Omedelbar tillverkning

En gränslinje för tillverkningshistoria skär över fabriksgolvet på Siemens Hearing Instruments i Piscataway, NJ. Å ena sidan använder skickliga tekniker gjutningstekniker, precisionsverktyg och år av erfarenhet för att tillverka akrylskalen på hörapparater som är modellerade från silikonavtryck från verkliga hörselgångar.

På andra sidan fabriksgolvet skapar två maskiner i pizzaugnsstorlek liknande skal av nylondamm. Inuti maskinerna, nålar av laserljus, styrda av digitala designfiler, robotiskt skannar fram och tillbaka, och knyter papperstunna lager av damm till sega plastskikt. Fyra timmar och flera hundra lasersvep senare är en sats med 80 hörapparatskal klar ( se Från damm till hörapparater, längst ner ). Processen sparar timmar av mänskligt arbete och producerar hörapparater som passar och låter bättre än traditionella.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2003

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det fungerar så bra att Siemens, världens största tillverkare av hörapparater, helt går över till tekniken på flera fabriker. Hela denna process gör att vi kan vara mer exakta och eliminera mänskliga fel. Det här kommer att förändra verksamheten, säger William Lesiecki, chef för mjukvara och e-handelslösningar för Siemens Hearing Instruments.

Bening upp

På vissa sätt är direkt tillverkning en naturlig följd av det obevekliga trycket att minska tiden det tar att flytta en produkt från koncept, genom design och utveckling, till kommersiell verklighet. När datorstödd design och digitalt styrda verktyg började infiltrera fabriker på 1970- och 1980-talen var scenen redo för snabb prototyping, som använder tryckteknik för att skapa tredimensionella objekt som fungerar som prototyper för till exempel leksaker eller bildelar. Med prototyper i handen på bara timmar - snarare än de veckor eller månader som handsnideri och gjutning en gång tog - designers kan snabbare förfina produkter, och ingenjörer kan snabbt upptäcka och korrigera problem.

De första snabba prototypmaskinerna använde lasrar för att binda på varandra följande lager av en flytande polymer - en process som kallas stereolitografi. Senare versioner använde ett bredare utbud av råmaterial, såsom pulver som skulle smälta samman när de träffades av en laserstråle. Ett annat språng kom på 1990-talet, när metoden expanderade bortom lasrar till att inkludera skrivhuvuden som sprutade bindande vätskor på pulver, vilket ökade hastigheten och en ännu större variation av material ( se Spelare i direkttillverkning, längst ner ). Samtidigt var drivkraften att utveckla dessa teknologier till den grad att de kunde göra färdiga produkter, inte bara prototyper. I slutet av 1980-talet hade stereolitografi precis kommit ut, och det var väldigt inspirerande att se, säger Emanuel Sachs, en maskiningenjör vid MIT som utvecklade skrivhuvudmetoden. Det jag tänkte göra var att flytta fokus från att göra prototyper till att skapa funktionella delar direkt.

Det målet är nu uppfyllt. En ny dag på Therics laboratorium i Princeton, NJ, såg två anställda i renrumsdräkter när en skrivare i bilstorlek tillverkade 300 två centimeter långa bitar av ersättningskäkben. En linjär uppsättning av åtta skrivhuvuden svepte över på varandra följande lager av ett pulver som kallas hydroxiapatit (det viktigaste mineralet i naturligt ben), som selektivt fördelade små droppar av en organisk bindande vätska som senare skulle brännas ut under en ugnsbehandling. Under den obevekliga sekvensen av droppar - 800 per sekund - började den annars formlösa massan av pulver ta form. U.S. Food and Drug Administration godkände Therics benersättning i slutet av maj, och även om den ännu inte har använts i ett implantat hos människor, är den redan i händerna på kirurger som har för avsikt att testa den snart. Som ett sätt att göra ersättningsben har direkt tillverkning vissa fördelar. Säg att ett olycksoffer har förlorat ett fragment av armben. Verket kan rekonstrueras digitalt med bilder av samma ben på den andra armen. Dessutom kan trycktekniken skapa porer som är bara 50 mikrometer breda, vilket gör att bensegmentet, när det väl har implanterats, kan vara värd för riktiga celler som gör riktigt ben, vilket stärker och så småningom ersätter implantatet.

FDA:s godkännande av Therics direkttillverkade bensubstitut är en milstolpe för tillverkningsteknologin. Ranji Vaidyanathan, en materialforskare vid Advanced Ceramics Research i Tucson, AZ – som utvecklar sina egna tryckta bensubstitut – förväntar sig att direkttillverkat ben ska vara vanligt inom tre till fem år. Jag skulle säga att det kommer att förändra hur vi ser på ersättningsben, säger han.

Anpassade robotar

Benimplantat förebådar mycket bredare framtida tillämpningar som kommer att följa förbättringar i hastighet, precision och variation av råmaterial. On Demand Manufacturing, som redan tillverkar plast- och metalldelar, hoppas kunna erbjuda material som kan prestera under de mest krävande förhållanden, inklusive den ugnsliknande värmen från en raketmotor. Företaget har utvecklat superlegeringspulver som kan formas via direkttillverkningsmaskiner och sedan bakas till komplexa, superstarka turbindelar. Företaget tar nu de steg som krävs för att kvalificera komponenterna för användning i raketer.

Tekniken för direkttillverkning blir också mobil. I ett drag som en dag kan få konsekvenser för ditt lokala bilverkstad, utvecklar den amerikanska armén mobila enheter i lastbilsstorlek som kan tillverka reservdelar baserade på digitala filer eller skanningar på plats efter fordon och vapen direkt på slagfält.

Och vissa driver tekniken in i robotik och elektronik, komplett med rörliga delar. Som ett första steg experimenterar John Canny, Vivek Subramanian och deras kollegor vid University of California, Berkeley, med bläckstråleutskrift som en metod för att forma organiska halvledare och elektroaktiva material till smarta komponenter som ändrar form som svar på en spänning . En långsiktig vision är en skräddarsydd helt polymerrobot som väger mindre än ett kilogram som skulle kunna skrivas ut för specifika jobb, som att fixera kablar på ett trångt ställe på ett flygplan. Men Berkeley-forskarnas initiala mål är mer blygsamma; Subramanian säger att de förväntar sig att bygga sin första demonstrationswidget - kanske en liten rörlig led - inom två år.

Tekniken kan så småningom gå till detaljhandeln också. John Wooten, general manager för On Demand Manufacturing, föreställer sig något som en kedja av tredimensionella Kinko utrustade med direkttillverkningsutrustning som kan replikera i stort sett vilket objekt som helst som kan skannas eller definieras i en digital fil. Det är möjligt att föreställa sig en kille med sin '65 Mustang och ett trasigt fönsterhandtag som går dit för att få ett nytt handtag, säger Wooten. På liknande sätt förutser Carnegie Mellons Bourne nya alternativ för personlig anpassning: mobiltelefoner, CD-spelare och alla typer av konsumentprodukter med former och färger som specificeras av kunderna.

Även om dessa detaljhandelstillämpningar fortfarande är hypotetiska, växer företag fram för att betjäna tillverkare på kontraktsbasis. Företag som Accelerated Technologies i Austin, TX och Met-L-Flo i Genève, IL, accepterar digitala designfiler och gör snabba prototyper – ett koncept som kan utvecklas till specialutskriftsprodukter för detaljhandelskunder. Om en sådan tjänst förverkligas, skulle en bilrestauratör i kvarteret som vill duplicera en liten bit grillarbete, eller en husägare som replikerar gamla trim, tycka att det liknar en digital Home Depot, med ett oändligt virtuellt lager av skräddarsydda produkter.

Spelare inom direkt tillverkning
Företag	Teknologi	Ansökningar
3D-system (Valencia, CA)	Selektiva lasersintringsmaskiner som använder lasrar för att binda plast- eller metallpulver; stereolitografisystem som härdar flytande hartser med lasergenererad värme	Medicinska implantat och proteser, komponenter för militärjet, hörapparater, delar till Formel 1-racerbilar
Stratasys (Eden Prairie, MN)	Uppvärmd plast utstöts av rörliga munstycken	Pumpdelar och små växlar
Therics (Princeton, NJ)	Tredimensionell utskriftsteknik, i vilken uppsättningar av skrivhuvuden sprutar droppar av organiska bindemedel på pulver	Benersättningar med den porositet som behövs för celler att ta tag efter implantation
On Demand-tillverkning (Camarillo, CA)	Användningen av 3D Systems sintringsmaskin för att skapa höghållfasta delar	Flygplanskanaler och andra specialanpassade plast- och metalldelar för flygtillämpningar
Siemens hörapparater (Piscataway, NJ)	Användningen av 3D Systems sintringsmaskin för att tillverka specialanpassade hörapparatskal	Hörapparatskal
MED (Burlington, MA)	Ultrasnabb tredimensionell skrivare som använder egenutvecklade pulver	Geografiska modeller i fullfärg för militär planering

Dölj