3D-печать выходит за рамки своих инновационных корней
Девинс, Массачусетс. Машины высотой 20 футов и весом 60 000 фунтов представляют собой технологический рубеж 3D-печати.
Каждая машина использует 150 лазерных лучей, проецируемых с гентри и быстро движущихся вперед и назад, производя высокотехнологичные детали для корпоративных клиентов в таких областях, как аэрокосмическая, полупроводниковая, оборонная и медицинская имплантация.
Детали из титана и других материалов создаются слой за слоем, каждый толщиной с человеческий волос, до 20 000 слоев, в зависимости от конструкции детали. Машины опломбированы. Внутри атмосфера состоит в основном из аргона, который является наименее реакционноспособным из газов, что снижает вероятность того, что примеси частично вызовут дефекты.
Литейный завод 3D-печати в Девинсе, штат Массачусетс, примерно в 40 милях к северо-западу от Бостона, принадлежит Vulcan Forms, стартапу, выросшему из Массачусетского технологического института. Компания привлекла 355 миллионов долларов для проектного финансирования. За прошлый год штат компании увеличился в шесть раз, до 360 человек, включая сотрудников крупных производителей, таких как General Electric, Pratt & Whitney, и технологических компаний, включая Google и Autodesk.
«Мы доказали наш успех в области технологий. Теперь мы должны показать, что у нас сильные финансовые показатели как у компании и что мы можем управлять ростом», — сказал Джон Харт, соучредитель VulcanForms и профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.
По мнению экспертов в области производства, руководителей предприятий и инвесторов, для 3D-печати, зародившейся в 1980-х годах, технологические, экономические и инвестиционные тенденции могут, наконец, привести к коммерческому проникновению в отрасль.
Они говорят, что 3D-печать, также называемая аддитивным производством, больше не является новой технологией для нескольких потребительских и промышленных товаров или для создания концепций дизайна прототипов.
Теперь это технология, которая позволяет производить качественную промышленную и массовую печатную продукцию», — сказал Йорг Бромбергер, эксперт по производству в McKinsey & Company. Он является ведущим автором недавнего отчета консалтинговой фирмы под названием «Внедрение аддитивного производства».
3D-печать означает создание чего-то с нуля, по одному слою за раз. Лазеры с компьютерным управлением плавят порошки металла, пластика или композитных материалов для создания слоев. В традиционном «субтрактивном» производстве блок металла, например, отливается, а затем часть его вырезается в форму с помощью станков.
В последние годы некоторые компании использовали аддитивные технологии для изготовления специализированных деталей. General Electric использует 3D-печать для изготовления топливных форсунок для своих реактивных двигателей, Stryker производит имплантаты для позвоночника, а Adidas печатает сетчатую подошву для своих элитных кроссовок. Зубные имплантаты и ортодонтические приспособления печатаются на 3D-принтере. Во время пандемии Covid-19 3D-принтеры произвели экстренные запасы лицевых щитков и деталей для вентиляторов.
Эксперты говорят, что потенциал сегодня намного шире, чем относительный набор нишевых продуктов. Ожидается, что к 2026 году мировой рынок 3D-печати утроится и достигнет почти 45 миллиардов долларов. Отчет по центрамТорговая площадка производственных услуг.
Администрация Байдена надеется, что 3D-печать поможет возродить американское производство. Элизабет Рейнольдс, специальный помощник президента по индустриализации и экономическому развитию, сказала, что аддитивные технологии станут одной из «основ современного производства в 21 веке», наряду с робототехникой и искусственным интеллектом.
В мае президент Байден отправился в Цинциннати, чтобы объявить производство добавок вперед, Инициатива, координируемая Белым домом в сотрудничестве с крупными производителями. Первые пять членов компании — GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon и Lockheed Martin — расширяют использование аддитивного производства и обязались помочь своим малым и средним американским поставщикам внедрить эту технологию.
Добровольные обязательства направлены на ускорение инвестиций и создание более широкой внутренней базы навыков аддитивного производства. По словам представителей администрации, поскольку 3D-печать является высокотехнологичным цифровым производственным процессом, она играет роль в силе Америки в области программного обеспечения. Они добавляют, что дополнительное производство сделает американское производство менее зависимым от литья и металлообработки за границей, особенно в Китае.
Аддитивное производство также обещает экологический бонус. Это гораздо менее расточительно, чем традиционное литье, ковка и резка. Для некоторых металлических деталей 3D-печать может сократить затраты на материалы на 90 процентов и сократить потребление энергии на 50 процентов.
Эксперты говорят, что промышленная 3D-печать может значительно снизить общую стоимость изготовления специализированных деталей, если технология станет достаточно быстрой и эффективной для массового производства.
Вулканские формы В 2015 году по Доктор Харт и один из его аспирантов, Мартин Фельдман. Они применили новый подход к 3D-печати, в котором используется больше лазеров, чем в существующих системах. Для разработки сложной хореографии лазеров потребуются инновации в лазерной оптике, датчиках и программном обеспечении.
К 2017 году они добились достаточного прогресса, чтобы поверить, что могут построить машину, но для этого им потребуются деньги. К паре присоединяется Анупам Гилдиал из Силиконовой долины, серийный ветеран, который стал частью команды VulcanForms. Они получили первоначальный раунд в размере 2 миллионов долларов от Затмение Венчурс.
Партнер Eclipse Грег Райхов вспоминает, что технология VulcanForms пыталась устранить три недостатка 3D-печати: слишком медленная, слишком дорогая и слишком несовершенная.
Стартап изо всех сил пытался построить первую машину, доказавшую жизнеспособность его концепции. Но в итоге ей это удалось. Более поздние версии стали больше, сильнее и совершеннее.
Vulcan Forms заявила, что ее принтеры теперь генерируют в 100 раз большую мощность лазера, чем большинство 3D-принтеров, и могут производить детали во много раз быстрее. Эта технология печати является основным интеллектуальным активом компании, защищенным десятками патентов.
Но VulcanForms решила не продавать свои устройства. Его стратегия заключается в том, чтобы быть поставщиком для клиентов, которым нужны нестандартные детали.
Такой подход позволяет VulcanForms контролировать весь производственный процесс. Но это также компрометирует тот факт, что экосистемы аддитивного производства не существует. Компания сама строит каждый этап производственного процесса, изготавливает собственные принтеры, проектирует детали, выполняет механическую обработку и окончательное тестирование.
«Мы определенно должны сделать это сами — построить полный спектр цифрового производства — если мы хотим добиться успеха», — сказал г-н Фельдман, генеральный директор. Фабрика – это продукт.
Объект Девенс включает в себя шесть гигантских принтеров. Компания заявила, что к следующему году их должно быть 20. VulcanForms изучила четыре площадки для второго завода. В течение пяти лет компания надеется создать и запустить несколько заводов по 3D-печати.
Стратегия «сделай сам» также увеличивает риск и стоимость стартапа. Но компания убедила список высокопоставленных новобранцев, что риск того стоил.
Брент Брунелл пришел в VulcanForms в прошлом году из General Electric, где он был экспертом в области аддитивного производства. Г-н Брюнель сказал, что концепция использования больших массивов лазеров в 3D-печати не нова, но никто не делал этого раньше. Присоединившись к VulcanForms и изучив ее технологию, он сказал: «Было ясно, что эти ребята были заинтересованы в новой архитектуре, и они успешно работали».
Рядом с каждой машиной на объекте VulcanForms оператор отслеживает ее производительность с помощью потока данных датчиков и изображения с камеры работающих лазеров, которые передаются на монитор компьютера. Заводской звук — это низкое электронное жужжание, очень похожее на звук центра обработки данных.
Завод сам по себе может быть эффективным инструментом вербовки. «Я привожу их сюда и показываю машины», — сказал Кип Вайман, бывший старший менеджер по производству в Pratt & Whitney, который является главным операционным директором VulcanForms. Обычная реакция: «Черт возьми, я хочу быть частью этого».
Для некоторых промышленных деталей одной 3D-печати недостаточно. Он необходим для окончательной термообработки и изготовления металла. Понимая это, VulcanForms приобрела около машины в этом году.
Arwood — современный механический цех, который работает в основном на Пентагон, производя детали для истребителей, беспилотников и ракет. В соответствии с VulcanForms, Arwood планирует в течение следующих нескольких лет утроить свои инвестиции и рабочую силу, которая в настоящее время включает 90 человек.
Частная компания VulcanForms не раскрывает свои доходы. Но она сказала, что продажи быстро росли, а заказы увеличивались ежеквартально в десять раз.
Устойчивый рост VulcanForms будет зависеть от увеличения продаж таким клиентам, как мозгикоторая производит специализированные полупроводниковые системы для приложений искусственного интеллекта. В прошлом году компания Cerebras обратилась к VulcanForms, чтобы помочь создать сложную деталь для охлаждения мощных компьютерных процессоров водой для их охлаждения.
Полупроводниковая компания отправила VulcanForms компьютерный чертеж концепции, сложной сети крошечных титановых трубок. В течение 48 часов VulcanForms вернула часть, вспоминает Эндрю Фельдман, генеральный директор Cerebras. Инженеры обеих компаний работали над дальнейшими улучшениями, и теперь система охлаждения используется.
Ускорение темпов экспериментов и инноваций — одно из перспектив аддитивного производства. Г-н Фельдман сказал, что современная 3D-печать также позволяет инженерам создавать новые сложные конструкции, повышающие производительность. «Мы не могли бы сделать эту часть с водяным охлаждением иначе», — сказал г-н Фельдман.
«Дополнительное производство позволяет нам переосмыслить то, как мы строим вещи», — сказал он. «Вот где мы сейчас, и это большое изменение».