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La stampante 3D che potrebbe finalmente cambiare la produzione
Desktop Metal pensa che le sue macchine forniranno a designer e produttori un modo pratico e conveniente per stampare parti metalliche. 25 aprile 2017
Grant Cornet
Mancano meno di due mesi al lancio del prodotto iniziale della sua azienda e il CEO Ric Fulop sta sfoggiando con entusiasmo file di stampanti 3-D essenziali, diversi ingombranti forni a microonde e piccoli oggetti di metallo assortiti su un tavolo per la visualizzazione. Dietro una porta chiusa, un team di designer industriali siede attorno a una scrivania condivisa, ciascuno di fronte a un grande schermo. Il muro dietro di loro è tappezzato con vari possibili look per gli ambiziosi prodotti della startup: stampanti 3-D in grado di fabbricare parti metalliche a basso costo e abbastanza rapidamente da rendere la tecnologia pratica per un uso diffuso nella progettazione e produzione di prodotti.
La società, Desktop Metal, ha raccolto quasi 100 milioni di dollari dalle principali società di venture capital e dalle unità di venture capital di società come General Electric, BMW e Alphabet. I fondatori includono quattro eminenti professori del MIT, tra cui il capo del dipartimento di scienze dei materiali della scuola ed Emanuel Sachs, che ha depositato uno dei brevetti originali sulla stampa 3-D nel 1989. Tuttavia, nonostante tutti i soldi e le competenze, non c'è alcuna garanzia che l'azienda riuscirà nel suo obiettivo di reinventare il modo in cui produciamo parti metalliche, trasformando così gran parte della produzione.
Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2017
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Mentre Fulop si muove nell'ampio spazio di lavoro aperto, la sua eccitazione e il suo entusiasmo sembrano mitigati dall'ansia. Le stampanti commerciali finali non sono ancora pronte. I dipendenti sono impegnati ad armeggiare con le macchine e gli oggetti di prova fabbricati sono sparsi qua e là. Si stanno facendo progressi, ma è anche ovvio che il tempo stringe. In un angolo vicino alla porta d'ingresso e alla zona d'ingresso, il pavimento è vuoto e nastrato; presto lo spazio dovrà essere riempito con un mockup dello stand pianificato dall'azienda per una prossima fiera.
Se avrà successo, Desktop Metal aiuterà a risolvere una sfida scoraggiante che ha eluso gli sviluppatori di stampa 3D per più di tre decenni, limitando gravemente l'impatto della tecnologia. In effetti, nonostante il notevole clamore e gli appassionati di evangelizzazione, la stampa 3D è stata, per molti versi, una delusione.
Hobbisti e produttori autoproclamati possono utilizzare stampanti 3D relativamente economiche per creare forme meravigliosamente complesse e ingegnose con la plastica. E alcuni designer e ingegneri hanno trovato quelle macchine utili per simulare potenziali prodotti, ma la stampa di parti in polimero ha trovato poco impiego sul piano di produzione in tutto tranne che in pochi prodotti specializzati, come apparecchi acustici personalizzati e impianti dentali.
Anche se è possibile
Metalli di stampa 3D, farlo è difficile e costoso.
Sebbene sia possibile stampare in 3D i metalli, farlo è difficile e costoso. Aziende manifatturiere avanzate come GE utilizzano macchine molto costose con laser specializzati ad alta potenza per realizzare alcune parti di alto valore (vedi Produzione additiva nel nostro elenco di 10 tecnologie rivoluzionarie del 2013). Ma la stampa dei metalli è limitata alle aziende con milioni da spendere per le apparecchiature, le strutture per alimentare i laser e i tecnici altamente qualificati per gestire tutto. E non c'è ancora un'opzione prontamente disponibile per coloro che desiderano stampare varie iterazioni di una parte metallica durante il processo di progettazione e sviluppo del prodotto.
Un collettore idraulico viene lavorato all'interno di un forno a microonde, che utilizza temperature fino a 1.400 °C per sinterizzare la parte in acciaio. Una parte del genere è troppo complessa per essere realizzata con i metodi convenzionali.
Le carenze della stampa 3D significano che la visione che ha eccitato a lungo i suoi sostenitori rimane sfuggente. Vorrebbero creare un design digitale, stampare prototipi che potrebbero testare e perfezionare, quindi utilizzare il file digitale della versione ottimizzata per creare un prodotto commerciale o una parte dello stesso materiale ogni volta che colpiscono make su un 3-D stampante. Avere un modo economico e veloce per stampare parti metalliche sarebbe un passo importante per trasformare questa visione in realtà.
Darebbe ai progettisti più libertà, consentendo loro di creare e testare parti e dispositivi con forme complesse che non possono essere realizzate facilmente con nessun altro metodo di produzione, ad esempio un intricato reticolo di alluminio o un oggetto metallico con cavità interne. Potrebbe eventualmente consentire a ingegneri e scienziati dei materiali di creare parti con nuove funzioni e proprietà depositando varie combinazioni di materiali, ad esempio stampando un metallo magnetico accanto a uno non magnetico. Oltre a ciò, ridefinirebbe l'economia della produzione di massa, perché il costo della stampa di qualcosa sarebbe lo stesso indipendentemente dal numero di articoli prodotti. Ciò cambierebbe il modo in cui i produttori considerano le dimensioni delle fabbriche, la necessità di scorte di riserva (perché tenere molte parti in magazzino se puoi stamparne una in modo semplice e veloce?) e il processo di adattamento della produzione a prodotti specializzati.
Questo è il motivo per cui c'è stata una corsa per trasformare la stampa 3D in un nuovo modo di produrre parti. I fornitori di lunga data di stampanti 3D, tra cui Stratasys e 3D Systems, stanno introducendo macchine sempre più avanzate che sono abbastanza veloci da essere utilizzate dai produttori. L'anno scorso, HP ha introdotto una linea di stampanti 3-D che, secondo l'azienda, consentirà ai produttori di prototipare e realizzare prodotti con il nylon, un materiale termoplastico ampiamente utilizzato. E lo scorso autunno, GE ha speso oltre un miliardo di dollari per due società europee specializzate nella stampa 3D di parti metalliche.
Questa elica in acciaio è stata appena stampata. Tra le pale dell'elica e il supporto metallico si trova una sottile linea di ceramica, che si trasformerà in sabbia durante il processo di sinterizzazione, consentendo di separare facilmente il pezzo finito dal supporto.
L'elica dopo la lavorazione fornisce un esempio di un pezzo ad alte prestazioni che può essere realizzato con la stampa 3D. Gli ingegneri possono utilizzare il metodo per prototipare e ottimizzare diversi progetti.
Ma la vera concorrenza per Desktop Metal probabilmente non è data dal numero crescente di aziende nella stampa 3-D. Per prima cosa, le stampanti 3-D di HP, Stratasys (un investitore in Desktop Metal) e 3D Systems utilizzano principalmente vari tipi di plastica, non la gamma di metalli che l'azienda di Fulop vuole utilizzare nelle sue stampanti. E le macchine di fascia alta di GE si sovrappongono poco alle ambizioni di mercato di Desktop Metal. Invece, è più probabile che i veri concorrenti per Desktop Metal siano tecnologie consolidate per la lavorazione dei metalli. Questi includono tecniche di lavorazione automatizzata, come il metodo utilizzato per realizzare il retro in alluminio ultrasottile degli iPhone, e una pratica in rapida crescita chiamata stampaggio a iniezione di metalli, un modo comune per produrre in serie prodotti in metallo.
I protagonisti della stampa 3D
Azienda: Stratasys
Tecnologia: Stratasys, una delle aziende originali di stampa 3D, è stata fondata da Scott Crumb, l'inventore della modellazione a deposizione fusa, il modo più comune per stampare parti in plastica.
Prodotti: Vende macchine in grado di stampare una varietà di materiali fotopolimerici e termoplastici.Azienda: carbonio
Tecnologia: Questa startup della Silicon Valley ha sviluppato un nuovo processo fotochimico per la fabbricazione di parti in varie materie plastiche, tra cui poliuretano ed epossidico.
Prodotti: Introdotto un sistema modulare per i produttori questa primavera.Azienda: HP
Tecnologia: La sua linea di macchine sfrutta la lunga storia dell'azienda con la stampa a getto d'inchiostro attraverso quella che chiama tecnologia di fusione multi getto. Questo utilizza più ugelli per la stampa ad alta velocità e ad alta risoluzione.
Prodotti: Ha presentato le sue prime stampanti 3D l'anno scorso. Le prime macchine stampano nylon, ma l'azienda sta cercando di espandersi ad altri materiali.Azienda: Sistemi 3D
Tecnologia: La prima azienda di stampa 3D, 3D Systems è stata fondata da Chuck Hull, l'inventore della stereolitografia, che utilizza la luce per formare parti di fotopolimeri. Ora offre vari tipi di stampanti 3D, comprese alcune che stampano parti metalliche.
Prodotti: Presentata l'ultima iterazione della stereolitografia l'anno scorso.
In altre parole, invece di cercare semplicemente di superare altre stampanti 3D, Desktop Metal avrà il difficile compito di convertire i produttori dai metodi di produzione che sono al centro delle loro attività. Ma l'esistenza stessa di questo mercato ampio e consolidato è ciò che rende la prospettiva così intrigante. La produzione di parti metalliche, afferma Fulop, è un'industria da trilioni di dollari. E anche se la stampa 3D ne vince solo una piccola parte, aggiunge, potrebbe comunque rappresentare un'opportunità multimiliardaria.
Troppo caldo per la stampa
Guardati intorno. I metalli sono ovunque. Ma mentre la stampa 3D è stata ampiamente utilizzata nella produzione di materie plastiche, l'uso della tecnologia nella produzione di parti metalliche è stato strettamente limitato, afferma Chris Schuh, capo della scienza dei materiali e dell'ingegneria al MIT e cofondatore di Desktop Metal. La lavorazione dei metalli è più un'arte. È uno spazio molto impegnativo.
Realizzare oggetti di metallo utilizzando la stampa 3D è difficile per diversi motivi. La cosa più ovvia è l'elevata temperatura richiesta per la lavorazione dei metalli. Il modo più comune per stampare la plastica prevede il riscaldamento dei polimeri e la spruzzatura del materiale dall'ugello della stampante; la plastica si indurisce quindi rapidamente nella forma desiderata. Il processo è abbastanza semplice da poter essere utilizzato in stampanti 3D che vendono per circa $ 1.000. Ma costruire una stampante 3D che estrude direttamente i metalli non è pratico, dato che l'alluminio fonde a 660 °C, l'acciaio ad alto tenore di carbonio a 1.370 °C e il titanio a 1.668 °C. Le parti metalliche devono anche passare attraverso diversi processi ad alta temperatura per garantire la resistenza prevista e altre proprietà meccaniche.
Per realizzare una stampante 3D sufficientemente veloce da poter essere utilizzata nella produzione di oggetti in metallo, Desktop Metal si è rivolta a una tecnologia che risale alla fine degli anni '80. Fu allora che un team di ingegneri del MIT guidato dal cofondatore dell'azienda Sachs presentò un brevetto per tecniche di stampa tridimensionale . Descriveva un processo di abbattimento di un sottile strato di polvere di metallo e quindi utilizzando la stampa a getto d'inchiostro per depositare un liquido che lega selettivamente la polvere insieme. Il processo, che si ripete per centinaia o migliaia di strati per definire una parte metallica, può realizzarne di di complessità geometrica quasi illimitata. Nell'applicazione più comune della tecnologia, il legante agisce come una colla. Tuttavia, può anche essere utilizzato per depositare localmente materiali diversi in luoghi diversi.
I ricercatori del MIT sapevano che il loro metodo di stampa poteva essere utilizzato per realizzare parti in metallo e ceramica, afferma Sachs. Ma sapevano anche che era troppo lento per essere pratico e le polveri metalliche necessarie per il processo erano troppo costose all'epoca. Sachs si è rivolto ad altri interessi di ricerca, compreso uno sforzo per migliorare la produzione del fotovoltaico (vedi Praying for an Energy Miracle, ). Nei decenni successivi la stampa 3D è decollata e ha catturato l'immaginazione di molti designer di prodotti. La cosa più famosa è che nel 2009 è stata introdotta una stampante 3-D economica e facile da usare di MakerBot, che ha fatto appello a molti sedicenti inventori e riparatori. Ma queste stampanti economiche si sono scontrate con la realtà che si limitavano a utilizzare pochi materiali plastici economici. Inoltre, sebbene le macchine possano stampare forme complesse, il prodotto finale spesso non è buono come una parte in plastica realizzata con la tecnologia convenzionale.
Primo piano del dado ad alette.
Desktop Metal ha stampato separatamente il bullone e il dado ad alette per dimostrare che può fabbricare parti con tolleranze strette.
Nel frattempo, i ricercatori di produttori industriali come GE erano impegnati a far progredire le tecnologie basate sul laser inventate alla fine degli anni '80 per la stampa dei metalli. Queste macchine utilizzano laser, o, in alcuni casi, fasci di elettroni ad alta potenza, per disegnare forme in uno strato di polvere metallica fondendo il materiale. Ripetono il processo per costruire un oggetto tridimensionale dalle polveri fuse. La tecnica è impressionante nelle sue capacità, ma è lenta e costosa. Vale la pena solo per parti di valore estremamente elevato che sono troppo complesse per essere realizzate con altri metodi. In particolare, il nuovo motore a reazione di GE utilizza una serie di sofisticati ugelli del carburante stampati in 3D; sono più leggeri e molto più durevoli perché al loro interno sono stati integrati intricati canali di raffreddamento.
I fondatori di Desktop Metal hanno deciso che per rendere la stampa 3D su metallo più ampiamente accessibile, avrebbero dovuto vendere due diversi tipi di macchine: un modello desktop relativamente economico adatto a progettisti e ingegneri che fabbricano prototipi e uno abbastanza veloce e grande per i produttori. Fortunatamente, diverse innovazioni hanno finalmente reso l'invenzione originale di Sachs pratica per la produzione di massa, incluso lo sviluppo della stampa a getto d'inchiostro ad altissima velocità per il deposito del raccoglitore. Stampando successivamente circa 1.500 strati, ciascuno di 50 micrometri di spessore e depositati in pochi secondi, la stampante su scala di produzione può costruire una parte da 500 pollici cubi in un'ora. È circa 100 volte più veloce di quanto una stampante 3D basata su laser possa realizzare parti metalliche.
Per la sua macchina di prototipazione, Desktop Metal ha adottato un metodo di stampa 3-D a base di plastica. Ma invece di un polimero ammorbidito, utilizza polveri metalliche mescolate con un legante polimerico scorrevole. La formulazione viene estrusa, utilizzando il legante stampato per raggruppare la polvere di metallo nelle forme previste.
Tuttavia, indipendentemente dal fatto che la parte venga stampata con la macchina di prototipazione o il modello di produzione, l'oggetto risultante, in parte un raccoglitore di plastica e in parte in metallo, non ha la forza di uno in metallo. Quindi entra in un forno a microonde appositamente progettato per la sinterizzazione, un processo di utilizzo del calore per rendere il materiale più denso, producendo una parte con le proprietà desiderate. In una serie di fasi accuratamente calibrate durante il processo di sinterizzazione, il polimero viene bruciato e quindi il metallo viene fuso insieme a una temperatura ben al di sotto del suo punto di fusione.
Il passo di vendita
Secondo le promesse dei suoi appassionati, la stampa 3D ridurrà la necessità di produttori industriali e darà potere ai produttori artigiani locali (vedi La differenza tra produttori e produttori, ). È probabile che la realtà sia molto diversa ma comunque profonda. Molti settori della produzione industriale utilizzano sempre più automazione e software avanzati e la stampa 3D migliora questo passaggio in corso alla produzione digitale. In un certo senso, non è diverso da un processo di lavorazione automatizzato che elabora un file digitale per creare una parte metallica. La differenza della stampa 3D è che offre modi per realizzare oggetti molto più complessi e rimuove molti dei vincoli che il processo di produzione impone a designer e ingegneri.
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Per ora, la sfida per Desktop Metal è mettere le sue apparecchiature nelle mani di designer e ingegneri che sono responsabili della prossima generazione di prodotti delle loro aziende. Questo inverno Fulop si stava preparando a presentare il prodotto iniziale dell'azienda, la macchina per la prototipazione, a una fiera a Pittsburgh all'inizio di maggio. (La stampante 3D di produzione dovrebbe essere disponibile il prossimo anno.) Il suo compito sarebbe convincere i partecipanti che spendere $ 120.000 per la stampante di prototipazione e il forno di sinterizzazione di Desktop Metal è essenziale per il futuro delle loro aziende.
Uno dei principali vantaggi della stampa 3D è la sua capacità di realizzare strutture complesse, compresi i reticoli interni in una parte metallica. Tali strutture potrebbero essere utilizzate per realizzare parti più leggere e resistenti.
È un lavoro di vendita per il quale Fulop è adatto. Ha fondato più di una mezza dozzina di aziende, a cominciare da una che ha importato hardware e software per computer che ha fondato quando aveva 16 anni e che vive ancora nel suo paese natale, il Venezuela. Probabilmente è meglio conosciuto per aver fondato A123 Systems, una società di batterie che è stata una delle startup più attive alla fine degli anni 2000, culminata con un'IPO da 371 milioni di dollari nel 2009. La società era basata su una nuova tecnologia agli ioni di litio sviluppata da Yet -Ming Chiang, un professore del MIT che è anche cofondatore di Desktop Metal. Come la loro attuale startup di stampa 3D, A123 sperava di applicare l'esperienza nella scienza dei materiali per rivoluzionare un mercato enorme.
Potrebbe anche ispirare i produttori a cambiare le loro strategie logistiche e di produzione.
Sebbene A123 abbia goduto di una rapida crescita e di un'IPO di grande successo, la società ha dichiarato bancarotta nel 2012 (Fulop ha lasciato nel 2010). Chiedi a Fulop la lezione di A123 e lui dice semplicemente: le batterie sono un mercato a basso margine. In effetti, l'A123 ha lottato per competere in un settore delle batterie sempre più affollato e non ha offerto un miglioramento delle prestazioni sufficientemente radicale rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio per conquistare immediatamente un mercato in erba di veicoli ibridi (vedi La tecnologia dell'A123 non era abbastanza buona ).
Le sfide affrontate da Desktop Metal saranno molto diverse. Esiste già un enorme mercato per le parti metalliche. E la startup crede che la sua tecnologia avrà, almeno nel breve periodo, pochi concorrenti diretti. Chiang indica il portafoglio di brevetti davvero ricco della startup. Non sono solo i materiali; sono le tecniche, è la fornace [di sinterizzazione], dice. Più difficile è la tecnologia, maggiore è la barriera all'ingresso che costruisci se hai successo.
Nel suo ufficio Chiang ha una scatola di legno contenente una mezza dozzina di spade, in prestito dal Museum of Fine Arts di Boston, che sono state realizzate negli anni '70 utilizzando le tecniche tradizionali giapponesi. Chiang usa le spade nell'insegnamento. La lezione: come gli artigiani hanno usato i segreti della metallurgia per trasformare il minerale di ferro nel prodotto finale: una spada d'acciaio ultra affilata e leggermente curva. Mostrando le spade, Chiang indica alcuni dei loro dettagli, spiegando i trucchi usati dai loro creatori, come il metodo di tempra utilizzato per creare un bordo estremamente duro e un corpo più morbido. Tornato alla sua scrivania, la sua attenzione di nuovo su Desktop Metal, è altrettanto entusiasta mentre descrive gli oggetti in metallo recentemente stampati dall'azienda ed esposti nelle sue strutture. La cosa eccitante è l'idea che puoi davvero realizzare queste parti, dice Chiang. Poche ore, ed ecco una parte che non potevi nemmeno fare prima.
Non sostituirà tecniche di produzione secolari come la forgiatura e la fusione dei metalli, ma la stampa 3D potrebbe creare nuove possibilità nella produzione e, forse, reinventare l'arte della metallurgia.