Una nuova dimensione: come una start-up ha rimodellato la produzione di precisione

In collaborazione con BMF

La produzione tradizionale deve affrontare sfide significative quando ha il compito di creare rapidamente piccoli componenti che coinvolgono strutture altamente complesse, minute e di precisione, come connettori miniaturizzati e microlenti per endoscopi. Tutte queste parti richiedono una produzione di precisione di fascia alta per creare un profilo di superficie esatto e strutture interne complicate, il che è costoso. Ora, la tecnologia di stampa 3D nano/micro all'avanguardia sta superando questi ostacoli fornendo una personalizzazione più semplice e una produzione più rapida di queste parti complicate, rispondendo anche alla crescente domanda di produzione di precisione in altri campi.

Il ricercatore di mercato Technavio prevede che il mercato globale dei servizi di stampa 3D continuerà a crescere del 44% all'anno fino al 2021. La crescente necessità di produzione di precisione sta alimentando anche la crescita dei servizi di stampa 3D di precisione. Il mercato globale degli occhiali, ad esempio, dovrebbe avere un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 3,7% fino al 2018, raggiungendo $ 130 miliardi, secondo Transparency Market Research.

[Molti] problemi di produzione possono ora essere risolti con questa nuova capacità di produzione rapida ed economica, quindi il mercato potenziale delle parti nano/micro stampate sta appena emergendo, afferma William Plummer, scienziato senior e membro del comitato consultivo di BMF Material Technology, un Start-up con sede a Boston/Shenzhen che produce stampanti e materiali nano/micro 3-D, nonché prodotti personalizzati per altre aziende che utilizzano le sue apparecchiature.

Sebbene note startup di stampa 3D come Desktop Metal e Carbon abbiano già attirato molta attenzione sul mercato, si concentrano sulla produzione su larga scala. Con l'avanzare della tecnologia, è diventata più abile nella creazione di componenti più dettagliati e più piccoli.

La stampa 3D nano/micro è in grado di generare componenti complessi e minuti. Questa è l'incarnazione più precisa della tecnologia di stampa 3D ed è pronta a rivoluzionare l'industria manifatturiera di componenti di precisione. Ora, aziende come BMF stanno portando questa tecnologia a un nuovo livello con stampanti che hanno una risoluzione micrometrica/nanometrica e la capacità di eseguire produzioni ad alto volume. Ciò che distingue BMF, afferma Plummer, è il livello di rigore dell'attrezzatura e la scelta unica di materiali e processi: la tecnologia di stampa 3D di precisione di BMF può realizzare piccole parti meccaniche, come minuscole molle, speciali forme di connettori elettrici e persino complicati e dispositivi esigenti come gli stent cardiaci.

Come funziona

Pochi progressi tecnologici hanno catturato l'immaginazione del pubblico e ispirato l'ingegneria e la creatività artistica nella stessa misura della stampa 3-D, in particolare la stampa nano/micro 3-D. Da un file digitale è possibile creare un oggetto fisico tridimensionale. Sebbene non sia una nuova tecnologia, i recenti progressi l'hanno resa un modo più pratico per creare prototipi, componenti una tantum e articoli troppo costosi o difficili da produrre utilizzando metodi tradizionali come lo stampaggio e la lavorazione CNC (controllo numerico computerizzato).

BMF utilizza una tecnica chiamata Pulse (Projection Micro Litho Stereo Exposure), che è simile al metodo utilizzato in un dispositivo di visualizzazione video su microscala quando una serie di immagini viene proiettata in sequenza attraverso una lente di riduzione per polimerizzare la resina fotopolimerica fotosensibile. Quando il pattern dell'immagine ridotta è focalizzato sulla resina fotosensibile, la luce ultravioletta avvia il processo di polimerizzazione o indurimento, noto come fotoreticolazione. Solo l'area illuminata dalla luce polimerizza e si indurisce nella forma 3D prescritta. I modelli di luce proiettati sono definiti dalle immagini 3D, che sono le sezioni di un modello 3D generato dal computer. In combinazione con varie tecniche di post-elaborazione, BMF è in grado di produrre un'ampia gamma di prodotti, inclusi articoli come ceramiche e lenti ottiche.

La principale differenza tra la stampa 3D nano/micro e quella tradizionale è il grado di precisione e risoluzione consentito dalla stampa 3D nano/micro. Quando si descrive questo metodo di stampa 3D, la risoluzione entra nei livelli meso, micro e nano (ovvero un miliardesimo di metro). Questo calibro di stampa 3D può replicare componenti in miniatura e veramente microscopici a livelli di dettaglio e precisione impossibili da ottenere con la tipica stampa 3D.

Negli ultimi anni, la stampa 3D ha raggiunto il punto in cui i consumatori possono acquistare una stampante 3D da $ 200 a $ 500. Tuttavia, queste stampanti di fascia bassa somigliano poco alle sofisticate stampanti 3D nano/micro che aziende come BMF ora costruiscono e utilizzano per la produzione di vari componenti.

Produzione di precisione

BMF è entrata nel mercato della stampa 3-D nano/micro ad alta risoluzione a maggio 2016, quando è stata scorporata dal laboratorio di nanofotonica e 3D nanomanufacturing del MIT. La tecnologia dell'azienda si basa sulla stessa tecnologia di cui è stata nominata una Revisione della tecnologia del MIT 10 tecnologie rivoluzionarie nel 2014 e nel 2015. (Infatti, Nicholas Fang, co-fondatore/chief scientist di BMF, fa parte di un team leader nella tecnologia di stampa nano/micro 3-D che è stato riconosciuto da Revisione della tecnologia del MIT nel 2015.)

BMF si concentra sulla produzione di componenti di precisione più piccoli, ma con volumi più elevati richiesti da segmenti industriali come i dispositivi medici. Il sistema di stampa 3D di BMF può raggiungere un volume elevato grazie alle dimensioni ridotte dei componenti che produciamo, afferma Xiaoning He, co-fondatore/CEO dell'azienda. Le dimensioni ridotte delle parti consentono la stampa simultanea di un numero elevato di componenti. Ad esempio, le stampanti 3D di BMF possono produrre centinaia di lenti con un diametro di circa un millimetro in un'ora, con una capacità di produzione di centinaia di migliaia di pezzi all'anno, in grado di soddisfare la domanda di volume dei produttori di endoscopi. Inoltre, ogni singola parte di un lotto di componenti può essere realizzata su misura indipendentemente dal numero di componenti prodotti. Queste capacità possono soddisfare le richieste di volume dei clienti industriali che necessitano di componenti di precisione di piccole dimensioni.

Tecnologia innovativa

Con il suo approccio innovativo, il team BMF ha preso di mira l'industria ottica. Il redditizio mercato degli occhiali ottici nella sola Cina rappresenta 12 miliardi di dollari all'anno. La maggior parte degli occhiali non è veramente personalizzata in base alle esigenze e alle specifiche di un individuo, ma si basa su prescrizioni standard. Gli occhiali complicati, come le lenti a forma libera, sono costosi, afferma Yi Zhen, vicedirettore del Dipartimento per il trasferimento di tecnologie mediche presso l'Istituto di oftalmologia di Pechino, Pechino Ospedale Tongren . Ad esempio, il prezzo al dettaglio di un paio di lenti a forma libera personalizzate [utilizzando la produzione tradizionale] può raggiungere i 1.300 dollari.

L'occhio umano è un organo complesso e non è un sistema ottico perfetto. Non ci sono due occhi uguali, dice Zhen. Tuttavia, le lenti tradizionali sono prodotte da semilavorati per lenti che vengono stampati in fabbrica in quantità di massa. Le lenti a forma libera personalizzate hanno il potenziale per liberare i portatori di occhiali dai compromessi ottici delle lenti tradizionali prodotte in serie. Le tradizionali lenti personalizzate a forma libera richiedono macchinari costosi... quindi la maggior parte delle persone non può permetterseli. Pertanto, la maggior parte dei pazienti non può ottenere una correzione visiva ideale e la loro vista continua a deteriorarsi.

Il Beijing Tongren Hospital è il più grande ospedale oftalmico della Cina, con circa un milione di visite di pazienti all'anno. Ningli Wang, professore a Beijing Tongren, e il suo team, si sono uniti a BMF per produrre lenti a forma libera personalizzate a basso costo secondo la prescrizione di ogni individuo. Il team ha progettato e prodotto con successo una sofisticata lente personalizzata con le seguenti caratteristiche di design:

• Design torico che corregge l'astigmatismo e riduce le aberrazioni;
• Design asferico che corregge la miopia e riduce lo spessore del bordo della lente;
• Design della sfocatura periferica che controlla lo sviluppo della miopia nei bambini.

Sebbene un obiettivo a forma libera del genere sia difficile e costoso da produrre tradizionalmente, con la tecnologia BMF sono necessarie solo circa quattro ore per essere prodotto e l'obiettivo ha un costo simile a quello di un obiettivo normale. Con costi di sistema e velocità di produzione molto inferiori, le lenti stampate in 3D sono destinate a rivoluzionare la fornitura di lenti speciali per occhiali alla professione oftalmica, afferma Mo Jalie, scienziato senior e membro del comitato consultivo di BMF.

La tecnologia di BMF può anche potenzialmente rivoluzionare molte altre aree oftalmiche, inclusa la creazione di lenti a contatto correttive su misura che aiutano i pazienti con aberrazioni complesse dopo problemi come un trapianto di cornea, cheratocono (una malattia progressiva dell'occhio in cui la cornea normalmente rotonda si distorce in un forma conica) e condizioni causate da lesioni esterne. La stampa 3D per l'industria delle lenti ottiche è come la stampa digitale per l'editoria, afferma Wang. Questa nuova tecnologia si traduce in una produzione di lenti più veloce, meno costosa, più flessibile e precisa.

Nuove dimensioni di produzione

Ci sono una miriade di altri casi d'uso di precisione per la stampa 3D nano/micro, come stent cardiaci, lenti per endoscopi e connettori elettrici specifici, afferma Xiaoning. Attualmente, la lavorazione laser è necessaria per ritagliare la complessa struttura interna degli stent cardiaci. La stampa 3D può generare più facilmente la struttura necessaria, consentire progetti più sofisticati e ridurre notevolmente i costi rispetto ai metodi di produzione tradizionali.

Anche i connettori elettrici stanno diventando più piccoli e complessi. La tecnologia di stampa 3D nano/micro offre agli ingegneri gli strumenti per progettare connettori complessi e di forma irregolare. Xiaoning afferma che BMF ha ricevuto ordini anche in molte altre aree, inclusi componenti ceramici di precisione.

Come con qualsiasi tecnologia emergente, la stampa 3D nano/micro sta diventando più precisa, più efficiente e meno costosa. Può fornire una maggiore precisione a un costo significativamente inferiore ed è più veloce e più semplice dei metodi tradizionali che forniscono livelli di precisione simili.

Il mercato mondiale delle parti prodotte ad alta precisione è molto esigente e redditizio. E la maggior parte delle volte, la tecnologia tradizionale semplicemente non funziona affatto, afferma Xiaoning. Quando descrive le sfide della produzione di componenti microscopici, cita una frase del settore, A volte diciamo: 'Più piccolo, più difficile'.

Per ulteriori informazioni sulla tecnologia di stampa 3D nano/micro, visitare www.bmftec.cn

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