150激光束金屬3D打印機(jī)，能量提升100倍，VulcanForms開啟規(guī)模制造服務(wù)

南極熊導(dǎo)讀：國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)一種跨越性的激光粉末床金屬3D打印技術(shù)，使用150個(gè)激光束，總輸出能量高達(dá)100千瓦，生產(chǎn)速度得到極大提升，成為一種規(guī)�；�制造金屬零件的顛覆性工藝。其融資金額已達(dá)3.55億美元（約合人民幣24億），充分體現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2022年7月，南極熊了解到，在DEVENS, Mass(馬薩諸塞州德文斯)地區(qū)有一些3D打印機(jī)，它們高20英尺，重6萬磅，代表著3D打印的技術(shù)前沿。每臺(tái)3D打印機(jī)都具有150道激光束，每個(gè)系統(tǒng)最多可提供100千瓦粉末床的激光功率，是一般系統(tǒng)的100倍（最高可提升250倍），這些激光束能夠快速地來回移動(dòng)，高速精確地制造零件。現(xiàn)在，它們能為包括航空航天、半導(dǎo)體、國(guó)防和醫(yī)療植入物等領(lǐng)域在內(nèi)的企業(yè)客戶制造高科技部件。

值得一提的是，這些機(jī)器可以打印鈦和其他材料，整體結(jié)構(gòu)是密封的，里面的氣氛保護(hù)采用的是氬氣，這是反應(yīng)性最低的氣體之一，能夠減少導(dǎo)致零件缺陷和雜質(zhì)的產(chǎn)生。下面南極熊將具體介紹VulcanForms的技術(shù)發(fā)展和運(yùn)營(yíng)模式。



VulcanForms
馬薩諸塞州德文斯的3D打印鑄造廠位于波士頓西北約40英里處，由VulcanForms公司所有，這是一家依托于麻省理工學(xué)院的新公司。它現(xiàn)在已經(jīng)籌集了3.55億美元的風(fēng)險(xiǎn)資金。員工數(shù)量在過去一年里增加了六倍，達(dá)到360人，他們來自通用電氣和普惠公司等主要制造商以及谷歌和歐特克等科技公司。VulcanForms 的投資者包括 Eclipse Ventures、Stata Venture Partners、Fontinalis Partners、D1 Capital Partners、Standard Investments、Atlas Innovate、Boston Seed Capital、Industry Ventures 和 Simkins Family。

VulcanForms的聯(lián)合創(chuàng)始人、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授John Hart說"我們已經(jīng)證明了技術(shù)的有效性，現(xiàn)在的核心問題是公司的資金和運(yùn)營(yíng)管理�！蹦蠘O熊想說，這是必然的，資金和運(yùn)營(yíng)管理在技術(shù)的發(fā)展過程中也會(huì)發(fā)揮著重要的作用起。制造業(yè)專家、企業(yè)高管和投資者都認(rèn)為，對(duì)于起源于20世紀(jì)80年代的3D打印來說，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和投資趨勢(shì)對(duì)于3D打印的發(fā)展缺一不可。


△用3D打印機(jī)制造的零件可用于先進(jìn)電子設(shè)備的散熱。

3D打印發(fā)展

3D打印是指從頭開始，一層一層地制造東西。計(jì)算機(jī)引導(dǎo)激光束融化金屬、塑料或復(fù)合材料的粉末，以創(chuàng)造出這些層。而傳統(tǒng)的減材制造加工通常是切削材料，例如，鑄造一塊金屬，然后用機(jī)器或工具將零件切削成需要的形狀。McKinsey & Company.的制造專家Jörg Bromberger指出，3D打印，也叫增材制造，不再是少數(shù)消費(fèi)和工業(yè)產(chǎn)品的新奇技術(shù)，也不再是用于制作設(shè)計(jì)概念原型。它現(xiàn)在是一項(xiàng)開始提供工業(yè)級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量和批量打印的技術(shù)。增材制造也對(duì)環(huán)境友好，它比傳統(tǒng)制造業(yè)的鑄造、鍛造和切削成型中產(chǎn)生的浪費(fèi)要少得多。對(duì)于一些金屬零件，3D打印可以減少90%的材料成本，減少50%的能源。專家們指出，如果該技術(shù)能夠快速高效地進(jìn)行大批量生產(chǎn)，那么工業(yè)3D打印就有可能大幅削減制造專用零件的總費(fèi)用。

近年來，一些公司利用增材制造技術(shù)來制造專門的零件。General Electric依靠3D打印技術(shù)制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，Stryker公司制造脊柱植入物，Adidas公司為高端跑鞋打印格子鞋底。甚至還可以用3D打印制造牙科植入物和牙齒矯正裝置。在Covid-19大流行期間，3D打印機(jī)生產(chǎn)了緊急供應(yīng)的面罩和呼吸器部件。專家們指出，3D打印現(xiàn)在的潛力是極大的。根據(jù)制造服務(wù)市場(chǎng)Hubs的一份報(bào)告，到2026年，3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增加兩倍，達(dá)到近450億美元。

拜登政府希望通過3D打印來幫助引領(lǐng)美國(guó)制造業(yè)的復(fù)蘇。負(fù)責(zé)制造業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的總統(tǒng)特別助理伊麗莎白-雷諾茲（Elisabeth Reynolds）說，增材制造技術(shù)將與機(jī)器人和人工智能一起，成為 “21世紀(jì)現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)�！�


△VulcanForms的三維打印使用了比其他系統(tǒng)更多的激光束陣列

5月，拜登總統(tǒng)前往Cincinnati宣布了一項(xiàng) 名為"Additive Manufacturing Forward"的倡議，這是一項(xiàng)由白宮與主要制造商合作建立的倡議。五個(gè)最初公司成員，包括GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon and Lockheed Martin公司（這些公司正廣泛增加對(duì)增材制造的使用）承諾幫助其美國(guó)中小型供應(yīng)商采用3D打印制造技術(shù)。這項(xiàng)倡議旨在加速投資并建立一個(gè)更廣泛的增材制造應(yīng)用基礎(chǔ)。

VulcanForms：工廠即產(chǎn)品
VulcanForms是由哈特博士和他的一個(gè)研究生馬丁-費(fèi)爾德曼在2015年創(chuàng)立的。他們追求一種全新的3D打印方法，即使用比現(xiàn)有系統(tǒng)多很多的激光束陣列。這需要在激光光學(xué)、傳感器和軟件方面進(jìn)行創(chuàng)新，以使得各個(gè)激光束可以協(xié)調(diào)工作。

2017年，他們的研究已經(jīng)取得了足夠的進(jìn)展，他們可以建造一臺(tái)機(jī)器，但缺乏資金。最后，經(jīng)過不懈努力，他們從Eclipse Ventures獲得了200萬美元的種子輪投資。Eclipse的合伙人Greg Reichow回憶說，VulcanForms技術(shù)試圖解決3D打印的三個(gè)缺點(diǎn)：太慢、太貴和太多缺陷。


△一名員工正在準(zhǔn)備用于組裝VulcanForms 3D打印機(jī)的部件。

這家初創(chuàng)公司努力建造了第一臺(tái)機(jī)器，以證明其概念是可行的。后來在第一臺(tái)機(jī)器的基礎(chǔ)上，又研發(fā)了新的版本，這使得打印功能更強(qiáng)大并且打印零件更精確。VulcanForms說，現(xiàn)在推出的打印機(jī)的激光能量是大多數(shù)3D打印機(jī)的100倍，生產(chǎn)零件的速度也快了許多倍。這種打印技術(shù)是該公司的核心知識(shí)資產(chǎn)，受到幾十項(xiàng)專利的保護(hù)。但VulcanForms已決定不出售其機(jī)器，其戰(zhàn)略是成為需要定制零件的客戶的供應(yīng)商。這種做法使VulcanForms公司能夠控制整個(gè)制造過程，該公司正在自己建立制造過程的每個(gè)階段，制造自己的打印機(jī)，設(shè)計(jì)零件，進(jìn)行最終加工和測(cè)試。


△制造流程

首席執(zhí)行官的Feldmann先生：”如果我們要成功，必須要建立一套完整的數(shù)字制造流程，工廠就是產(chǎn)品�！�現(xiàn)在DEVENS,廠有六臺(tái)巨型打印機(jī)；到明年，預(yù)計(jì)將達(dá)到20臺(tái)。VulcanForms已經(jīng)為第二家工廠物色了四個(gè)地點(diǎn)。在五年內(nèi)，該公司希望有幾家3D打印工廠開始運(yùn)行。


△VulcanForms工廠有六臺(tái)巨型3D打印機(jī)，到明年應(yīng)該有20臺(tái)。

曾在通用電氣工作的Brent Brunell加入了VulcanForms，他是一名增材制造專家。Brent Brunell先生說，在3D打印中使用大型激光器陣列的概念并不新鮮，但以前沒有人真正做到這一點(diǎn)。在他加入VulcanForms公司并考察了其技術(shù)后，認(rèn)為VulcanForms有很明顯的優(yōu)勢(shì)，可以說VulcanForms在激光陣列打印的道路上向前邁進(jìn)了一大步。

普惠公司的前高級(jí)制造經(jīng)理，VulcanForms現(xiàn)在的運(yùn)營(yíng)主管Kip Wyman說：”工廠本身可以是一個(gè)強(qiáng)有力的招聘工具。我把應(yīng)聘者帶到這里，向他們直接展示機(jī)器，它們通常的反應(yīng)是想成為VulcanForms中的一員�！�

對(duì)于一些工業(yè)零件，僅靠3D打印是不夠的，需要進(jìn)行最后的熱處理和金屬加工。所以，VulcanForms在今年收購了Arwood Machine。Arwood是一家現(xiàn)代機(jī)械廠，主要為為戰(zhàn)斗機(jī)、水下無人機(jī)和導(dǎo)彈制造零件。在VulcanForms公司的領(lǐng)導(dǎo)下，未來幾年的計(jì)劃是讓Arwood公司的投資和勞動(dòng)力增加兩倍（目前有90人）。

VulcanForms是一家私營(yíng)公司，雖然沒有公開其收入，但它的銷售額正在迅速攀升，而訂單也在逐季增加十倍。VulcanForms銷售額的持續(xù)增長(zhǎng)主要是由于增加了像Cerebras這樣的客戶，該公司為人工智能應(yīng)用制造專門的半導(dǎo)體系統(tǒng)。去年，Cerebras公司向VulcanForms公司尋求幫助，為其強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理器制造一個(gè)復(fù)雜的水冷部件。


△水冷部件

這家半導(dǎo)體公司向VulcanForms發(fā)送了一份模型設(shè)計(jì)圖，這是一張由微小鈦管組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。Cerebras公司的首席執(zhí)行官Andrew Feldman回憶說，在48小時(shí)內(nèi)，VulcanForms公司就制造了一個(gè)零件，然后兩家公司的工程師根據(jù)原型實(shí)物進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，目前該冷卻系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。


△Dr. Hart and Mr. Feldmann在一臺(tái)三維打印機(jī)前的合影。

Feldmann先生說，現(xiàn)代3D打印使工程師能夠做出新的、復(fù)雜的設(shè)計(jì)，以提高性能。我們不可能用其他方式制造水冷部件，只能使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)如此復(fù)雜的零件。可以說增材制造讓我們重新思考如何制造東西，這改變了以往的制造思路和加工思路。