använder en teknik som kallas Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), som liknar metoden som används i en videodisplayenhet i mikroskala när en serie bilder projiceras sekventiellt genom en reduktionslins för att härda ljuskänsligt fotopolymerharts. När det reducerade bildmönstret fokuseras på det ljuskänsliga hartset, initierar det ultravioletta ljuset härdnings- eller härdningsprocessen - vilket är känt som fototvärbindning. Endast området som är upplyst av ljuset härdar och härdar till den föreskrivna 3D-formen. De projicerade ljusmönstren definieras av 3D-bilderna, som är sektionerna av en datorgenererad 3D-modell. I kombination med olika efterbearbetningstekniker kan BMF tillverka ett brett utbud av produkter, inklusive artiklar som keramik och optiska linser.

Den primära skillnaden mellan nano/mikro och traditionell 3-D-utskrift är graden av precision och upplösning som möjliggörs av nano/mikro 3-D-utskrift. När man beskriver denna metod för 3-D-utskrift går upplösningen in i meso-, mikro- och nanonivåerna (dvs. en miljarddels meter). Denna kaliber av 3-D-utskrift kan replikera verkligt mikroskopiska miniatyrkomponenter med detaljnivåer och precision som är omöjliga att uppnå med typisk 3-D-utskrift.

Under de senaste åren har 3D-utskrift nått den punkt där konsumenter kan köpa en 3D-skrivare för allt från $200 till $500. Dessa lågprisskrivare påminner dock inte mycket om de sofistikerade nano/mikro 3-D-skrivare som företag som BMF nu bygger och använder för att tillverka olika komponenter.

Precisionstillverkning

BMF gick in på marknaden för högupplöst nano/mikro 3-D-utskrift i maj 2016, när det spred sig från Nanophotonics and 3D Nanomanufacturing Laboratory vid MIT. Företagets teknologi är baserad på samma teknik som utsågs till en av MIT Technology Review s 10 banbrytande teknologier under 2014 och 2015. (Faktum är att Nicholas Fang, medgrundare/chefsforskare vid BMF, är en del av ett ledande team för nano/mikro 3-D-utskriftsteknik som erkändes av MIT Technology Review 2015.)

BMF fokuserar på att tillverka mindre precisionskomponenter, men med de högre volymer som krävs av industrisegment som medicintekniska produkter. BMF:s 3D-utskriftssystem kan nå en hög volym på grund av den lilla storleken på de komponenter vi tillverkar, säger Xiaoning He, medgrundare/VD för företaget. Små delstorlekar gör att ett stort antal komponenter kan skrivas ut samtidigt. Till exempel kan BMF:s 3-D-skrivare tillverka hundratals linser med en diameter på cirka en millimeter inom en timme, vilket resulterar i en tillverkningskapacitet på hundratusentals bitar per år – vilket kan möta volymefterfrågan från endoskoptillverkare. Dessutom kan varje enskild del i en sats av komponenter specialtillverkas oavsett antalet komponenter som tillverkas. Dessa funktioner kan möta volymkraven från industrikunder som behöver små precisionskomponenter.

Innovativ teknik

Med sitt innovativa tillvägagångssätt har BMF-teamet riktat in sig på den optiska industrin. Den lukrativa marknaden för optiska glasögon bara i Kina står för 12 miljarder dollar årligen. De flesta glasögon är inte riktigt personliga för en individs behov och specifikationer utan är baserade på standardrecept. Komplicerade glasögon, som friformade linser, är dyra, säger Yi Zhen, biträdande chef för avdelningen för medicinsk teknologiöverföring vid Beijing Institute of Ophthalmology, Peking Tongrens sjukhus . Till exempel kan försäljningspriset för ett par personliga friformslinser [med traditionell tillverkning] nå så högt som $1 300.

Det mänskliga ögat är ett komplext organ, och det är inte ett perfekt optiskt system. Inga två ögon är den andra lik, säger Zhen. Men traditionella linser tillverkas av halvfärdiga linsämnen som är fabriksgjutna i masskvantitet. Personliga friformslinser har potentialen att befria glasögonbärare från de optiska kompromisserna med traditionella massproducerade linser. Traditionella personliga friformslinser kräver dyra maskiner … så att de flesta inte har råd med det. Således kan de flesta patienter inte uppnå idealisk synkorrigering och deras syn försämras hela tiden.

Beijing Tongren Hospital är det största oftalmologiska sjukhuset i Kina, med cirka en miljon patientbesök per år. Ningli Wang, professor vid Beijing Tongren, och hans team, har gått samman med BMF för att producera billiga personliga friformslinser enligt varje individs recept. Teamet har framgångsrikt designat och tillverkat en sofistikerad personlig lins med följande designfunktioner:

• Torisk design som korrigerar astigmatism och minskar aberrationer;
• Asfärisk design som korrigerar närsynthet och minskar linsens kanttjocklek;
• Perifer defokusdesign som kontrollerar utvecklingen av närsynthet hos barn.

Även om ett sådant friformsobjektiv är svårt och dyrt att tillverka traditionellt, tar det med BMF:s teknologi bara cirka fyra timmar att tillverka, och objektivet har en kostnad som liknar den för ett vanligt objektiv. Med mycket lägre systemkostnader och produktionshastighet är 3-D-printade linser inställda på att revolutionera utbudet av speciella glasögonglas till oftalmikern, säger Mo Jalie, senior forskare och rådgivande styrelsemedlem för BMF.

BMF:s teknologi kan också potentiellt revolutionera många andra oftalmiska områden, inklusive skapandet av skräddarsydda korrigerande kontaktlinser som hjälper patienter med komplexa avvikelser efter sådana problem som en hornhinnetransplantation, keratokonus (en progressiv ögonsjukdom där den normalt runda hornhinnan förvrängs till en konliknande form) och tillstånd orsakade av yttre skador. 3D-utskrift för den optiska linsindustrin är som digitaltryck för förlagsbranschen, säger Wang. Denna nya teknik resulterar i snabbare, billigare, mer flexibel och exakt linsproduktion.

Nya tillverkningsmått

Det finns otaliga andra precisionsanvändningsfall för nano/mikro 3-D-utskrift, såsom hjärtstentar, endoskoplinser och specifika elektriska kontakter, säger Xiaoning. För närvarande krävs laserbearbetning för att skära ut den komplexa inre strukturen hos hjärtstentar. 3D-utskrift kan lättare generera den nödvändiga strukturen, möjliggöra mer sofistikerade konstruktioner och dramatiskt lägre kostnader jämfört med traditionella tillverkningsmetoder.

Elektriska kontakter blir också mindre och mer komplexa. Nano/mikro 3-D-utskriftsteknik ger ingenjörer verktygen att designa intrikat komplexa och oregelbundet formade kontakter. Xiaoning säger att BMF också har fått beställningar inom många andra områden, inklusive precisionskeramiska komponenter.

Som med all ny teknik blir nano/mikro 3-D-utskrift mer exakt, mer kapabel och billigare. Den kan leverera större noggrannhet till en betydligt lägre kostnad och är snabbare och enklare än traditionella metoder som ger liknande precisionsnivåer.

Den världsomspännande marknaden för högprecisionstillverkade delar är mycket krävande och lukrativ. Och mycket av tiden fungerar traditionell teknik helt enkelt inte alls, säger Xiaoning. När han beskriver utmaningarna med att tillverka mikroskopiska komponenter, citerar han en branschfras, Ibland säger vi, 'Ju mindre, desto svårare.'

För mer om nano/mikro 3-D-utskriftsteknik, besök www.bmftec.cn

Dölj