The Economist - UK (2022-03-19)

(Antfer) #1

74 Science & technology The Economist March 19th 2022


3Dprinting

A Gutenberg moment


E


arlyformsofadditivemanufacturing,
or  3d printing  as  it  is  popularly  called,
began  to  emerge  in  the  1980s.  But  it  took
more  than  a  decade  for  the  technology  to
start  taking  off.  Initially,  it  was  used  to
make  prototypes.  Now,  intricate  compo­
nents  are  routinely  3d­printed  in  plastic
and  metal,  for  use  in  products  ranging
from jet engines and robots to cars.
Sales  of  3d­printing  services  and  ma­
chines  grew  by  more  than  17%  in  2021,  to
reach around $15bn, according to prelimi­
nary estimates for a report by Wohlers As­
sociates,  a  firm  that  tracks  the  industry.
However,  as  useful  as  additive  manufac­
turing has become, it struggles to compete
on  cost  and  speed  with  more  established
ways  of  making  things,  such  as  injecting
molten  plastic  into  moulds  or  stamping
out metal parts with a giant press. 
As a result, most manufacturers use 3d
printers to produce low­volume, high­val­
ue  parts.  The  extra  time  and  expense  this
takes  can  be  worth  it  for  certain  items.
Making things additively produces objects
layer by layer, so tricky internal structures
can be incorporated more easily into a de­
sign.  Shapes  can  also  be  optimised  for
strength  and  lightness,  saving  materials.
But what if these advantages could be had
at the speed and cost of conventional fac­
tory  processes?  A  new  form  of  additive
manufacturing aims to do just that. 
The origin of this process, trademarked
“Area Printing”, goes back to 2009. That was
when  James  DeMuth,  having  finished  his
master’s degree in mechanical engineering
at Stanford University, started work at the
National  Ignition  Facility,  part  of  the
American  Department  of  Energy’s  Law­
rence  Livermore  National  Laboratory
(llnl). This uses some of the world’s most
powerful lasers to study nuclear fusion. 
One  of  the  challenges  Mr  DeMuth  was
given was to find a way to use a highly spe­
cialised  type  of  steel  to  manufacture  a  12­
metre  wide  fusion  chamber  containing
many  complex  features.  He  considered  a
form  of  3dprinting,  called  Laser  Powder
Bed  Fusion  (l-pbf),  for  the  job.  This  em­
ploys  a  laser  beam  to  weld  together  parti­
cles  on  a  thin  bed  of  powdered  metal,  to
form the required shape of the object’s first
layer.  Then  more  powder  is  added  and  a
second  layer  is  welded  on  top  of  the  first.
And so on, until the item is complete. 
The problem is that, as with most other
forms of 3dprinting, there is an inverse re­

lationshipbetweenresolution, which gov­
erns the level of detail that can be printed,
and the speed of the process. Hence, some
large  components  with  fine  details  can
take days, if not months, to print. Produc­
ing the chamber looked as if it might take
decades.  l-pbfwas  clearly  unfeasible  for
such an application.
This got Mr DeMuth and a group of col­
leagues  thinking  about  how  to  speed
things  up  without  compromising  quality.
After  some  work,  they  started  using  a  de­
vice  called  an  optically  addressed  light
valve,  which  had  been  developed  at  llnl.
This  permits  a  pulsed  infrared  laser,  with
its beam shaped to have a square cross­sec­
tion,  to  be  patterned  with  a  high­resolu­
tion  image.  Working  a  bit  like  a  photo­
graphic  negative,  the  image  can  block  or
pass  light,  creating  millions  of  tiny  laser
spots, much like the pixels that make up a
digital image.
When  projected  onto  a  bed  of  powder,
this  patterned  laser  light  can  weld  a  com­
plete area in one go. Mr DeMuth likens the
process  to  producing  documents  with  a
printing press instead of writing them out
individually with a pen. 

Not such a dotty idea
In  2015  Mr  DeMuth  co­founded  Seurat
Technologies,  to  commercialise  the  tech­
nology.  This  Massachusetts­based  firm  is
named  after  Georges  Seurat,  a  post­im­
pressionist  French  artist  who  pioneered  a
painting  style  called  pointillism  that
builds pictures up from dots. Several com­
panies,  including  gmand  Volkswagen,  a

pair of carmakers, Siemens Energy, a divi­
sion of a large German group, and Denso, a
big Japanese components firm, have part­
nered with Seurat to explore the use of its
first prototype area­printing machine. 
This  prototype  produces  a  series  of
small,  patternable  squares  on  the  powder
bed.  Their  size  depends  on  the  material.
Aluminium  requires  15mm  squares.  Tita­
nium requires 13mm. Steel requires 10mm.
Individually,  these  squares  might  seem
small. But 40 of them can be printed adja­
cent to each other every second, so a large
area can be covered quickly. The prototype
was designed to work at this scale to keep
the size of the laser and the amount of en­
ergy it consumes to a practical level.
With the equivalent of 2.4m pixels pro­
jected  in  each  square,  the  machine  can
print  parts  with  layers  just  25  microns
(millionths of a metre) thick at a rate of 3kg
an hour. This is ten times faster than a typ­
ical  l-pbfmachine  at  such  a  fine  resolu­
tion, says Mr DeMuth. Production versions
of the area printer are now being built, and
future generations of the machine should
end up being 100 times faster.  
All  that,  says  Mr  DeMuth,  means  area
printing  will  be  competitive  with  mass­
production factory processes, such as ma­
chining,  stamping  and  casting.  As  an  ex­
ample,  he  believes  that  by  2030  it  will  be
possible  to  produce  silverware  (utensils
that  nowadays  are  made  from  stainless
steel) for $25 a kilo. “That means we could
actually print silverware cheaper than you
could stamp them out,” he adds.
Other  laser­based  3dprinters  are  get­
ting faster, too. l-pbfmachines, for exam­
ple,  may  be  fitted  with  several  beams—
though the complexity involved could lim­
it their number. And many non­laser ways
to print things are improving as well, using
all  manner  of  materials  to  make  items
ranging  from  buildings  to  bridges  to  bis­
cuits.  One  way  or  another,  then,  3dprint­
ing seems at last to be ready to givetradi­
tional factories a run for their money.n

A new approach to 3dprinting may bring it into the mainstream
Free download pdf