الطباعة ثلاثية الأبعاد تنمو لتتجاوز جذورها المبتكرة

ديفينس ، ماس. – يبلغ ارتفاع الآلات 20 قدمًا ووزنها 60 ألف رطل وتمثل الحدود التكنولوجية للطباعة ثلاثية الأبعاد.

تنشر كل آلة 150 شعاع ليزر ، مُسقطة من جسر الرافعة وتتحرك بسرعة ذهابًا وإيابًا ، مما يؤدي إلى إنشاء أجزاء عالية التقنية للعملاء من الشركات في مجالات تشمل الفضاء وأشباه الموصلات والدفاع والغرسات الطبية.

أجزاء من التيتانيوم ومواد أخرى تصنع طبقة تلو طبقة ، رقيقة مثل شعرة الإنسان ، حتى 20000 طبقة ، اعتمادًا على تصميم الجزء. الآلات محكمة الغلق. في الداخل ، يتكون الغلاف الجوي بشكل أساسي من الأرجون ، وهو غاز منخفض التفاعل يقلل من فرصة الشوائب التي تسبب عيوبًا في جزء منه.

إن مسبك الطباعة ثلاثي الأبعاد في ديفينس بولاية ماساتشوستس ، على بعد حوالي 40 ميلاً شمال غرب بوسطن ، مملوك لشركة فولكانفورمز ، التي انبثقت عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وقد جمعت 355 مليون دولار من رأس المال الاستثماري. نمت قوتها العاملة ستة أضعاف لتصل إلى 360 في العام الماضي ، مع التوظيف من كبرى الشركات المصنعة مثل جنرال إلكتريك وبرات آند ويتني ، بالإضافة إلى عمالقة التكنولوجيا بما في ذلك Google و Autodesk.

قال جون هارت ، الشريك المؤسس لشركة فولكانفورمز وأستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لقد أثبتنا نجاح التكنولوجيا. والآن نحتاج إلى إظهار قدرتنا على إدارة الموارد المالية القوية والنمو كشركة”.

وفقًا لخبراء التصنيع ورجال الأعمال والمستثمرين ، مع ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تعود إلى الثمانينيات ، قد تستوعب الاتجاهات التكنولوجية والاقتصادية والاستثمارية النمو التجاري للصناعة.

يقولون إن الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والمعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي ، ليست مجرد تقنية مبتكرة لعدد قليل من المنتجات الاستهلاكية والصناعية أو لمفاهيم تصميم النماذج الأولية.

قال Jörg Bromberger ، خبير التصنيع في McKinsey & Company: “هذه تقنية بدأت الآن في تقديم جودة منتجات صناعية وطباعة كبيرة الحجم”. وهو المؤلف الرئيسي لتقرير الشركة الاستشارية الأخير بعنوان “التدفق الرئيسي لتصنيع المواد المضافة.”

تعني الطباعة ثلاثية الأبعاد البناء من الألف إلى الياء ، طبقة واحدة في كل مرة. تعمل أشعة الليزر الموجهة بالكمبيوتر على إذابة مساحيق المعادن أو البلاستيك أو المواد المركبة لتشكيل طبقات. في التصنيع التقليدي “الطرحي” ، يتم صب كتلة من المعدن ، على سبيل المثال ، ثم نحتها في شكل باستخدام أداة آلية جزئية.

في السنوات الأخيرة ، استخدمت بعض الشركات تقنية المواد المضافة لإنشاء أجزاء خاصة. تعتمد شركة جنرال إلكتريك على الطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع فوهات الوقود للمحركات النفاثة ، وتقوم سترايكر بعمل غرسات العمود الفقري وتطبع أديداس نعلًا شبكيًا لأحذية الجري المتطورة. يتم طباعة غرسات الأسنان وأجهزة تقويم الأسنان ثلاثية الأبعاد. خلال جائحة Covid-19 ، أنتجت الطابعات ثلاثية الأبعاد إمدادات طارئة من واقيات الوجه وأجزاء أجهزة التنفس الصناعي.

يقول الخبراء إن الإمكانات اليوم أوسع بكثير من مجرد عدد قليل من المنتجات المتخصصة. من المتوقع أن يتضاعف سوق الطباعة ثلاثية الأبعاد ثلاث مرات إلى ما يقرب من 45 مليار دولار في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2026. تقرير هبسسوق خدمات التصنيع.

تتطلع إدارة بايدن إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد للمساعدة في إحياء التصنيع الأمريكي. قالت إليزابيث رينولدز ، المساعدة الخاصة للرئيس للتصنيع والتنمية الاقتصادية ، إن التكنولوجيا المضافة ستكون إحدى “أسس التصنيع الحديث في القرن الحادي والعشرين” ، إلى جانب الروبوتات والذكاء الاصطناعي.

في مايو ، سافر الرئيس بايدن إلى سينسيناتي للإعلان تصنيع المواد المضافة إلى الأمام ، جهد منسق من قبل البيت الأبيض بالتعاون مع كبرى الشركات المصنعة. تعهد أعضاء الشركة الخمسة الأوليون – GE Aviation و Honeywell و Siemens Energy و Raytheon و Lockheed Martin – بزيادة استخدامهم للتصنيع الإضافي ومساعدة مورديهم الأمريكيين الصغار والمتوسطين على تبني التكنولوجيا.

تهدف الالتزامات الطوعية إلى تسريع الاستثمار وإنشاء قاعدة محلية واسعة من القدرة الإنتاجية الإضافية. نظرًا لأن الطباعة ثلاثية الأبعاد هي عملية تصنيع رقمية عالية التقنية ، كما يقول مسؤولو الإدارة ، فهي تساهم في قوة أمريكا في مجال البرمجيات. يجعل التصنيع الإضافي أعمال الصب والأعمال المعدنية التي تتم في الخارج ، خاصة في الصين ، أقل اعتمادًا على التصنيع في الولايات المتحدة.

كما يعد التصنيع الإضافي بمكافآت بيئية. إنه أقل إهدارًا بكثير من الصب والتزوير والقطع في التصنيع التقليدي. بالنسبة لبعض الأجزاء المعدنية ، يمكن لمواد الطباعة ثلاثية الأبعاد خفض التكاليف بنسبة 90 بالمائة وتقليل استخدام الطاقة بنسبة 50 بالمائة.

يقول الخبراء إن الطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد لديها القدرة على تقليل التكلفة الإجمالية لتصنيع الأجزاء المتخصصة بشكل كبير إذا كان من الممكن تطوير التكنولوجيا بسرعة وكفاءة بما يكفي لإنتاج كميات كبيرة.

أشكال فولكان تأسست عام 2015 من قبل دكتور هارت وأحد طلابه المتخرجين ، مارتن فيلدمان. لقد تبنوا طريقة جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد تستخدم مجموعة من أشعة الليزر المتعددة بدلاً من الأنظمة الحالية. يتطلب أداء الرقص المعقد لأشعة الليزر ابتكارات في بصريات الليزر وأجهزة الاستشعار والبرامج.

بحلول عام 2017 ، كانوا قد أحرزوا تقدمًا كافيًا للاعتقاد بأنهم قادرون على بناء آلة ، لكن الأمر سيستغرق أموالًا للقيام بذلك. وتوجه الثنائي ، الذي انضم إليه المخضرم أنوبام جيلديال ، الذي أصبح جزءًا من فريق Vulcanforms ، إلى وادي السيليكون. لقد تلقوا 2 مليون دولار من جولة البذور منهم إكليبس فينتشرز.

تقنية Vulcanforms ، كما يتذكر Greg Reichow ، الشريك في Eclipse ، حاول معالجة العيوب الثلاثة للطباعة ثلاثية الأبعاد: بطيئة جدًا ، ومكلفة للغاية ، ومليئة بالعيوب.

كافحت الشركة الناشئة لإنشاء أول آلة تثبت أن مفهومها قابل للتطبيق. لكنها فازت في النهاية. وأصبحت الإصدارات اللاحقة أكبر وأقوى وأكثر دقة.

تولد طابعاتها ، Vulcanforms ، الآن 100 مرة طاقة الليزر لمعظم الطابعات ثلاثية الأبعاد ويمكنها إنتاج أجزاء أسرع عدة مرات. تقنية الطباعة هذه هي الملكية الفكرية الأساسية للشركة ، وتحميها العشرات من براءات الاختراع.

لكن شركة VulcanForms قررت عدم بيع أجهزتها. تتمثل استراتيجيتها في أن تكون موردًا للعملاء الذين يحتاجون إلى أجزاء مخصصة.

يسمح هذا النهج لـ VulcanForms بالتحكم في عملية التصنيع بأكملها. لكن حقيقة أن النظام البيئي للتصنيع الإضافي محدود هو تنازل للواقع. تتعامل الشركة مع كل خطوة من خطوات عملية التصنيع ، وبناء طابعاتها الخاصة ، وتصميم الأجزاء ، والتصنيع النهائي والاختبار.

قال السيد. قال فيلدمان. “المصنع منتج”.

مرفق Devens به ست طابعات عملاقة. وقالت الشركة إنه بحلول العام المقبل ، يجب أن يكون العدد 20. قامت شركة فولكانفارمز باستكشاف أربعة مواقع لمصنع ثان. في غضون خمس سنوات ، تأمل الشركة في إنشاء وتشغيل العديد من مصانع الطباعة ثلاثية الأبعاد.

استراتيجية افعل ذلك بنفسك تزيد من مخاطر الشركات الناشئة ونفقاتها. لكن الشركة أقنعت مجنديها البارزين بأن المخاطرة تستحق العناء.

انضم برنت برونيل إلى شركة VulcanForms العام الماضي قادماً من شركة جنرال إلكتريك ، حيث كان متخصصاً في تصنيع المواد المضافة. إن مفهوم استخدام صفائف كبيرة من الليزر في الطباعة ثلاثية الأبعاد ليس جديدًا ، كما قال السيد. قال برونيل ، لكن لم يسبق لأحد أن فعل ذلك من قبل. بعد أن انضم إلى Vulcanforms ودرس تقنيتها ، “كان من الواضح أن هؤلاء الرجال كانوا على الهندسة المعمارية التالية ، وكان لديهم عملية.”

بجانب كل آلة في منشأة VulcanForms ، يراقب المشغل أدائها من خلال تدفق بيانات المستشعر وصورة الكاميرا لأشعة الليزر أثناء العمل. صوت المصنع هو صوت طنين إلكتروني منخفض ، مثل مركز البيانات.

يمكن أن يكون المصنع نفسه أداة توظيف قوية. يقول Kip Wyman ، مدير الإنتاج السابق في Pratt & Whitney ورئيس عمليات Vulcanfarms: “أحضرهم إلى هنا وأريهم الآلات. رد الفعل المعتاد هو ،” هيك ، أود أن أكون جزءًا من ذلك.'”

بالنسبة لبعض المناطق الصناعية ، لا تكفي الطباعة ثلاثية الأبعاد وحدها. مطلوب المعالجة الحرارية النهائية وتصنيع المعادن. تم التعرف عليها واستحواذها من قبل VulcanForms آلة العروود هذه السنة.

Arwood هو متجر آلات على أحدث طراز يعمل في الغالب لصالح البنتاغون ، حيث يصنع أجزاء للطائرات المقاتلة والطائرات بدون طيار والصواريخ تحت الماء. في ظل شركة فولكانفارمز ، تخطط “أروود” لمضاعفة استثماراتها وقوتها العاملة ثلاث مرات خلال السنوات القليلة المقبلة ، والتي يبلغ عددها حاليًا 90 شخصًا.

لا تكشف شركة VulcanForms ، وهي شركة خاصة ، عن عائداتها. لكنها قالت إن المبيعات كانت ترتفع بسرعة ، بينما زادت الطلبات عشرة أضعاف على أساس ربع سنوي.

يعتمد النمو المستدام لشركة VulcanForms على زيادة المبيعات للعملاء المخ، التي تطور أنظمة أشباه الموصلات المتخصصة لتطبيقات الذكاء الاصطناعي. سعت Cerebros إلى استخدام VulcanForms العام الماضي لاستخدام معالجات الكمبيوتر القوية لإنشاء الجزء المعقد لتبريد المياه.

أرسلت شركة أشباه الموصلات إلى VulcanForms رسمًا مصممًا بالحاسوب لمفهوم شبكة معقدة من أنابيب التيتانيوم الصغيرة. في غضون 48 ساعة عادت شركة VulcanForms بجزء منها ، كما يتذكر أندرو فيلدمان ، الرئيس التنفيذي لشركة Cerebras. عمل المهندسون من الشركتين على مزيد من التحسينات ، ونظام التبريد قيد الاستخدام الآن.

وعد التصنيع الإضافي هو تسريع وتيرة التجريب والابتكار. لكن الطباعة الحديثة ثلاثية الأبعاد تتيح للمهندسين إنشاء تصميمات معقدة جديدة تعمل على تحسين الكفاءة ، كما يقول السيد. قال فيلدمان. قال السيد. قال فيلدمان.

قال “التصنيع الإضافي يساعدنا على إعادة التفكير في كيفية صنع الأشياء”. “ما نحن عليه الآن هو تغيير كبير.”