Koltrycker fantastiska material

Med sin bakgrund inom kemi har VD Joseph DeSimone tagit ett helt nytt tillvägagångssätt för avancerad tillverkning, vilket gör att Carbon, nummer 18 på vår lista över de 50 smartaste företagen, kan skriva ut material med ett brett utbud av användbara egenskaper. Förbi

• Katherine Bourzac arkivsida

27 juni 2017

leonard greco

En elegant mekanisk arm störtar ner i en pöl av vad som ser ut som mjölkgrå bläck i Carbons labb i Redwood City, Kalifornien (se '50 Smartest Companies 2017') Den svarta armen rör sig sakta uppåt och drar ut en plastkub med galler ur badet, glänsande och droppande av bläck: en storskalig modell av benets porösa struktur.

Joseph DeSimone, Carbons VD och medgrundare, tittar på. DeSimone, en polymerkemist, hjälpte till att uppfinna dessa maskiner, och han får fortfarande en kick av att se dem fungera. Det är en form av 3D-utskrift, men det görs på ett nytt sätt som är snabbare än tidigare tekniker och fungerar med många fler typer av plast. Sättet som skrivaren smidigt drar objektet från poolen av mjölkaktig vätska, millimeter för millimeter, ger en illusion av att en befintlig struktur håller på att växa fram. Faktum är att vätskan är ett ljuskänsligt prekursormaterial; en digital projektor projicerar kontinuerligt ultraviolett ljus på botten av gallret, det första av två steg som härdar materialet för att bilda plastobjektet.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2017

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Genom att använda sin process för att snabbt skriva ut objekt med högpresterande polymerer som polyuretaner och epoxier, följer fyra år gamla Carbon ett tillvägagångssätt som är fundamentalt annorlunda än andra metoder för 3-D-utskrift, som lägger ner plastskikt ett i taget. Det begränsar kvaliteten på många 3-D-tryckta produkter, men Carbon tillverkar ett objekt i en kontinuerlig process och undviker några typiska problem. DeSimone säger att hans teknologi gör det möjligt för Carbon att skriva ut polymerobjekt snabbt, i vissa fall tusentals gånger snabbare än andra 3-D-skrivare, och använda ett bredare utbud av material, inklusive gummiliknande elastomerer och hållbara, hårda plaster.

Adidas Futurecraft 4D inkluderar mellansulor tryckta av Carbon.

Teknik för 3-D-utskrift har funnits sedan 1980-talet; fans har fascinerats av möjligheten att enkelt skapa objekt med komplexa strukturer som inte kan göras med andra tekniker, och att personifiera föremål som medicinsk utrustning eller kläder lika enkelt som olika bilder kan skrivas ut på ett papper. Två utmaningar har dock hållit 3D-utskrift till en nischteknik: dess långsamma hastighet och det begränsade utbudet av material som den är lämpad för. Nyligen har företag som HP, som säljer 3-D-skrivare för att tillverka höghållfasta nylondelar, och Desktop Metal (se The 3-D Printer That Could Finally Change Manufacturing), vars maskin använder olika metallegeringar, försökt göra tekniken mer relevant för tillverkning genom att öka dess hastighet och använda industriellt önskvärda material. Carbon ansluter sig till detta allt mer trånga fält. Med stöd av 222 miljoner dollar från investerare inklusive GE Ventures och Alphabets Google Ventures har företaget skapat en process som den kallar digital ljussyntes snarare än 3-D-utskrift, ett sätt att anspela på dess nya kemi.

Att lägga till trovärdighet till DeSimones påstående att 3-D-utskrift äntligen är redo att masstillverka skräddarsydda delar är Carbons växande lista över betalande kunder. Volymen och hastigheten vi kan uppnå med Carbons banbrytande digitala ljussyntes är oöverträffad, säger Paul Gaudio, den globala kreativa chefen för Adidas. Det är nästan magiskt. Adidas provade andra 3-D-skrivare eftersom de försökte göra skräddarsydda skor för massmarknaden, men ingen av dem kunde fungera i stor skala. Nu kommer det att använda Carbons teknologi för att tillverka mellansulor i elastomer för atletiska skor, med 5 000 par i höst och vinter. Företaget hoppas kunna skriva ut miljontals skor, inklusive skräddarsydda modeller, till 2021. Andra kunder drar nytta av Carbons teknologi för att skriva ut delar till elmotorcyklar, serverfarmar och kylsystem, som alla har varit svåra eller omöjliga att tillverka med andra metoder.

Blanda polymerer

Innan han grundade Carbon 2013 tillbringade DeSimone mer än 20 år som polymerkemist vid University of North Carolina. 2012, när 3-D-utskrift blev populärt bland hackare som använder skrivbordsmodeller, fick han ett samtal från Alex Ermoshkin, en före detta student och anställd på ett läkemedelsleveransföretag DeSimone hade startat i början av 2000-talet. Ermoshkin kom till honom med en affärsidé: skulle han vara intresserad av att starta ett företag för att bygga billigare 3D-skrivare?

DeSimone, som hade viss erfarenhet av tekniken, var fascinerad. Han föreslog att Ermoshkin skulle göra en patentsökning för att se vad som saknades i fältet. Ermoshkin hittade många beskrivningar av sätt att skriva ut tredimensionella objekt ett lager i taget, vissa använder UV-ljus för att länka samman kemiska byggstenar och härda dem för att bilda polymerer. Stereolitografi är en av de ursprungliga 3-D-utskriftsmetoderna, men den har alltid begränsats av egenskaperna hos sådana UV-härdbara plaster, som inte har inkluderat hållbarhet eller flexibilitet. Dessutom tenderade resulterande produkter bildade i lager att vara svaga. Stereolitografi är användbar för att göra prototyper, men inte för slutliga delar. Dessutom var skrivarna mycket långsamma och tog timmar eller till och med dagar att göra stora föremål.

De två började fundera på hur de skulle skriva ut utan att stanna. De inspirerades, säger DeSimone, av bilden av den mänskliga roboten T-1000 som reser sig upp ur en pöl av metallisk vätska för att stå på två fötter i filmen från 1991 Terminator 2: Judgment Day. I systemet som DeSimone och Ermoshkin föreställde sig skulle ljusmönster projiceras in i badet, som bilder på en filmduk, när skrivararmen flyttades upp. När ljuset härdade materialet skulle föremålet formas kontinuerligt.

Bland de knepiga utmaningarna som teamet fick lösa var hur man hindrar föremål från att fastna i botten av badkaret. DeSimone kom med lösningen: ett syregenomsläppligt fönster, som drar fördel av att dessa typer av UV-utlösta reaktioner stoppas av syre. Det är en liten detalj, men en kritisk sådan.

Carbons vice VD för material, Jason Rolland, säger att företaget har fokuserat på att övervinna begränsningarna hos UV-härdbara polymerer och utveckla blandningar som erbjuder ett brett utbud av egenskaper. Systemet kan nu skriva ut med 12 materialklasser — några slitstarka, några stretchiga eller squishy, ​​några kan bära tunga vikter. Den ena, en cyanatester som tål temperaturer upp till 231 °C, är lämplig för tillverkning av fordons- och flygdelar. En annan klass, elastomerer, inkluderar de squishy material som Adidas använder. DeSimone planerar en appbutik för hartser där företagets kunder kan beställa för att skriva ut det de behöver.

Uppskalning

Carbon arbetade med Adidas på 150 olika iterationer av elastomeren i sin nya sko, som använder en tryckt mellansula med en gitterstruktur. Strukturens mekaniska egenskaper kan skräddarsys genom att ändra mönstret på gallrets hål och strävor, vilket ger personaliseringen till en massskala.

I Carbons lobby visar en stor bildskärm driftstatus för alla dess skrivare, både på plats och hos kunder. Företaget säljer enheterna på en prenumerationsmodell och arbetar sedan med kunderna för att välja rätt material och design. Var sjätte vecka eller så skickar Carbon ut mjukvaruuppdateringar baserat på vad den ser i fält — en taktik inspirerad av Tesla, tidigare arbetsgivare för Carbons VP of engineering, Craig Carlson. Carbon designar nu mjukvara för maskininlärning för att skapa den optimala utskriftsdesignen och parametrarna för en given produkt. Vi vill se problemen innan vi skriver ut, säger DeSimone.

Dölj