Kohlenstoffdrucke Erstaunliche Materialien

Mit seinem Hintergrund in Chemie hat CEO Joseph DeSimone einen völlig neuen Ansatz für die fortschrittliche Fertigung gewählt, der es Carbon, Nummer 18 auf unserer Liste der 50 intelligentesten Unternehmen, ermöglicht, Materialien mit einer breiten Palette nützlicher Eigenschaften zu drucken. Durch

• Katherine Bourzac Archivseite

27. Juni 2017

Leonard Greco

Ein eleganter mechanischer Arm taucht in Carbons Labor in Redwood City, Kalifornien, in eine Lache aus milchig grauer Tinte ein (siehe „50 smarteste Unternehmen 2017“). Der schwarze Arm bewegt sich langsam nach oben und zieht einen gitterförmigen Plastikwürfel aus der Wanne. glänzend und tintentriefend: ein großformatiges Modell der porösen Knochenstruktur.

Joseph DeSimone, CEO und Mitbegründer von Carbon, schaut zu. DeSimone, ein Polymerchemiker, half bei der Erfindung dieser Maschinen, und es macht ihm immer noch Spaß, ihnen beim Arbeiten zuzusehen. Es ist eine Form des 3D-Drucks, aber es wird auf eine neuartige Weise durchgeführt, die schneller ist als frühere Techniken und mit viel mehr Arten von Kunststoffen funktioniert. Die Art und Weise, wie der Drucker das Objekt Millimeter für Millimeter sanft aus dem Teich der milchigen Flüssigkeit zieht, erweckt die Illusion, dass eine bestehende Struktur entsteht. Tatsächlich ist die Flüssigkeit ein lichtempfindliches Vorläufermaterial; Ein Digitalprojektor projiziert kontinuierlich ultraviolettes Licht auf die Unterseite des Gitters, der erste von zwei Schritten, die das Material härten, um das Kunststoffobjekt zu bilden.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2017

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Mit seinem Verfahren zum schnellen Drucken von Objekten mit Hochleistungspolymeren wie Polyurethanen und Epoxiden verfolgt der vierjährige Carbon einen Ansatz, der sich grundlegend von anderen Methoden des 3-D-Drucks unterscheidet, bei denen Kunststoffschichten einzeln aufgetragen werden. Das schränkt die Qualität vieler 3-D-gedruckter Produkte ein, aber Carbon stellt ein Objekt in einem kontinuierlichen Prozess her und vermeidet einige typische Probleme. DeSimone sagt, dass seine Technologie es Carbon ermöglicht, Polymerobjekte schnell zu drucken, in einigen Fällen tausendmal schneller als andere 3-D-Drucker, und eine breitere Palette von Materialien zu verwenden, einschließlich gummiartiger Elastomere und haltbarer, harter Kunststoffe.

Der Adidas Futurecraft 4D enthält von Carbon gedruckte Zwischensohlen.

Die Technologie für den 3-D-Druck gibt es seit den 1980er Jahren; Fans waren fasziniert von der Möglichkeit, auf einfache Weise Objekte mit komplexen Strukturen zu erzeugen, die mit anderen Techniken nicht hergestellt werden können, und Objekte wie medizinische Geräte oder Kleidung so einfach zu personalisieren, wie verschiedene Bilder auf ein Blatt Papier gedruckt werden können. Zwei Herausforderungen haben den 3D-Druck jedoch zu einer Nischentechnologie gemacht: seine langsame Geschwindigkeit und die begrenzte Auswahl an Materialien, für die er geeignet ist. Kürzlich haben Unternehmen wie HP, das 3-D-Drucker zur Herstellung hochfester Nylonteile verkauft, und Desktop Metal (siehe Der 3-D-Drucker, der die Fertigung endgültig verändern könnte) versucht, diese Technologie zu entwickeln relevanter für die Fertigung, indem die Geschwindigkeit erhöht und industriell wünschenswerte Materialien verwendet werden. Carbon gesellt sich zu diesem zunehmend überfüllten Feld. Mit Unterstützung von 222 Millionen US-Dollar von Investoren wie GE Ventures und Google Ventures von Alphabet hat das Unternehmen einen Prozess entwickelt, den es als digitale Lichtsynthese und nicht als 3-D-Druck bezeichnet, um auf seine neuartige Chemie anzuspielen.

Die Behauptung von DeSimone, dass der 3-D-Druck endlich bereit ist, kundenspezifische Teile in Massenproduktion herzustellen, wird durch die wachsende Liste zahlender Kunden von Carbon glaubwürdiger. Das Volumen und die Geschwindigkeit, die wir mit der bahnbrechenden digitalen Lichtsynthese von Carbon erreichen können, sind beispiellos, sagt Paul Gaudio, der globale Kreativdirektor von Adidas. Es ist fast magisch. Adidas probierte andere 3-D-Drucker aus, um maßgeschneiderte Schuhe für den Massenmarkt herzustellen, aber keiner von ihnen konnte in großem Maßstab betrieben werden. Jetzt wird es die Technologie von Carbon verwenden, um Elastomer-Zwischensohlen für Sportschuhe herzustellen, beginnend mit 5.000 Paar in diesem Herbst und Winter. Das Unternehmen hofft, bis 2021 Millionen von Schuhen drucken zu können, darunter auch maßgeschneiderte Modelle. Andere Kunden nutzen die Technologie von Carbon, um Teile für Elektromotorräder, Serverfarmen und Kühlsysteme zu drucken, die alle nur schwer oder gar nicht herzustellen waren mit anderen Methoden.

Mischen von Polymeren

Bevor er 2013 Carbon gründete, verbrachte DeSimone mehr als 20 Jahre als Polymerchemiker an der University of North Carolina. Im Jahr 2012, als der 3D-Druck bei Hackern mit Desktop-Modellen immer beliebter wurde, erhielt er einen Anruf von Alex Ermoshkin, einem ehemaligen Studenten und Angestellten eines Arzneimittellieferanten, den DeSimone Anfang der 2000er Jahre gegründet hatte. Ermoshkin kam mit einer Geschäftsidee zu ihm: Wäre er daran interessiert, ein Unternehmen zu gründen, um billigere 3-D-Drucker zu bauen?

DeSimone, der einige Erfahrung mit der Technologie hatte, war fasziniert. Er schlug Ermoshkin vor, eine Patentrecherche durchzuführen, um zu sehen, was auf dem Gebiet fehlte. Ermoshkin fand viele Beschreibungen von Möglichkeiten, dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht zu drucken, einige verwendeten UV-Licht, um chemische Bausteine ​​zu verbinden und sie zu Polymeren zu härten. Die Stereolithographie ist eines der ursprünglichen 3-D-Druckverfahren, war jedoch immer durch die Eigenschaften solcher UV-härtbarer Kunststoffe begrenzt, die weder Haltbarkeit noch Flexibilität beinhalteten. Außerdem neigten die in Schichten gebildeten resultierenden Produkte dazu, schwach zu sein. Stereolithographie ist nützlich für die Herstellung von Prototypen, aber nicht für endgültige Teile. Außerdem waren die Drucker sehr langsam und brauchten Stunden oder sogar Tage, um große Objekte herzustellen.

Die beiden begannen darüber nachzudenken, wie man ohne Unterbrechung druckt. Inspiriert wurden sie laut DeSimone von dem Bild des humanoiden T-1000-Roboters, der sich im Film von 1991 aus einer Pfütze metallischer Flüssigkeit erhebt, um auf zwei Beinen zu stehen Terminator 2: Tag der Abrechnung. In dem System, das DeSimone und Ermoshkin sich vorgestellt haben, würden Lichtmuster in das Bad projiziert, wie Bilder auf einer Kinoleinwand, wenn sich der Druckerarm nach oben bewegt. Als das Licht das Material härtete, formte sich das Objekt kontinuierlich.

Zu den kniffligen Herausforderungen, die das Team lösen musste, gehörte, wie verhindert werden kann, dass Gegenstände am Boden der Wanne haften bleiben. DeSimone fand die Lösung: ein sauerstoffdurchlässiges Fenster, das sich zunutze macht, dass derartige UV-ausgelöste Reaktionen durch Sauerstoff gestoppt werden. Es ist ein kleines Detail, aber ein kritisches.

Laut Jason Rolland, Vice President of Materials bei Carbon, hat sich das Unternehmen darauf konzentriert, die Einschränkungen von UV-härtbaren Polymeren zu überwinden und Mischungen zu entwickeln, die eine breite Palette von Eigenschaften bieten. Das System kann nun mit 12 Materialklassen drucken — manche haltbar, manche dehnbar oder matschig, manche können schwere Gewichte tragen. Einer, ein Cyanatester, der Temperaturen von bis zu 231 °C standhalten kann, eignet sich für die Herstellung von Automobil- und Luft- und Raumfahrtteilen. Eine andere Klasse, Elastomere, umfasst die matschigen Materialien, die Adidas verwendet. DeSimone sieht einen App-Store für Harze vor, aus dem die Kunden des Unternehmens drucken können, was sie benötigen.

Hochskalieren

Carbon arbeitete mit Adidas an 150 verschiedenen Iterationen des Elastomers in seinem neuen Schuh, der eine gedruckte Mittelsohle mit Gitterstruktur verwendet. Die mechanischen Eigenschaften der Struktur können maßgeschneidert werden, indem das Muster der Löcher und Streben des Gitters geändert wird, wodurch die Personalisierung auf einen Massenmaßstab gebracht wird.

In der Lobby von Carbon zeigt ein großer Bildschirm den Betriebsstatus aller Drucker an, sowohl vor Ort als auch beim Kunden. Das Unternehmen verkauft die Geräte im Abonnementmodell und arbeitet dann mit den Kunden zusammen, um die richtigen Materialien und Designs auszuwählen. Etwa alle sechs Wochen verschickt Carbon Software-Updates auf der Grundlage dessen, was es in der Praxis sieht — eine Taktik, die von Tesla, dem ehemaligen Arbeitgeber von Craig Carlson, dem VP of Engineering von Carbon, inspiriert wurde. Carbon entwickelt jetzt eine Software für maschinelles Lernen, um das optimale Druckdesign und die optimalen Parameter für ein bestimmtes Produkt zu generieren. Wir wollen die Probleme sehen, bevor wir drucken, sagt DeSimone.

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