Sofortige Herstellung

Eine Grenze der Fertigungsgeschichte durchzieht die Fabrikhalle von Siemens Hearing Instruments in Piscataway, NJ. Auf der einen Seite verwenden erfahrene Techniker Gusstechniken, Präzisionswerkzeuge und jahrelange Erfahrung, um die Acrylschalen von Hörgeräten herzustellen, die aus Silikonabdrücken von echten Gehörgängen modelliert sind.

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Auf der anderen Seite der Fabrikhalle erzeugen zwei pizzaofengroße Maschinen ähnliche Schalen aus Nylonstaub. Im Inneren der Maschinen scannen Laserlichtnadeln, geleitet von digitalen Konstruktionsdateien, roboterartig hin und her und pressen hauchdünne Staubschichten in harte Plastikschichten. Vier Stunden und mehrere hundert Lasersweeps später ist ein Stapel von 80 Hörgeräteschalen fertig ( siehe Von Staub zu Hörgeräten, unten ). Das Verfahren spart Stunden menschlicher Arbeit und produziert Hörgeräte, die besser passen und besser klingen als herkömmliche.

Sonderbericht: Software wird extrem

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2003



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Das funktioniert so gut, dass Siemens, der weltgrößte Hörgerätehersteller, in mehreren Werken komplett auf die Technologie umstellt. Dieser gesamte Prozess ermöglicht es uns, genauer zu sein und menschliche Fehler zu eliminieren. Das wird das Geschäft verändern, sagt William Lesiecki, Direktor für Software und E-Business-Lösungen bei Siemens Hearing Instruments.

Ausbeinen

In gewisser Weise ist die Direktfertigung eine natürliche Folge des unerbittlichen Drucks, die Zeit zu verkürzen, die ein Produkt vom Konzept über das Design und die Entwicklung bis zur kommerziellen Realität benötigt. Als Computer Aided Design und digital gesteuerte Werkzeuge in den 1970er und 1980er Jahren begannen, Fabriken zu infiltrieren, waren die Voraussetzungen für das Rapid Prototyping geschaffen, bei dem mithilfe von Drucktechnologien dreidimensionale Objekte erstellt werden, die als Prototypen beispielsweise für Spielzeug oder Autoteile dienen. Mit Prototypen in nur wenigen Stunden - statt wochen- oder monatelangem Schnitzen und Gießen - können Designer Produkte schneller verfeinern und Ingenieure Probleme schnell erkennen und beheben.

Die ersten Rapid-Prototyping-Maschinen verwendeten Laser, um aufeinanderfolgende Schichten eines flüssigen Polymers zu binden – ein Verfahren, das als Stereolithographie bezeichnet wird. Spätere Versionen verwendeten eine breitere Palette von Rohstoffen, wie beispielsweise Pulver, die beim Auftreffen eines Laserstrahls miteinander verschmelzen würden. Ein weiterer Sprung kam in den 1990er Jahren, als die Methode über Laser hinausging und Druckköpfe umfasste, die bindende Flüssigkeiten auf Pulver spuckten, was die Geschwindigkeit und eine noch größere Materialvielfalt steigerte ( siehe Player in Direct Manufacturing, unten ). Gleichzeitig wurde die Entwicklung dieser Technologien so weit vorangetrieben, dass fertige Produkte und nicht nur Prototypen hergestellt werden konnten. In den späten 1980er Jahren war die Stereolithographie gerade erst auf den Markt gekommen, und es war sehr inspirierend, das zu sehen, sagt Emanuel Sachs, ein Maschinenbauingenieur am MIT, der die Druckkopfmethode entwickelt hat. Mein Ziel war es, den Fokus von der Herstellung von Prototypen auf die direkte Herstellung von Funktionsteilen zu verlagern.

Dieses Ziel ist nun erreicht. An einem kürzlichen Tag im Therics-Labor in Princeton, NJ, sahen zwei Mitarbeiter in Reinraumanzügen zu, wie ein Drucker in Autogröße 300 zwei Zentimeter lange Brocken Ersatzkieferknochen herstellte. Eine lineare Anordnung von acht Druckköpfen strich über aufeinanderfolgende Schichten eines Pulvers namens Hydroxyapatit (das Hauptmineral in natürlichem Knochen) und gab selektiv winzige Tröpfchen einer organischen Bindeflüssigkeit ab, die später während einer Ofenbehandlung ausgebrannt werden würde. Unter der unablässigen Abfolge von Tröpfchen – 800 pro Sekunde – nahm die sonst formlose Pulvermasse Gestalt an. Die US-amerikanische Food and Drug Administration hat den Knochenersatz von Therics Ende Mai zugelassen, und obwohl er noch nicht in einem Implantat beim Menschen verwendet wurde, befindet er sich bereits in den Händen von Chirurgen, die ihn bald testen möchten. Als Mittel zur Herstellung von Ersatzknochen hat die direkte Herstellung einige Vorteile. Angenommen, ein Unfallopfer hat ein Fragment eines Armknochens verloren. Das Stück kann mit Bildern desselben Knochens am anderen Arm digital rekonstruiert werden. Darüber hinaus kann die Drucktechnologie nur 50 Mikrometer breite Poren erzeugen, die es dem Knochensegment ermöglichen, nach der Implantation echte Zellen zu beherbergen, die echten Knochen bilden, das Implantat stärken und schließlich ersetzen.

Die Zulassung des direkt hergestellten Knochenersatzes von Therics durch die FDA ist ein Meilenstein für die Herstellungstechnologie. Tatsächlich erwartet Ranji Vaidyanathan, ein Materialwissenschaftler bei Advanced Ceramics Research in Tucson, AZ, die ihre eigenen gedruckten Knochenersatzstoffe entwickelt, in drei bis fünf Jahren, dass direkt hergestellter Knochen üblich sein wird. Ich würde sagen, es wird die Art und Weise verändern, wie wir Ersatzknochen betrachten, sagt er.

Benutzerdefinierte Roboter

Knochenimplantate weisen auf weitaus breitere zukünftige Anwendungen hin, die auf Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit, Präzision und Vielfalt der Rohstoffe folgen werden. On Demand Manufacturing, das bereits Kunststoff- und Metallteile herstellt, hofft, Materialien anbieten zu können, die unter den anspruchsvollsten Bedingungen funktionieren, einschließlich der ofenartigen Hitze eines Raketentriebwerks. Das Unternehmen hat Superlegierungspulver entwickelt, die über Direct-Manufacturing-Maschinen geformt und dann zu komplexen, superstarken Turbinenteilen gebrannt werden können. Das Unternehmen unternimmt nun die notwendigen Schritte, um die Komponenten für den Einsatz in Raketen zu qualifizieren.

Auch die Direct-Manufacturing-Technologie wird mobil. In einem Schritt, der eines Tages Konsequenzen für Ihre örtliche Autowerkstatt haben könnte, entwickelt die US-Armee mobile Einheiten in Lkw-Größe, die Ersatzteile basierend auf digitalen Dateien oder Vor-Ort-Scans für Fahrzeuge und Waffen direkt vor Ort herstellen können Schlachtfeld.

Und einige drängen die Technologie in den Bereich der Robotik und Elektronik, komplett mit beweglichen Teilen. In einem ersten Schritt experimentieren John Canny, Vivek Subramanian und ihre Kollegen von der University of California, Berkeley, mit dem Tintenstrahldruck als Methode, um organische Halbleiter und elektroaktive Materialien zu intelligenten Bauteilen zu formen, die ihre Form als Reaktion auf eine Spannung ändern . Eine langfristige Vision ist ein kundenspezifischer All-Polymer-Roboter mit einem Gewicht von weniger als einem Kilogramm, der für bestimmte Aufgaben gedruckt werden könnte, wie zum Beispiel das Befestigen von Kabeln an einer engen Stelle in einem Flugzeug. Aber die anfänglichen Ziele der Berkeley-Forscher sind bescheidener; Subramanian sagt, dass sie erwarten, ihr erstes Demonstrations-Widget – vielleicht ein kleines bewegliches Gelenk – innerhalb von zwei Jahren zu bauen.

Die Technologie könnte schließlich auch in den Einzelhandel gehen. John Wooten, General Manager von On Demand Manufacturing, stellt sich so etwas wie eine Kette dreidimensionaler Kinkos vor, die mit Direktfertigungsgeräten ausgestattet sind, die so ziemlich jedes Objekt replizieren könnten, das gescannt oder in einer digitalen Datei definiert werden könnte. Es ist möglich, sich einen Mann mit seinem 65er Mustang und einem kaputten Fenstergriff vorzustellen, der dorthin geht, um einen neuen Griff anfertigen zu lassen, sagt Wooten. In ähnlicher Weise sieht Bourne von Carnegie Mellon neue Möglichkeiten der persönlichen Anpassung vor: Mobiltelefone, CD-Player und alle Arten von Konsumgütern mit von Kunden vorgegebenen Formen und Farben.

Während diese Einzelhandelsanwendungen noch hypothetisch sind, sprießen Unternehmen, um Hersteller auf Vertragsbasis zu bedienen. Unternehmen wie Accelerated Technologies in Austin, TX, und Met-L-Flo in Genf, IL, akzeptieren digitale Designdateien und erstellen schnelle Prototypen – ein Konzept, das sich zu kundenspezifischen Druckprodukten für Einzelhandelskunden entwickeln könnte. Wenn ein solcher Service zustande kommt, würde ein Autorestaurator in der Nachbarschaft, der ein winziges Stück Grillwerk nachbilden möchte, oder ein Hausbesitzer, der alte Verkleidungen repliziert, feststellen, dass er einem digitalen Home Depot ähnelt, mit einem unendlichen virtuellen Lager für kundenspezifische Produkte.

Akteure in der Direktfertigung
Begleitung Technologie Anwendungen
3D-Systeme (Valencia, Kalifornien) Selektive Lasersintermaschinen, die Laser verwenden, um Kunststoff- oder Metallpulver zu binden; Stereolithographiesysteme, die flüssige Harze mit lasererzeugter Hitze härten Medizinische Implantate und Prothetik, Militärflugzeugkomponenten, Hörgeräte, Formel-1-Rennwagenteile
Stratasys (Eden Prairie, MN) Erhitzter Kunststoff, der durch sich bewegende Düsen ausgestoßen wird Pumpenteile und kleine Zahnräder
Therik (Princeton, New Jersey) Dreidimensionale Drucktechnologie, bei der Arrays von Druckköpfen Tröpfchen organischer Bindemittel auf Pulver sprühen Knochenersatz mit der für Zellen benötigten Porosität
nach der Implantation festhalten
On-Demand-Fertigung
(Camarillo, Kalifornien)
Der Einsatz der Sintermaschine von 3D Systems zur Herstellung hochfester Teile Flugzeugkanäle und andere kundenspezifische Kunststoff- und Metallteile für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Siemens Hörgeräte
(Piscataway, New Jersey)

Der Einsatz der Sintermaschine von 3D Systems zur Herstellung von passgenauen HörgeräteschalenHörgeräteschalen
MIT (Burlington, MA) Ultraschneller dreidimensionaler Drucker, der proprietäre Pulver verwendet Vollfarbige geografische Modelle für die militärische Planung
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