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)模化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(wàn)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(lái)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(guò)去一年里增加了六倍，達(dá)到360人，他們來(lái)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(shuō)"我們已經(jīng)證明了技術(shù)的有效性，現(xiàn)在的核心問(wèn)題是公司的資金和運(yùn)營(yíng)管理�！蹦蠘O熊想說(shuō)，這是必然的，資金和運(yùn)營(yíng)管理在技術(shù)的發(fā)展過(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)，一些公司利用增材制造技術(shù)來(lái)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(guò)3D打印來(lái)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(shuō)，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(guò)不懈努力，他們從Eclipse Ventures獲得了200萬(wàn)美元的種子輪投資。Eclipse的合伙人Greg Reichow回憶說(shuō)，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(lái)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(shuō)，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(guò)程，該公司正在自己建立制造過(guò)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(shuō)，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(shuō)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(shuō)：”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(gòu)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(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈制造零件。在VulcanForms公司的領(lǐng)導(dǎo)下，未來(lái)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(shuō)，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(shuō)，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(shuō)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。