A impressão 3D vai além de suas raízes inovadoras

Devins, Massachusetts. As máquinas têm 20 pés de altura e pesam 60.000 libras e representam a fronteira tecnológica da impressão 3D.

Cada máquina implanta 150 feixes de laser, projetados a partir de um pórtico e movendo-se rapidamente para frente e para trás, produzindo peças de alta tecnologia para clientes corporativos em áreas como aeroespacial, semicondutores, defesa e implantes médicos.

Peças de titânio e outros materiais são criadas camada por camada, cada uma tão fina quanto um cabelo humano, até 20.000 camadas, dependendo do design da peça. As máquinas são seladas. No interior, a atmosfera consiste principalmente de argônio, que é o menos reativo dos gases, reduzindo a chance de impurezas causarem defeitos em parte.

A fundição de impressão 3D em Devins, Massachusetts, cerca de 64 quilômetros a noroeste de Boston, é de propriedade da Vulcan Forms, uma startup que surgiu do MIT. Ele levantou US $ 355 milhões em financiamento de projetos. Sua força de trabalho aumentou seis vezes no ano passado para 360, com recrutas de grandes fabricantes como General Electric, Pratt & Whitney e empresas de tecnologia como Google e Autodesk.

“Nós provamos nosso sucesso em tecnologia. O que temos para mostrar agora é que temos fortes finanças como empresa e que podemos gerenciar o crescimento”, disse John Hart, cofundador da VulcanForms e professor de engenharia mecânica no MIT.

Para a impressão 3D, que tem suas origens na década de 1980, as tendências tecnológicas, econômicas e de investimento podem finalmente estar em vigor para a penetração comercial do setor, de acordo com especialistas em manufatura, executivos de negócios e investidores.

Eles dizem que a impressão 3D, também chamada de manufatura aditiva, não é mais uma nova tecnologia para alguns produtos de consumo e industriais, ou para criar conceitos de design de protótipos.

“Agora é uma tecnologia que está começando a oferecer qualidade de produto de nível industrial e impressão de volume”, disse Jörg Bromberger, especialista em manufatura da McKinsey & Company. Ele é o principal autor de um relatório recente da empresa de consultoria intitulado, “Integrando a Manufatura Aditiva”.

A impressão 3D refere-se a fazer algo do zero, uma camada de cada vez. Lasers guiados por computador derretem pós de metal, plástico ou materiais compostos para criar as camadas. Na fabricação “subtrativa” tradicional, um bloco de metal, por exemplo, é fundido e parte dele é esculpido em uma forma usando máquinas-ferramentas.

Nos últimos anos, algumas empresas têm utilizado a tecnologia aditiva para fabricar peças especializadas. A General Electric confia na impressão 3D para fazer bicos de combustível para seus motores a jato, a Stryker faz implantes de coluna e a Adidas imprime uma sola de malha para seus tênis de corrida de alta qualidade. Implantes dentários e aparelhos ortodônticos são impressos em 3D. Durante a pandemia de Covid-19, as impressoras 3D produziram suprimentos de emergência de protetores faciais e peças de ventiladores.

Especialistas dizem que o potencial hoje é muito mais amplo do que uma gama relativa de produtos de nicho. O mercado de impressão 3D deve triplicar para quase US$ 45 bilhões em todo o mundo até 2026, de acordo com a Relatório por hubsMarketplace para Serviços de Manufatura.

O governo Biden está procurando a impressão 3D para ajudar a ressurgir a fabricação americana. Elizabeth Reynolds, assistente especial do presidente para manufatura e desenvolvimento econômico, disse que a tecnologia aditiva será uma das “bases da manufatura moderna no século 21”, junto com a robótica e a inteligência artificial.

Em maio, o presidente Biden viajou a Cincinnati para anunciar manufatura aditiva para a frente, Uma iniciativa coordenada pela Casa Branca em cooperação com grandes fabricantes. Os cinco membros iniciais da empresa – GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon e Lockheed Martin – estão aumentando o uso de manufatura aditiva e se comprometeram a ajudar seus fornecedores de pequeno e médio porte nos EUA a adotar a tecnologia.

Os compromissos voluntários visam acelerar o investimento e construir uma base nacional mais ampla de habilidades de manufatura aditiva. Como a impressão 3D é um processo de fabricação digital de alta tecnologia, dizem os funcionários da administração, ela desempenha um papel na força da América em software. Eles acrescentam que a fabricação adicional tornará a fabricação americana menos dependente da fundição e da metalurgia realizada no exterior, especialmente na China.

A manufatura aditiva também promete um bônus ambiental. É muito menos desperdício do que a fundição, forjamento e corte tradicionais. Para algumas peças de metal, a impressão 3D pode reduzir os custos de material em 90% e reduzir o uso de energia em 50%.

Especialistas dizem que a impressão 3D industrial tem o potencial de reduzir drasticamente o custo geral de fabricação de peças especializadas, se a tecnologia puder ser rápida e eficiente o suficiente para produzir em massa.

Formas Vulcanas Em 2015 por Dr. Hart e um de seus alunos de pós-graduação, Martin Feldman. Eles adotaram uma nova abordagem à impressão 3D que usa mais lasers do que os sistemas atuais. Serão necessárias inovações em óptica de laser, sensores e software para projetar a complexa coreografia de lasers.

Em 2017, eles haviam feito progresso suficiente para acreditar que poderiam construir uma máquina, mas precisariam do dinheiro para fazê-lo. A dupla se junta a Anupam Gildial, do Vale do Silício, um veterano em série que se tornou parte da equipe VulcanForms. Eles receberam uma rodada inicial de US $ 2 milhões de Eclipse Ventures.

A tecnologia VulcanForms, mencionou Greg Reichow, sócio da Eclipse, estava tentando resolver as três desvantagens da impressão 3D: muito lenta, muito cara e muito falha.

A startup lutou para construir a primeira máquina que provou que seu conceito era viável. Mas ela conseguiu no final. Versões posteriores ficaram maiores, mais fortes e mais refinadas.

A Vulcan Forms disse que suas impressoras agora geram 100 vezes a potência do laser da maioria das impressoras 3D e podem produzir peças muito mais rápido. Essa tecnologia de impressão é o principal ativo intelectual da empresa, protegido por dezenas de patentes.

Mas a VulcanForms decidiu não vender seus dispositivos. Sua estratégia é ser fornecedora de clientes que precisam de peças personalizadas.

Essa abordagem permite que o VulcanForms controle todo o processo de fabricação. Mas também compromete o fato de que o ecossistema de manufatura aditiva não existe. A própria empresa constrói cada etapa do processo de fabricação, fabrica suas próprias impressoras, projeta peças e faz usinagem e testes finais.

“Definitivamente, temos que fazer isso sozinhos – construindo uma gama completa de manufatura digital – se quisermos ter sucesso”, disse o Sr. Feldman, CEO. A fábrica é o produto.

A instalação de Devens inclui seis impressoras gigantes. A empresa disse que até o ano que vem serão 20. A VulcanForms explorou quatro locais para uma segunda planta. Dentro de cinco anos, a empresa espera estabelecer e operar várias fábricas de impressão 3D.

A estratégia do “faça você mesmo” também amplia o risco e o custo de uma startup. Mas a empresa convenceu uma lista de recrutas de alto nível de que o risco valia a pena.

Brent Brunell ingressou na VulcanForms no ano passado vindo da General Electric, onde era especialista em manufatura aditiva. Brunel disse que o conceito de usar grandes conjuntos de lasers na impressão 3D não é novo, mas ninguém fez isso antes. Depois de ingressar no VulcanForms e examinar sua tecnologia, ele disse: “Ficou claro que esses caras estavam na próxima arquitetura e tiveram uma operação bem-sucedida”.

Ao lado de cada máquina nas instalações do VulcanForms, um operador monitora seu desempenho por meio de um fluxo de dados de sensores e uma imagem de câmera dos lasers em ação, que são canalizados para um monitor de computador. O som de fábrica é um zumbido eletrônico baixo, muito parecido com um data center.

A própria planta pode ser uma ferramenta eficaz de recrutamento. “Traga-os aqui e mostre-lhes as máquinas”, disse Kip Wyman, ex-gerente sênior de fabricação da Pratt & Whitney, que é o diretor de operações da VulcanForms. A reação usual é: “Caramba, eu quero fazer parte disso.”

Para algumas peças industriais, a impressão 3D por si só não é suficiente. É necessário para o tratamento térmico final e fabricação de metal. Percebendo isso, o VulcanForms . máquina ao redor este ano.

Arwood é uma moderna oficina mecânica que trabalha principalmente para o Pentágono, fabricando peças para aviões de combate, drones e mísseis. Sob VulcanForms, o plano para os próximos anos é que a Arwood triplique seu investimento e força de trabalho, que atualmente inclui 90 pessoas.

VulcanForms, uma empresa privada, não divulga sua receita. Mas ela disse que as vendas aumentaram rapidamente, enquanto os pedidos aumentaram dez vezes trimestre a trimestre.

O crescimento sustentável da VulcanForms dependerá do aumento das vendas para clientes como Cérebrosque fabrica sistemas semicondutores especializados para aplicações de inteligência artificial. A Cerebras procurou o VulcanForms no ano passado para ajudar a fazer uma peça complexa para resfriar poderosos processadores de computador com água para resfriá-los.

A empresa de semicondutores enviou à VulcanForms um desenho de computador do conceito, uma intrincada rede de minúsculos tubos de titânio. Em 48 horas, o VulcanForms estava de volta com uma porção, lembra Andrew Feldman, CEO da Cerebras. Os engenheiros de ambas as empresas trabalharam em melhorias adicionais, e o sistema de refrigeração está agora em uso.

Acelerar o ritmo de experimentação e inovação é uma das promessas da manufatura aditiva. O Sr. Feldman disse que a impressão 3D moderna também permite que os engenheiros façam projetos novos e complexos que melhoram o desempenho. “Não poderíamos ter feito essa parte de resfriamento a água de outra maneira”, disse Feldman.

“A fabricação adicional nos permite repensar como construímos as coisas”, disse ele. “É onde estamos agora, e isso é uma grande mudança.”