Pencetakan 3-D Tumbuh Melampaui Akar Kebaruannya

DEVENS, Mass. — Mesin-mesin itu berdiri setinggi 20 kaki, beratnya 60.000 pon dan mewakili batas teknologi pencetakan 3-D.

Setiap mesin menyebarkan 150 sinar laser, diproyeksikan dari gantry dan bergerak cepat bolak-balik, membuat suku cadang berteknologi tinggi untuk pelanggan korporat di berbagai bidang termasuk kedirgantaraan, semikonduktor, pertahanan, dan implan medis.

Bagian dari titanium dan bahan lainnya dibuat lapis demi lapis, masing-masing setipis rambut manusia, hingga 20.000 lapis, tergantung pada desain bagian. Mesin tertutup rapat. Di dalam, atmosfer terutama argon, gas yang paling tidak reaktif, mengurangi kemungkinan pengotor yang menyebabkan cacat pada suatu bagian.

Pengecoran pencetakan 3-D di Devens, Mass., sekitar 40 mil barat laut Boston, dimiliki oleh VulcanForms, sebuah perusahaan rintisan yang lahir dari Massachusetts Institute of Technology. Ini telah mengumpulkan $ 355 juta dalam pendanaan ventura. Dan tenaga kerjanya telah melonjak enam kali lipat pada tahun lalu menjadi 360, dengan merekrut dari produsen besar seperti General Electric dan Pratt & Whitney dan perusahaan teknologi termasuk Google dan Autodesk.

“Kami telah membuktikan bahwa teknologi ini bekerja,” kata John Hart, salah satu pendiri VulcanForms dan profesor teknik mesin di MIT “Apa yang harus kami tunjukkan sekarang adalah keuangan yang kuat sebagai perusahaan dan bahwa kami dapat mengelola pertumbuhan.”

Untuk pencetakan 3-D, yang berasal dari tahun 1980-an, tren teknologi, ekonomi, dan investasi mungkin akhirnya akan jatuh ke tempatnya untuk pelarian komersial industri, menurut pakar manufaktur, eksekutif bisnis, dan investor.

Mereka mengatakan pencetakan 3-D, juga disebut manufaktur aditif, bukan lagi teknologi baru untuk beberapa produk konsumen dan industri, atau untuk membuat konsep desain prototipe.

“Sekarang teknologi yang mulai memberikan kualitas produk kelas industri dan pencetakan dalam volume,” kata Jörg Bromberger, pakar manufaktur di McKinsey & Company. Dia adalah penulis utama laporan terbaru oleh perusahaan konsultan berjudul, “Pengarusutamaan Manufaktur Aditif.”

Pencetakan 3-D mengacu pada membuat sesuatu dari bawah ke atas, satu lapis pada satu waktu. Sinar laser yang dipandu komputer melelehkan bubuk logam, plastik, atau material komposit untuk membuat lapisan. Dalam manufaktur “subtraktif” tradisional, sebuah balok logam, misalnya, dicor dan kemudian sebagian diukir menjadi bentuk dengan peralatan mesin.

Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa perusahaan telah menggunakan teknologi aditif untuk membuat suku cadang khusus. General Electric mengandalkan pencetakan 3-D untuk membuat nozel bahan bakar untuk mesin jet, Stryker membuat implan tulang belakang dan Adidas mencetak sol berkisi untuk sepatu lari kelas atas. Implan gigi dan perangkat pelurus gigi dicetak 3D. Selama pandemi Covid-19, printer 3-D memproduksi pasokan darurat pelindung wajah dan suku cadang ventilator.

Saat ini, para ahli mengatakan, potensinya jauh lebih luas daripada segelintir produk khusus. Pasar pencetakan 3-D diperkirakan akan meningkat tiga kali lipat menjadi hampir $45 miliar di seluruh dunia pada tahun 2026, menurut sebuah laporan oleh Hubs, sebuah pasar untuk layanan manufaktur.

Administrasi Biden mencari pencetakan 3-D untuk membantu memimpin kebangkitan manufaktur Amerika. Teknologi aditif akan menjadi salah satu “dasar manufaktur modern di abad ke-21,” bersama dengan robotika dan kecerdasan buatan, kata Elisabeth Reynolds, asisten khusus presiden untuk manufaktur dan pengembangan ekonomi.

Pada bulan Mei, Presiden Biden melakukan perjalanan ke Cincinnati untuk mengumumkan Additive Manufacturing Forward, sebuah inisiatif yang dikoordinasikan oleh Gedung Putih bekerja sama dengan produsen besar. Lima anggota korporat awal — GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon, dan Lockheed Martin — meningkatkan penggunaan manufaktur aditif mereka dan berjanji untuk membantu pemasok kecil dan menengah mereka di Amerika mengadopsi teknologi tersebut.

Komitmen sukarela dimaksudkan untuk mempercepat investasi dan membangun basis domestik yang lebih luas dari keterampilan manufaktur aditif. Karena pencetakan 3-D adalah proses manufaktur digital berteknologi tinggi, pejabat administrasi mengatakan, ini memainkan kekuatan Amerika dalam perangkat lunak. Manufaktur aditif, tambah mereka, akan membuat manufaktur Amerika tidak terlalu bergantung pada pengecoran dan pengerjaan logam yang dilakukan di luar negeri, terutama di China.

Manufaktur aditif juga menjanjikan bonus lingkungan. Ini jauh lebih boros daripada pengecoran, penempaan dan pemotongan manufaktur tradisional. Untuk beberapa bagian logam, pencetakan 3-D dapat memangkas biaya bahan hingga 90 persen dan mengurangi penggunaan energi hingga 50 persen.

Pencetakan 3-D industri, kata para ahli, berpotensi secara substansial memangkas total biaya pembuatan suku cadang khusus, jika teknologinya dapat dibuat dengan cepat dan cukup efisien untuk produksi volume tinggi.

VulcanForms didirikan pada tahun 2015 oleh Dr. Hart dan salah satu mahasiswa pascasarjananya, Martin Feldmann. Mereka mengejar fresh pendekatan untuk pencetakan 3-D yang menggunakan susunan lebih banyak sinar laser daripada sistem yang ada. Dibutuhkan inovasi dalam optik laser, sensor, dan perangkat lunak untuk membuat koreografi tarian sinar laser yang rumit.

Pada tahun 2017, mereka telah membuat kemajuan yang cukup untuk berpikir bahwa mereka dapat membangun sebuah mesin, tetapi akan membutuhkan uang untuk melakukannya. Pasangan itu, bergabung dengan Anupam Ghildyal, seorang veteran start-up serial yang telah menjadi bagian dari tim VulcanForms, pergi ke Silicon Valley. Mereka mendapatkan putaran benih $ 2 juta dari Eclipse Ventures.

Teknologi VulcanForms, kenang Greg Reichow, mitra di Eclipse, mencoba mengatasi tiga kekurangan pencetakan 3-D: terlalu lambat, terlalu mahal, dan terlalu banyak cacat.

Start-up berjuang untuk membangun mesin pertama yang membuktikan konsepnya bisa diterapkan. Tapi akhirnya berhasil. Dan versi yang lebih baru tumbuh lebih besar, lebih kuat, dan lebih tepat.

Printernya, kata VulcanForms, sekarang menghasilkan energi laser 100 kali lipat dari kebanyakan printer 3-D, dan dapat menghasilkan suku cadang berkali-kali lebih cepat. Teknologi cetak itu adalah aset intelektual inti perusahaan, yang dilindungi oleh lusinan paten.

Tetapi VulcanForms telah memutuskan untuk tidak menjual mesinnya. Strateginya adalah menjadi pemasok bagi pelanggan yang membutuhkan suku cadang yang dibuat khusus.

Pendekatan itu memungkinkan VulcanForms untuk mengontrol seluruh proses manufaktur. Tetapi ini juga merupakan konsesi terhadap kenyataan bahwa ekosistem manufaktur aditif kurang. Perusahaan sedang membangun setiap tahap proses manufaktur itu sendiri, membuat printer sendiri, merancang suku cadang, melakukan pemesinan dan pengujian akhir.

“Kami benar-benar harus melakukannya sendiri — membangun tumpukan penuh manufaktur digital — jika kami ingin berhasil,” kata Mr. Feldmann, yang merupakan kepala eksekutif. “Pabrik adalah produknya.”

Fasilitas Devens memiliki enam printer raksasa. Pada tahun depan, harus ada 20, kata perusahaan itu. VulcanForms telah mencari empat lokasi untuk pabrik kedua. Dalam lima tahun, perusahaan berharap untuk memiliki beberapa pabrik pencetakan 3-D dan berjalan.

Strategi do-it-yourself juga memperbesar risiko dan biaya untuk memulai. Tetapi perusahaan telah meyakinkan daftar rekrutan terkenal bahwa risikonya sepadan.

Brent Brunell bergabung dengan VulcanForms tahun lalu dari General Electric, di mana dia menjadi ahli manufaktur aditif. Konsep menggunakan array besar laser dalam pencetakan 3-D bukanlah hal baru, kata Pak Brunell, tetapi belum ada yang benar-benar melakukannya sebelumnya. Setelah dia bergabung dengan VulcanForms dan memeriksa teknologinya, dia berkata, “jelas orang-orang ini memasuki arsitektur berikutnya, dan mereka memiliki proses yang berhasil.”

Di samping setiap mesin di fasilitas VulcanForms, seorang operator memantau kinerjanya dengan aliran data sensor dan gambar kamera dari sinar laser di tempat kerja, yang disalurkan ke layar komputer. Suara pabrik adalah dengungan elektronik rendah, seperti pusat data.

Pabrik itu sendiri bisa menjadi alat perekrutan yang ampuh. “aku membawa mereka ke sini dan menunjukkan mesinnya kepada mereka,” kata Kip Wyman, mantan manajer manufaktur senior di Pratt & Whitney, yang merupakan kepala operasi di VulcanForms. “Reaksi yang biasa adalah, ‘Heck, aku ingin menjadi bagian dari itu.’”

Untuk beberapa bagian industri, pencetakan 3-D saja tidak cukup. Perlakuan panas akhir dan pemesinan logam diperlukan. Menyadari hal itu, VulcanForms mengakuisisi Arwood Machine tahun ini.

Arwood adalah toko mesin modern yang sebagian besar bekerja untuk Pentagon, membuat suku cadang untuk jet tempur, drone bawah air, dan rudal. Di bawah VulcanForms, rencananya dalam beberapa tahun ke depan Arwood akan melipatgandakan investasi dan tenaga kerjanya, saat ini 90 orang.

VulcanForms, sebuah perusahaan swasta, tidak mengungkapkan pendapatannya. Namun dikatakan penjualan meningkat pesat, sementara pesanan meningkat sepuluh kali lipat kuartal demi kuartal.

Pertumbuhan berkelanjutan untuk VulcanForms akan bergantung pada peningkatan penjualan kepada pelanggan seperti Cerebras, yang membuat sistem semikonduktor khusus untuk aplikasi kecerdasan buatan. Cerebras mencari VulcanForms tahun lalu untuk bantuan membuat bagian yang kompleks untuk pendingin air prosesor komputer yang kuat.

Perusahaan semikonduktor mengirimkan VulcanForms gambar desain komputer dari konsep tersebut, jaringan rumit tabung titanium kecil. Dalam 48 jam VulcanForms telah kembali dengan sebuah bagian, kenang Andrew Feldman, kepala eksekutif Cerebras. Insinyur untuk kedua perusahaan bekerja pada penyempurnaan lebih lanjut, dan sistem pendingin sekarang digunakan.

Mempercepat laju eksperimen dan inovasi adalah salah satu janji manufaktur aditif. Tetapi pencetakan 3-D modern, kata Mr. Feldman, juga memungkinkan para insinyur membuat desain baru yang kompleks yang meningkatkan kinerja. “Kami tidak bisa membuat bagian pendingin air itu dengan cara lain,” kata Mr. Feldman.

“Manufaktur aditif memungkinkan kami memikirkan kembali bagaimana kami membangun sesuatu,” katanya. “Di situlah kita sekarang, dan itu adalah perubahan besar.”