Industrialisierung des 3D-Drucks

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Die innovative additive Fertigung bietet eine Welt voller Möglichkeiten für Unternehmen, die ihre Fertigungsprozesse transformieren und neue Produkte entwickeln möchten. Aber Unternehmen, die diese Welt erschließen wollen, müssen traditionell große Summen in die neuesten 3D-Druckmaschinen investieren und dann herausfinden, wie sie diese in ihre Abläufe integrieren können.

Das ist schwer zu verkaufen, wenn man bedenkt, dass 3D-Drucker bei vielen industriellen Anwendungen mit Durchsatz und Konsistenz zu kämpfen haben.

Jetzt bietet VulcanForms, gegründet von Martin C. Feldmann MEng '14 und MIT-Professor John Hart, digitale Fertigung als Dienstleistung für Unternehmen an, um Industrieprodukte in großem Maßstab zu bauen. Das Unternehmen unterstützt Kunden bei der Materialauswahl und dem Produktdesign und erstellt anschließend in seiner Produktionsgießerei einen skalierbaren Fertigungsablauf.

Das Herzstück jedes dieser Arbeitsabläufe ist ein proprietärer LPBF-Metall-3D-Drucker (Laser Powder Bed Fusion), der eine Reihe fein choreografierter Laserstrahlen verwendet, um leistungsstarke Metallteile mit komplexen Designs herzustellen. Die Drucker sind über einen digitalen Thread in die Bearbeitungs-, Robotik- und Nachbearbeitungsausrüstung von VulcanForms integriert, der auch die Teile während ihrer Produktion überwacht.

„Obwohl die LPBF-Technologie für verschiedene Anwendungen, darunter Treibstoffdüsen für Flugzeugtriebwerke und orthopädische Implantate, gut etabliert ist, kratzt sie kaum an der Oberfläche der Möglichkeiten“, sagt Hart. „VulcanForms sieht eine enorme Marktchance, additive Fertigung im industriellen Maßstab zu realisieren und in ein digitales Produktionssystem zu integrieren.“

VulcanForms produziert derzeit Teile für Unternehmen in der Medizin-, Verteidigungs-, Halbleiter- und Luft- und Raumfahrtindustrie und setzt Entwürfe innerhalb weniger Tage in fertige Teile um. Die Gründer sagen, dass die Qualität von VulcanForms bei Materialien wie Titan sowie nickelbasierten und fortschrittlichen Stahllegierungen die Industriestandards übertrifft.

VulcanForms stellt derzeit seine ersten beiden digitalen Fertigungsanlagen in Devens und Newburyport, Massachusetts, fertig. Wenn es fertig ist, wird die Anlage in Devens mehrere Dutzend additive Fertigungssysteme des Unternehmens beherbergen und zusätzlich über Nachbearbeitungsmöglichkeiten verfügen. Die Gründer sagen, dass diese Systeme Devens zur metalladditiven Fertigungsanlage mit dem höchsten Durchsatz weltweit machen werden. Der Schwerpunkt des Werks in Newburyport liegt auf Präzisionsbearbeitung, industrieller Automatisierung und Montagevorgängen. Durch die Zusammenführung dieser Technologien mit einem digitalen Thread baut VulcanForms eine in den USA ansässige digitale Fertigungsinfrastruktur auf, die nach Aussage der Gründer die Art und Weise definieren wird, wie Produkte entworfen, gebaut und geliefert werden.

Den 3D-Druck industriell relevant machen

Hart bezeichnet seinen Einstieg in die additive Fertigung als zufälligen Zufall. Im Jahr 2013 wurde er von einem Kollegen gebeten, einen Kurs für das Masters of Engineering in Advanced Manufacturing and Design-Programm des MIT zu unterrichten.

„Ich kann mich nicht erinnern, was mich dazu bewogen hat, vorzuschlagen, dass sich der Kurs auf die additive Fertigung konzentrieren sollte, weil ich auf diesem Gebiet noch nicht geforscht habe“, sagt Hart. „Der Kurs war ein Experiment, das ich nutzte, um ein neues Interesse zu entdecken und die Leidenschaft und Neugier der Schüler zu wecken.“

Einer der Studenten in dieser Klasse war Feldmann, damals in seinem ersten Semester am MIT. Der projektbasierte Kurs hatte die Aufgabe, die Genauigkeit von 3D-gedruckten Teilen zu messen, ihre Eigenschaften zu verbessern und zu Vorlesungen beizutragen, die den 3D-Druck mit den Grundprinzipien der Fertigung in Verbindung bringen.

„Das MIT bietet einem so viel – hochtechnisches Zeug, aber sehr anwendbares Zeug“, sagt Feldmann. „Am MIT ging es beim Erlernen der additiven Fertigung nicht nur um das Berechnen von Dingen. Es hieß: ‚Hier sind [Fused Deposition Modeling]-Drucker, sagen Sie mir, was ihre Fähigkeiten sind.‘ Und man nutzt sie und stellt Dinge her. Das hat mir wirklich Spaß gemacht. Es bereitet einen auf die Leitung von Forschungsanstrengungen in der Industrie und bei Startups vor, weil man die Dinge so angehen muss, dass man weiß, was man tut, und die Gewissheit haben muss, dass man es herausfindet. "

Nach seinem Abschluss wurde Feldmann Forschungsspezialist in Harts Labor, wo er Nanomaterialien und Batterieelektroden untersuchte. Feldmann und Hart arbeiteten jedoch weiterhin daran, Wege zu finden, um die additive Fertigung industriell relevanter zu machen.

Schließlich beschlossen sie, einen neuartigen LPBF-Metalldrucker zu bauen, der den gleichzeitigen Betrieb einer großen Anzahl von Lasern ermöglichen und so den Durchsatz verbessern und gleichzeitig die Qualität des fertigen Teils beibehalten würde. Das Paar erhielt frühzeitig Unterstützung durch den Venture Mentoring Service des MIT.

„Unser Ziel war es, den LPBF-Prozess neu zu gestalten und dies auf eine Weise zu tun, die eine viel höhere und konsistentere Qualität ermöglicht, was unserer Meinung nach das Haupthindernis für die Industrialisierung der additiven Fertigung ist.“ sagt Hart.

Mit dieser Mission vor Augen beschlossen Feldmann und Hart, den Schritt zu wagen und VulcanForms zu gründen, wobei Feldmann fast zwei Jahre lang im Wesentlichen seinen Lebensunterhalt bestritt, während er am ersten Druckerprototyp arbeitete. Heutzutage verwenden die Drucker des Unternehmens Hunderte von Schweißspuren in jeder Schicht, durch die sich Laser in einem synchronisierten Tanz bewegen. Die Laser liefern zusammen bis zu 100 Kilowatt Leistung, um Teile mit einer höheren Auflösung und Größe herzustellen, als die Gründer sagen, dass andere Drucker dies erreichen können.

Die Produktionsgießerei von VulcanForms umfasst auch CNC-Bearbeitungs- und Nachbearbeitungsgeräte, und die Gründer sagen, dass der Software-Stack des Unternehmens ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist.

„Von Anfang an sahen wir den 3D-Druck als einen Eckpfeiler der digitalen Fertigung, bei der Software und Hardware Hand in Hand arbeiten, um Produktionsanweisungen zu kodieren und auszuführen“, sagt Hart. „Wir haben die Software entwickelt, die es jedem Teil ermöglicht, lokal in jedem Voxel in jeder Schicht die gleiche Temperatur zu erhalten. Außerdem können wir so schnell zum Endprodukt gelangen und gleichzeitig diese Konsistenz in der Produktion aufrechterhalten.“

Letztendlich konzentrieren sich die Gründer darauf, was diese Möglichkeiten den Kunden eröffnen.

„Was mich wirklich begeistert, ist, wie wir ein Kundenteil nehmen und es in einer Produktionsumgebung in die Realität umsetzen können – und nicht in einer Kleiderbügel- oder Schreibtischdekorationsumgebung“, sagt Feldmann. „Jeder in der Additivbranche ist einfach total begeistert davon, was ein 3D-Drucker kann und nicht davon, wie das in einem Produktionswertstrom funktioniert. Deshalb haben wir einen gesamten Produktionswertstrom im Haus. Deshalb lautet unser Motto nicht ‚VulcanForms: 100 Kilowatt‘.“ Laserleistung in einem Drucker.' Es heißt ‚VulcanForms: Beschleunigung der Innovation‘.“

Wir helfen dem 3D-Druck, sein Potenzial auszuschöpfen

Letztes Jahr schickte ein Hersteller von Supercomputern VulcanForms Entwürfe für eine Kühlkomponente in seinen Prozessoren. Das Titanteil, das Dutzende mikroskopisch kleiner Tunnel enthielt, war so komplex, dass es nur durch additive Fertigung hergestellt werden konnte. Wie die New York Times berichtete, kam VulcanForms zwei Tage später mit einem Teil zurück.

VulcanForms hat auch medizinische Implantate, Industriewerkzeuge und Reifenformen sowie Komponenten für Luftfahrt- und Verteidigungsunternehmen hergestellt.

Feldmann sieht Innovationen, die durch additive Fertigung ermöglicht werden, als Treiber des technologischen Fortschritts in einer Reihe von Branchen.

„Ich glaube nicht, dass es in Zukunft orthopädische Implantate geben wird, die nicht mit LPBF bedruckt sind“, sagt Feldmann.

Dieser technologische Fortschritt wird wiederum noch mehr Anwendungsfälle hervorbringen.

„Ich bin mir nur zu 100 Prozent sicher, dass die wertvollsten Anwendungen für die additive Fertigung noch nicht gefunden wurden“, sagt Feldmann.

Das Unternehmen sieht die durch digitale Produktionstechnologien ermöglichte Transformation der Fertigung auch als Chance für die Vereinigten Staaten, sowohl den wirtschaftlichen Wohlstand als auch ihr Innovationsökosystem zu verbessern.

„VulcanForms glaubt, dass eine der größten Chancen in den Vereinigten Staaten darin besteht, sein industrielles Ökosystem rund um digitale Produktionssysteme neu aufzubauen“, sagt Hart. „Digital-First-Produktionstechnologien, einschließlich additiver Fertigung und automatisierter Präzisionsbearbeitung, ermöglichen innovativere, ressourceneffizientere und belastbarere Lieferketten. Innovation in der Fertigung ist das Rückgrat der amerikanischen Wirtschaft.“

VulcanForms, ein MIT-Startup, steht „an der Spitze der Bemühungen, den 3D-Druck von einer Nischentechnologie – die vor allem für das Prototyping neuer Produkte und Kunstexperimente bekannt ist – in eine industrielle Kraft zu verwandeln“, schreibt David Scharfenberg für The Boston Globe. Scharfenberg merkt an, dass VulcanForms „etwas Neues einleiten könnte – einen High-Tech-Industrialismus, der direkt auf die dringendsten Probleme des Landes abzielt.“

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